DE102015204868A1

DE102015204868A1 - Elastographieeinrichtung und Elastographieverfahren

Info

Publication number: DE102015204868A1
Application number: DE102015204868.3A
Authority: DE
Inventors: Ingolf Sack; Jürgen Braun; Sebastian Hirsch; Tassilo HEINZE
Original assignee: Charite Universitaetsmedizin Berlin
Current assignee: THEA-DEVICES GMBH,, DE
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2016-09-22
Also published as: US10466331B2; US20160274210A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich unter anderem auf eine Elastographieeinrichtung mit zumindest einer Anregungseinheit (10) zur Erzeugung mechanischer Gewebebewegungen in menschlichem oder tierischem Gewebe und einer Bildaufnahmeeinrichtung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anregungseinheit (10) aufweist: zumindest eine Druckquelle (20, 20a), zumindest einen druckabhängig arbeitenden Aktor (40, 60, 70, 200) zur Erzeugung mechanischer Bewegungen, zumindest ein gasstrommäßig zwischen Druckquelle (20, 20a) und Aktor (40, 60, 70, 200) angeordnetes, steuerbares Ventil (30, 300, 310, 400), dessen Ventilstellung den am Aktor (40, 60, 70, 200) anliegenden Druck beeinflusst, und eine mit einem Steueranschluss des Ventils (30, 300, 310, 400) verbundene Steuereinrichtung (50), die das Ventil (30, 300, 310, 400) ansteuert und dessen Ventilstellung festlegt und zur Erzeugung der mechanischen Gewebebewegungen die Ventilstellung und dadurch den am Aktor (40, 60, 70, 200) anliegenden Druck im zeitlichen Verlauf verändert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elastographieeinrichtung und ein Elastographieverfahren.
Bei Elastographieeinrichtungen, beispielsweise bei der Ultraschall- und Magnetresonanzelastographie, werden Anregungseinheiten eingesetzt, um mechanische Gewebebewegungen in menschlichem oder tierischem Gewebe zu erzeugen.
Bei der Magnetresonanztomographie (MRT) werden mit Hilfe starker Magnetfelder Schnittbilder des Körperinneren erstellt. Die MRT arbeitet mit Radiowellen, die kurzzeitig bei gleichzeitiger Anwesenheit starker Magnetfelder eingestrahlt werden. Mit Ausnahme von Organen mit niedrigem Wassergehalt wie Knochen liefert die MRT von allen anderen Organen und Geweben präzise Bilder und erlaubt so, Lage und Ausdehnung kleinster Veränderungen zu erkennen und zu beurteilen.
Weichteilgewebe wie Gehirn, innere Organe, Blutgefäße, Muskeln, Sehnen, Bänder und Knorpelstrukturen können mit der MRT besonders gut dargestellt werden. Neben der rein anatomischen Bildgebung bietet die MRT ein breites Methodenspektrum zur Erkennung funktioneller Stoffwechselvorgänge im Gehirn, der Analyse gerichteter Faserverläufe, der Beurteilung des schlagenden Herzens und der quantitativen Bestimmung mechanischer Gewebeparameter mit Hilfe der Magnetresonanzelastographie (MRE).
Für die MRE müssen in Analogie zur manuellen Palpation Kräfte auf das zu untersuchende Gewebe übertragen werden. Dazu werden mittels mechanischer Anregung periodische Gewebeauslenkungen induziert, deren Nachweis synchron zur Anregung durch eine speziell entwickelte Phasenkontrasttechnik erfolgt. Die instantane lokale Vibrationsamplitude wird dabei in der Phase des komplexen MR-Signals kodiert. Die zeitaufgelöst aufgenommenen Karten der Gewebeverzerrung können mathematisch prozessiert werden und liefern dann Informationen über viskoelastische Eigenschaften. Durch die Messung der Verzerrung in alle Raumrichtungen können mechanische Kenngrößen wie der komplexe Schermodul, der Youngs-Modul oder der Kompressionsmodul einschließlich ihrer Richtungsabhängigkeit vollständig quantifiziert werden.
Neue Entwicklungen der MRE-Technologie an der Charité haben dazu beigetragen, dass erstmalig die Aufnahme hochortsaufgelöster Elastizitätskarten von Organen möglich ist, was insbesondere die nichtinvasive mechanische Charakterisierung von neurodegenerativen und fibrösen Erkrankungen sowie von Tumoren revolutionieren könnte. Ein wichtiges Kriterium für die Güte der mittels physikalischer Modellierung und Inversionsverfahren berechneten Elastizitätskarten ist das Verhältnis von Phasenrauschen gegenüber der Stärke der in den Phasenbildern kodierten Verzerrungsamplitude. Letztere kann direkt durch die in der Amplitude begrenzten Bewegungskodiergradienten sowie durch die Amplitude der mechanischen Anregung gesteuert werden.
Gegenwärtig werden in der MRE unterschiedliche Typen von mechanischen Anregungseinheiten (Aktoren) eingesetzt, um Auslenkungen in Geweben zu erzeugen. Dies sind:

– Aktoren, die auf der Längenausdehnung piezoelektrischer Kristalle beruhen.
– Aktoren, die auf einer Bewegungsumlenkung von sich im Magnetfeld des Tomographen bewegenden stromdurchflossenen Spulen beruhen.
– Aktoren, in denen modifizierte Lautsprecher eingesetzt werden und die Kraftübertragung mit Gestängen erfolgt. Beispielsweise ist ein akustomechanischer Bewegungswandler für die Magnetresonanzelastografie aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 037 160 bekannt.

Die Anwendung niederfrequenter Vibrationen im Bereich von 25–80 Hz ist physiologisch unbedenklich. Beispielrechnungen für bisherige Aktoren haben gezeigt, dass die in der MRE erreichten Werte für den Schalldruck etwa um einen Faktor 100 niedriger liegen als bei Ultraschalluntersuchungen, die im Rahmen einer Schwangerschaft zulässig sind.
Apparative Veränderungen durch MRT-Hersteller sowie methodische Entwicklungen in der MRE und deren zunehmende Anwendung zu Patientenuntersuchungen haben zu neuen Herausforderungen in der Aktorentwicklung geführt:

1) Stärke der mechanischen Anregung: Generell sind heute viele Patienten im MRT adipös. Dadurch werden für viele Elastographie-Untersuchungen starke Vibrationsamplituden benötigt, um die Dämpfung der Scherwellen über längere Propagationsstrecken im Gewebe auszugleichen. Außerdem haben die Hersteller der Gewichtsentwicklung in der Bevölkerung Rechnung getragen und Tomographen mit vergrößerten Öffnungsdurchmessern entwickelt. Dadurch sank in den letzten Jahren die Kodiereffizienz für Gewebeschwingungen um bis zu 50 %, was nur durch starke MRE-Aktoren ausgeglichen werden kann. Alle oben aufgeführten konventionellen Anregungssysteme sind in ihrer Leistung limitiert und erlauben nicht die Anregungsstärke, die für viele MRE-Untersuchungen in adipösen Patienten notwendig wären.
2) Hersteller-unabhängiges Anregungssystem: Signaloptimierte MRT-Hardware mit enger geometrischer Anpassung an die Körpergeometrie bietet zunehmend weniger Platz für die Integration von Aktoren. Bisherige Lösungen sahen engen Kontakt des Aktors zum untersuchten Körperteil (Kopf, Abdomen) vor und mussten an die herstellerseitig vorgegebenen Spulenmaße angepasst werden. Jede neue Gerätegeneration sowie Wechsel zwischen den Herstellern erforderte eine Adaption der Aktorgeometrie an die veränderten Hardware-Voraussetzungen. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sowie der Vergleichbarkeit der Methode ist in Zukunft ein herstellerunabhängiges oder zumindest ein herstellerunabhängigeres Anregungssystem als bisher wünschenswert.
3) Universelles Anregungssystem: Bisherige Aktoren müssen organspezifisch angepasst werden, um z. B. MRE-Untersuchungen des Gehirns, der Leber oder der Prostata zu ermöglichen.
4) Einfacher Aufbau: Bei konventionellen Methoden wird die Kraft zur Schwingungsanregung im Aktorsystem entwickelt, was hohe elektrische Leistungen und komplexe mechanische Aufbauten erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elastographieeinrichtung mit optimierter Anregungseinheit anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elastographieeinrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Elastographieeinrichtung sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Anregungseinheit aufweist: zumindest eine Druckquelle, zumindest einen druckabhängig arbeitenden Aktor zur Erzeugung mechanischer Bewegungen, zumindest ein gasstrommäßig zwischen Druckquelle und Aktor angeordnetes, steuerbares Ventil, dessen Ventilstellung den am Aktor anliegenden Druck beeinflusst, und eine mit einem Steueranschluss des Ventils verbundene Steuereinrichtung, die das Ventil ansteuert und dessen Ventilstellung festlegt und zur Erzeugung der mechanischen Gewebebewegungen die Ventilstellung und dadurch den am Aktor anliegenden Druck im zeitlichen Verlauf verändert.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungemäßen Elastographieeinrichtung ist darin zu sehen, dass die Kraft zur Schwingungsanregung außerhalb des Aktors erzeugt wird und die Druckquelle und der Aktor separate Komponenten sind, die individuell optimiert werden können. So ist es beispielsweise in vorteilhafter Weise möglich, besonders starke Kraftquellen (beispielsweise in Form von Pressluft) zur Kompensation schwacher Bewegungskodiergradienten oder im Falle des Erfordernisses besonders großer Eindringtiefen einzusetzen. Aufgrund der bei der Erfindung erreichbaren Anregungsstärke sind ausreichende Wellenamplituden im untersuchten Körpergewebe auch bei entfernter Positionierung (z. B. auf dem Thorax für Hirn-MRE-Untersuchungen) sichergestellt, und es steht erstmals ein universell einsetzbares MRE-Anregungssystem für alle Organe zur Verfügung.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungemäßen Elastographieeinrichtung besteht darin, dass die Ansteuerung des Ventils im Kleinspannungsbereich (bis ca. 24 Volt) erfolgen kann.
Auch ist von Vorteil, dass transiente, insbesondere periodische transiente, Stoßwellen ohne aufwändige Elektronik und nur durch entsprechende Ventilansteuerung erzeugt werden können.
Prinzipiell können stufenlos einstellbare Ventile eingesetzt werden, jedoch werden stufenweise, insbesondere zweistufig arbeitende Ventile als besonders vorteilhaft angesehen, da letztgenannte bei geringen Herstellungskosten mechanisch sehr stabil ausgeführt werden können und langlebig sind.
Vorzugsweise ist das Ventil in eine Ruhestellung stellbar, in der es den Aktor von der Druckquelle trennt und mit Umgebungsdruck beaufschlagt, insbesondere gasstrommäßig mit der Umgebungsluft verbindet. Bei einer solchen Ausgestaltung kann eine Aktorrückstellung durch Umschalten auf Umgebungsdruck hervorgerufen werden.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie das Ventil im zeitlichen Verlauf abwechselnd in eine Druckbeaufschlagungsstellung, in der das Ventil den Druck der Druckquelle an den Aktor weiterleitet, oder in eine Ruhestellung, in der das Ventil den Aktor von der Druckquelle trennt und mit Umgebungsdruck beaufschlagt, stellt.
Mit Blick auf die Elastographie bzw. auf optimale Bildaufnahmeergebnisse wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie durch Ansteuerung des Ventils einen im zeitlichen Verlauf rechteckförmigen oder pulsförmigen Druckverlauf am Druckeingang des Aktors hervorruft.
Das Ventil ist vorzugsweise ein elektrisch steuerbares Magnetventil oder eine Ventileinrichtung mit mindestens einem elektrisch steuerbaren Magnetventil.
Die Druckquelle ist bevorzugt eine Konstantdruckquelle.
Die Druckquelle ist vorzugsweise eine Überdruckquelle, insbesondere eine Druckluftquelle; alternativ, aber ebenso vorteilhaft, kann vorgesehen sein, dass die Druckquelle eine Unterdruckquelle, insbesondere eine Vakuumeinrichtung, ist.
Eine erste Druckleitung verbindet vorzugsweise die Druckquelle mit dem Ventil und beaufschlagt das Ventil mit einem konstanten Druck. Eine zweite Druckleitung verbindet vorzugsweise das Ventil mit dem Aktor und beaufschlagt den Aktor in Abhängigkeit von der Ventilstellung des Ventils mit einem im zeitlichen Verlauf variablen Druck.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Aktor zwei Druckeingänge aufweist, die jeweils über ein Ventil mit der Druckquelle in Verbindung stehen, und die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie zur Erzeugung der mechanischen Gewebebewegungen die beiden Ventile im zeitlichen Verlauf jeweils abwechselnd in eine Druckbeaufschlagungsstellung, in der das Ventil den Druck der Druckquelle an den Aktor weiterleitet, oder in eine Ruhestellung, in der das Ventil den Aktor von der Druckquelle trennt und mit Umgebungsdruck beaufschlagt, stellt, wobei die Ansteuerung der beiden Ventile im zeitlichen Verlauf jeweils entgegengesetzt ist, so dass sich jeweils eines der beiden Ventile in der Druckbeaufschlagungsstellung und das jeweils andere in der Ruhestellung befindet.
Eine andere und ebenfalls bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Aktor einen ersten und einen zweiten Druckeingang aufweist, das Ventil in einer ersten Ventilstellung den ersten Druckeingang mit einer Überdruckquelle und den zweiten Druckeingang mit einer Unterdruckquelle verbindet und in einer zweiten Ventilstellung den ersten Druckeingang mit der Unterdruckquelle und den zweiten Druckeingang mit der Überdruckquelle verbindet, und die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie zur Erzeugung der mechanischen Gewebebewegungen das Ventil abwechselnd von der ersten Ventilstellung in die zweite Ventilstellung und von der zweiten Ventilstellung in die erste Ventilstellung schaltet.
Der Aktor ist vorzugsweise ein Balgzylinderaktor, ein Kissenaktor, ein Trommelaktor oder Pendelkörperaktor, insbesondere ein Pendelkolbenaktor.
Das Ventil ist vorzugsweise ein Wegeventil, insbesondere ein 3/2-Wegeventil oder ein 4/2-Wegeventil, oder eine Ventileinrichtung, die ein Wegeventil, insbesondere ein 3/2-Wegeventil oder ein 4/2-Wegeventil, zumindest auch umfasst.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Elastographieverfahren, bei dem mit zumindest einer Anregungseinheit in menschlichem oder tierischem Gewebe mechanische Gewebebewegungen erzeugt werden und mit einer Bildaufnahmeeinrichtung Bilder des Gewebes aufgenommen werden.
Erfindungsgemäß ist bezüglich eines solchen Elastographieverfahrens vorgesehen, dass mit einer Druckquelle Druck erzeugt wird und an zumindest ein steuerbares Ventil weitergeleitet wird, das ausgangsseitig mit einem druckabhängig arbeitenden Aktor in Verbindung steht, und die Ventilstellung des Ventils im zeitlichen Verlauf verändert wird, wodurch der Aktor eine mechanische Bewegung erzeugt, die in das Gewebe eingekoppelt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
1 ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit für eine Elastographieeinrichtung, die eine Überdruckquelle und einen Balgzylinderaktor aufweist,
2 ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit mit einer Unterdruckquelle und einem Balgzylinderaktor,
3 ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit mit einer Überdruckquelle und einem Kissenaktor,
4 den Kissenaktor für die Anregungseinheit gemäß 3 in einer Draufsicht,
5 ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit mit einer Unterdruckquelle und einem Kissenaktor,
6 ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit mit einer Überdruckquelle und einem Trommelaktor,
7 den Trommelaktor gemäß 6 in einer dreidimensionalen Darstellung schräg von der Seite,
8 ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit mit einer Unterdruckquelle und einem Trommelaktor,
9 ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit mit einer Überdruckquelle, einem Pendelkörperaktor sowie zwei Ventilen,
10 ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit mit einer Unterdruckquelle, einem Pendelkörperaktor und zwei Ventilen und
11 ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit mit einer Überdruckquelle, einer Unterdruckquelle, einem Ventil und einem Pendelkörperaktor.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt eine Anregungseinheit 10 für eine Elastographieeinrichtung, die zusätzlich zu der Anregungseinheit 10 gemäß 1 eine Bildaufnahmeeinrichtung aufweist, die aus Gründen der Übersicht in der 1 nicht näher gezeigt ist.
Die Anregungseinheit 10 weist eine Druckquelle in Form einer Überdruckquelle 20 auf, die ein Druckluftreservoir 21, ein Reduzierventil 22 sowie ein Manometer 23 umfasst. Bei dem Druckluftreservoir 21 kann es sich beispielsweise um eine Druckluftflasche oder eine Druckluftleitung handeln, die von einem nicht gezeigten Kompressor gespeist wird.
Mit der Überdruckquelle 20 steht ein Magnetventil 30 in Verbindung, bei dem es sich um ein 3/2-Wegeventil handelt. Das Magnetventil 30 weist einen elektrischen Magnetantrieb M auf, der mit zumindest einem Magneten und zumindest einer Wicklung ausgestattet ist und durch ein von außen angelegtes Steuersignal ST ansteuerbar ist.
Das Magnetventil 30 weist darüber hinaus eine Rückstellfeder F auf, die eine Rückstellung des Magnetventils 30 in eine vorgegebene Position hervorruft, wenn kein Steuersignal ST an dem Magnetantrieb M anliegt.
Ein Auslassanschluss A des Magnetventils 30 steht mit einem Balgzylinderaktor 40 in Verbindung, der zwei äußere parallele Platten 41 und 42 sowie einen dazwischen liegenden, elastisch deformierbaren Balg 43 aufweist. Der Abstand zwischen den beiden Platten 41 und 42 wird von dem Druck innerhalb des elastisch deformierbaren Balgs 43 bestimmt.
Zu Ansteuerung des Magnetventils 30 steht mit dem elektrischen Magnetantrieb M des Magnetventils 30 eine Steuereinrichtung 50 in Verbindung, die das bereits erwähnte Steuersignal ST erzeugt. Das Steuersignal ST legt fest, welche Ventilstellung das Magnetventil 30 annimmt.
Das Magnetventil 30 kann bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine Druckbeaufschlagungsstellung einnehmen, in der das Magnetventil 30 den Druck der Überdruckquelle 20 an den Balgzylinderaktor 40 weiterleitet. In der Druckbeaufschlagungsstellung ist der Auslassanschluss A des Magnetventils 30 mit einem Einlassanschluss P des Magnetventils 30 verbunden.
Alternativ kann das Magnetventil 30 mittels des Steuersignals ST in eine Ruhestellung gestellt werden, in der es den Balgzylinderaktor 40 von der Überdruckquelle 20 trennt und mit Umgebungsdruck beaufschlagt. In der Ruhestellung des Magnetventils 30 ist der Auslassanschluss A mit einem Entlüftungsanschluss R des Magnetventils 30 verbunden.
Der Balgzylinderaktor 40 steht zur Erzeugung mechanischer Gewebebewegungen mittelbar oder unmittelbar mit menschlichem oder tierischem Gewebe in Verbindung; beispielsweise kann der Balgzylinderaktor 40 unmittelbar auf einen Gewebeabschnitt aufgelegt sein. Das Gewebe ist aus Gründen der Übersicht in der 1 nicht näher dargestellt.
Die Anregungseinheit 10 gemäß 1 kann beispielsweise wie folgt betrieben werden:
Mit der Überdruckquelle 20 wird Druckluft DL erzeugt, die zu dem Einlassanschluss P über eine Druckluftleitung 100 gelangt. Befindet sich das Magnetventil 30 in der Druckbeaufschlagungsstellung, so wird die Druckluft DL zum Balgzylinderaktor 40 weitergeleitet, wodurch der elastisch deformierbare Balg 43 aufgeblasen wird. Der Abstand zwischen den beiden Platten 41 und 42 wird demgemäß erhöht.
Befindet sich das Magnetventil 30 hingegen in der Ruhestellung, wird die in dem elastischen Balg 43 gespeicherte Druckluft über den Entlüftungsanschluss R nach außen abgeleitet, so dass der Druck im Balg 43 absinkt und sich die Platten 41 und 42 aufeinander zu bewegen.
Durch Umstellen des Magnetventils 30 von der Druckbeaufschlagungsstellung in die Ruhestellung und umgekehrt lässt sich somit eine mechanische Bewegung der beiden Platten 41 und 42 relativ zueinander und somit eine mechanische Gewebebewegung in dem mit dem Balgzylinderaktor 40 in Verbindung stehenden Gewebe erreichen.
Mit Blick auf eine optimale Durchführung eines Elastographieverfahrens wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Steuereinrichtung 50 das Steuersignal ST rechteckförmig oder pulsförmig erzeugt und somit einen rechteckförmigen oder pulsförmigen Druckverlauf am Auslassanschluss A des Magnetventils 30 bzw. am Druckeingang 48 des Balgzylinderaktors 40 hervorruft. Mit anderen Worten wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der zeitliche Druckverlauf innerhalb des Balgzylinderaktors 40 rechteckförmig oder pulsförmig oder zumindest näherungsweise rechteckförmig oder zumindest näherungsweise pulsförmig ist.
Als Magnetventil 30 wird vorzugsweise ein schnell schaltendes (z. B. bis 100 Hz) Magnetventil eingesetzt, dessen Spannungsversorgung (vorzugsweise 24 V) über beispielsweise ein mit einem Funktionsgenerator erzeugtes Rechtecksignal der gewünschten Vibrationsfrequenz (5–100 Hz, im Ausführungsbeispiel 20–50 Hz in 5 Hz Inkrementen und z. B. 50% Tastgrad (Duty-Cycle)) geschaltet wird. Das Ventil (Größe: z. B. 20 × 80 × 160 mm³) erzeugt keine Störsignale und kann im Untersuchungsraum fest in der Nähe des Tomographen und einer Druckleitung installiert werden. Als nachfolgende, passive und über einen vorzugsweise flexiblen Druckschlauch (⌀ = z. B. 6–8 mm) verbundene Vibrationsübertragungssysteme können vielfältige Apparaturen eingesetzt werden, beispielsweise der gezeigte und vorzugsweise nichtmagnetische Balgzylinderaktor 40 oder andere vorzugsweise nichtmagnetische Systeme, von denen weiter unten weitere Ausführungsbeispiele erläutert werden.
Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit 10, die als Druckquelle eine Unterdruckquelle 20a aufweist. Die Unterdruckquelle 20a umfasst eine Vakuumpumpe 24, ein Unterdrucktank (25) sowie ein Zweipunktschalter zur Regelung (26) (Reduzierventil 22 sowie ein Manometer 23).
Der Balgzylinderaktor 40 der Anregungseinheit 10 gemäß 2 weist zusätzlich zu den beiden Platten 41 und 42 und dem elastisch deformierbaren Balg 43 mindestens ein nichtmetallisches Federelement 44 auf, das im Inneren des Balgs 43 angeordnet ist und eine Rückstellung des Balgzylinderaktors 40 bzw. eine Rückstellung der beiden Platten 41 und 42 relativ zueinander bewirkt, wenn der Balgzylinderaktor 40 druckfrei ist bzw. wenn der Druckeingang 48 des Balgzylinderaktors 40 mit dem Entlüftungsanschluss R des Magnetventils 30 verbunden ist.
Die Arbeitsweise der Anregungseinheit 10 gemäß 2 entspricht im Wesentlichen der Arbeitsweise der Anregungseinheit 10 gemäß 1 mit dem Unterschied, dass zur Erzeugung mechanischer Gewebebewegungen mit Unterdruck an Stelle von Überdruck gearbeitet wird. Zur Erzeugung der mechanischen Gewebebewegungen wird die Steuereinrichtung 50 ein Steuersignal ST mit einem rechteckförmigen oder pulsförmigen Zeitverlauf erzeugen und damit das Magnetventil 30 von der Druckbeaufschlagungsstellung in die Ruhestellung oder umgekehrt mit einem rechteckförmigen oder pulsförmigen Zeitverlauf stellen.
Befindet sich das Magnetventil 30 in der Druckbeaufschlagungsstellung, so wird aufgrund des Unterdrucks der Unterdruckquelle 20a die in dem Balg 43 befindliche Luft durch das Magnetventil 30 abgesaugt, so dass der Abstand zwischen den beiden Platten 41 und 42 verringert wird. Wird das Magnetventil 30 in die Ruhestellung gestellt, so wird das Federelement 44 innerhalb des Balgs 43 eine Rückstellung des Balgs 43 bzw. eine Rückstellung der Platten 41 und 42 relativ zueinander bewirken, wodurch Luft von der Umgebung durch den Entlüftungsanschluss R angesaugt und in den Balg 43 geleitet wird.
Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit 10, die mit einer Überdruckquelle 20 sowie einem Kissenaktor 60 ausgestattet ist. Der Kissenaktor 60 umfasst eine äußere Kissenwand 61, die das Kisseninnere 63 umhüllt. Durch Veränderung des Volumens innerhalb des Kissenaktors 60 lässt sich eine mechanische Bewegung erzeugen, die in menschliches oder tierisches Gewebe eingekoppelt werden kann und somit ein Elastographieverfahren mit einer nicht dargestellten Bildaufnahmeeinrichtung ermöglicht. Das Befüllen des Kissenaktors 60 mit Druckluft bzw. das Entleeren des Kissenaktors 60 erfolgt durch eine Ansteuerung des Magnetventils 30 mittels eines Steuersignals ST, das mit der Steuereinrichtung 50 erzeugt wird. Die Anregungseinheit 10 gemäß 3 kann betrieben werden, wie dies im Zusammenhang mit der 1 oben bereits im Detail erläutert wurde. Die Ausführungen im Zusammenhang mit der 1 gelten für die Anregungseinheit 10 gemäß 3 also entsprechend.
Die 4 zeigt den Kissenaktor 60 in der Anregungseinheit 10 gemäß 3 in einer Draufsicht. Man erkennt die obere Kissenwand 61 des Kissenaktors 60.
Die 5 zeigt eine Anregungseinheit 10 mit einem Kissenaktor 60, der mit einer Unterdruckquelle 20a betrieben wird. Die Unterdruckquelle 20a kann der Unterdruckquelle 20a der Anregungseinheit 10 gemäß 2 entsprechen, so dass auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit 2 verwiesen sei.
Um eine Rückstellung des Kissenaktors 60 in eine vorgegebene Ausgangsstellung zu ermöglichen, wenn der Druckeingang des Kissenaktors 60 bzw. der Auslassanschluss A des Magnetventils 30 mit dem Entlüftungsanschluss R verbunden wird, ist der Kissenaktor 60 mit mindestens einem nichtmetallischen Federelement 64 versehen, das eine Rückstellung des Kissenaktors 60 in eine vorgegebene Ausgangsposition bei Umgebungsdruck hervorruft.
Für den Betrieb der Anregungseinheit 10 gemäß 5 wird mit der Steuereinrichtung 50 ein Steuersignal ST erzeugt, mit dem das Magnetventil 30, das dem Magnetventil 30 gemäß den 1 bis 3 entsprechen kann, von der Druckbeaufschlagungsstellung in die Ruhestellung und umgekehrt umgeschaltet wird, wodurch der Kissenaktor 60 mit Umgebungsluft gefüllt oder abgesaugt wird. Durch das Belüften und Absaugen wird mittels des Kissenaktors 60 eine mechanische Bewegung erzeugt, die in ein menschliches oder tierisches Gewebe eingekoppelt werden kann. Diesbezüglich gelten die obigen Erläuterungen im Zusammenhang mit der 2 entsprechend.
Die 6 zeigt eine Anregungseinheit 10, die im Wesentlichen der Anregungseinheit 10 gemäß den 1 und 3 entspricht, da sie ebenfalls eine Überdruckquelle 20 und ebenfalls ein Magnetventil 30 in Form eines 3/2-Wegeventils aufweist. Die Anregungseinheit 10 gemäß 6 unterscheidet sich lediglich darin, dass anstelle des Balgzylinders 40 gemäß 1 bzw. anstelle des Kissenaktors 60 gemäß 3 ein Trommelaktor 70 eingesetzt wird. Der Trommelaktor 70 weist eine elastische Membran 71 auf. Durch Umstellen des Magnetventils 30 mittels des Steuersignals ST in die Druckbeaufschlagungsstellung bzw. die Ruhestellung lässt sich die Membran 71 in eine Bewegung bzw. Schwingung versetzen, die in menschliches oder tierisches Gewebe eingekoppelt werden kann, um mit einer nicht gezeigten Bildaufnahmeeinrichtung ein Elastographieverfahren durchzuführen.
Die 7 zeigt den Trommelaktor 70 gemäß 6 in einer dreidimensionalen Darstellung schräg von der Seite.
Die 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit 10 mit einem Trommelaktor 70 und einer Druckbeaufschlagung mittels einer Unterdruckquelle 20a. Bezüglich der Funktionsweise der Anregungseinheit 10 gemäß 8 sei auf die Ausführungen im Zusammenhang mit den 2 und 5 verwiesen, bei denen zur Ansteuerung des Aktors 40 bzw. 60 ebenfalls eine Unterdruckquelle 20a eingesetzt wird. Die Erläuterungen im Zusammenhang mit den 2 und 5 gelten für die Ausführungsvariante 8 somit entsprechend.
Die 9 zeigt eine Anregungseinheit 10 mit einer Überdruckquelle 20, die über ein erstes Magnetventil 300 und ein dazu parallel geschaltetes zweites Magnetventil 310 mit einem Pendelkörperaktor 200 in Verbindung steht. Die beiden Magnetventile 300 und 310 können mit den Magnetventilen 30 gemäß den 1 bis 8 identisch sein. Mit anderen Worten kann es sich bei den beiden Magnetventilen 300 und 310 um magnetische 3/2-Wegeventile handeln, die entweder in eine Druckbeaufschlagungsstellung oder eine Ruhestellung gestellt werden können, wie dies im Zusammenhang mit den 1 bis 8 oben bereits erläutert worden ist.
Der Pendelkörperaktor 200 weist zwei Druckeingänge auf, nämlich einen ersten Druckeingang 201 und einen zweiten Druckeingang 202. Der erste Druckeingang 201 steht mit dem Auslassanschluss A des ersten Magnetventils 300 in Verbindung.
Der zweite Druckeingang 202 steht mit dem Auslassanschluss A des zweiten Magnetventils 310 in Verbindung.
Der Pendelkörperaktor 200 ist mit einem Pendelkörper 210 ausgestattet, bei dem es sich beispielsweise um einen beweglichen Kolben handeln kann. Der Pendelkörper 210 ist entlang der Pfeilrichtung PR in der 9 von links nach rechts und umgekehrt von rechts nach links verschiebbar.
Die Ansteuerung der beiden Magnetventile 300 und 310 erfolgt mittels einer Steuereinrichtung 50, die die beiden Magnetventile 300 und 310 gegenläufig ansteuert. Die Ansteuerung der beiden Magnetventile 300 und 310 erfolgt konkret derart, dass zu jedem Zeitpunkt jeweils eines der beiden Magnetventile 300 oder 310 in die Druckbeaufschlagungsstellung und das jeweils andere Magnetventil 300 oder 310 in die Ruhestellung gebracht wird. Durch ein abwechselndes Umschalten der beiden Magnetventile 300 und 310 lässt sich der Pendelkörper 210 nach links oder nach rechts verschieben. Wird beispielsweise mit der Steuereinrichtung 50 das erste Magnetventil 300 in die Druckbeaufschlagungsstellung und das zweite Magnetventil 310 in die Ruhestellung geschaltet, so wird der Druck der Überdruckquelle 20 den Pendelkörper 210 nach rechts verschieben. Durch das Verschieben des Pendelkörpers 210 wird ebenfalls eine Luftsäule verschoben, die über den Entlüftungsanschluss R das zweite Magnetventil 310 verlassen kann.
Zur Rückbewegung des Pendelkörpers 210 (vgl. 9) wird das zweite Magnetventil 310 in die Druckbeaufschlagungsstellung und das erste Magnetventil 300 in die Ruhestellung gebracht. Bei diesen Ventilstellungen wird sich der Pendelkörper 210 aufgrund des Überdrucks der Überdruckquelle 20 von rechts nach links bewegen und eine Luftsäule aus dem Pendelkörperaktor 200 heraus und durch den Entlüftungsanschluss R des ersten Magnetventils 300 in die Umgebung drücken.
Die Bewegung führt zu einem Rütteln und somit zu einer mechanischen Bewegung, die in menschliches oder tierisches Gewebe einkoppelbar ist.
Die 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Anregungseinheit 10, die der Ausführungsvariante gemäß 9 entspricht mit der Ausnahme, dass als Druckquelle eine Unterdruckquelle 20a eingesetzt wird. Der Unterdruck der Unterdruckquelle 20a wird mittels des ersten Magnetventils 300 und des zweiten Magnetventils 310 wahlweise an den ersten Druckeingang 201 oder den zweiten Druckeingang 202 angelegt, wodurch der Pendelkörper 210 in der im Zusammenhang mit 9 erläuterten Weise hin und her bewegt wird.
Die 11 zeigt eine Anregungseinheit 10, die eine Überdruckquelle 20, eine Unterdruckquelle 20a, ein Magnetventil 400 in Form eines 4/2-Wegeventils sowie einen Pendelkörperaktor 200 aufweist. Der Pendelkörperaktor 200 kann von seiner Bauart her dem Pendelkörperaktor 200 gemäß den 9 und 10 entsprechen, so dass bezüglich der Ausgestaltung des Pendelkörperaktors 200 auf die obigen Erläuterungen im Zusammenhang mit den 9 und 10 verwiesen sei.
Das Magnetventil 400 weist zwei Einlassanschlüsse P und T auf, von denen einer mit der Überdruckquelle 20 und der andere mit der Unterdruckquelle 20a verbunden ist.
Das Magnetventil 400 weist darüber hinaus zwei Auslassanschlüsse A und B auf, von denen einer mit dem ersten Druckeingang 201 des Pendelkörperaktors 200 und der andere mit dem zweiten Druckeingang 202 des Pendelkörperaktors 200 verbunden ist.
Das Magnetventil 400 ermöglicht zwei Ventilstellungen: In einer ersten Ventilstellung verbindet das Magnetventil 400 den ersten Druckeingang 201 des Pendelkörperaktors 200 mit der Überdruckquelle 20 und den zweiten Druckeingang 202 des Pendelkörperaktors 200 mit der Unterdruckquelle 20a. In dieser Ventilstellung wird der Pendelkörper 210 in der Darstellung gemäß 1 von links nach rechts bewegt.
In der zweiten Ventilstellung verbindet das Magnetventil 400 den ersten Druckeingang 201 des Pendelkörperaktors 200 mit der Unterdruckquelle 20a und den zweiten Druckeingang 202 mit der Überdruckquelle 20. In dieser zweiten Ventilstellung wird der Pendelkörper 210 in der Darstellung gemäß 11 von rechts nach links bewegt.
Durch ein Verstellen des Magnetventils 400 von der ersten Ventilstellung in die zweite Ventilstellung und umgekehrt lässt sich somit der Pendelkörper 210 von rechts nach links bzw. von links nach rechts bewegen. Die Bewegung führt zu einem Rütteln und somit zu einer mechanischen Bewegung, die in menschliches oder tierisches Gewebe einkoppelbar ist.
Die Anregungseinheit 10 gemäß 11 weist zum Ansteuern des Magnetventils 400 bzw. zum Verstellen der Ventilstellung des Magnetventils 400 eine Steuereinrichtung 50 auf, die durch ein elektrisches Steuersignal ST die jeweils gewünschte Ventilstellung des Magnetventils einstellen kann. Im Übrigen gelten die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit den 1 bis 10 entsprechend.
Zusammengefasst besteht das im Zusammenhang mit den 1 bis 11 beispielhaft beschriebene Konzept der Anregungseinheit 10 in der Trennung von Krafterzeugung und Steuermechanismus. Im Gegensatz zu bisher bekannten Aktoren wird eine starke Kraftquelle in Form von beispielsweise Pressluft durch ein vorzugsweise schnellschaltendes Magnetventil zum Beispiel über einen Funktionsgenerator gesteuert. Dabei werden im Durchfluss kurze, transiente Luftstöße an einen geeigneten Vibrationserzeuger weitergeleitet, der auf oder in der Nähe des zu untersuchenden Organs Kontakt zur Körperoberfläche besitzt. Die neue Anregungseinheit ist kompatibel zu allen bisherigen technischen Entwicklungen in der Elastographie zur Vibrationserzeugung.
Das äußerst einfache, jedoch effiziente Prinzip der Anregungseinheit 10 kann – je nach Ausführung – fünf entscheidende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bisheriger Aktoren aufweisen:

1) Trennung in ein kostengünstiges Steuersystem und eine starke Kraftquelle
2) Ausreichende Kraftreserven durch die Verwendung von Pressluft (z. B. zur Kompensation schwacher Bewegungskodiergradienten oder benötigter größerer Eindringtiefen) oder Unterdruck
3) Kleine Bauform und universelle Anregungssysteme mit größerer Reichweite der Scherwellenausbreitung (z. B. Anregung des Gehirns über Nacken/Thorax) sind möglich
4) Einfache Handhabung und robuster Aufbau mit industriell bewährten Komponenten
5) Die Ansteuerung des Magnetventils kann im Kleinspannungsbereich (24 V) erfolgen und unterscheidet sich somit hinsichtlich der Sicherheit von anderen Systemen, die Spannungen im Bereich > 100 V erfordern. Dies wird sich positiv bei der Zulassung des Geräts als Medizinprodukt auswirken.

Bezugszeichenliste

10: Anregungseinheit
20: Überdruckquelle
20a: Unterdruckquelle
21: Druckluftreservoir
22: Reduzierventil
23: Manometer
24: Vakuumpumpe
25: Unterdrucktank
26: Zweipunktregler
30: Magnetventil
40: Balgzylinderaktor
41: Platte
42: Platte
43: Balg
44: Feder
48: Druckeingang
50: Steuereinrichtung
60: Kissenaktor
61: Kissenwand
63: Kisseninneres
64: nichtmetallisches Federelement
70: Trommelaktor
71: Membran
100: Druckluftleitung
200: Pendelkörperaktor
201: Druckeingang
202: Druckeingang
210: Pendelkörper
300: Magnetventil
310: Magnetventil
400: Magnetventil
A: Auslassanschluss
B: Auslassanschluss
DL: Druckluft
F: Rückstellfeder
M: Magnetantrieb
P: Einlassanschluss
PR: Pfeilrichtung
R: Entlüftungsanschluss
ST: Steuersignal
T: Einlassanschluss
VS: Vakuumsog

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006037160 A [0007]

Claims

Elastographieeinrichtung mit – zumindest einer Anregungseinheit (10) zur Erzeugung mechanischer Gewebebewegungen in menschlichem oder tierischem Gewebe und – einer Bildaufnahmeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungseinheit (10) aufweist: – zumindest eine Druckquelle (20, 20a), – zumindest einen druckabhängig arbeitenden Aktor (40, 60, 70, 200) zur Erzeugung mechanischer Bewegungen, – zumindest ein gasstrommäßig zwischen Druckquelle (20, 20a) und Aktor (40, 60, 70, 200) angeordnetes, steuerbares Ventil (30, 300, 310, 400), dessen Ventilstellung den am Aktor (40, 60, 70, 200) anliegenden Druck beeinflusst, und – eine mit einem Steueranschluss des Ventils (30, 300, 310, 400) verbundene Steuereinrichtung (50), die das Ventil (30, 300, 310, 400) ansteuert und dessen Ventilstellung festlegt und zur Erzeugung der mechanischen Gewebebewegungen die Ventilstellung und dadurch den am Aktor (40, 60, 70, 200) anliegenden Druck im zeitlichen Verlauf verändert.
Elastographieeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (30, 300, 310) in eine Ruhestellung stellbar ist, in der es den Aktor (40, 60, 70, 200) von der Druckquelle (20, 20a) trennt und mit Umgebungsdruck beaufschlagt, insbesondere gasstrommäßig mit der Umgebungsluft verbindet.
Elastographieeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (50) derart ausgestaltet ist, dass sie das Ventil (30, 300, 310) im zeitlichen Verlauf abwechselnd in eine Druckbeaufschlagungsstellung, in der das Ventil (30, 300, 310, 400) den Druck der Druckquelle (20, 20a) an den Aktor (40, 60, 70, 200) weiterleitet, oder in eine Ruhestellung, in der das Ventil (30, 300, 310) den Aktor (40, 60, 70, 200) von der Druckquelle (20, 20a) trennt und mit Umgebungsdruck beaufschlagt, stellt.
Elastographieeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (50) derart ausgestaltet ist, dass sie durch Ansteuerung des Ventils (30, 300, 310, 400) einen im zeitlichen Verlauf rechteckförmigen oder pulsförmigen Druckverlauf am Druckeingang des Aktors (40, 60, 70, 200) hervorruft.
Elastographieeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (30, 300, 310, 400) ein elektrisch steuerbares Magnetventil ist.
Elastographieeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckquelle (20, 20a) eine Konstantdruckquelle ist.
Elastographieeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckquelle eine Überdruckquelle (20), insbesondere eine Druckluftquelle, ist.
Elastographieeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckquelle eine Unterdruckquelle (20a), insbesondere eine Vakuumeinrichtung, ist.
Elastographieeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste Druckleitung die Druckquelle (20, 20a) mit dem Ventil (30, 300, 310, 400) verbindet und das Ventil (30, 300, 310, 400) mit einem konstanten Druck beaufschlagt und – eine zweite Druckleitung das Ventil (30, 300, 310, 400) mit dem Aktor (40, 60, 70, 200) verbindet und den Aktor (40, 60, 70, 200) in Abhängigkeit von der Ventilstellung des Ventils (30, 300, 310, 400) mit einem im zeitlichen Verlauf variablen Druck beaufschlagt.
Elastographieeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktor (200) zwei Druckeingänge aufweist, die jeweils über ein Ventil (300, 310) mit der Druckquelle (20, 20a) in Verbindung stehen, und – die Steuereinrichtung (50) derart ausgestaltet ist, dass sie zur Erzeugung der mechanischen Gewebebewegungen die beiden Ventile (300, 310) im zeitlichen Verlauf jeweils abwechselnd in eine Druckbeaufschlagungsstellung, in der das Ventil (300, 310) den Druck der Druckquelle (20, 20a) an den Aktor (200) weiterleitet, oder in eine Ruhestellung, in der das Ventil (300, 310) den Aktor (200) von der Druckquelle (20, 20a) trennt und mit Umgebungsdruck beaufschlagt, stellt, wobei die Ansteuerung der beiden Ventile (300, 310) im zeitlichen Verlauf jeweils entgegengesetzt ist, so dass sich jeweils eines der beiden Ventile (300, 310) in der Druckbeaufschlagungsstellung und das jeweils andere in der Ruhestellung befindet.
Elastographieeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktor (200) einen ersten und einen zweiten Druckeingang aufweist, – das Ventil (400) in einer ersten Ventilstellung den ersten Druckeingang mit einer Überdruckquelle (20) und den zweiten Druckeingang mit einer Unterdruckquelle (20a) verbindet und in einer zweiten Ventilstellung den ersten Druckeingang mit der Unterdruckquelle (20a) und den zweiten Druckeingang mit der Überdruckquelle (20) verbindet, und – die Steuereinrichtung (50) derart ausgestaltet ist, dass sie zur Erzeugung der mechanischen Gewebebewegungen das Ventil (400) abwechselnd von der ersten Ventilstellung in die zweite Ventilstellung und von der zweiten Ventilstellung in die erste Ventilstellung schaltet.
Elastographieeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Balgzylinderaktor (40), ein Kissenaktor (60), ein Trommelaktor (70) oder Pendelkörperaktor (200), insbesondere ein Pendelkolbenaktor, ist.
Elastographieeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Wegeventil, insbesondere ein 3/2-Wegeventil (30, 300, 310) oder ein 4/2-Wegeventil (400), oder eine Ventileinrichtung, die ein Wegeventil, insbesondere ein 3/2-Wegeventil oder ein 4/2-Wegeventil, zumindest auch umfasst, ist.
Elastographieverfahren, bei dem – mit zumindest einer Anregungseinheit (10) in menschlichem oder tierischem Gewebe mechanische Gewebebewegungen erzeugt werden und – mit einer Bildaufnahmeeinrichtung Bilder des Gewebes aufgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass – mit einer Druckquelle (20, 20a) Druck erzeugt wird und an zumindest ein steuerbares Ventil (30, 300, 310, 400) weitergeleitet wird, das ausgangsseitig mit einem druckabhängig arbeitenden Aktor (40, 60, 70, 200) in Verbindung steht, und – die Ventilstellung des Ventils (30, 300, 310, 400) im zeitlichen Verlauf verändert wird, wodurch der Aktor (40, 60, 70, 200) eine mechanische Bewegung erzeugt, die in das Gewebe eingekoppelt wird.