DE102010037856A1

DE102010037856A1 - Elektronisches Phantom und Verfahren zum elektronischen Steuern eines Phantoms für eine quantitative Ultraschallvorrichtung

Info

Publication number: DE102010037856A1
Application number: DE102010037856A
Authority: DE
Inventors: Richard Franklin Edgerton Morris; Steven Taylor Indianapolis Morris
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2011-03-31
Also published as: US20110076659A1; US8438900B2; CN102028497A; JP5723129B2; JP2011072780A

Abstract

Geschaffen sind ein elektronisches Phantom (20, 50) und ein Verfahren (60) zum elektronischen Steuern eines Phantoms für eine quantitative Ultraschallvorrichtung (22). Das elektronische Phantom umfasst ein Gehäuse (52), ein in dem Gehäuse angeordnetes erstes Wandlerelement (30), das dazu eingerichtet ist, ein Ultraschallsignal von einer quantitativen Ultraschallvorrichtung aufzunehmen, und ein in dem Gehäuse angeordnetes zweites Wandlerelement (42), das mit dem ersten Wandlerelement verbunden ist. Das zweite Wandlerelement ist dazu eingerichtet, auf der Grundlage des empfangenen Ultraschallsignals eine modifizierte Ultraschallwelle zu der quantitativen Ultraschallvorrichtung zu senden. Das erste und zweite Wandlerelement sind in dem Gehäuse in einer gegensinnigen Parallelschaltung angeordnet.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die hierin beschriebene Erfindung betrifft allgemein medizindiagnostische Systeme und spezieller quantitative Ultraschall-(QUS)-Vorrichtungen.
QUS-Vorrichtungen wie Ultraschalldensitometer und Ultraschallmessgeräte nutzen Ultraschallwellen, um Knochenunversehrtheit zu messen. Eine Gültigkeitsprüfung von QUS-Vorrichtungen ist eine wichtige Funktion, um fortlaufend einwandfreie Messwerte zu gewährleisten, die eine sichere Diagnose ermöglichen. QUS-Vorrichtungen müssen über Jahre hinweg stabil bleiben, um das Fortschreiten von Osteoporose richtig einzuschätzen oder Therapien zu überwachen. Daher müssen Messparameter wie die Schallgeschwindigkeit (SOS, Speed Of Sound), die auch als Laufzeit bezeichnet wird, und Breitbandultraschalldämpfung (BUA, Broadband Ultrasonic Attenuation) über die Zeit hinweg fehlerlos gemessen werden.
QUS-Phantome werden verwendet, um die Stabilität einer QUS-Vorrichtung zu überwachen. Herkömmliche QUS-Phantome benutzen für die Dämpfung von Signalen stabile und wohl definierte Flüssigkeiten, beispielsweise Wasser. Andere herkömmliche QUS-Phantome verwenden ein festes Material, das bekannte Ultraschalleigenschaften aufweist, beispielsweise Gummi. Keines dieser QUS-Phantome simuliert Knochenmorphometrie zufriedenstellend. Dementsprechend ahmen die Wechselwirkungen zwischen der von der QUS-Vorrichtung ausgegebenen Schallwelle und dem Phantom Knochen nicht nach, was möglicherweise zu Simulationen mangelnder Genauigkeit führt. Darüber hinaus dämpfen Flüssigkeiten wie Wasser nur mäßig, so dass die QUS-Vorrichtung bei einer minimalen Leistung arbeitet. Die festen Phantome weisen außerdem Alterungseffekte auf. Beispielsweise sind Materialien mit guten BUA-Eigenschaften gewöhnlich gummiartig. Ein typisches für QUS-Phantome verwendetes Material ist Neopren. Mit zunehmendem Alter des Neoprenmaterials, tritt mehr Vernetzung zwischen den Molekülen in dem Material auf. Diese Vernetzung bewirkt eine Verhärtung des Materials und Änderungen der akustischen Eigenschaften. Die Änderung der Härte des Materials mindert daher die Einsetzbarkeit des QUS-Phantoms für eine Langzeitüberwachung. Darüber hinaus weisen sowohl die Wasser- als auch die Feststoff-QUS-Phantome durch Temperatur induzierte Abweichungen oder Wertänderungen auf.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein elektronisches Phantom für eine quantitative Ultraschallvorrichtung geschaffen. Zu dem elektronischen Phantom gehören ein Gehäuse, ein in dem Gehäuse angeordnetes erstes Wandlerelement, das dazu eingerichtet ist, ein Ultraschallsignal von einer quantitativen Ultraschallvorrichtung aufzunehmen, und ein in dem Gehäuse angeordnetes zweites Wandlerelement, das mit dem ersten Wandlerelement verbunden ist. Das zweite Wandlerelement ist dazu eingerichtet, auf der Grundlage des empfangenen Ultraschallsignals eine modifizierte Ultraschallwelle zu der quantitativen Ultraschallvorrichtung zu senden. Das erste und zweite Wandlerelement sind in dem Gehäuse in einer gegensinnigen Parallelschaltung angeordnet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein elektronisches Phantom für eine quantitative Ultraschallvorrichtung geschaffen. Zu dem elektronischen Phantom gehören ein Eingang, um ein Ultraschallsignal von einer quantitativen Ultraschallvorrichtung entgegen zu nehmen, und ein mit dem Eingang verbundenes Signalmodifikationsmodul. Das Signalmodifikationsmodul ist dazu eingerichtet, eine oder mehrere akustische Eigenschaften eines Knochens nachzuahmen. Das elektronische Phantom weist ferner einen Ausgang auf, der mit dem Signalmodifikationsmodul verbunden ist, um ein modifiziertes Ultraschallsignal zu übertragen, das auf der nachgeahmten akustischen Eigenschaft basiert.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum elektronischen Nachahmen eines Knochen für den Einsatz in einem Phantomtesten einer quantitativen Ultraschallvorrichtung vorgesehen. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Bestimmen einer oder mehrerer akustischer Eigenschaften eines nachzuahmenden Knochens; und Modulieren eines von der quantitativen Ultraschallvorrichtung her empfangenen Ultraschallsignals, das auf den ermittelten akustischen Eigenschaften basiert. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt des Sendens des modulierten Ultraschallsignals zu der quantitativen Ultraschallvorrichtung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht in einem vereinfachten Blockschaltbild ein gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen konstruiertes elektronisches Phantom für den Einsatz in einer quantitativen Ultraschall-(QUS)-Vorrichtung.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen konstruierten elektronischen Phantoms.
3 zeigt eine anschauliche Darstellung eines gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen konstruierten elektronischen Phantoms.
4 zeigt in einem Flussdiagramm ein Verfahren zum elektronischen Nachahmen eines Knochens gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen.
5 veranschaulicht in einer Tabelle Modulationseigenschaften für verschiedene simulierte Knochenbeschaffenheiten, die gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
6 veranschaulicht in einem Signaldiagramm eine anhand eines Ultraschallpulses gebildete modulierte Welle gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen und eine Antwort von einer QUS-Vorrichtung.
7 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine QUS-Vorrichtung, die in Zusammenhang mit einem Phantom gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen genutzt werden kann.
8 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht einer QUS-Vorrichtung, die in Zusammenhang mit einem Phantom gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen genutzt werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorausgehende Kurzbeschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele werden nach dem Lesen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher. Soweit die Figuren Diagramme der funktionalen Blöcke vielfältiger Ausführungsbeispiele veranschaulichen, kennzeichnen die funktionalen Blöcke nicht notwendig die Aufteilung der Hardwareschaltung. Eine oder mehrere funktionale Blöcke (z. B. Prozessoren oder Speicher) können in einer einzigen Hardwarekomponente (z. B. einem Universal-Signalprozessor oder RAM-Speicher, einer Festplatte, oder dgl.) oder in mehreren Hardwareelementen verwirklicht sein. In ähnlicher Weise können die Programme auf eigenständigen Programmen basieren, können als Unterprogramme in einem Betriebssystem verwendet werden, oder können Funktionen in einem installierten Softwarepaket und dergleichen sein. Es ist selbstverständlich, dass die vielfältigen Ausführungsbeispiele nicht auf die in den Figuren gezeigten Anordnungen und Funktionalitäten beschränkt sind.
In dem hier verwendeten Sinne sollte ein im Singular erwähntes Element bzw. Schritt, dem der unbestimmte Artikel vorangestellt ist, in dem Sinne verstanden werden, dass die Mehrzahl des Elements bzw. Schrittes nicht ausgeschlossen ist, es sei den ein derartiger Ausschluss ist ausdrücklich festgestellt. Weiter sind Bezüge auf ”ein Ausführungsbeispiel” nicht als Ausschluss der Existenz zusätzlicher, die aufgeführten Merkmale ebenfalls beinhaltender Ausführungsbeispiele zu interpretieren. Darüber hinaus können Ausführungsbeispiele, die ein oder mehrere Elemente mit einer speziellen Eigenschaft ”aufweisen” oder ”enthalten”, wenn nicht ausdrücklich anders lautend festgestellt, weitere derartige Elemente beinhalten, die diese Eigenschaft nicht aufweisen.
Ausführungsbeispiele eines elektronischen Phantoms für den Einsatz in einer quantitativen Ultraschall-(QUS)-Vorrichtung, z. B. einem Ultraschallknochendensitometer oder Ultraschallmessgerät, sind im Folgenden detailliert erläutert. Vielfältige Ausführungsbeispiele schaffen eine elektronische Vorrichtung und/oder elektronische Steuerung eines Phantoms, die es erlauben, einen Ultraschallpuls zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger einer QUS-Vorrichtung zu modifizieren. Das elektronische Phantom ahmt mittels der Elektronik einen Knochen nach und kann es außerdem ermöglichen, die Knochenbeschaffenheit oder die Eigenschaften des nachgeahmten Knochens zu verändern. Das elektronische Phantom kann in Verbindung mit jeder QUS-Vorrichtung genutzt werden, beispielsweise dem Ultraschallmessgerät Lunar Achillies, das von GE Healthcare beziehbar ist, oder anderen Ultraschallknochendensitometern.
Speziell schaffen vielfältige Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie in 1 gezeigt, ein elektronisches Phantom 20, das dazu eingerichtet ist, die Beschaffenheit oder Eigenschaften von Knochen nachzuahmen, beispielsweise die akustischen Eigenschaften eines (auch als Calcaneus bezeichneten) menschlichen Fersenbeins. Das elektronische Phantom 20 kann in Verbindung mit einer QUS-Vorrichtung 22 verwendet werden, um beispielsweise den Betriebszustand der QUS-Vorrichtung 22 einzuschätzen oder zu testen. In vielfältigen Ausführungsbeispielen enthält die QUS-Vorrichtung 22 eine Sendewandlermatrix 24 und eine Empfangswandlermatrix 26, wobei das elektronische Phantom 20 dazwischen angeordnet ist. Spezieller ist das elektronische Phantom 20 in einem Ultraschallsignalpfad zwischen der Sendewandlermatrix 24 und der Empfangswandlermatrix 26 angeordnet. Es ist zu beachten, dass die Sendewandlermatrix 24 und die Empfangswandlermatrix 26 ein oder mehrere Wandlerelemente beinhalten können.
Die Abstrahlung und der Empfang von Ultraschallpulsen durch die QUS-Vorrichtung 22 werden verwendet, um die physikalischen Eigenschaften eines zwischen der Sendewandlermatrix 24 und der Empfangswandlermatrix 26 angeordneten Objekts zu erfassen, beispielsweise eines Knochens einer menschlichen Ferse. Beispielsweise ist die QUS-Vorrichtung 22 dazu eingerichtet, die Unversehrtheit und/oder Dichte des Objekts zu erfassen. Insbesondere kann die QUS-Vorrichtung 22 die physikalischen Eigenschaften und/oder die Unversehrtheit des Objekts bestimmen, indem sie unter Verwendung der Sendewandlermatrix 24 und der Empfangswandlermatrix 26 die (auch als Laufzeit oder Schallgeschwindigkeit bezeichneten) relativen Übertragungszeiten und/oder die durch das Objekt verursachte relative Breitbandultraschalldämpfung (BUA) vergleicht.
Dementsprechend ahmt das elektronische Phantom 20 in vielfältigen Ausführungsbeispielen gewisse Beschaffenheiten oder Eigenschaften, z. B. akustische Eigenschaften, von Knochen nach, indem es ein Ultraschallsignal, das auf einem oder mehreren Impulsen basieren kann, die von der Sendewandlermatrix 24 abgestrahlt werden, verändert oder modifiziert. Aufgrund der Modifikation des Signals nimmt die Empfangswandlermatrix 26 ein Signal auf, das beispielsweise bezüglich der Laufzeit oder der BUA modifiziert ist. Da das Signal unter Verwendung eines bekannten Werts modifiziert ist, kann die QUS-Vorrichtung 22 hinsichtlich der Genauigkeit getestet werden oder durch einen Vergleich mit dem bekannten Wert validiert werden. Somit dient das elektronische Phantom 20 dazu, die durch die QUS-Vorrichtung 22 genutzten Ultraschallpulse zu modifizieren, um einen Knochen, beispielsweise einen gesunden oder eine osteoporotischen Knochen, nachzuahmen, der eine spezielle Beschaffenheit, Charakteristik oder Eigenschaft aufweist. Beispielsweise kann die Laufzeit oder Dämpfung eines Ultraschallpulses, wie hierin näher beschrieben, durch Modulation des Ultraschallpulses verändert werden, um eine modifizierte Ultraschallwelle zu erzeugen. Die modifizierte Ultraschallwelle ermöglicht eine Entscheidung darüber, ob die QUS-Vorrichtung 22 einen Wert gemessen hat, der für eine spezielle Knochendichte oder Unversehrtheit, die das elektronische Phantom 20 nachahmt, zu erwarten ist.
Das elektronische Phantom 20, wie es in 2 gezeigt ist, weist an einem Eingang 31 ein Empfangswandlerelement 30 auf. Beispielsweise kann das Empfangswandlerelement 30 eine oder mehrere Wandler enthalten, die dazu eingerichtet sind, Ultraschallsignale aufzunehmen. Speziell nimmt das Empfangswandlerelement 30 Ultraschallpulse in der QUS-Vorrichtung 22 auf, die insbesondere von der (in 1 dargestellten) Sendewandlermatrix 24 abgestrahlt sind. Das Empfangswandlerelement 30 ist mit einem Signalmodifikationsmodul 32 verbunden, das das von dem Empfangswandlerelement 30 her empfangene Ultraschallsignal modifiziert. Beispielsweise verändert das Signalmodifikationsmodul 32 unter Verwendung von aus dem Stand der Technik bekannten Modulations- und/oder Filtertechniken eine Laufzeit oder BUA des empfangenen Ultraschallsignals. In einigen Ausführungsbeispielen enthält das Signalmodifikationsmodul 32 ein Laufzeitmodul 34 und ein Breitbanddämpfungsmodul 36, die die Laufzeit, d. h. die Übertragungszeit, bzw. die BUA des empfangenen Ultraschallsignals ändern. Beispielsweise kann das Signalmodifikationsmodul 32 dazu eingerichtet sein, als ein aktives Filter, beispielsweise ein Bandpassfilter, zu arbeiten, das lediglich gewissen Frequenzen erlaubt, das elektronische Phantom 20 zu passieren. Als ein weiteres Beispiel kann das Signalmodifikationsmodul 32 empfangene Signale modulieren, um die Ultraschallwellen zu dämpfen.
In einigen Ausführungsbeispielen ist das Signalmodifikationsmodul 32 optional mit einer Steuereinrichtung 38 verbunden. Die Steuereinrichtung 38 ist dazu eingerichtet, die Modifikation des Signals, beispielsweise den Grad der Signalmodifikation, durch Anpassen des Grades der Änderung einer Laufzeitänderung oder einer BUA an das empfangene Ultraschallsignal, anzupassen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 38 mit einer Anwendereingabe 40 verbunden sein, die ein oder mehrerer Steuerbefehle, beispielsweise einen Befehl von einem Benutzer, entgegennimmt, um eine spezielle Knochenart (z. B. einen osteoporotischen Knochen) oder einen Wert einer akustischen Eigenschaft, auszuwählen, die bzw. den das elektronische Phantom 20 nachahmen wird. Der Benutzer kann eine spezielle Knochenart aus einer vorbestimmten Liste auswählen oder die gewünschten oder erforderlichen genauen Signalmodifikationseigenschaften manuell eingeben, um beispielsweise eine Gültigkeitsprüfung der QUS-Vorrichtung 22, z. B. hinsichtlich des Einsatzes in einem Osteoporosetest, durchzuführen.
Das Signalmodifikationsmodul 32 ist ferner mit einem Sendewandlerelement 42 an einem Ausgang 43 verbunden. Beispielsweise kann das Sendewandlerelement 42 einen oder mehrere Wandler enthalten, die dazu eingerichtet sind, das modifizierte Signal aufzunehmen und das Signal als eine modifizierte Ultraschallwelle zu übertragen. Das Sendewandlerelement 42 gibt das modifizierte Signal aus und sendet das modifizierte Signal zu der (in 1 dargestellten) Empfangswandlermatrix 26. Somit modifiziert das elektronische Phantom 20 Ultraschallpulse in einer QUS-Vorrichtung 22, um einen Knochen nachzuahmen, der eine spezielle Charakteristik oder Eigenschaft aufweist, die eine spezielle Knochenbeschaffenheit definieren kann. Das elektronische Phantom 20 enthält im Wesentlichen ein Paar Wandlerelemente, die in Bezug auf die Wandlermatrices der QUS-Vorrichtung 22 gegenüberliegend angeordnet sind. Somit ahmt das elektronische Phantom 20 die Eigenschaften, beispielsweise eines Fersenbeins, elektronisch nach und ahmt speziell eine beispielsweise mittels einer aktiven Schaltung erzeugte Knochenbeschaffenheit der Ferse nach.
Das elektronische Phantom 20 kann weitere Elemente oder Komponenten enthalten. Beispielsweise kann eine (nicht gezeigte) Spannungsquelle vorgesehen sein, um eine oder mehrere Komponenten des elektronischen Phantoms 20 mit Strom zu versorgen.
Es ist zu beachten, dass das elektronische Phantom 20 modifiziert werden kann. Beispielsweise kann anstelle einer aktiven Schaltung eine passive Schaltung vorgesehen sein. Als ein weiteres Beispiel kann das elektronische Phantom 20 modifiziert sein, so dass die Eigenschaften der Signalmodifikation feststehend oder vorbestimmt, und im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach 2 nicht einstellbar sind.
In einigen Ausführungsbeispielen ist ein elektronisches Phantom 50 vorgesehen, wie es in 3 gezeigt ist. Es ist zu beachten, dass ähnliche Bezugszeichen in den vielfältigen Ausführungsbeispielen gleichartige Elemente repräsentieren. Das elektronische Phantom 50 enthält das Empfangswandlerelement 30 und das Sendewandlerelement 42, die in einer gegensinnigen Parallelschaltung verbunden sind. In vielfältigen Ausführungsbeispielen sind das Empfangswandlerelement 30 und das Sendewandlerelement 42 in einer Parallelschaltung verbunden. Das Empfangswandlerelement 30 ist in einem Gehäuse 52 so angeordnet, dass es nach Platzierung in der QUS-Vorrichtung 22 geeignet positioniert ist, um von der Sendewandlermatrix 24 ausgehende Signale zu empfangen. Weiter ist das Sendewandlerelement 42 in dem Gehäuse 52 so angeordnet, dass es nach seiner Platzierung in der QUS-Vorrichtung 22 geeignet positioniert ist, um Signale zu der Empfangswandlermatrix 26 zu übertragen. Es ist zu beachten, dass Bälge 54 vorgesehen sein können, die möglicherweise aufblasbar sind und in ihrem Inneren ein akustisches Kopplungsfluid aufweisen können, so dass das elektronische Phantom 50 in der QUS-Vorrichtung 22 an Ort und Stelle zwischen der Sendewandlermatrix 24 und der Empfangswandlermatrix 26 gehalten wird. Darüber hinaus kann das darin enthaltene akustisches Kopplungsfluid temperaturgesteuert sein.
Weiter ist zu beachten, dass das (beispielsweise gläserne) Gehäuse 52 nach Wunsch oder Bedarf gestaltet und bemessen sein kann. Beispielsweise kann das Gehäuse 52 gestaltet und bemessen sein, um in eine spezielle QUS-Vorrichtung 22 zu passen. Darüber hinaus kann das Gehäuse 52 so gestaltet und bemessen sein, dass das elektronische Phantom 50 in gewisse QUS-Vorrichtungen 22 hinein passt, während es in andere QUS-Vorrichtungen 22 nicht hinein passt.
Das elektronische Phantom 50 enthält ferner eine Stützplatte 56, beispielsweise eine Aluminiumstützplatte, die mit einer Rückseite sowohl des Empfangswandlerelements 30 als auch des Sendewandlerelement 42 verbunden ist. Die Stützplatten 56 sind dazu eingerichtet, akustische Signale zu hemmen.
Die vielfältigen Komponenten des elektronischen Phantoms 50 können vorgesehen sein, um eine gewisse Knochenart oder gewisse Eigenschaften eines Knochens nachzuahmen, z. B. gewisse akustische Eigenschaften, wie sie hierin beschrieben sind. In einigen Ausführungsbeispielen enthält das elektronische Phantom 50 fehlangepasste Wandlerelemente, die sich geringfügig verstimmen lassen. Beispielsweise kann das elektronische Phantom 50 die folgenden Komponenten enthalten, die in Form eines geschichteten Stapels ausgebildet sind:

1) die Platte 56, die als eine dünne (z. B. mit einer Dicke von 1/8 Zoll bemessene) Aluminiumplatte konstruiert ist;
2) das Empfangswandlerelement 30, das als ein flaches, 25 Millimeter (mm) dickes 500-kHz-Ultraschallwandlerelement konstruiert ist;
3) ein Luftspalt;
4) das Sendewandlerelement 42, das als ein flaches, 25 mm dickes 480-kHz-Ultraschallwandlerelement konstruiert ist; und
5) die Platte 56, die als eine dünne (z. B. mit einer Dicke von 1/8 Zoll bemessene) Aluminiumplatte konstruiert ist.

Gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen ist in 4 ein Verfahren 60 zum elektronischen Nachahmen eines Knochens dargestellt, der beispielsweise als Phantom in einer QUS-Vorrichtung dienen soll, um ein Fersenbein nachzuahmen. Das Verfahren 60 beinhaltet den Schritt des Aufnehmens eines Sendepulses von einer QUS-Vorrichtung. Beispielsweise können ein oder mehrere Impulse durch die QUS-Vorrichtung zu einem darin angeordneten elektronischen Phantom abgestrahlt werden. Das Verfahren beinhaltet anschließend den Schritt, für den nachzuahmenden Knochen eine gewünschte akustische Eigenschaft zu bestimmen, die beispielsweise eine Laufzeit und/oder Dämpfungseigenschaft (z. B. Frequenzdämpfungseigenschaft) beinhalten kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann ein benutzerdefinierter Wert oder ein vorbestimmter Wert genutzt werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann eine Tabelle 80, wie sie in 5 gezeigt ist, bereitgestellt sein, die verwendet wird, um für jede einer Anzahl von (in Spalte 82 gezeigten) simulierten Knochenbeschaffenheiten, z. B. normal oder osteoporotisch für das elektronische Phantom, gewisse Modulationseigenschaften zu bestimmen, die den speziellen akustischen Eigenschaften entsprechen. Beispielsweise sind für jede simulierte Knochenbeschaffenheit eine (in Spalte 84 gezeigte) Laufzeiteigenschaft und eine (in Spalte 86 gezeigte) BUA-Eigenschaft vorgesehen. Beispielsweise können die Eigenschaften eine spezielle Frequenzdämpfung oder -filterung definieren, die zu verwenden ist, um den empfangenen Ultraschallpuls einzustellen. Beispielsweise können die Modulationseigenschaften ein Laufzeitprofil oder ein BUA-Profil für den Einsatz in der Modifizierung eines Ultraschallsignals definieren, das von einer QUS-Vorrichtung her aufgenommen ist. In einigen Ausführungsbeispielen sind für jede der verschiedenen Modulationseigenschaften spezielle Werte vorgesehen. Darüber hinaus sind die nachgeahmten akustischen Eigenschaften in einigen Ausführungsbeispielen beispielsweise durch die physikalischen Komponenten eines elektronischen Phantoms z. B. unter Verwendung fehlangepasster Wandlerelemente festgelegt und nicht einstellbar.
Es ist zu beachten, dass sämtliche Knochenbeschaffenheiten und die entsprechenden Profile oder Werte, die in der Tabelle 80 aufgeführt sind, in einer Datenbank oder Matrix gespeichert sein können. Die Profile oder Werte können Absolutbeträge beinhalten, die unter Verwendung unterschiedlicher Faktoren wie Alter, Gewicht, Körpergröße, ethnische Abstammung oder Geschlecht einer Person, für die ein Knochen nachgeahmt werden soll, beispielsweise auf Laufzeiten oder BUA-Werten basieren.
Mit nochmaligem Bezug auf das Verfahren 60 wird der empfangene Impuls anschließend in Schritt 66 basierend auf den bestimmten akustischen Eigenschaften, beispielsweise den z. B. unter Verwendung der Tabelle 80 bestimmten gewünschten Laufzeit- und BUA-Eigenschaften, moduliert. Die identifizierten Eigenschaften simulieren eine spezielle Knochenart, Beschaffenheit oder Eigenschaft. Danach wird in Schritt 68 eine modulierte Schallwelle erzeugt, um beispielsweise die spezielle Art, Beschaffenheit oder Eigenschaft des Knochens zu simulieren oder nachzuahmen, die einer speziellen Knochenunversehrtheit entsprechen kann. Die modulierte Schallwelle wird anschließend in Schritt 70 bei einer Frequenz abgestrahlt, die durch die QUS-Einrichtung erfassbar ist. Somit kann, wie in 6 gezeigt, ein empfangenes Signal 90 modifiziert werden, um ein Signal 92 mit einem anderen Laufzeit- oder BUA-Profil zu erzeugen, wobei durch die QUS-Vorrichtung eine Antwort 94 erzeugt wird, die der Änderung entsprechen sollte, die das empfangenen Signal 92 erfahren hat.
Die vielfältigen Ausführungsbeispiele können genutzt werden, um ein elektronisches Phantom für den Einsatz in einer beliebigen QUS-Vorrichtung zu schaffen, und um unterschiedliche Knochen oder Abschnitte des Körpers zu simulieren. Beispielsweise kann die QUS-Vorrichtung, wie in 7 und 8 gezeigt, ein Ultraschallmessgerät 100 sein, das einen aufnehmenden Abschnitt 102, der dazu eingerichtet ist, darin eine Ferse aufzunehmen, und ein Stützelement 104 aufweist, das dazu dient, die Rückseite eines Beins zu stützen. Weiter kann ein Display 106 vorgesehen sein. Das Ultraschallmessgerät 100 kann beispielsweise ein Achilles-Ultraschallmessgerät sein, wobei die hierin beschriebenen vielfältigen Ausführungsbeispiele von Phantomen in den aufnehmenden Abschnitt 102 eingeführt werden und dazu dienen, darin abgestrahlte Ultraschallpulse zu modifizieren, um eine Ferse nachzuahmen.
Somit schaffen vielfältige Ausführungsbeispiele der Erfindung ein elektronisches Phantom, das akustische Eigenschaften von Knochen simuliert, beispielsweise unter der Verwendung eines oder mehrerer Laufzeit- und BUA-Werte, die z. B. ein menschliches Fersenbein approximieren. Die simulierten Eigenschaften stellen akustische Eigenschaften bereit, die Knochen ähneln. Es ist zu beachten, dass die simulierten Eigenschaften in einigen Ausführungsbeispielen eingestellt werden können. In weiteren Ausführungsbeispielen können durch Auswählen spezieller Komponenten, beispielsweise durch ein Auswählen fehlangepasster Wandlerelemente, unterschiedliche Arten von Knochenbeschaffenheit simuliert werden.
Die vielfältigen Ausführungsbeispiele und/oder Komponenten, beispielsweise die Module oder darin enthaltene Komponenten und Steuereinrichtungen, können auch als Teil eines oder mehrerer Computer oder Prozessoren durchgeführt sein. Der Computer oder Prozessor kann eine Computervorrichtung, ein Eingabegerät, eine Anzeigeeinheit und eine Schnittstelle, beispielsweise für den Zugriff auf das Internet, enthalten. Der Computer oder Prozessor kann einen Mikroprozessor beinhalten. Der Mikroprozessor kann mit einem Datenübertragungsbus verbunden sein. Der Computer oder Prozessor kann ferner einen Speicher aufweisen. Der Speicher kann einen RAM-Speicher (RAM) und einen Festwertspeicher (ROM) beinhalten. Der Computer oder Prozessor kann ferner eine Speichervorrichtung enthalten, die ein Festplattenlaufwerk oder ein Wechselspeicherlaufwerk sein kann, beispielsweise ein Diskettenlaufwerk, ein optisches Plattenlaufwerk, und dergleichen. Die Speichervorrichtung kann auch ein sonstiges ähnliches Mittel sein, das dazu dient, Computerprogramme oder andere Befehle in den Computer oder Prozessor zu laden.
In dem hier verwendeten Sinne kann der Begriff ”Computer” oder ”Modul” jedes prozessorgestützte oder mikroprozessorgestützte System beinhalten, beispielsweise Mikrocontroller verwendende Systeme, Computer mit reduziertem Befehlssatz (RISC, Reduced Instruction Set Computer), anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs, Application Specific Integrated Circuits), Logikschaltungen und sonstige Schaltkreise oder Prozessoren, die in der Lage sind, die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Die oben erwähnten Beispiele sind lediglich exemplarisch und sollen daher keineswegs die Definition und/oder Bedeutung des Begriffs ”Computer” beschränken.
Der Computer oder Prozessor führt einen Satz von Befehlen aus, die in einem oder mehreren Speicherelementen gespeichert sind, um Eingabedaten zu verarbeiten. Die Speicherelemente können darüber hinaus nach Wunsch oder Bedarf Daten oder sonstige Informationen speichern. Das Speicherelement kann in Form einer Datenquelle oder eines physikalischen Arbeitsspeicherelements in einer Verarbeitungsmaschine vorliegen.
Der Satz von Befehlen kann vielfältige Steuerbefehle beinhalten, die den Computer oder Prozessor als eine Verarbeitungsmaschine veranlassen, spezielle Arbeitsschritte, beispielsweise die Verfahren und Prozesse der vielfältigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, durchzuführen. Der Satz von Befehlen kann in Form eines Softwareprogramms vorliegen. Die Software kann in vielfältiger Weise verwirklicht sein, beispielsweise als Systemsoftware oder als Anwendungssoftware. Darüber hinaus kann die Software als eine Sammlung von voneinander unabhängigen Programmen oder Modulen, als ein innerhalb eines größeren Programms enthaltenes Programmmodul, oder als ein Abschnitt eines Programmmoduls vorliegen. Die Software kann auch auf einer modularen Programmierung in Form einer objektorientierten Programmierung basieren. Die Verarbeitung von Eingabedaten durch die Verarbeitungsmaschine kann in Reaktion auf Bedienersteuerbefehle, oder in Reaktion auf Ergebnisse einer vorherigen Verarbeitung, oder in Reaktion auf eine durch eine weitere Verarbeitungsmaschine getätigte Anforderung erfolgen.
In dem hier verwendeten Sinne sind die Begriffe ”Software” und ”Firmware” austauschbar und beinhalten ein beliebiges Rechnerprogramm, das in einem Arbeitsspeicher, beispielsweise in einem RAM-Speicher, ROM-Speicher, EPROM-Speicher, EEPROM-Speicher oder nicht-flüchtigen RAM-(NVRAM)-Speicher, gespeichert ist, um durch einen Computer ausgeführt zu werden. Die oben erwähnten Arten von Arbeitsspeichern sind lediglich exemplarisch und sind daher mit Blick auf die Arten von Arbeitsspeichern, die zur Speicherung eines Rechnerprogramms geeignet sind, nicht beschränkend.
Es versteht sich, dass die oben erwähnte Beschreibung zur Veranschaulichung dient und nicht beschränken soll. Beispielsweise können die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele (und/oder Aspekte davon) miteinander kombiniert verwendet werden. Darüber hinaus können viele Abwandlungen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein spezielles Material an die Lehre der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele der Erfindung anzupassen, ohne von deren Schutzumfang abzuweichen. Während die hierin beschriebenen Abmessungen und Arten von Materialien die Parameter der vielfältigen Ausführungsbeispiele der Erfindung definieren sollen, sind sie keinesfalls beschränkend und dienen lediglich als Ausführungsbeispiele. Viele weitere Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann nach dem Lesen der oben erwähnten Beschreibung offenkundig. Der Schutzumfang der vielfältigen Ausführungsbeispiele der Erfindung sollte daher anhand der beigefügten Patentansprüche, gemeinsam mit dem vollen Schutzumfang äquivalenter Formen ermittelt werden, zu denen derartige Ansprüche berechtigen. In den beigefügten Patentansprüchen werden die Ausdrücke ”enthalten” und ”bei denen” wie Klartextäquivalente der entsprechenden Begriffe ”aufweisen” und ”wobei” verwendet. Darüber hinaus dienen die Begriffe ”erster”, ”zweiter”, ”dritter” usw. in den nachfolgenden Ansprüchen lediglich zur Kennzeichnung und sollen die Objekte nicht numerisch festlegen. Weiter sind die Beschränkungen der nachfolgenden Ansprüche nicht im Mittel-plus-Funktion-Format geschrieben und sie sind nicht basierend auf 35 U. S. C. § 112, Absatz sechs, zu interpretieren, es sei denn derartige Beschränkungen von Ansprüchen verwenden ausdrücklich den Begriff ”Mittel für”, gefolgt von einer Feststellung einer von weiterer Struktur freien Funktion.
Die vorliegende Beschreibung verwendet Beispiele, um die vielfältigen Ausführungsbeispiele der Erfindung einschließlich des besten Modus zu offenbaren, und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die vielfältigen Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Praxis einzusetzen, beispielsweise beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der vielfältigen Ausführungsbeispiele der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem wörtlichen Inhalt der Ansprüche enthalten.
Geschaffen sind ein elektronisches Phantom 20, 50 und ein Verfahren 60 zum elektronischen Steuern eines Phantoms für eine quantitative Ultraschallvorrichtung 22. Das elektronische Phantom umfasst ein Gehäuse 52, ein in dem Gehäuse angeordnetes erstes Wandlerelement 30, das dazu eingerichtet ist, ein Ultraschallsignal von einer quantitativen Ultraschallvorrichtung aufzunehmen, und ein in dem Gehäuse angeordnetes zweites Wandlerelement 42, das mit dem ersten Wandlerelement verbunden ist. Das zweite Wandlerelement ist dazu eingerichtet, auf der Grundlage des empfangenen Ultraschallsignals eine modifizierte Ultraschallwelle zu der quantitativen Ultraschallvorrichtung zu senden. Das erste und zweite Wandlerelement sind in dem Gehäuse in einer gegensinnigen Parallelschaltung angeordnet.
Bezugszeichenliste

20: Elektronisches Phantom
22: QUS-Vorrichtung
24: Sendewandlermatrix
26: Empfangswandlermatrix
30: Empfangswandlerelement
31: Eingang
32: Signalmodifikationsmodul
34: Laufzeitmodul
36: Breitbanddämpfungsmodul
32: Signalmodifikationsmodul
38: Steuereinrichtung
40: Anwendereingabe
42: Sendewandlerelement
43: Ausgang
50: Elektronisches Phantom
52: Gehäuse
54: Bälge
56: Platte
60: Verfahren
66: Modulieren eines empfangenen Impulses basierend auf gewünschten Laufzeit- und Dämpfungseigenschaften, um eine spezielle Knochenunversehrtheit zu simulieren
68: Erzeugen einer modulierten Schallwelle, um die spezielle Knochenunversehrtheit zu simulieren
70: Abstrahlen einer modulierten Schallwelle bei einer durch die Ultraschall-QUS-Vorrichtung nachweisbaren Frequenz
80: Tabelle
90: Empfangenes Signal
92: Signal
94: Antwort
100: Ultraschallmessgerät
102: Aufnehmender Abschnitt
104: Stützelement
106: Display

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

35 U. S. C. § 112, Absatz sechs [0040]

Claims

Elektronisches Phantom (20, 50) für eine quantitative Ultraschallvorrichtung, wobei das elektronische Phantom aufweist: ein Gehäuse (52); ein erstes Wandlerelement (30) in dem Gehäuse, das dazu eingerichtet ist, ein Ultraschallsignal von einer quantitativen Ultraschallvorrichtung (22) aufzunehmen; und ein in dem Gehäuse angeordnetes zweites Wandlerelement (42), das mit dem ersten Wandlerelement verbunden ist und das dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage des empfangenen Ultraschallsignals eine modifizierte Ultraschallwelle zu der quantitativen Ultraschallvorrichtung zu senden, wobei das erste und zweite Wandlerelement in einer gegensinnigen Parallelschaltung in dem Gehäuse angeordnet sind.
Elektronisches Phantom (20, 50) nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Wandlerelement (30, 42) dazu eingerichtet sind, eine gedämpfte Ultraschallwelle als die modifizierte Ultraschallwelle zu erzeugen, wobei die gedämpfte Ultraschallwelle der Dämpfung in einem Knochen einer menschlichen Ferse entspricht.
Elektronisches Phantom (20, 50) nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Wandlerelement dazu eingerichtet sind, entweder eine Laufzeit oder eine Breitbandultraschalldämpfung des empfangenen Ultraschallsignals zu ändern, um die modifizierte Ultraschallwelle zu erzeugen.
Elektronisches Phantom (20, 50) nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Wandlerelement (30, 42) fehlangepasste Wandler aufweisen.
Elektronisches Phantom (20, 50) nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Wandlerelement in Parallelschaltung verbunden sind.
Elektronisches Phantom (20, 50) nach Anspruch 1, zu dem ferner ein Signalmodifikationsmodul (32) gehört, das mit dem ersten und zweiten Wandlerelement (30, 42) verbunden ist und das dazu eingerichtet ist, eine Laufzeit und Breitbandultraschalldämpfung des empfangenen Ultraschallsignals einstellbar zu ändern, um die modifizierte Ultraschallwelle zu erzeugen.
Elektronisches Phantom (20, 50) nach Anspruch 6, zu dem ferner eine Steuereinrichtung (38) gehört, die mit dem Signalmodifikationsmodul (32) verbunden ist, das eine Anwendereingabe entgegennimmt, um die Erzeugung der modifizierten Ultraschallwelle zu steuern.
Verfahren (60) zum elektronischen Nachahmen eines Knochen für den Einsatz in dem Phantomtesten einer quantitativen Ultraschallvorrichtung, wobei das Verfahren beinhaltet: das Bestimmen (64) einer oder mehrerer akustischer Eigenschaften eines nachzuahmenden Knochens; das Modulieren (66) eines von der quantitativen Ultraschallvorrichtung empfangenen Ultraschallsignals basierend auf den bestimmten akustischen Eigenschaften; und das Übertragen (70) des modulierten Ultraschallsignals zu der quantitativen Ultraschallvorrichtung.
Verfahren (60) nach Anspruch 8, wobei der Knochen ein menschliches Fersenbein beinhaltet.
Verfahren (60) nach Anspruch 8, wobei die eine oder die mehreren akustischen Eigenschaften mindestens entweder eine Laufzeiteigenschaft und/oder eine Breitbandultraschalldämpfungseigenschaft beinhalten.