DE102019123323A1 - Sonographic procedure and device - Google Patents

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Abstract

Es wird beschrieben ein Verfahren zur sonographischen Abbildung eines Objekts (2), insbesondere von biologischem Gewebe, z. B. dem eines Auges, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines Schallwellensenderarrays (8) aus einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden, individuell hinsichtlich der zeitlichen Aussendung ansteuerbaren Einzelschallsendern (10), und eines Schallwellenempfängerarrays (16) aus einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden Einzelschallempfängern (18), die jeweils unabhängig von den anderen Einzelschallempfängern (18) Schallsignale detektieren, b) Einstrahlen einer Beleuchtungs-Schallwelle auf das Objekt (2) aus den Einzelschallsendern (10), wobei für jeden Einzelschallsender (10) eine individuelle Anfangsphase und damit ein Phasenmuster für die Beleuchtungs-Schallwelle vorgegeben wird und die Anfangsphasen der Einzelschallsender (10) quasi-statistisch oder statistisch verteilt werden, c) Aufnehmen eines vom Objekt (2) zurückgestreuten Schallwellenfeldes mit dem Schallwellenempfängerarray (16) und Erzeugen eines Roh-Schnittbildes des Objektes (2), d) n-maliges Wiederholen der Schritte b) und c) mit verschiedenen Phasenmustern, wobei n ganzzahlig größer Eins ist, und e) Aufstellen eines Gleichungssystems aus n Gleichungen für jeden zu detektierenden Objektpunkt auf Basis der n Roh-Schnittbilder und Lösen des Gleichungssystems zum Ermitteln einer Größe eines einfach gestreuten Signals für jeden Objektpunkt und Erstellen eines um Mehrfachstreueffekte bereinigten Fein-Schnittbildes des Objekts (2) auf Basis der einfach gestreuten Signale.A method for sonographic imaging of an object (2), in particular biological tissue, e.g. B. that of an eye, the method comprising the following steps: a) Provision of a sound wave transmitter array (8) from a plurality of adjacent individual sound transmitters (10) which can be controlled individually with regard to the temporal emission, and a sound wave receiver array (16) from a plurality of adjacent individual sound receivers (18), each of which detects sound signals independently of the other individual sound receivers (18), b) irradiating an illumination sound wave onto the object (2) from the individual sound transmitters (10), with an individual initial phase and thus a Phase pattern for the lighting sound wave is specified and the initial phases of the individual sound transmitters (10) are distributed quasi-statistically or statistically, c) recording a sound wave field scattered back from the object (2) with the sound wave receiver array (16) and generating a raw sectional image of the object ( 2), d) n times again get steps b) and c) with different phase patterns, where n is an integer greater than one, and e) setting up an equation system of n equations for each object point to be detected on the basis of the n raw sectional images and solving the equation system to determine a size of a simple scattered signal for each object point and creation of a fine sectional image of the object (2) adjusted for multiple scattering effects on the basis of the simply scattered signals.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sonographischen Abbildung eines Objektes, insbesondere von biologischem Gewebe, z. B. dem eines Auges, wobei ein Schallwellensender und ein Schallwellenempfängerarray, aufweisend eine Vielzahl an nebeneinanderliegenden Einzelschallempfängern bereitgestellt wird, eine Beleuchtungs-Schallwelle auf das Objekt eingestrahlt wird und ein vom Objekt zurückgestreutes Schallwellenfeld mit dem Schallwellenempfängerarray aufgenommen und daraus ein Schnittbild des Objektes erzeugt wird.The invention relates to a method for sonographic imaging of an object, in particular biological tissue, e.g. B. that of an eye, wherein a sound wave transmitter and a sound wave receiver array, having a plurality of adjacent individual sound receivers is provided, an illumination sound wave is radiated onto the object and a sound wave field scattered back from the object is recorded with the sound wave receiver array and a sectional image of the object is generated from it.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur sonographischen Abbildung eines Objektes, insbesondere von biologischem Gewebe, z. B. dem eines Auges, die einen Schallwellensender und ein Schallwellenempfängerarray umfassend eine Vielzahl an nebeneinanderliegenden Einzelschallempfängern aufweist und über eine Steuer- und Auswerteeinrichtung verfügt, die mit dem Schallwellensender und dem Schallwellenempfängerarray verbunden ist und konfiguriert ist, über den Schallwellensender eine Schallwelle auf das Objekt einzustrahlen und über das Schallwellenempfängerarray ein vom Objekt zurückgestreutes Schallwellenfeld aufzunehmen und daraus ein Schnittbild des Objektes zu erzeugen.The invention further relates to a device for sonographic imaging of an object, in particular biological tissue, e.g. B. that of an eye, which has a sound wave transmitter and a sound wave receiver array comprising a plurality of adjacent individual sound receivers and has a control and evaluation device that is connected to the sound wave transmitter and the sound wave receiver array and is configured to radiate a sound wave onto the object via the sound wave transmitter and using the sound wave receiver array to record a sound wave field scattered back by the object and to generate a sectional image of the object therefrom.

Moderne medizinische Sonographiegeräte verwenden ein sog. phased Array, um eine Beleuchtungs-Schallwelle elektronisch abzulenken und zu fokussieren und so das Objekt zu scannen. Es gibt hierbei phased Array Anordnungen in einer als „aktiv“ bezeichneten und einer als „passiv“ bezeichneten Konfiguration. Beleuchtungsseitig sind beide Konfigurationen identisch und sind in der Lage durch eine gesteuerte Synchronisation der Einzelsendeelemente ein beliebiges Phasenmuster auf die gesendete Welle aufzumodulieren. Die Sendeelemente können auch zur Detektion der von der Probe zurück gestreuten Schallwelle eingesetzt werden. Die Vielzahl von Detektionselementen registrieren die Schallwelle an ihren Orten unabhängig voneinander, indem das Schallsignal in ein elektronisches Signal umgewandelt und digitalisiert wird. Ein „aktives“ phased array unterscheidet sich von einem „passiven“ pased array dadurch, dass es bei einem „aktiven“ phased array möglich ist, die Daten von den verschiedenen Detektorelementen in voller Bandbreite abzuspeichern und für eine Rekonstruktion zu verwenden.Modern medical sonography devices use a so-called phased array to electronically deflect and focus an illumination sound wave and thus scan the object. There are phased array arrangements in a configuration referred to as “active” and a configuration referred to as “passive”. On the lighting side, both configurations are identical and are able to modulate any phase pattern onto the transmitted wave through controlled synchronization of the individual transmission elements. The transmission elements can also be used to detect the sound wave scattered back from the sample. The large number of detection elements register the sound wave at their locations independently of one another by converting the sound signal into an electronic signal and digitizing it. An "active" phased array differs from a "passive" pased array in that with an "active" phased array it is possible to store the data from the various detector elements in full bandwidth and to use them for a reconstruction.

In Analogie zu Radarsystemen wird von einem „aktiven phased array“ gesprochen, wenn zwei oder mehr Auslesekanäle unabhängig zugänglich sind. Bei Radarsystemen gibt es sogenannte Mehrzieleradare, die typischer Weise zwei oder mehr Empfangskanäle unabhängig registrieren können und damit mehrere Ziele gleichzeitig anmessen können und damit einem konfokalem Multispotsystem entsprechen. Im Grenzfall kann auch jeder Einzeldetektor unabhängig gemessen werden und damit eine zeitgleiche Weitfeldbildgebung realisiert werden.In analogy to radar systems, an “active phased array” is used when two or more readout channels are independently accessible. In radar systems there are so-called multi-target radars, which can typically register two or more receiving channels independently and thus measure several targets at the same time and thus correspond to a confocal multi-spot system. In the borderline case, each individual detector can also be measured independently, thus realizing simultaneous wide-field imaging.

Bei „passiven“ phased arrays werden die Phasen der unterschiedlichen Detektoren elektronisch beeinflusst und dann die Signale entweder über analoge Spannungsaddierer zu einer Summenspannung zusammengeführt die AD-gewandelt und ausgegeben wird. Die Signale der Einzeldetektoren können auch erst AD-gewandelt und dann digital zusammenaddiert werden. In beiden Fällen werden die Signale der Einzelkanäle zu einem einzelnen Summensignal zusammengeführt, sodass es nicht möglich ist, die Signale der Einzelkanäle zu rekonstruieren. Dafür kann bei passiven phased arrays die Elektronik wesentlich einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden.With “passive” phased arrays, the phases of the different detectors are electronically influenced and the signals are then either merged via analog voltage adders to form a total voltage that is AD-converted and output. The signals from the individual detectors can also first be AD-converted and then added together digitally. In both cases, the signals from the individual channels are combined into a single sum signal, so that it is not possible to reconstruct the signals from the individual channels. On the other hand, with passive phased arrays, the electronics can be made much simpler and cheaper.

In der Detektion wird üblicherweise ein Schallwellenempfängerarray ausgebildet aus einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden Einzelschallempfängern eingesetzt. Damit sind solche Geräte hinsichtlich ihrer Abbildungseigenschaften voll konfokal. Dies ist auch in der Anwendung von erheblicher Bedeutung, um eine Mehrfachstreuung der Schallwelle im Objektvolumen zu minimieren und damit den Kontrast der Bilder zu optimieren. Aus dem Gebiet der photoakustischen Detektion sind aktive phased Arrays als Schallwellenempfängerarrays bekannt. Bei einem aktiven phased Array hat jedes Einzeldetektorelement einen unabhängigen Signalkanal. Alle Kanäle können mit derselben Bandbreite abgespeichert werden, so dass es die detektierte Schallwelle unabhängig von den anderen Einzelschallempfängern detektieren kann. Dies ist für fotoakustische Messungen von großer Bedeutung, da die Probe nicht von einer fokussierten Beleuchtungs-Schallwelle beleuchtet wird, sondern von einer gepulsten, diffusen Laserstrahlung, die von bestimmten Probenstrukturen absorbiert wird, diese erwärmt, wodurch sich die angeregten Probenstrukturen ausdehnen und Schallwellen emittieren. Deshalb erfolgt hier keine fokussierte, also gebündelte Beleuchtung mit Schall, sondern eine Anregung im Weitfeld. Würde man diese mit einem „passiven phased array“ Detektor kombinieren, so würde man eine sehr geringe Gesamteffizienz erhalten, da man immer nur einen sehr kleinen Probenbereich gleichzeitig vermessen könnte. Der gleichzeitig messbare Bereich hat lateral die Größe der beugungsbegrenzten Auflösung der Schallwelle und axial die Schärfentiefe der Schallwelle. Mit einigen solcher photoakustischer Systeme kann auch eine reine Ultraschallbildgebung, also unter Beleuchtung mit einer Beleuchtungs-Schallwelle, durchgeführt werden. In diesem Fall muss man allerdings, um Mehrfachstreuungen zu minimieren, das „aktive phased Array“ passiv betreiben, also wiederum so, dass nur das Summensignal für die nachfolgende Auswertung zugänglich ist.A sound wave receiver array formed from a multiplicity of individual sound receivers lying next to one another is usually used in the detection. Such devices are therefore fully confocal with regard to their imaging properties. This is also of considerable importance in the application in order to minimize multiple scattering of the sound wave in the object volume and thus to optimize the contrast of the images. Active phased arrays as sound wave receiver arrays are known from the field of photoacoustic detection. With an active phased array, each individual detector element has an independent signal channel. All channels can be stored with the same bandwidth so that it can detect the detected sound wave independently of the other individual sound receivers. This is of great importance for photoacoustic measurements, since the sample is not illuminated by a focused illuminating sound wave, but rather by pulsed, diffuse laser radiation that is absorbed by certain sample structures, which heats them up, causing the excited sample structures to expand and emit sound waves. This is why there is no focused, i.e. bundled, sound lighting, but stimulation in the wide field. If you were to combine this with a “passive phased array” detector, you would get a very low overall efficiency, since you could only measure a very small sample area at the same time. The area that can be measured at the same time has laterally the size of the diffraction-limited resolution of the sound wave and axially the depth of field of the sound wave. With some of these photoacoustic systems, pure ultrasound imaging can also be carried out, that is to say under illumination with an illumination sound wave. In this case, however, in order to minimize multiple scattering, the “active phased array” must be operated passively, ie again so that only the sum signal is accessible for the subsequent evaluation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Sonographie den Bildkontrast zu verbessern und gleichzeitig die Empfindlichkeit zu erhöhen.The invention is based on the object of improving the image contrast in sonography and at the same time increasing the sensitivity.

Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen.The invention is defined in the independent claims. The dependent claims relate to preferred developments.

Im Verfahren zur sonographischen Abbildung eines Objektes, insbesondere von biologischem Gewebe, z. B. dem eines Auges, werden folgende Schritte ausgeführt: a) Bereitstellen eines Schallwellensenderarrays, ausgebildet als aktives phased Array aus einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden Einzelschallsendern, und eines Schallwellenempfängerarrays, ausgebildet als aktives phased Array aus einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden Einzelschallempfängern, b) Einstrahlen einer Beleuchtungs-Schallwelle auf das Objekt aus den Einzelschallsendern, wobei für jeden Einzelschallsender eine individuelle Anfangsphase und damit ein Phasenmuster für die Beleuchtungs-Schallwelle vorgegeben wird und die Anfangsphasen der Einzelschallsender quasi-statistisch oder statistisch verteilt werden, c) Aufnehmen eines vom Objekt zurückgestreuten Schallwellenfeldes mit dem Schallwellenempfängerarray und Erzeugen eines Roh-Schnittbildes des Objektes, d) n-maliges Wiederholen der Schritte b) und c) mit verschiedenen Phasenmustern, wobei n ganzzahlig größer Eins ist, und e) Aufstellen eines Gleichungssystems aus n Gleichungen für jeden zu detektierenden Objektpunkt auf Basis der n Roh-Schnittbilder und Lösen des Gleichungssystems zum Ermitteln einer Größe eines einfach gestreuten Signals für jeden Objektpunkt und Erstellen eines um Mehrfachstreueffekte bereinigten Fein-Schnittbildes des Objekts auf Basis der einfach gestreuten Signale.In the method for sonographic imaging of an object, in particular of biological tissue, e.g. B. that of an eye, the following steps are carried out: a) Provision of a sound wave transmitter array, designed as an active phased array from a large number of adjacent individual sound transmitters, and a sound wave receiver array, designed as an active phased array from a large number of adjacent individual sound receivers, b) irradiation of a lighting -Sound wave on the object from the individual sound transmitters, with an individual initial phase and thus a phase pattern for the illumination sound wave being specified for each individual sound transmitter and the initial phases of the individual sound transmitters being distributed quasi-statistically or statistically, c) recording a sound wave field scattered back by the object with the Sound wave receiver array and generation of a raw sectional image of the object, d) repeating steps b) and c) n times with different phase patterns, where n is an integer greater than one, and e) setting up a system of equations from n Equations for each object point to be detected on the basis of the n raw sectional images and solving the system of equations to determine a size of a singly scattered signal for each object point and create a fine sectional image of the object, adjusted for multiple scattering effects, based on the singly scattered signals.

Eine entsprechende Vorrichtung zur sonographischen Abbildung eines Objektes, insbesondere von biologischem Gewebe, z. B. dem eines Auges, weist auf: ein Schallwellensenderarray, ausgebildet als aktives phased Array aus einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden Einzelschallsendern, ein Schallwellenempfängerarray, ausgebildet als aktives phased Array aus einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden Einzelschallempfängern, eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die mit dem Schallwellensenderarray und dem Schallwellenempfängerarray verbunden ist und konfiguriert ist, das Schallwellensenderarray zum Einstrahlen einer Schallwelle aus den Einzelschallsendern auf das Objekt anzusteuern und dabei für jeden Einzelschallsender eine individuelle Anfangsphase und damit ein Phasenmuster für die eingestrahlte Schallwelle vorzugeben, wobei die Anfangsphasen der Einzelschallsender quasi-statistisch oder statistisch verteilt, über das Schallwellenempfängerarray ein vom Objekt zurückgestreutes Schallwellenfeld aufzunehmen und ein Roh-Schnittbildes des Objektes zu erzeugen, Schallwelleneinstrahlen, Schallwellenfeldaufnehmen sowie Roh-Schnittbilderzeugen n-mal mit verschiedenen Phasenmustern zu wiederholen, wobei n ganzzahlig größer Eins ist, und ein Gleichungssystems aus n Gleichungen für jeden zu detektierenden Objektpunkt auf Basis der n Roh-Schnittbilder aufzustellen und das Gleichungssystems zum Ermitteln einer Größe eines einfach gestreuten Signals für jeden Objektpunkt zu lösen und ein um Mehrfachstreueffekte bereinigtes Fein-Schnittbildes des Objekts auf Basis der einfach gestreuten Signale zu erstellen.A corresponding device for sonographic imaging of an object, in particular biological tissue, e.g. B. that of an eye, has: a sound wave transmitter array, designed as an active phased array from a large number of adjacent individual sound transmitters, a sound wave receiver array, designed as an active phased array from a large number of adjacent individual sound receivers, a control and evaluation device that works with the sound wave transmitter array and is connected to the sound wave receiver array and is configured to control the sound wave transmitter array to radiate a sound wave from the individual sound transmitters onto the object and thereby specify an individual initial phase for each individual sound transmitter and thus a phase pattern for the radiated sound wave, the initial phases of the individual sound transmitters being distributed quasi-statistically or statistically to pick up a sound wave field scattered back from the object via the sound wave receiver array and to generate a raw sectional image of the object how to repeat raw sectional images n times with different phase patterns, where n is an integer greater than one, and to set up an equation system of n equations for each object point to be detected on the basis of the n raw sectional images and the system of equations for determining the size of a simply scattered signal to solve for each object point and to create a fine sectional image of the object, adjusted for multiple scattering effects, on the basis of the simply scattered signals.

Für das Verfahren wird mit einem aktiven phased Array eine gestreute Schallwelle erzeugt, indem für jeden Schallsender eine statistische Anfangsphase elektronisch angesteuert wird. Es entsteht ein deterministisches Speckle-Schallwellenfeld im gesamten Objektvolumen mit berechenbarer lokaler Schallamplitude und Phasenlage. Durch die gestreute Natur der Beleuchtungsquelle können deutlich größere Gesamtschallleistungen in das Objekt sicher eingebracht werden, da es keine Feldüberhöhungen/Foki im Objektvolumen gibt im Gegensatz zu einer konfokalen mono-Mode Schallwelle. Das vom Objekt zurückgestreute Schallwellenfeld wird mit einem aktiven phased Array aufgenommen und die Schnittbilder, z.B. mit Hilfe von Propagation-Auswertungsalgorithmen, wie sie im Stand der Technik der Photoakustik bekannt sind, ausgewertet. Diese Bilder weisen durch den Weitfeldcharakter eine große Sensitivität, aber dadurch auch eine extrem gesteigerte Empfindlichkeit für mehrfach gestreute Schallwellen auf.For the process, a scattered sound wave is generated with an active phased array by electronically controlling a statistical initial phase for each sound transmitter. A deterministic speckle sound wave field is created in the entire object volume with calculable local sound amplitude and phase position. Due to the scattered nature of the lighting source, significantly greater total sound power levels can be safely introduced into the object, since there are no field increases / foci in the object volume in contrast to a confocal mono-mode sound wave. The sound wave field scattered back from the object is recorded with an active phased array and the sectional images are evaluated, e.g. with the aid of propagation evaluation algorithms as they are known in the prior art of photoacoustics. Due to their wide field character, these images have a high sensitivity, but also an extremely increased sensitivity for multiple scattered sound waves.

Man nimmt jetzt mehrere Roh-Schnitte des Objekts auf und variiert dabei das statistische Phasenmuster bei der Emission der Schallwelle. Man erhält so n ausgewertete Roh-Schnittbilder und für jeden Objektpunkt n Messwerte Yi. Außerdem kann man für jeden dieser Objektpunkte die Anregungsfeldstärke Xi der Schallwelle über die Propagation der Schallwelle mit ihrem statistischen Anfangsphasenmuster berechnen. Damit kann man n Gleichungen vom Typ Yi=Xi*(einfach gestreutes Signal) + (mehrfach gestreuter Untergrund) aufstellen. Alle Größen in dieser Gleichung sind i.d.R. komplex, haben also neben einer Amplitude auch eine Phaseninformation. Über eine für jedes Objektpixel durchzuführende lineare Regression über die n Gleichungen kann dann die Größe des einfach gestreuten Signals bestimmt werden. Der Betrag dieser Größe entspricht einem Fein-Schnittbild des Objekts, das einen deutlich verbesserten Kontrast durch die Unterdrückung der Mehrfachstreuung aufweist. Außerdem ist das Bild entspeckelt.You now take several raw sections of the object and vary the statistical phase pattern during the emission of the sound wave. In this way, n evaluated raw sectional images and n measured values Yi for each object point are obtained. In addition, the excitation field strength Xi of the sound wave can be calculated for each of these object points via the propagation of the sound wave with its statistical initial phase pattern. With this one can set up n equations of the type Yi = Xi * (singly scattered signal) + (multiply scattered background). All quantities in this equation are usually complex, so they have phase information in addition to an amplitude. The size of the simply scattered signal can then be determined via a linear regression to be carried out for each object pixel using the n equations. The amount of this size corresponds to a fine sectional image of the object, which has a significantly improved contrast due to the suppression of multiple scattering. In addition, the picture is peeled off.

In der dargestellten Gleichung entspricht die Größe „einfach gestreutes Signal“ einem komplexen Rückstreukoeffizienten. Diese Größe hängt nur von der Mikrostruktur des Probenpunktes ab und ist damit nicht von der Bildnummer i abhängig. Die Größe „mehrfach gestreuter Untergrund“ ist dagegen eine komplexe Feldstärke, die im Prinzip nicht nur von der Struktur des gesamten Probenvolumens abhängt, sondern auch von dem Beleuchtungsmuster, was über der Bildnummer i verändert wird. Wie in der Gleichung dargestellt, wird die Größe „mehrfach gestreuter Untergrund“ aber vereinfacht als eine nicht von der Bildnummer i abhängige Größe angenommen. Damit erzeugt man bestimmte Modellabweichungen, die aber über die Statistik über die n Bilder dazu führen, dass ein gewisser Mitteilungseffekt stattfindet, der in seiner Wirkung die Bilder entspeckelt und den mehrfach gestreuten Untergrund unterdrückt und somit die Bildqualität gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessert.In the equation shown, the quantity “simply scattered signal” corresponds to a complex backscatter coefficient. This size only depends on the microstructure of the sample point and is therefore not dependent on the image number i. The “multiply scattered background” variable, on the other hand, is a complex field strength that, in principle, not only depends on the structure of the entire sample volume, but also on the illumination pattern, which is changed via image number i. As shown in the equation, the "multiply scattered subsurface" is assumed, in simplified form, as a variable that does not depend on the image number i. This creates certain model deviations, which, however, via the statistics of the n images, lead to a certain communication effect, the effect of which is clearing the images and suppressing the multiple scattered background and thus significantly improving the image quality compared to the state of the art.

Die Größe „einfach gestreutes Signal“ ist im Prinzip eine mikroskopisch räumlich beliebig fein aufgelöste Größe. Ein Probenort, für den die obige Gleichung definiert ist hat lateral die Größe der beugungsbegrenzten Auflösung der Schallwelle die über die Apertur bestimmt wird und axial die Tiefenauflösung die aus der Zeitauflösung der Ultraschallauswertung im gepulsten Modus oder der Frequenzauflösung im FMCW-Mode entspricht. Die Größe „einfach gestreutes Signal“ wird über diesen Probenbereich gemittelt betrachtet. Da aber die Beleuchtungsspeckle des ungestreuten Feldes Xi vor der Mitteilung über dem Probenort multipliziert werden, mischen sie. Aus diesem Grund wird das Powerspektrum von „einfach gestreutes Signal“ neben einem verbesserten Kontrast auch reduzierte Speckle aufweisen.The quantity “simply scattered signal” is in principle a microscopically spatially finely resolved quantity. A sample location for which the above equation is defined has laterally the size of the diffraction-limited resolution of the sound wave that is determined via the aperture and axially the depth resolution that corresponds to the time resolution of the ultrasound evaluation in pulsed mode or the frequency resolution in FMCW mode. The size “simply scattered signal” is considered averaged over this sample area. However, since the illumination speckles of the unscattered field Xi are multiplied before the information about the sample location, they mix. For this reason, the power spectrum of “simply scattered signal” will have reduced speckle in addition to improved contrast.

Damit hat man zusammengefasst die folgenden Vorteile:

  • - Man kann deutlich höhere Beleuchtungsschallintensitäten einsetzten, ohne Schallgrenzwerte für z.B. lebendes Gewebe zu überschreiten, und damit höhere Sensitivitäten erreichen.
  • - Durch die Weitfelddetektion erhält man eine laterale Auflösung im Bild, die von dem axial zugänglichen Tiefenbereich entkoppelt ist, und kann dadurch die Aufnahmegeschwindigkeit weiter erhöhen, da man nicht verschiedene Tiefenscans kombinieren muss.
  • - Durch das dargestellte Verfahren kann die Mehrfachstreuung signifikant reduziert werden.
  • - Die Fein-Schnittbilder sind zusätzlich entspeckelt, oder es kann die laterale Auflösung der Bilder verdoppelt werden, dann bleiben aber die Speckle erhalten.
In summary, you have the following advantages:
  • - You can use significantly higher illuminating sound intensities without exceeding sound limit values for living tissue, for example, and thus achieve higher sensitivities.
  • - The wide-field detection results in a lateral resolution in the image that is decoupled from the axially accessible depth range, and can thereby further increase the recording speed, since it is not necessary to combine different depth scans.
  • - With the method shown, the multiple scatter can be significantly reduced.
  • - The fine slice images are also de-speckled, or the lateral resolution of the images can be doubled, but then the speckles are retained.

Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens sind die ersten drei Punkte und für die Anwendung an stark streuendem biologischem Gewebe besonders die Unterdrückung der mehrfach gestreuten Schallenwellenanteile. Sollen dagegen weniger stark streuende Objekte vermessen werden, wie z. B. bestimmte technische Proben, so kann bei gleicher Beleuchtungsanordnung die Auswertung anders als durch die hier dargestellte Formel ausgeführt werden. Analog zu den aus der Mikroskopie bekannten Verfahren der strukturierten Beleuchtung mit statistischen Speckle-Strukturen können auch mehrere Bilder mit statistisch variierten Anregungsphasenverteilungen so ausgewertet werden, dass über das gestreute Beleuchtungsschallwellenfeld eingebrachte Ortsfrequenzen die laterale Auflösung verdoppelt werden kann und damit die laterale Auflösung eines voll konfokalen Systems bei trotz dem deutlich höherer Detektionseffizienz und Geschwindigkeit erreicht werden kann.The main advantages of the method are the first three points and, for use on highly scattering biological tissue, especially the suppression of the multiple scattered sound wave components. If, on the other hand, less strongly scattering objects are to be measured, such as B. certain technical samples, the evaluation can be carried out differently than by the formula shown here with the same lighting arrangement. Analogous to the methods of structured illumination with statistical speckle structures known from microscopy, several images with statistically varied excitation phase distributions can also be evaluated in such a way that the spatial frequencies introduced via the scattered illumination sound wave field can double the lateral resolution and thus the lateral resolution of a fully confocal system which can be achieved despite the significantly higher detection efficiency and speed.

Es ist deshalb in Ausführungsformen bevorzugt, dass der Wert des einfach gestreuten Signals eine komplexe Zahl bestehend aus Amplitude und Phase ist und dass der Betrag der komplexen Zahl als Größe des einfach gestreuten Signals verwendet wird. In einer weiteren Ausgestaltung kann dabei eine komplexe Anregungsfeldstärke, die von der Beleuchtungs-Schallwelle im Objekt bereitgestellt wird, für jeden Objektpunkt mittels einer Propagationsrechnung auf Basis des Phasenmusters berechnet werden.It is therefore preferred in embodiments that the value of the singly scattered signal is a complex number consisting of amplitude and phase and that the magnitude of the complex number is used as the magnitude of the singly scattered signal. In a further embodiment, a complex excitation field strength, which is provided by the illumination sound wave in the object, can be calculated for each object point by means of a propagation calculation on the basis of the phase pattern.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:

  • 1 eine Schemadarstellung einer Vorrichtung zur Sonographie eines Objektes,
  • 2 eine schematische Detaildarstellung eines Elementes der Vorrichtung und
  • 3 ein Blockschaltbild für ein von der Vorrichtung ausgeführtes Sonographieverfahren.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings, which likewise disclose features that are essential to the invention. These exemplary embodiments are used for illustration purposes only and are not to be construed as restrictive. For example, a description of an exemplary embodiment with a multiplicity of elements or components should not be interpreted to the effect that all of these elements or components are necessary for implementation. Rather, other exemplary embodiments can also contain alternative elements and components, fewer elements or components, or additional elements or components. Elements or components of different exemplary embodiments can be combined with one another, unless otherwise stated. Modifications and variations which are described for one of the exemplary embodiments can also be applied to other exemplary embodiments. To avoid repetition, elements that are the same or that correspond to one another are designated by the same reference symbols in different figures and are not explained more than once. From the figures show:
  • 1 a schematic representation of a device for sonography of an object,
  • 2 a schematic detailed representation of an element of the device and
  • 3rd a block diagram for a sonography procedure carried out by the device.

1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur sonographischen Abbildung eines Objektes 2. Die Vorrichtung umfasst einen Sonographiekopf 4, der Schallwellen auf das Objekt 2 aussendet und rückgestreute Schallwellen empfängt und auswertet. Die Vorrichtung umfasst dabei eine Steuer- und Analyseeinrichtung, die mit dem Sonographiekopf 4 über nicht näher bezeichnete Leitungen verbunden ist. 1 shows schematically a device for sonographic imaging of an object 2 . The device comprises a sonography head 4th , the sound waves hit the object 2 emits and receives and evaluates backscattered sound waves. The device comprises a control and analysis device that works with the sonography head 4th is connected via unspecified lines.

2 zeigt schematisch den Sonographiekopf 4 hinsichtlich der Erzeugung des Schallwellenfeldes und hinsichtlich der Detektion rückgestreuter Schallwellen. Der Sonographiekopf 4 umfasst ein Schallwellensenderarray bestehend aus einer Vielzahl an Einzelschallwellensendern 10, die über eine Digital-Analog-Einheit 14 jeweils individuell angesteuert werden können. Sie sind über einen Busanschluss 14 mit der Analyse- und Steuereinrichtung 6 verbunden. Zur Detektion ist ein Schallwellenempfängerarray 16 vorgesehen, das eine Vielzahl an einzelnen Schallwellenempfängern 18 aufweist, die über jeweils individuelle Analog-Digital-Wandler 20 individuell auslesbar sind. Das Schallwellenempfängerarray 16 ist ebenfalls über einen Busanschluss 22 mit der Analyse- und Steuerungseinrichtung 6 verbunden. Das Schallwellensenderarray 8 stellt ein aktives phased Array dar, gleichermaßen das Schallwellenempfängerarray. Technisch besonders bevorzugt, werden kombinierte Schallsende- und Empfangselemente 10/18 mit einer dafür angepassten Elektronik verwendet, wie sie dem Stand der Technik entsprechen. 2 shows schematically the sonography head 4th with regard to the generation of the sound wave field and with regard to the detection of backscattered sound waves. The sonography head 4th comprises a sound wave transmitter array consisting of a large number of individual sound wave transmitters 10 that have a digital-to-analog unit 14th can each be controlled individually. They are via a bus connection 14th with the analysis and control device 6th connected. A sound wave receiver array is used for detection 16 provided that a large number of individual sound wave receivers 18th has, which each have individual analog-to-digital converters 20th can be read out individually. The sound wave receiver array 16 is also via a bus connection 22nd with the analysis and control device 6th connected. The sound wave transmitter array 8th represents an active phased array, likewise the sound wave receiver array. Combined sound transmitting and receiving elements are particularly preferred from a technical point of view 10/18 used with electronics adapted for this purpose, as they correspond to the state of the art.

Zum Erzeugen einer Beleuchtungs-Schallwelle werden die Einzelschallsender 10 individuell mit einer statistischen Anfangsphase angesteuert, so dass ein determiniertes Speckle-Schallwellenfeld im Objekt 2 entsteht (Schritt S1 in 3). Das vom Objekt 2 zurückgestreute Schallwellenfeld wird mit dem Schallwellenempfängerarray 16 aufgenommen, wobei die Phase für jeden Einzelempfänger 18 ermittelt wird (Schritt S2). Mithilfe von Propagations-Auswertungsalgorithmen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, wird dann ein Schnittbild erzeugt (Schritt S3). Dieses Bild weist durch den Weitfeldcharakter eine große Sensitivität auf, ist aber auch hinsichtlich mehrfach gestreuter Schallwellen erheblich empfindlich.The individual sound transmitters are used to generate an illumination sound wave 10 individually controlled with a statistical initial phase, so that a determined speckle sound wave field in the object 2 arises (step S1 in 3rd ). That from the object 2 backscattered sound wave field is generated with the sound wave receiver array 16 recorded, the phase for each individual recipient 18th is determined (step S2 ). With the help of propagation evaluation algorithms, as they are known in the prior art, a slice image is then generated (step S3 ). Due to its wide-field character, this image is extremely sensitive, but it is also considerably sensitive to sound waves that are scattered several times.

Die Schritte S1 bis S3 werden nun wiederholt, wobei das statistische Phasenmuster bei der Emission der Schallwelle, also die individuellen statistischen Anfangsphasen der Einzelschallwellensender 10 variiert werden. Man erhält so n Rohschnittbilder und für jeden Objektpunkt n Messwerte Yi.The steps S1 to S3 are now repeated, the statistical phase pattern in the emission of the sound wave, i.e. the individual statistical initial phases of the individual sound wave transmitters 10 can be varied. This gives n rough sectional images and n measured values Yi for each object point.

Außerdem wird für jeden dieser Objektpunkte die Anregungsfeldstärke Xi der Schallwelle über die Propagation der Schallwelle mit ihren statistischen Anfangsphasen berechnet (Schritt S4). Somit wird in einem Schritt S5 ein Gleichungssystem bestehend aus n Gleichungen vom Typ Yi = Xi * (einfach gestreutes Signal) + (mehrfach gestreuter Untergrund) aufgestellt. Alle Größen in dieser Gleichung sind komplex, haben also neben einer Amplitude auch eine Phase. Nun wird im Schritt S6 für jedes Objektpixel das Gleichungssystem gelöst, beispielsweise mittels einer linearen Regression.In addition, the excitation field strength Xi of the sound wave is calculated for each of these object points via the propagation of the sound wave with its statistical initial phases (step S4 ). Thus, in one step S5 a system of equations consisting of n equations of the type Yi = Xi * (singly scattered signal) + (multiply scattered background) set up. All quantities in this equation are complex, so they have both an amplitude and a phase. Now in step S6 the equation system is solved for each object pixel, for example by means of a linear regression.

Auf diese Weise wird die Größe des einfach gestreuten Signals bestimmt, dessen Betrag zu einem Fein-Schnittbild des Objektes im Schritt S6 führt, das einen deutlich verbesserten Kontrast durch Unterdrückung von Mehrfachstreuungen aufweist.In this way, the size of the simply scattered signal is determined, its amount to a fine sectional image of the object in step S6 leads, which has a significantly improved contrast by suppressing multiple scattering.

Claims (10)

Verfahren zur sonographischen Abbildung eines Objekts (2), insbesondere von biologischem Gewebe, z. B. dem eines Auges, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellen eines Schallwellensenderarrays (8) aus einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden, individuell hinsichtlich der zeitlichen Aussendung ansteuerbaren Einzelschallsendern (10), und eines Schallwellenempfängerarrays (16) aus einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden Einzelschallempfängern (18), die jeweils unabhängig von den anderen Einzelschallempfängern (18) Schallsignale detektieren, b) Einstrahlen einer Beleuchtungs-Schallwelle auf das Objekt (2) aus den Einzelschallsendern (10), wobei für jeden Einzelschallsender (10) eine individuelle Anfangsphase und damit ein Phasenmuster für die Beleuchtungs-Schallwelle vorgegeben wird und die Anfangsphasen der Einzelschallsender (10) quasi-statistisch oder statistisch verteilt werden, c) Aufnehmen eines vom Objekt (2) zurückgestreuten Schallwellenfeldes mit dem Schallwellenempfängerarray (16) und Erzeugen eines Roh-Schnittbildes des Objektes (2), d) n-maliges Wiederholen der Schritte b) und c) mit verschiedenen Phasenmustern, wobei n ganzzahlig größer Eins ist, und e) Aufstellen eines Gleichungssystems aus n Gleichungen für jeden zu detektierenden Objektpunkt auf Basis der n Roh-Schnittbilder und Lösen des Gleichungssystems zum Ermitteln einer Größe eines einfach gestreuten Signals für jeden Objektpunkt und Erstellen eines um Mehrfachstreueffekte bereinigten Fein-Schnittbildes des Objekts (2) auf Basis der einfach gestreuten Signale.Method for sonographic imaging of an object (2), in particular biological tissue, e.g. B. that of an eye, the method comprising the following steps: a) Provision of a sound wave transmitter array (8) from a plurality of adjacent individual sound transmitters (10), individually controllable with regard to the time transmission, and a sound wave receiver array (16) from a plurality of adjacent individual sound receivers (18), each of which detects sound signals independently of the other individual sound receivers (18), b) irradiating an illumination sound wave onto the object (2) from the individual sound transmitters (10), with an individual initial phase and thus a Phase pattern for the lighting sound wave is specified and the initial phases of the individual sound transmitters (10) are distributed quasi-statistically or statistically, c) recording a sound wave field scattered back from the object (2) with the sound wave receiver array (16) and generating a raw sectional image of the object ( 2), d) n times again get steps b) and c) with different phase patterns, where n is an integer greater than one, and e) setting up an equation system of n equations for each object point to be detected on the basis of the n raw sectional images and solving the equation system to determine a size of a simple scattered signal for each object point and creating one adjusted for multiple scattering effects Fine sectional image of the object (2) based on the simply scattered signals. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wert des einfach gestreuten Signals eine komplexe Zahl bestehend aus Amplitude und Phase ist und der Betrag der komplexen Zahl als Größe des einfach gestreuten Signals gebildet wird.Procedure according to Claim 1 , where the value of the singly scattered signal is a complex number consisting of amplitude and phase and the magnitude of the complex number is formed as the magnitude of the singly scattered signal. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Schritt e) weiter aufweist: Berechnen einer komplexen Anregungsfeldstärke der Beleuchtungs-Schallwelle für jeden Objektpunkt mittels einer Propagationsrechnung auf Basis des Phasenmusters.Procedure according to Claim 2 , wherein step e) further comprises: calculating a complex excitation field strength of the illumination sound wave for each object point by means of a propagation calculation on the basis of the phase pattern. Verfahren nach Anspruch 3, wobei jede der Gleichungen in Schritt e) die Anregungsfeldstärke mit einem Wert für das einfach gestreute Signal multipliziert und zum Ergebnis ein Wert für mehrfach gestreute Untergrundsignale addiert wird.Procedure according to Claim 3 , wherein each of the equations in step e) the excitation field strength is multiplied by a value for the singly scattered signal and a value for multiply scattered background signals is added to the result. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, wobei in Schritt c) das Roh-Schnittbild des Objektes (2) mittels eines Propagations-Auswertungsalgorithmus' berechnet wird.Method according to one of the above claims, wherein in step c) the raw sectional image of the object (2) is calculated by means of a propagation evaluation algorithm. Vorrichtung zur sonographischen Abbildung eines Objekts (2), insbesondere von biologischem Gewebe, z. B. dem eines Auges, die aufweist: - ein Schallwellensenderarray (8) aus einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden, individuell hinsichtlich der zeitlichen Aussendung ansteuerbaren Einzelschallsendern (10), - ein Schallwellenempfängerarray (16) aus einer Vielzahl an nebeneinanderliegenden Einzelschallempfängern (18), die jeweils unabhängig von den anderen Einzelschallempfängern (18) Schallsignale detektieren, - eine Steuer- und Auswerteeinrichtung, die mit dem Schallwellensenderarray (8) und dem Schallwellenempfängerarray (16) verbunden ist und konfiguriert ist, -- das Schallwellensenderarray (8) zum Einstrahlen einer Schallwelle aus den Einzelschallsendern (10) auf das Objekt (2) anzusteuern und dabei für jeden Einzelschallsender (10) eine individuelle Anfangsphase und damit ein Phasenmuster für die eingestrahlte Schallwelle vorzugeben, wobei die Anfangsphasen der Einzelschallsender (10) quasi-statistisch oder statistisch verteilt, -- über das Schallwellenempfängerarray (8) ein vom Objekt (2) zurückgestreutes Schallwellenfeld aufzunehmen und ein Roh-Schnittbildes des Objektes (2) zu erzeugen, -- Schallwelleneinstrahlen, Schallwellenfeldaufnehmen sowie Roh-Schnittbilderzeugen n-mal mit verschiedenen Phasenmustern zu wiederholen, wobei n ganzzahlig größer Eins ist, und -- ein Gleichungssystems aus n Gleichungen für jeden zu detektierenden Objektpunkt auf Basis der n Roh-Schnittbilder aufzustellen und das Gleichungssystems zum Ermitteln einer Größe eines einfach gestreuten Signals für jeden Objektpunkt zu lösen und ein um Mehrfachstreueffekte bereinigtes Fein-Schnittbildes des Objekts (2) auf Basis der einfach gestreuten Signale zu erstellen.Device for sonographic imaging of an object (2), in particular biological tissue, e.g. B. that of an eye that has: - A sound wave transmitter array (8) made up of a large number of adjacent single sound transmitters (10) that can be individually controlled with regard to their temporal emission, - A sound wave receiver array (16) comprising a large number of individual sound receivers (18) lying next to one another, each of which detects sound signals independently of the other individual sound receivers (18), - A control and evaluation device which is connected and configured to the sound wave transmitter array (8) and the sound wave receiver array (16), - To control the sound wave transmitter array (8) for irradiating a sound wave from the individual sound transmitters (10) onto the object (2) and thereby specify an individual initial phase and thus a phase pattern for the irradiated sound wave for each individual sound transmitter (10), the initial phases of the individual sound transmitters (10) quasi-statistically or statistically distributed, - Record a sound wave field scattered back from the object (2) via the sound wave receiver array (8) and generate a raw sectional image of the object (2), - Repeat sound wave irradiation, sound wave field recording and raw sectional image generation n times with different phase patterns, where n is an integer greater than one, and - To set up a system of equations of n equations for each object point to be detected on the basis of the n raw slice images and to solve the system of equations to determine a size of a simply scattered signal for each object point and a fine slice image of the object (2) adjusted for multiple scattering effects To create the basis of the simply scattered signals. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung konfiguriert ist, den Wert des einfach gestreuten Signals als eine komplexe Zahl bestehend aus Amplitude und Phase zu berechnen und den Betrag der komplexen Zahl als Größe des einfach gestreuten Signals zu bilden.Device according to Claim 6 , wherein the control and evaluation device is configured to calculate the value of the singly scattered signal as a complex number consisting of amplitude and phase and to form the magnitude of the complex number as the magnitude of the singly scattered signal. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung konfiguriert ist, eine komplexe Anregungsfeldstärke der Beleuchtungs-Schallwelle für jeden Objektpunkt mittels einer Propagationsrechnung auf Basis des Phasenmusters zu berechnen.Device according to Claim 7 , wherein the control and evaluation device is configured to calculate a complex excitation field strength of the illumination sound wave for each object point by means of a propagation calculation on the basis of the phase pattern. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung konfiguriert ist, jede für der Gleichungen die Anregungsfeldstärke mit einem Wert für das einfach gestreute Signal zu multiplizieren und zum Ergebnis ein Wert für mehrfach gestreute Untergrundsignale zu addieren.Device according to Claim 8 , wherein the control and evaluation device is configured to multiply the excitation field strength for each of the equations by a value for the singly scattered signal and to add a value for multiply scattered background signals to the result. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung konfiguriert ist, das Roh-Schnittbild des Objektes mittels eines Propagations-Auswertungsalgorithmus' zu berechnen.Device according to one of the Claims 6 to 9 , wherein the control and evaluation device is configured to calculate the raw sectional image of the object by means of a propagation evaluation algorithm.
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