DE2421227A1 - Ultraschallechogrammaufzeichnung - Google Patents

Description

Dipi.-lng. E. Tergau I ^/JJ"^{bltteenfleben}

Patentanwalt

Nürnberg, den JO. April

The Commonwealth of Australia c/-The Department of Health, of Alexander Building, Phillip, Australien

Ultraschallechogrammaufzeichnung.

Die Erfindung bezieht sich auf die Technik der Ultraschall-Echoskopie von Gegenständen und insbesondere auf eine Erweiterung der bekannten Technik der Ultraschall-Echoskopie, um aufschlußreichere Informationen von den zu untersuchenden Gegenständen zu erhalten. Sie ist insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf den Erhalt von Daten in der medizinischen Diagnostik bei Anwendung dieser Technik gerichtet.

Die Ultraschall-Echoskopie liefert Informationen über einen zu untersuchenden Gegenstand, die in Form eines Ultraschall-Echogramms dargestellt werden können. Ein solches Echogramm besteht aus der Aufzeichnung akustischer Widerstandsunstetigkeiten oder reflektierender Flächen im Gegenstand. Es wird dadurch erhalten, daß ein kurzer Impuls von Ultraschallenergie im Frequenzbereich von 1 bis 30 MHz, der z.B. von einem elektroakustischen Wandler erzeugt wird, in den zu untersuchenden Gegenstand gerichtet wird, wo irgendwelche akustische Wxderstandsunstetigkexten im Gegenstande einen Teil der Energie in Form eines Echos reflektieren. Dieses Echo wird z.B. von einem Wandler empfangen, in ein elektri-

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sches Signal umgewandelt und als ein Echogramm in einem Kathodenstrahloszillographen, auf einem Film, einer Karte od.dgl. aufgezeichnet.

Das Echogramm kann entweder eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Darstellung bilden, und in beiden Fällen ist die Information in der Lage und Größe des dargestellten Echos enthalten. Bei einer eindimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, um die Entfernung von der reflektierenden Fläche anzuzeigen, während die Größe des Echos beispielsweise als eine Ablenkung von der Grundlinie oder als eine Intensitätsänderung dargestellt wird· Bei einer zweidimensionalen Darstellung wird die Lage entlang einer Grundlinie dazu verwendet, um die Entfernung von der reflektierenden Fläche wie bei einer eindimensionalen Darstellung anzuzeigen, und die Richtung der Grundlinie wird dazu verwendet, um die Richtung der Ausbreitung der akustischen Energie darzustellen· Die zweidimensionale Darstellung wird durch Änderung dieser Ausbreitungsrichtung der akustischen Energie und durch die Einführung einer ähnlichen, aber nicht notwendigerweise identischen Bewegung der Grundlinie der Darstellung erhalten. Die Größe des Echos wird wie für eine eindimensionale Darstellung aufgezeichnet, z.B. als eine Ablenkung der Grundlinie oder als eine Intensitätsänderung·

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Die Technik der Ultraschall-Echoskopie wird in der medizinischen Diagnostik verwendet, um Informationen über die Anatomie von Patienten zu erhalten. Die Anwendung dieser Technik ist jetzt in weitem Umfang erforscht und z.B. von D.E.Robinson beschrieben in "Proceeding of the Institution of Radio and Electronics Engineers, Australia, Vol.31,No.11, Seiten 385 bis 392, November 1970; "The Application of Ultrasound in Medical Diagnosis". Wie in diesem Aufsatz ausgeführt wird, kann die Ultraschall-Echoskopie dazu verwendet werden, Darstellungen herzustellen, die anatomischen Querschnitten ähneln, die sichklinisch als nützlich erwiesen haben, wenn die gewünschten Informationen körperliche Abmessungen, Organformen, Strukturen od.dgl. betreffen. Die Ultraschall-Echographie hat sich als besonders wertvoll erwiesen als ein diagnostisches Hilfsmittel beim Unterleib und bei der Gebärmutter während der Schwangerschaft, beim Auge, bei der Brust, beim Gehirn, bei der Lung ei, bei der Niere, bei der Leber und beim Herzen, also in Bereichen mit weichem Gewebe mit wenig Knochen und Luft. Im allgemeinen wird diese Technik als Ergänzung anderer Techniken angesehen, um ein vollständigeres Bild vom Zustand "der Patienten zu gewinnen, jedoch besonders bei Schwangerschaften kann die Ultraschall-Echoskopie an Stelle von Rnntgenstrahlen nützlich sein, die entweder keine genügende Information ergeben oder gefährlich sein können. Bei der medizinischen Anwendung wird ein Impuls von Ultraschall-Energie in einen Patienten in

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einer bekannten Richtung übertragen, und Echos werden von reflektierenden Flächen innerhalb des Körpers erhalten. Die zeitliche Verzögerung zwischen einem übertragenen Impuls und dem erhaltenen Echo hängt von der Entfernung des Übertragers von der reflektierenden Fläche ab, und die so erhaltene Entfernungsinformat ion kann in einer geeigneten Weise zur Auswertung und klinischen Verwendung als eine eindimensionale Entfernungsanzeige oder als ein zweidimensionaler Querschnitt dargestellt werden, wie vorher beschrieben worden ist.

Wenn ein Ultraschallimpuls in ein Medium übertragen wird, werden Echos mit verschiedenen Zeitverzögerungen erhalten, und diese Zeitverzögerungen sind proportional zu den Abständen des Wandlers, der die Impulse erzeugt, von den Flächen, vorausgesetzt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit konstant ist. In weichen Geweben des menschlichen Körpers ist die . Schallgeschwindigkeit etwa konstant, und pulsierender Ultraschall bietet eine geeignete Methode zur Messung der Entfernung einer besonderen Struktur von der Wandleroberfläche ohne Unannehmlichkeiten für den Patienten. Diese Information kann in vielerlei Weise verwendet werden.

Bei der einfachsten Darstellungsform, der "A-Methode", werden die Echos als Ablenkungen einer Kurve eines Oszillographen dargestellt, auf dem die Entfernung entlang der Zeitachse dargestellt ist. Diese Methode ist klinisch

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nützlich, wenn die Quelle der verschiedenen dargestellten Echos positiv festgestellt werden kann. Es ist möglich, den Abstand zweier Echos oder zwischen dem erregenden Impuls und einem Echo genau zu messen, aber es kann nicht möglich sein, die Quelle der Echos festzustellen. Es konnte die Größe des Kinderkopfes innerhalb der Gebärmutter, die Tiefe des Auges und der Blase gemessen und die Mittellinie im Gehirn festgestellt werden. Ähnliche Informationen können durch die "B-Methode" dargestellt werden, bei der ein Querschnittsbild durch Bewegung des Wandlers um den zu untersuchenden Gegenstand und durch Darstellung dieser Bewegung erhalten wird. Eine Aufzeichnung nach der "B-Methode" kann entweder durch Einfach- oder Mehrfachabtastung erhalten werden. Hierbei wird die Bewegung des Wandlers ausgewählt, so daß keine Überlagerung von Sichtlinien aus verschiedenen Richtungen auftritt. Linear- und Sektorabtastung sind übliche Beispiele der Einfachabtastung. Bei der Mehrfachabtastung wird die Bewegung des Wandlers ausgewählt, so daß eine Überlagerung verschiedener Sichtlinien auftritt, wobei eine Kombination von Linear- und Sektorabtastung ein typisches Beispiel der Mehrfachabtastung ist.

Wenn sich die interessierende reflektierende Fläche bewegt, kann ihre Lage mit der Zeit ("M-Methode") durch Verwendung der B-Methode dargestellt werden, wobei die Zeitgrundlinie

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um einen rechten Winkel in ihre Richtung geschwenkt werden kann, so daß die Bewegungen des Echos rückwärts und vorwärts entlang der Zeitgrundlinie dargestellt werden. Dies wird dazu verwendet, um die pulsierenden Bewegungen der verschiedenen Teile- des Herzens und des Gehirns zu zeigen. Wenn die B-Methode verwendet wird,aber die Kurve auf dem Schirm so verläuft, daß sie die Sichtlinie des Wandlers darstellt, und dann der Wandler um den Patienten herumgeführt wird und die Zeitgrundlinie auf dem Schirm dieser Bewegung folgt, wird eine zweidimensionale Anzeige der Wxderstandsunstetigkexten erhalten. Eine zweidimensionale Darstellung wurde bei der Gebärmutter während der Schwangerschaft, beim Unterleib, beim Auge und bei der Brust verwendet.

Eine Verbindung des Wandlers mit dem Patienten kann durch Hautkontakt oder durch Verwendung eines Wasserverzögerungsbades erreicht werden. Wenn ein Wasserverzögerungsbad verwendet wird, muß die Entfernung des Wandlers von der Hautoberfläche größer als die größte verwendete Eindringtxefe sein, um Zweideutigkeiten auf Grund von Vielfachreflexxon zu vermeiden. Im allgemeinen ergibt der Hautkontakt eine größere Bequemlichkeit für den Patienten und Echogramme von geringerer Klarheit, während das Wasserverzögerungsbad für den Patienten unbequemer ist und qualitativ bessere Echogramme liefert.

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Um die Verringerung der Energie des Ultraschallimpulses wegen der Dämpfung innerhalb des zu untersuchenden Gegenstandes, z.B. des Körpergewebes, zu kompensieren, wird die Verstärkung des Empfängers im allgemeinen vergrößert, wenn das Impulsecho von tiefer liegenden reflektierenden Flächen innerhalb des Gegenstandes erhalten wird. Diese Art der Verstärkung szunahme wird im allgemeinen als "Zeitverstärkungskompensation" oder ZVK bezeichnet. In manchen Empfängern folgt auf diese ZVK-Verstärkung eine nicht lineare Druckverstärkung, um weiterhin die Größe des Echos so zusammenzupressen, daß sie in einem Sichtgerät vollständig aufgezeichnet werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch das die Information, die durch die Ultraschall-Echoskopie-Technik erhalten wird, in einer nützlicheren Form zur Verfügung gestellt wird, insbesondere für die medizinische Diagnostik u,dgl. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Echos, die durch akustische Widerstandsunstetigkeiten reflektiert werden, von einem Empfänger empfangen werden, dessen Verstärkung vergrößert wird, um die Dämpfung dieser Echos innerhalb des Gegenstandes zu kompensieren.

Es ist klar, daß sich die Erfindung auf die Aufzeichnung von Ultraschallechos bezieht, wobei die Verstärkung der

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Einrichtung stufenweise geändert wird, um den Verlust an Energie zu kompensieren, wenn Echos aus größeren Tiefen empfangen werden. Vorzugsweise verwendet die Erfindung einen abgestuften ZVK-Verstärker, bei dem die Stufen der bekannten und wählbaren Verstärkung und die Dauer verwendet werden, um die Dämpfung durch das Gewebe zu kompensieren. Diese abgestufte Verstärkung kann entweder durch Anordnung einer einstellbaren abgestuften Verstärkungssteuerung oder durch Verbindung einer zyklisch geänderten Verstärkung erreicht werden, die einer kontinuierlichen Zunahme der Verstärkung des Empfängers überlagert ist. Z.B. kann die letztere durch zyklische Änderung der Verstärkung in z.B. drei Stufen von 2dB pro 2 mm erhalten werden, wobei diese Verstärkungsänderung einer langsameren VerStärkungszunähme des ZVK-Verstärkers überlagert wird.

Ein Hauptzweck der Erfindung besteht darin, eine Messung des Abstandes zwischen aufgezeichneten Echos gleichen Durchdringungsvermögens zu ermöglichen, wobei die Verstärkung des Empfängers sich durch den bekannten stufenweisen Betrag unterscheidet. Die Differenz in der Echostärke beim Durchdringen der Signale, die von ähnlichen Unstetigkeiten erzeugt werden, entspricht der Dämpfung, Da alle anderen Faktoren gleichgehalten werden, kompensiert die Verstärkungsdifferenz für die Echos, die als gleich stark dargestellt

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werden^ genau die Dämpfung. Die Dämpfung ist deshalb:

Verstärkungsäifferenz Abstand zwischen den Echos.

Das Prinzip des Verfahrens ist in Fig.l dargestellt. Die Technik kann entweder bei der Methode "A" oder "B" verwendet werden. Bei der letzteren Methode wird die Technik mit einfacher Abtastung vollkommener angewandt, da bei dieser Methode der Abtastung jedes Echo nur aus einer Richtung abgetastet wird. Bei der Mehrfachabtastung muß Vorsorge für die Anzahl der Zeiten getroffen werden, zu denen die Echos abgetastet werden, und eine geeignete Kompensation in der Berechnung der Dämpfung muß vorgesehen werden.

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Claims (3)

1. P at ent ans prüch e;

   Verfahren zur Untersuchung eines Gegenstandes mittels Ultraschall, bei dem Impulse von Ultraschallenergie in den Gegenstand übertragen und Echos von den Impulsen von Ultraschallenergie erhalten werden, die durch akustische Widerstandsunstetigkeiten innerhalb des Gegenstandes reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die von den akustischen Widerstandsunstetxgkeiten reflektierten Echos von einem Empfänger empfangen werden, dessen Verstärkung in vorbestimmten Stufen zur Kompensation der Dämpfung dieser Echos innerhalb des Gegenstandes verwendet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stufenweise Änderung der Verstärkung des Empfängers durch Anordnung einer einstellbaren, stufenweisen Verstärkungssteuerung erreicht wird,
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die stufenweise Änderung der Verstärkung des Empfängers.

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