DE19639153A1 - Vorrichtung der Ultraschallabbildung in der medizinischen Diagnostik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ultraschallabbildung in der medizinischen Diagnostik, insbesondere zur Untersuchung eines zu diagnostizierenden Körpers oder eines lebenden Körpers durch Gebrauch von Ultraschallwellen. Zur Untersuchung eines zu diagnostizierenden Körpers, wie eines lebenden Körpers, ist es wünschenswert, eine Ultraschalldiagnosevorrichtung mit einer großen Reichweite und einer hohen Auflösung auf dieser Reichweite zu haben. Bei einer Ultra­ schalldiagnosevorrichtung, die eine Impulsreflexionsmethode gebraucht, um die tomographische Abbildung eines lebenden Körpers aufzunehmen, wie etwa bei den bisher gebräuchlichen, kann die Abstandsauflösung in einer Richtung längs des Ultraschallstrahls und die Richtungsauflösung in einer Richtung senkrecht zum Ultraschallstrahl unterschieden werden. Das Abstandsauflösungs­ vermögen kann durch Reduzieren der Impulsdauer der Übertragungswellen erhöht werden. Um die Impulsdauer zu reduzieren, kann der Ultraschallwandler so entworfen werden, daß er einen großen Frequenzbereich überdeckt. Zu diesen Zweck wird zum Beispiel die Güte Q des Ultra­ schallwandlers durch den Gebrauch eines Dämpfungsmaterials kleingesetzt. Wenn jedoch Dämpfungsmaterial verwendet wird, um eine geringe Güte zu erhalten, wird die Übertragungs- und Empfangsverlustleistung durch den Gebrauch des Dämpfungsmaterials erhöht, dabei verringert sich die Übertragungs- und Empfangsempfindlichkeit. Ein anderes Verfahren zur Reduzierung der Impulsdauer wird durch Erhöhen der Betriebsfrequenz des Ultraschallwandlers erreicht. In diesem Fall verringert sich jedoch, da die Dämpfung der Ultraschallwellen im lebenden Körper mit wachsender Betriebsfrequenz schnell groß wird, der maximal erlaubte Diagnoseabstand und die Detektionsempfindlichkeit. Im Gegensatz dazu kann die Richtungsauflösung durch Festlegen eines kleinen Durchmessers des Ultraschallstrahls erhöht werden. Der Durchmesser des Ultraschallstrahls kann dadurch klein gemacht werden, daß die abstrahlende Fläche des Ultraschallwandlers groß im Verhältnis zur benutzten Schallwellenlänge gemacht wird. In diesem Fall ist jedoch der Fokusbereich klein und die Auflösungsleistung ist im Gebiet außerhalb des Fokusbereiches verringert. Die Richtungsauflösung kann mit Erhöhung der Betriebsfrequenz unter Beibehaltung der Strahlerfläche erhöht werden. Auch in diesem Fall verhindert die starke Dämpfung der Ultraschallwellen die Durchführung einer Diagnose über größere Entfernungen. In einer Ultraschalldiagnosevorrichtung, wie in einem Ultraschall­ echokardiagraph, in dem die Strahlergröße des Ultraschallwandlers begrenzt ist, ist es ratsam, eine nicht zu hohe Betriebsfrequenz zu gebrauchen, damit die Detektionsempfindlichkeit und die Eindringtiefe zufriedenstellend sind.

Mit der hohen Betriebsfrequenz kann die Auflösung erhöht werden, aber die Detektionsempfind­ lichkeit wird wie oben beschrieben verringert. Eine Verringerung der Detektionsempfindlichkeit kann durch Vergrößerung der Übertragungsleistung um einen entsprechenden Betrag kompensiert werden. Das läßt sich aber in der Praxis nicht umsetzten, da dort physikalisch einige Beschrän­ kungen vorliegen. Um dieses Problem zu lösen, kann die Korrelationsmeßmethode mit Anregung durch maximalperiodisches Rauschen angewendet werden, die praktisch in der raumakustischen Meßtechnik Verwendung findet. Bei diesem Verfahren wird die Signalenergie über die Perioden­ dauer einer anregenden pseudostochastischen Rauschfolge verteilt, während bei der herkömm­ lichen Impulsreflexionsmethode die Signalenergie auf die kurze Dauer der Impulsanregung konzentriert ist. Das Verfahren der Ultraschallabbildung mit Anregung durch maximalperiodisches Rauschen erlaubt die gleiche Detektionsempfindlichkeit bei geringerer Anregungsamplitude. Mit steigender Schalldruckamplitude der Anregung wird die Gefahr durch eine Kavitationsschädigung des menschlichen Gewebes größer. Das Verfahren der Ultraschallabbildung mit Anregung durch maximalperiodisches Rauschen erlaubt die Begrenzung der Anregungsamplitude bei gleichzeitig gesteigerter Detektionsempfindlichkeit. Damit kann auch bei mit den herkömmlichen Verfahren vergleichbarer Detektionsempfindlichkeit die Betriebsfrequenz der Ultraschallwandleranordnung erhöht werden. Die Methode wird im folgenden kurz erklärt.

Das Verfahren der Ultraschallabbildung mit Anregung durch maximalperiodische Rauschfolgen ist eine Korrelationsmeßtechnik zur Untersuchung linearer, zeitinvarianter Systeme. Ursprünglich sind maximalperiodische Rauschfolgen zeitlich periodisch, zweiwertig und können mit Hilfe eines entsprechend den primitiven Polynomen rückgekoppelten Schieberegisters der Breite n erzeugt werden [1]. Eine Periode beinhaltet N = 2ⁿ-1 verschiedene Zustände. Maximalperiodische Rauschfolgen beschreiben ursprünglich Zahlenfolgen, hier bestimmen sie das Vorzeichen von zweiwertigen Rechteckfolgen. Das diskrete Frequenzspektrum einer ursprünglichen maximal­ periodischen Rauschfolge ist abgesehen von einem Fehler beim Gleichanteil eben, das Phasen­ spektrum ist pseudostochastisch. Alternativ können auch vorverzerrte maximalperiodische Rauschfolgen Verwendung finden [2]. Die Autokorrelationsfunktion der maximalperiodischen Rauschfolgen ist eine Stoßfunktion mit einer Amplitude, die um den Faktor N höher ist als die der maximalperiodischen Rauschfolge. Verglichen mit der herkömmlichen Impulsanregung mit gleicher Amplitude beträgt die theoretische Steigerung der Detektionsempfindlichkeit bei der Messung mit maximalperiodischen Rauschfolgen der Ordnung n ΔL = 10·log(2ⁿ-1) ≈ n·3 dB.

Abb. 1 zeigt ein Beispiel einer maximalperiodischen Rauschfolge der Ordnung n = 6 im Vergleich zur zugehörigen Autokorrelationsfunktion. In Abb. 2 ist die Bestimmung der Impulsantwort eines Systems mit der Impulsantwort h(t) schematisch dargestellt, m(t) sei eine maximalperiodische Rauschfolge.

Bei Verwendung des Verfahrens der maximalperiodischen Rauschfolgen können die Echosignale, die von der Ultraschallwandlereinrichtung empfangen wurden, mit Hilfe der schnellen Hadamard Transformation (FHT) korreliert werden.

Die Ausgabe der Korrelationsvorrichtung entspricht wie bei der Ultraschall-Impulsreflexionsmethode der Impulsantwort des Systems. Weitergehende Beschreibungen des Meßverfahrens der maximalperiodischen Rauschfolgen können der Literatur entnommen werden [1-8].

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1-6.

In dieser Erfindung erfolgt die Erzeugung der maximalperiodischen Rauschfolgen über ein rück­ gekoppeltes Schieberegister. Die Rückkopplungszweige werden in Abhängigkeit der Ordnung n entsprechend den primitiven Polynomen gewählt. Abb. 3 zeigt schematisch die Erzeugung von maximalperiodischem Rauschen mit Hilfe eines rückgekoppelten Schieberegisters mit den Rückkopplungskoeffizienten c_i. Ausgehend von einer Betriebsfrequenz des Ultraschall­ abbildungssystems von 3-5 MHz müssen bei einer betrachteten Eindringtiefe von etwa 0,2 m in den zur Untersuchung stehenden Körper zur Vermeidung von Zeitaliasingeffekten maximalperiodische Rauschfolgen der Ordnung n = 11 benutzt werden. Größere Ordnungen weisen der Vorteil einer gesteigerten Detektionsempfindlichkeit auf, es vervielfacht sich aber der Aufwand und die Rechenzeit der schnellen Hadamard Transformation in der Korrelationseinrichtung. Auf diese Weise können stehende Bilder mit einer sehr hohen Detektionsauflösung erzeugt werden, sollen aber die in der medizinischen Diagnose mit Ultraschall typischen Echtzeitbilder dargestellt werden, so ist eine Begrenzung der maximalen Ordnung notwendig. Das Verfahren der maximalperiodischen Rauschfolgen setzt ein eingeschwungenes System voraus, daher werden bei jeder Messung jeweils Sequenzen mit zwei Perioden der Rauschfolgen erzeugt und abgestrahlt. Die erste Periode dient dem Einschwingen, während der Erzeugung der zweiten Periode werden bereits die Echosignale empfangen und ausgewertet. Bei einer Generatorfrequenz des Schieberegisters von 10 MHz ergibt sich bedingt durch die Laufzeiten eine maximale Folgefrequenz der Einzelmessungen von 2440 Hz. Eine Anwendung der Vorrichtung zur Ultraschallabbildung in anderen medizinischen Anwendungsbereichen, zum Beispiel der Ultraschallophtalographie, erfordert oft die Wahl eines anderen Frequenzbereiches und einer geeigneten Ordnung des maximalperiodischen Rauschens.

Gemäß der Erfindung wird das oben beschriebene komplexe Anregungssignal über eine Ansteuer- und Verstärkungsvorrichtung an die Ultraschallwandlereinrichtung, bestehend aus einem Lineararray einzelner Ultraschallwandlerelemente, gegeben. Dabei wird entsprechend der Ansteuerung von Lineararrays eine Gruppe von Wandlerelementen des Arrays angesteuert, so daß eine Gruppenfortschaltung mit Verdopplung der Zeilendichte ermöglicht wird [9]. Zum Empfang der Echosignale verfährt man analog. Die verstärkten Echosignale einer Gruppe von Wandlerelementen werden jeweils in einer Addierervorrichtung analog aufsummiert. Die Ultraschallwandlereinrichtung ist dabei so aufgebaut, daß für die Sende- und Empfangsvorgänge getrennte Ultraschallwandlerelemente angesteuert werden, die zeilenweise parallel angeordnet sind, siehe Abb. 4.

Senkrecht zur Laufrichtung der Gruppen von Ultraschallwandlerelementen auf der Wandler­ anordnung erfolgt eine Fokussierung über eine akustische Linse.

Die zusammengefaßten Echosignale der jeweiligen Empfangswandlergruppe werden nach entsprechender Tiefpaßfilterung über eine Digitalisiereinrichtung in Digitalsignale umgesetzt. Erfindungsgemäß muß die Abtastung fest mit dem Takt des Generators des maximalperiodischen Rauschens gekoppelt sein. Die digitalisierten Daten werden über eine Zwischenspeicherung der Korrelationseinrichtung zugeführt.

Die Korrelationseinrichtung setzt gemäß der schnellen Hadamard-Transformation (FHT) [4, 5] die nach Anregung durch maximalperiodische Rauschfolgen erhaltenen Echosignale um in die zuge­ hörigen Impulsantworten. Eine FHT setzt sich aus der Hinpermutation der digitalisierten Daten, dem eigentlichen Butterfly-Algorithmus und einer Rückpermutation zusammen. Während die Permutationen beim Ein- bzw. Auslesen der Daten durchgeführt werden, ist der Ablauf des Butterfly-Algorithmus schematisch in Abb. 5 gezeigt.

Die Realisierung erfolgt mit Hilfe von Digitalprozessoren. Eine maximale Folgefrequenz der einzelnen Messungen von 2440 Hz erfordert eine sehr hohe Rechenleistung. Durch die Symmetrie der FHT ist eine Aufteilung der FHT der Ordnung n in mehrere kleinere FHT geringerer Ordnung möglich, die getrennt und parallel auf mehreren Digitalprozessoren berechnet werden können. Es erfolgt eine Aufteilung der FHT der Ordnung n = 11 in vier Unterroutinen der Ordnung n′ = 9. Als Resultat werden von der Korrelationseinrichtung digitalisierte Impulsantworten ausgegeben, die, wie die Echosignale bei impulsförmiger Anregung, einer weiteren Bild- und Daten­ verarbeitung zugeführt werden. Als Schnittstelle dient ein Speicherbaustein, ein sogenanntes Dual-Ported RAM, so daß sowohl die Korrelationsvorrichtung von der einen Seite mit ihrer recht hohen Taktrate Daten der Impulsantworten ablegen, gleichzeitig die Einrichtungen zur Bild und Datenverarbeitung die Daten auslesen können.

Ein Blockschaltbild der gesamten Vorrichtung der Ultraschallabbildung mit Anregung durch maximalperiodisches Rauschen zeigt Abb. 6.

Erfindungsgemäß erlaubt die beschriebene Anordnung bei gleichbleibender Amplitude des Schalldruckes bei der Anregung eine Untersuchung mit wesentlich gesteigerter Detektions­ empfindlichkeit. Soll die Anregungsamplitude einen bestimmten kritischen Grenzwert nicht überschreiten, so sind mit der Erfindung bei der gleichen Detektionsauflösung wie bei den Ultraschallabbildungsverfahren mit impulsförmiger Anregung Untersuchungen mit einem im Vergleich sehr viel geringeren Schalldruck möglich. Diese starke Verringerung der maximal auftretenden Schalldrucke ist zur Verhinderung von Kavitationsschädigungen des menschlichen Organismus notwendig.

Claims (6)

1. Vorrichtung der Ultraschallabbildung in der medizinischen Diagnostik, die beispielsweise in der Ultraschall-Echokardiographie, der Ultraschall-Embryographie oder ähnlichem Ver­ wendung finden kann, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Generatorvorrichtung ein elektrisches maximalperi­ odisches Rauschsignal erzeugt wird, das an die Ultraschall-Wandlereinrichtung als Sendesi­ gnal weitergegeben wird.

2. Vorrichtung der Ultraschallabbildung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Echosignal, das von der Ultraschall-Wandlereinrichtung erhalten wird, in einer Korrelationsvorrichtung umgesetzt wird.

3. Vorrichtung der Ultraschallabbildung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung eines sogenannten Phased-Arrays von Ultraschallwandlern beziehungsweise eines Ultraschall-Lineararrays die maximalperiodi­ schen Anregungssignale entsprechend über eine Ansteuervorrichtung an die einzelnen Wandlerelemente gegeben werden. Die empfangenen Echosignale der Einzelelemente der Ultraschall-Wandlereinrichtung werden wiederum über eine Ansteuerelektronik kombiniert und der Korrelationsvorrichtung zugeführt.

4. Vorrichtung der Ultraschallabbildung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Wandlereinrichtung getrennte Wandler­ elemente zum Senden und zum Empfang der Ultraschallsignale aufweist.

5. Vorrichtung der Ultraschallabbildung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Echosignale zunächst durch eine Digitalisiervorrichtung umgesetzt werden. Die digitalisierten Daten werden in einem oder mehreren gekoppelten Digitalprozessoren korreliert mit dem ursprünglich vorliegenden maximalperiodischen Rauschen.

6. Vorrichtung der Ultraschallabbildung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationsvorrichtung Signale ausgibt, die der Impulsantwort entsprechen. Es folgen Vorrichtungen zur Datenverarbeitung und zur Aufar­ beitung der Daten in Videosignale.