DE2644889A1

DE2644889A1 - Geraet zur untersuchung eines koerpers mittels ultraschallenergie

Info

Publication number: DE2644889A1
Application number: DE19762644889
Authority: DE
Inventors: Christopher Archibald Go Lemay
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1975-10-02
Filing date: 1976-10-02
Publication date: 1977-08-18
Also published as: US4137775A; FR2326704A1; JPS5244684A

Description

26 ,89

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

EMI Limited 100/481

Gerät zur Untersuchung eines Körpers mittels Ultraschallenergie

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Untersuchung eines Körpers mittels Ultraschallenergie unter Verwendung von Ultraschallwandlermitteln und befaßt sich insbesondere mit einem Gerät zur Untersuchung lebender Körper für medizinische Zwecke.

Bei einem bekannten Ultraschall-Untersuchungsgerät ist ein piezo—elektrischer Kristall so angeordnet, daß er eine ebene Welle von Ultraschallenergie in den Körper richtet. Im Hinblick auf die Abmessungen des Kristalls bildet die ebene Welle einen Strahl, der durch einen gewünschten Bereich des Körpers geschickt werden kann. Die Energie wird von Diskontinuitäten im Körper reflektiert und von einem Detektorkristall ermittelt, der zugleich auch der als Quelle dienende Kristall sein kann. Wenn die Energie impulsförmig ist, kann die Position der Diskontinuitäten durch Zeitbestimmung der zurückkommenden Impulse ermittelt werden. Die Position der Quelle und die verstrichene Zeit des zurückkommenden Impulses werden zur

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Steuerung der Abtastung einer Speicherröhre verwendet, um einen Punkt, dessen Intensität auf die Intensität des zurückkommenden Signals bezogen ist, in eine Position zu bringen, die der Position der jeweiligen Diskontinuität im Körper entspricht. Im Hinblick auf die Grenzen der Genauigkeit, die durch Wellenlängen-Gesichtspunkte gesetzt sind,typisch 0,7 mm bei 1 MHz/ kann diese letztere Position in dieser Größenordnung in Richtung des Strahles bestimmt werden. Im Hinblick auf die Breite des Strahles ist die Position jedoch nur ca. 5 - 10 mm senkrecht zu dieser Richtung bekannt. Aus diesem Grunde weiß man lediglich, daß sich das empfangene Signal auf eine etwa 1 oder 2 cm lange Linie bezieht, die senkrecht zur Richtung des Strahles verläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Untersuchung eines Körpers mittels ültraschallenergie zu schaffen, das eine größere Auflösung ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens ein ültraschallwandler vorgesehen ist, der Ultraschallenergie durch einen Bereich des Körpers entlang zahlreicher Strahlenwege mit unterschiedlicher Orientierung sendet, und der von Stellen innerhalb des Körpers reflektierte ültraschallenergie empfängt, um Ausgangssignale zu erzeugen, die Linienintegrale der Reflexion der Energie in Richtung auf einen empfangenden Wandler für entsprechende Linien von reflektierenden Stellen in dem Körper darstellen, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Ausgangssignale durch ein Verfahren, das eine Verarbeitung von Linienintregalen solcher Menge erlaubt, daß man eine Verteilung dieser Menge erhält, zu verarbeiten, um eine Verteilung von Reflexionskoeffizienten in dem Körperbereich zu gewinnen.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 ein Ultraschalluntersuchungs

gerät ,

Fig. 2 die Anordnung von Reflexions

linien in einem Körper.

Fig. 3 die Anordnung solcher Linien

bei einander überlappenden Ultraschallstrahlen ,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Konvolu-

tionsschaltung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Daten

verarbeitungsschaltung für das Untersuchungsgerät,

Fig. 6 eine Abänderung eines Teiles der

in Fig. 5 dargestellten Schaltung,

Fig. 7 eine Weiterentwicklung der Schal

tung von Fig. 5 mit Mitteln zur Korrektur von sich ändernden Ausbreitungsgeschwindigkeiten und

Fig. 8 und Fig. 8a eine zweckmäßige Ausführungsform

eines Ultraschall-Untersuchungsgerätes.

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Bei dem erfindungsgemäßen Gerät muß der Ultraschallstrahl den Körper in zahlreichen Richtungen bestrahlen. Aus diesem Grunde kann die Quelle des Strahls so angeordnet werden, daß sie ihre Neigung an einer Stelle auf der Oberfläche des Körpers verändert, so daß der Strahl entJang von Wegen in den Körper hineim'erläuft axe sicn fächerförmig in einer Ebene erstrecken, wobei dann die Lage der Quelle auf der Oberfläche des Körpers in der Ebene des Fächers verändert wird, so daß dann ein Fächer von Strahlen aus anderen Richtungen auf den Körper trifft.

Eine hierfür verwendbare Anordnung ist in vereinfachter Form in Fig. 1 dargestellt. Ein zugleich als Quelle und Detektor dienender Wandler 1 befindet sich in Berührung mit dem Körper 2 des Patienten, so daß ein brauchbarer akustischer Kontakt mit der Haut hergestellt wird. Der Wandler 1 ist über einen Arm 4 an eine Einrichtung 3 angeschlossen, die noch weiteres Zubehör umfassen kann. Der Arm 4 ist in bekannter Weise so ausgebildet, daß er Signale erzeugt, die ein Maß für seine Bewegungen sind, so daß jederzeit die Lage des Wandlers 1 zu einem festen Bezug angezeigt wird. Der Wandler 1 kann hin- und herbewegt werden, so daß die akustische Energie in der dargestellten Weise durch Bewegung des Wandlers auf der Oberfläche des Körpers aus verschiedenen Richtungen auf den Körper gerichtet werden kann. Normalerweise wird der Wandler von Hand bewegt, wobei der Arm 4 mit einem Gegengewicht versehen ist, damit keine Kraft auf den Körper ausgeübt wird. Es ist natürlich erwünscht, daß die Bestrahlung des Körpers aus zahlreichen Richtungen in so kurzer Zeit erfolgt, daß die Gefahr von Körperbewegungen vermindert wird. Kleine Bewegungen können allerdings zugelassen werden, insbesondere weil eine Oberflächenbewegung durch Bewegung des Arms 4 festgestellt und teilweise durch die anschließende Datenverarbeitung berücksichtigt werden kann.

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Das schematische Diagramm in Fig. 2 zeigt für eine Position der Quelle 1 den Bereich der Strahlenwege, die sich innerhalb eines Fächers von 5a bis 5b erstrecken. Bei jedem Ausgangsimpuls der Ultraschallenergie wird eine Reihe von Echo-Impulsen aus verschiedenen Entfernungen empfangen, was durch übliche Entfernungstastung (range gating) festgestellt wird. Wie oben bereits erwähnt wurde, stellt jeder Impuls eine Reflexion aus einer Position dar, von der man nur weiß, daß sie auf einer zur mittleren Richtung des Strahls senkrechten Linie liegt, deren Länge durch die wirksame Breite des Strahls bestimmt ist. Einige solcher Linien 5c sind in Fig. 2 angedeutet, jedoch ist in der Praxis die Zahl dieser Linien größer und ihr Abstand voneinander geringer. Zur Herstellung einer Darstellung des Körpers, werden die die Datensignale darstellenden Echo-Impulse zur Modulation eines Elektronenstrahls benutzt, der den Fangschirm einer Speicherröhre abtastet.

Die in der Röhre abgetasteten Linien befinden sich an Positionen, die den Positionen der angenommenen Reflexionslinien im Körper entsprechen, und ihre Intensität ist durch die gesamte Ultraschallenergie bestimmt, die in Richtung des Wandlers von der entsprechenden Reflexionslinie gestreut wird. Es sei bemerkt, daß der Strahl bei Signalkomponenten mit geringeren Frequenzen verhältnismäßig divergiert, jedoch kann in der Praxis die Anordnung nur in Form dieser Komponenten betrachtet werden, die in einem verhältnismäßig schmalen Strahl verbleiben.

Eine einfache Ermittlung der Reflexion von irgendeinem Punkt kann durch Kombination der Daten für alle Linien gewonnen werden, die durch diesen Punkt verlaufen. Es sei bemerkt, daß diese Wirkung erzielt wird, indem alle diese Linien auf der Speicherröhre geschrieben werden oder stattdessen an geeignete

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Stellen eines digitalen Speichers eingegeben werden. Da jedoch jede Linie durch mehrere Punkte verläuft, besitzen die jeweils für einen Punkt gewonnenen Werte einen Fehler, wenn nicht dieser Wert durch Berücksichtigung der Reflexion auch durch andere Punkte korrigiert wird. Dies kann durch Verwendung von anderen Linien erfolgen, die nur durch die anderen Punkte aber nicht durch den gerade ermittelten Punkt verlaufen.

In der DT-OS 2 420 522 ist ein Konvolutionsverfahren zur Verarbeitung von Daten beschrieben, die von einem den Körper abtastenden Gerät gewonnen werden. In dieser älteren Anmeldung beziehen sich die Daten auf die Linienintegrale der Röntgenstrahlenabsorption entlang eines jeden von zahlreichen Röntgenstrahlenwegen durch einen Körper. Die Wege werden zu Gruppen von parallelen Wegen geordnet, und der Datenwert für jeden einzelnen Weg wird dabei modifiziert, indem die Daten für seine zugehörige Gruppe mit einer Reihe von individuellen, auf den modifizierten Wert bezogenen Gliedern konvolviert werden. Hierdurch wird erreicht, daß die modifizierten Werte dann überlagert werden können, um in der in der älteren Anmeldung beschriebenen Weise ein Abbild herzustellen, das die Verteilung der Röntgenstrahlenabsorption im Körper darstellt.

Insofern, als bei dem vorliegenden Ultraschallgerät die Daten die gesamte Streuung in einer Richtung entlang von Linien 5a darstellen, die nahezu gerade und parallel verlaufen, liegt eine analoge Situation vor wie bei der älteren Anmeldung ρ 2 420 500. Es wird daher vorgeschlagen, die Daten für diese Linien mit einer Reihe von Gliedern zu konvolvieren, wie es in der älteren Anmeldung P 2 420 500 beschrieben ist, so daß die modifizierten Daten einem Speicher oder einer Speicherröhre entlang der jeweiligen Linie verteilt zugeführt werden können, so daß eine verbesserte Darstellung der Streupunkte im Körper ermöglicht wird.

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Es sei bemerkt, daß anstelle des Konvolutionsverfahrens auch andere für die Linienintegrale der Röntgenstrahlenabsorption geeignete Verarbeitungsverfahren für die vorliegenden Ultraschall-Streulinien verwendet werden können.

Die Linien 5c sind verhältnismäßig kurz im Vergleich zu den längeren Linien der Röntgenstrahlenabsorption bei dem erwähnten Vorschlag. Nimmt man an, daß die Länge einer Linie zehnmal so groß wie ihre Breite ist, dann ergibt bei einer Abtastung über 180° jede in Abständen von 1/10 Radian durch einen Punkt verlaufende Linie eine brauchbare Konvolution für den Punkt, obwohl auch weniger ausreichen kann. Es ist daher nur erforderlich, eine begrenzte Zahl von durch den Punkt des rekonstruierten Bildes verlaufenden Linien, 2.B. 32 zu benutzen. ·

Es sei ferner bemerkt, daß es in der Natur des Konvolutionsverf ahrens liegt, daß alle zur Ermittlung eines Punktes in der endgültigen Darstellung konvolvierten parallelen Gruppen sich über denselben Bereich des Körpers erstrecken sollten. Im Hinblick auf die begrenzte Länge der vorliegenden Linien, die im Gegensatz zu den sich über den gesamten interessierenden Bereich erstreckenden Röntgenstrahlen durch die Strahlenbreite begrenzt sind, ist der Bereich der Durchdringung klein. Fig. 3 zeigt den begrenzten, etwa kreisförmigen Bereich 6, der durch 3 auf einen Punkt 10 zentrierte Strahlen 7, 8 und 9 definiert ist. Die parallelen Streulinien sind für die Strahlen 7 und 8 eingezeichnet, und es ist ersichtlich, daß in den Bereich 6 eine begrenzte Zahl von neun Linien fällt. Aus diesem Grunde ist die Konvolutionsreihe auf eine kleine Zahl von Linien, vorzugsweise fünf beiderseits der den Punkt schneidenden Linie begrenzt.

Fig. 4 zeigt eine Schaltung, die unmittelbar zur Durchführung der Konvolution der Echosignaldaten verwendbar ist, ob-

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wohl beispielsweise auch eine rezirkulierende Verzögerungsleitung verwendet werden könnte. Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung enhält eine Verzögerungsleitung 11, der die Datenimpulssignale bei 12 zugeführt werden.

Die Ausgänge von aufeinanderfolgenden Stufen werden über eine Reihe von Widerständen 13a bis 13 1, zwei Rückkopplungsverstärkern 14 und von dort einem Speicher oder einer Speicherröhre zugeführt. Die Verstärker invertieren die Signale von der Mitte der Verzögerungsleitung, die der Mitte der Konvolutionsreihe entspricht, hinter dem Widerstand 13f und die invertierten Ausgänge der anderen Widerstände. Die Leitfähigkeiten der Widerstände sind entsprechend den Gliedern der Konvolutionsreihe bemessen, so daß der Ausgang bei jedem Impulssignal den durch die Konvolution modifizierten Wert für dasjenige Signal darstellt, das die mittleren Stufen der Verzögerungsleitung erreicht hat. Es können auch andere Anordnungen von positiven und negativen Gliedern und dazu passende Widerstandsleitfähigkeiten vorgesehen werden, die einer gewünschten anderen Konvolutionsreihe entsprechen. Die Konvolutionsreihe wird vorzugsweise so angeordnet, daß sie eine zusätzliche Korrektur bewirkt, beispielsweise für die Freuqenzcharakteristik des Ultraschallwandlers 1.

Die Erfindung kann auch auf Systeme angewendet werden, bei denen die Quelle für die Ultraschallenergie und der Wandler nicht zusammenfallen sondern unabhängig voneinander abgetastet werden, vorausgesetzt, daß die Linien 5c in Fig. 1 eine genaue Lage auf der Speicherröhre einnehmen. Die Abtastung von Quelle und Detektor sollte in jedem Falle so sein, daß für alle Bereiche des zu untersuchenden Körpers Gruppen solcher Linien mit einem geeigneten Winkelabstand von vorzugsweise weniger als 1/10 Radian über dem weitestmöglichen Winkelbereich erzeugt werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Dabei sollten die Linien auf der

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Speicherröhre an ihrer richtigen Stelle plaziert werden. Die Verteilung der modifizierten Daten entlang der Linien kann ferner entsprechend der Intensitätsverteilung des Ultraschallstrahles gewichtet werden.

Obwohl die Daten der Speicheröhre entlang der erwähnten Linie zugeführt werden, kann die Röhre im beim Fernsehen üblicher Weise abgetastet werden, um die schließlich angesammelten Daten für die Anzeige sichtbar zu machen.

Es sei ferner bemerkt, daß anstelle der bevorzugten einzelnen Speicherröhre, die sowohl positive als auch negative Daten speichern kann, übliche Speicherröhren verwendet werden können, von denen die eine die positiven und die andere die negativen Daten speichert.

Vorzugsweise sollte der Detektor die gesamte, an Diskontinuitäten reflektierte Energie der Strahlen zur richtigen Feststellung von deren Positionen auffangen. Es sei ferner bemerkt, daß Änderungen in der Ausbreitungsgeschwindigkeit entlang dem Strahlenweg zu Fehlern in der Bestimmung der Positionen dieser Diskontinuitäten führen können. Die Positionen können daher genauer bestimmt werden, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit gemessen wird. Eine solche Messung wird nachfolgend erläutert.

Ein Ausführungsbeispiel für eine Schaltung zur Durchführung der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Ein Taktgeber 15 versorgt einen Zähler 16 mit Impulsen von beispielsweise 1 Mhz, die der Zähler 16 bis hinauf zu 512 zählt und dann auf Null zurückkehrt. Dies kann mittels eines Detektors 16a bewirkt werden, der den Zählerstand 512 feststellt und den Zähler 16 zurückstellt. Eine binäre Teilerstufe 17 erzeugt Rechteck-Impulse, die etwa eine halbe Millisekunde dauern. Ein die ablaufende Kante feststellender Detektor 18 bewirkt in Zusammenarbeit mit einem Impuls-

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sender 19, daß dem Wandler 1 Impulse zugeführt werden, die der ablaufenden Kante des Impulses von der Teilerstufe 17 entsprechen. Während der 512 Mikrosekunden, die auf jeden Impuls folgen, leitet ein mit dem Wandler 1 zusammenarbeitender Empfänger 20 die empfangenen Signale über ein Filter 21, das ähnlich wie das Filter in Fig. 4 ausgebildet ist, zu der Speicherröhre. Vorzugsweise enthält der Empfänger 20 einen sogenannten "swept-gain"-Verstärker, der die aus größerer Entfernung empfangenen Signale mehr verstärkt, um die größere Schwächung auf den längeren Wegen durch den Körper zu korrigieren. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Speicherröhre 22 für positive und eine Speicherröhre 23 für negative Werte vorgesehen. An dieser Stufe werden bereits gespeicherte Signale über eine Verzögerungsvorrichtung 24 in einen Kreislauf gegeben und in einer Einheit 25 subtrahiert.

Vorzugsweise ist hinter dem Empfänger 20 ein weiteres Filter 26 vorgesehen, das als Impulsformfilter dient und den Ausgang des Empfängers über einen Zeitraum integriert, der groß genug ist, um eine brauchbare Zählung zu erhalten. Diese Einheit ^er~ zeugt für die Reflexion von einem Objekt, dessen Abmessungen einem Element im endgültigen Bild entsprechen, einen Ausgang, der über dem weitesten Frequenzbereich ein flaches Frequenzspektrum hat.

In Abänderung des Ausführungsbexspxeles kann das Filter 21 vor der Einheit angeordnet werden, so daß alle in das verzögerte Umlaufnetzwerk gelangenden Signale für die Zwecke eines "Schichtdiagramms" bereits konvolviert oder anderweitig verarbeitet sind. Die negative Rückkopplung dieser Daten über die Verzögerungsvorrichtung 24 ist so ausgebildet, daß gespeicherte konvolvierte Daten für jede Linie von eingehenden konvolvierten Daten subtrahiert werden, so daß eine teilweise Auslöschung der Reflexionslinien auf der Speicherröhre mit Ausnahme für diejenigen Punkte erfolgt, die mit aufeinanderfolgenden Eingängen verstärkt werden und die daher die wahren Reflexionspunkte der Ultraschallimpulse

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für die Sichtbarmachung auf einem geeigneten Monitor darstellen. Es sei jedoch bemerkt, daß für dieselbe Linie die konvolvierten Daten nicht tatsächlich von gleicher Natur sind wie die umlaufenden Daten, die Summen für zuvor errechnete Punkte auf der .Linie sind.

Die Anordnung gemäß Fig. 5 ist daher vorzugsweise so ausgelegt, daß sie sicherstellt, daß die subtrahierten Daten von gleicher Natur sind. Die Einheit 25 erzeugt nun die Differenz zwischen dem eingehenden "Linienintegral"-Signal und der Projektion des Bildes, das bereits entlang derselben Linie im Speicher vorhanden ist. Wenn das gespeicherte Bild genau den untersuchten Körper wiedergibt, dann ist diese Differenz abgesehen von statistischem Rauschen Null, und das gespeicherte Bild wird nicht geändert. Anderenfalls wird jedoch die Differenz konvolviert oder anderweitig verarbeitet und den im Speicher befindlichen Daten zwecks weiterer Korrektur des Bildes hinzugefügt.

Hierbei reichen die konvolvierten "Linienintegrale" nur insoweit zur Korrektur des bereits gespeicherten Bildes aus, wie Mangel an diesem festgestellt werden. Sobald festgestellt wird, daß das Bild richtig ist, wird die Verarbeitung automatisch beendet. Die Verarbeitung kann natürlich auch beendet werden, wenn die Differenzen auf einen vorgegebenen Pegel verringert worden sind, der größer als Null ist.

Natürlich kann die Rückkopplungs-Verzögerungsschleife im Bedarfsfall fortgelassen werden, so daß das Bild im Speicher unmittelbar durch konvolvierte oder anderweitig verarbeitete "Linienintegrale" aufgebaut wird. Dies würde lediglich zu einer längeren Gesamtverarbeitungszeit ohne den Nutzen der Korrektur durch die negative Rückkopplung führen.

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Es sei bemerkt, daß die Amplitude des endgültigen Bildes in den Speichern 22 und 23 durch das von der Einheit 25 gelieferte Signal festgelegt wird. Im Empfänger kann eine geeignete Verstärkungsregelung vorgesehen werden, um diese Amplitude im gewünschten Maße einzustellen. Die Schwächung im Filter 21 bewirkt in der Schleife eine Verstärkung für die Rückkopplung. Bei einem geringen Pegel dieser Verstärkung kann Stabilität garantiert und das Rauschen in dem Bild auf Kosten einer größeren Verarbeitungszeit vermindert werden.

Fig. 6 zeigt in vereinfachter Form ein anderes Ausführungsbeispiel für die Rückkopplungsschleife, das mögliche Fehler in der Verzögerungsleitung 24 in stärkerem Maße zuläßt. Bei dieser Anordnung wird zwischen dem Ausgang der Einheit 25 und dem Ausgang der Speicher 22, 23 unmittelbar die Differenz gebildet, und die Differenzwerte werden dann verzögert und konvolviert oder anderweitig verarbeitet. Hierdurch wird sichergestellt, daß in der Verzögerungsleitung geschwächte Frequenzen erst nach der Differenzbildung geschwächt werden. Sie werden dadurch langsamer in das Bild eingebaut, jedoch erreichen sie schließlich ihre genauen Werte, sofern keine unzulässige Phasenverschiebung vorliegt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 werden die Ablenkwellenform der Speicherröhren und ein Anzeigemonitor durch Ablenkverstärker 27 gesteuert, denen die Summe einer linearen Funktion von Akkumulatoren 28 und 29 und der Ausgang eines Sägezahngenerators 30 zugeführt wird. Die Summe liefert kurze Linien mit geringem Abstand und im rechten Winkel zum Strahlenweg, was durch sich ändernde .Werte für die Parameter χ und y angegeben wird. Diese Parameter geben die Position des Wandlers an und werden von einem Sensor 31 abgeleitet.

Impulse vom Taktgeber 15 bewirken, daß über Addierer 32 und 33 den Akkumulatoren 28 und 29 Zahlen hinzugefügt werden. Die

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Zahlen stellen die χ- und y-Geschwindigkeiten des Durchlaufs dar, die durch einen Sensor 34 aus der Winkelposition θ des Wandlers abgeleitet werden. Eine Einheit 35 bildet den Kosinus von θ und | eine Einheit 36 den Sinus von Θ.

Mit diesen Mitteln kann der Strahlenweg digital errechnet werden, da er sich verhältnismäßig langsam bewegt. Die kleineren Ablenklinien, die im rechten Winkel liegen, werden nach demselben allgemeinen Prinzip abgeleitet, jedoch unter Verwendung analoger Mittel, da eine höhere Geschwindigkeit und weniger die Genauigkeit von Interesse ist. Digital/Analog-ümsetzer 37 leiten die Kosinus-und Sinus-Ausdrücke zu Multiplizierern, wo sie mit dem analogen Sägezahn-Ausdruck multipliziert werden. Wenn der Kosinus-Generator den Akkumulator 28 mit x-Werten versorgt, muß er auch den Multiplizierer einspeisen, der den y-Eingang dem Ablenkverstärker zuführt und umgekehrt.

Einem Anzeigemonitor 38 werden hierbei abwechselnd die Ausgänge der Speicherröhren und des Empfängers zugeführt. Bei Vollendung der Speicherung wird durch Umschalten eines Schalters 39 ein Fernsehrastergenerator 40 anstelle der speziellen, die Strahlenwege darstellenden Abtastung angeschlossen. Dadurch wird das gesamte Bild sichtbar gemacht.

Das anhand von Fig. 5 beschriebene Gerät arbeitet in gleicher Weise wie übliche Ultraschall-Echogeräte, sofern man von der Annahme ausgeht, daß eine konstante durchschnittliche Ausbreitungsgeschwindigkeit für die Ultraschallenergie vorhanden ist, um den Ursprung jedes Echos aus der Laufzeit zu ermitteln. Da jedoch Körper nicht vollständig homogen sind, führt eine solche Annahme zu Fehlern. Wie schon erwähnt wurde, ist es zweckmäßig, in einem gewissen Maß für die Ableitung der endgültigen Darstellung d ie tatsächlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten zu ermitteln.

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Es wurde bereits vorgeschlagen (Greenieaf, Johnsohn, Samajoa und Duck im Rahmen eines im Februar 1975 abgehaltenen Symposiums, veröffentlicht in Acoustical Holography,Band 6, Seiten 71 bis 79, Plenum Press, London und New York) die Geschwindigkeit von Ultraschall-Echoimpulsen in elementaren Bereichen eines Körpers zu bestimmen. Dadurch kann eine "Karte" von Ultraschallgeschwindigkeiten in einem interessierenden Bereich erstellt werden. Hierfür kann ein übliches Ultraschall-Echogerät verwendet werden, wie auch z.B. das oben beschriebene Gerät.

Das Verfahren zur Erstellung der Geschwindigkeitskarte geht folgendermaßen vor sich. Zunächst wird eine Darstellung für einen begrenzten Abstand von der Oberfläche des Körpers abgeleitet. Dies kann durch Auswahl von zuvor für den ganzen Körper gewonnenen Echodaten erfolgen, oder durch Ableitung aus einer begrenzten Untersuchung, wobei ein Entfernungstor (range gate) vorgesehen ist, um die Tiefe zu begrenzen, aus der Echos empfangen werden können. Dieser untersuchte begrenzte Bereich enthält normalerweise wenigstens einige einigermaßen unterscheidbare Bestandteile, beispielsweise die Haut des Patienten, so daß deren Lage, da sie sich auf oder in der Nähe der Oberfläche befinden, trotz Geschwindigkeitsfehlern mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann. Stattdessen kann auch ein spezieller Reflektor in einer bekannten Lage nahe dem Patienten aufgestellt werden. Dann werden die Ultraschallimpulse aus verschiedenen Winkelstellungen in bezug auf den körper von den Bestandteilenoder dem Reflektor^ deren Position bekannt ist, reflektiert, und dann wird eine durchschnittliche Ausbreitungsgeschwindigkeit für die angenommene Linie errechnet, die den Wandler mit dem Bestandteil verbindet.

Die auf einer solchen angenommenen Linie verlaufenden Ultraschallimpulse wandern mit sich ändernden Geschwindigkeiten durch Bereiche unterschiedlicher Dichte, so daß die errechnete Durchschnittsgeschwindigkeit tatsächlich ein Linienintegral der Ge-

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schwindigkeit entlang dieser Linie ist. Solche Linienintegrale sind analog zu den oben erwähnten Linienintegralen der Röntgenstrahlenabsorption, und eine ausreichende Menge von solchen gleichmäßig verteilten Integralen kann entsprechend der DT-OS 1 941 433 oder durch einen Transformationsprozeß wie zum Beispiel durch den in der DT-OS 2 420 500 beschriebenen Konvolutionsprozeß verarbeitet werden, um eine Verteilung von Geschwindigkeiten in elementaren Bereichen des Körpers zu gewinnen.

Es sei bemerkt, daß die verwendeten Ultraschallstrahlen als Folge der verwendeten Wandler verhältnismäßig breit sind, so daß die Geschwindigkeitskarte große Elementarbereiche besitzt, die beispielsweise ein Quadrat mit 1 cm Kantenlänge bilden. Dies reicht jedoch für den nachfolgend erläuterten Zweck aus.

Als eine Alternative zu den oben beschriebenen Abtastvorrichtungen, die einen einzelnen Wandler verwenden, der an verschiedenen Stellen an den Körper des Patienten angelegt wird, kann es erwünscht sein, eine feste Gruppe von Wandlern zu verwenden, die den Körper umgeben und mit diesem durch ein geeignetes Medium gekuppelt sind. In. diesem Falle sind die Abstände zwischen den Wandlern oder die Wandlerpositionen genau bekannt, und die erforderlichen Durchschnittsgeschwindigkeiten können leicht aus der Laufzeit über diese Entfernungen abgeleitet werden.

Es wird daher vorgeschlagen, die in irgendeiner weise abgeleitete Geschwindigkeitskarte zu einer genauen Bestimmung der position der Linienintegrale von durch das oben beschriebene Verfahren bestimmten Reflektionskoeffizienten zu benutzen.

Wenn man die Flugzeit des Impulses kennt, ist es im allgemeinen möglich, die Entfernung, die der Impuls durch Bereiche

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mit bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeiten zurücklegt, zu errechnen. Diese Berechnung kann entweder durch analoge oder digitale Mittel erfolgen. Es wurde jedoch weiter oben als eine Alternative zur digitalen Verarbeitung vorgeschlagen, die Verarbeitung durch Überlagerung von konvolvierten Linienintegralen auf der Stirnfläche der Speicherröhre durchzuführen. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel sollte die Geschwindigkeit des Elektronenstrahlpunktes in Richtung vom Wandler fort auf die Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses vom Wandler bezogen sein. Es wird daher vorgeschlagen, die Punktgeschwindigkeit in der genannten Richtung nach Maßgabe der gespeicherten Geschwindigkeiten für die Elementarbereiche zu steuern.

Fig. 7 zeigt eine Abänderung der Schaltung von Fig. 5 zur Bestimmung und Verwendung von Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Die Schaltung stimmt weitgehend mit der in Fig. 5 dargestellten Schaltung überein, jedoch wird die alternative Rückkopplungsschleife gemäß Fig. 6 in Verbindung mit einem einzelnen Bildspeicher 22 für positive und negative Daten verwendet. Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 5 bezeichnet.

Die Schaltung in Fig. 7 ist in sofern abgeändert, als sie einen Geschwindigkeitsspeicher 41 enthält, der ebenfalls aus einer Speicherröhre oder einem anderen Speicher bestehen kann. Dabei erfolgt eine Zusammenarbeit mit einem Entfernungstor 42, da^s durch eine Einheit 43 gesteuert wird, die feststellt, wenn die Zahl auf den» Zähler 16 sich über einem vorgegebenen Wert R befindet. In diesem Falle sollen die empfangenen Signale wegen der ersten Stufe der Konstuktion der Geschwindigkeitskarte zurückgewiesen werden. Ein UND-NICHT-Tor 44 wird von der Bedienungsperson dazu verwendet, das Signal an einer Eingabe zu hindern,

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nachdem die Geschwindigkeitskarte vollständig ist, damit das endgültige Bild aus Signalen von allen Entfernungen zusammengestellt werden kann.

Als Alternative kann ein Signal "Formung des endgültigen Bildes" dazu verwendet werden, die "SweptGain "Komponente" des Empfängers zu aktivieren. In diesem Falle würde der Empfänger in der ersten Stufe bei Bildung der Geschwindigkeitskarte eine konstante Verstärkung aufweisen, so daß nur Reflexionen - ^aus der Nähe der Oberfläche registriert wurden. Der Geschwindigkeitsspeicher würde dann als zweite Stufe korrigiert werden und die endgültige Bildkonstruktion würde eine dritte Stufe darstellen.

Für den praktischen Betrieb wird der Geschwindigkeitsspeicher 41 auf eine erwartete Durchschnittsgeschwindigkeit für Körpergewebe voreingestellt, beispielsweise durch eine manuelle "Lösch" -Steuerung und einen Geschwindigkeitseinstellwähler (nicht dargestellt). Im Betrieb des Entfernungstores 42 wird ein erstes Bild in der zuvor beschriebenen Weise von Bestandteilen in einer begrenzten Entfernung von der Oberfläche gebildet. Weiterhin werden Signale, die Reflexionen von der dem Wandler abgekehrten Seite des Körpers darstellen, zunächst einer Positionsfehlergenerator schaltung 45 zugeführt. Diese Schaltungen können entsprechend der DT-OS 1774 672 als "Mustererkennungsvorrichtung" ausgebildet sein. Die Schaltung 45 entnimmt dem Bildspeicher 22 Daten, die in der ersten Stufe für den gleichen Bereich wie die neue Reflexion gespeichert wurden, die aber gewonnen wurde, als sich der Wandler auf der gegenüberliegenden Seite des Körpers befand. Durch Vergleich des neuen Signals mit den gespeicherten Daten erzeugt die Schaltung 45 ein Fehlersignal, das die Differenz zwischen der "wahren", in der ersten Stufe abgeleiteten Position und der neuen, für den längeren Weg durch den Körper unter der An-

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nähme der vorgegebenen Geschwindigkeit abgeleiteten Position anzeigt.

Der Geschwindigkeitsspeicher 41 versorgt zwei Multiplizierer 46 und 47, die die Kosinus-und Sinuswerte von den Einheiten 35 und 36 multiplizieren. Diese Komponenten steuern in der zuvorbeschriebenen Weise die Abtastgeschwindigkeit des Speichers 22 und des Speichers 41, und daher stellen die Multiplizierer 46 und 47 diese Werte so ein, daß die Abtastgeschwindigkeit auf die gespeicherten Geschwindigkeiten für den abgetasteten Weg (ursprünglich der vorgegebene Wert) eingestellt werden. Wenn durch die Schaltung 45 ein Fehlersignal erzeugt wird, muß angenommen werden, daß alle Punkte des abgetasteten Weges bis zur laufenden Position einen Fehler aufweisen, um Korrekturen für diese Punkte zu gewinnen, werden alle Positionsfehler von der Schaltung 45 in einer Integrationsschaltung 48 integriert, und die integrierten Fehler werden über eine Verzögerungsvorrichtung 49 dem Speicher 41 zugeführt, um von den früher gespeicherten Werten für den selben Weg bei der nächsten Abtastung nach etwa einer Verzögerung von einer Millisekunde addiert oder subtrahiert zu werden. Somit wird im Speicher 41 allmählich eine genaue Durchschnittsgeschwindigkeit bewirkt.

Für den Integrationsprozeß sollte sichergestellt sein, daß die Korrekturen allen Positionen bis zur laufenden Position aber nicht danach zugeführt werden, so daß am Ende des Weges keine Korrektur mehr aussteht. Dies läßt sich durch eine Integrationskonstante erreichen. Eine geeignete Integrationskonstante erhält man dadurch, daß der letzte Wert des Integrals von der Einheit 48 nach der letzten Reflexion subtrahiert wird. Zu diesem Zweck tastet eine durch eine nicht dargestellte Verbindung von der Detektoreinheit 16a gesteuerte Tastspeichereinheit 50 den erforderlichen Wert und addiert bei 51 diesen Wert zu dem verzögerten Integral.

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Als Folge der aufeinanderfolgenden Multiplikationen i-^m Geschwindigkeitsspeicher 41 werden die Werte in den Addierern 32 und 33 geändert und ändern ihrerseits die Abtastgeschwindigkeit des Speichers 22. Der Prozeß setzt sich solange fort, bis die vom Filter 26 empfangenen Eingangsrefle_xi_Onssignale sich auf die gespeicherten Werte vom Speicher 22 eingepegelt haben. Es erfolgen dann keine weiteren Korrekturen mehr, und daß System ist stabil, bis der Wandler 1 bewegt wird.

Als Folge der aufeinanderfolgenden Operationen dieses Prozesses wird im Speicher 41 eine vollständige Geschwindigkeitskarte des Körpers aufgebaut. Tatsächlich erfolgt dieser Aufbau in der beschriebenen Weise durch einen iterativen Prozeß, der ähnlich wie der Prozeß für die Röntgenstrahlen-Linienintegrale ist, der in der DT-OS 1 941 433 beschrieben ist. Es können jedoch auch andere Verfahren, z.B. eine Konv_olution, für die Verarbeitung eingesetzt werden.

Wenn die Geschwindigkeitskarte vollständig ist, werden von den Schaltungen 45 keine weiteren Signale erzeugt, und es wird vom Tor 44 ein Signal zur Bildung des endgültigen Abbildes gegeben, wodurch das Entfernungstor 42 zurückgestellt wird. Die Herstellung des endgültigen Bildes erfolgt wie anhand von Fig. 5 beschrieben wurde, mit der Abtastgeschwindigkeit des Speichers 22, die mit der im Speicher 41 gespeicherten Geschwindigkeitskarte übereinstimmt. Bei diesem Prozeß können die Schaltungen 14 weitere Fehlersignale als Folge kleinerer Unbeständigkeiten in den empfangenen Signalen erzeugen. Diese Fehler können zur Korrektur des Speichers 41 verwendet werden, um wie zuvor eine gute Übereinstimmung zu erzeugen. Es sei ferner bemerkt, daß die den Speicher 22 enthaltende interative Schleife gespeicherte Daten löschen kann, die nicht mit den ankommenden Signalen übereinstimmen. Dies ist

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jedoch eine verhältnismäßig langsame Korrektur, und kleine Geschwindigkeitsfehler sollten korregiert werden, bevor eine solche Löschung vollzogen werden kann.

Nach ausreichendem Betrieb des gesamten Systems ist das endgültige Bild ausreichend genau, so daß von den Schaltungen 45 keine neuen Fehlersignale erzeugt werden und alle neuen Reflexipnen werden durch die Subtraktionseinheit 25 gelöscht, so daß keine weitere Korrektur stattfinden kann.

Es wurde bisher angenommen, daß die Ultraschalluntersuchung zur Erzeugung der in der beschriebenen Weise verarbeiteten Daten mittels eines bekannten Typs eines handbetätigten sendenden und empfangenden Wandlers durchgeführt wird. Es wurde aber auch erwähnt, daß es von Vorteil ist, eine Gruppe von ortsfesten Wandlern vorzusehen, mit denen ein automatischer Betrieb möglich ist. Fig. zeigt eine solche mögliche Anordnung, bei der sich eine Gruppe von Wandlern zur Hälfte um den Körper 2 des Patienten herum erstreckt. Die Gruppe kann sich jedoch über einen größeren Winkel bis hinauf zu 360° erstrecken.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein halbkreisförmiger; mit Wasser gefüllter Kasten 52 vorgesehen. Der Kasten kann in der dargestellten Weise unabhängig gelagert sein, er kann aber auch Teil eines größeren Bettes oder einer anderen Auflage für den Patienten bilden. Der Kasten 52 enthält über einen Halbkreis verteilt Detektoren 1a, 1b etc., die so gelagert sind, daß sie um eine zur Papierebene senkrechte Achse 53a usw. gedreht werden können.

Der Kasten 52 ist an seiner Innenfläche offen, und die offene Seite ist durch einen mit Wasser gefüllten Beutel 54 geschlossen, der durch Stangen 55 gehalten wird, so daß ein flexibler Verschluß mit guten akustischen Übertragungseigenschaften ge-

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bildet wird. Der Patient liegt normalerweise mit seinem Gesicht nach unten, wobei der zu untersuchende Teil des Körpers am Beutel 54 anliegt. Es muß dafür gesorgt werden, daß Lufteinschlüsse vermieden werden, damit ein guter akustischer Kontakt mit dem Beutel besteht. Fett oder ein anderes Medium kann ggfs. zur Sicherstellung dieses Kontaktes verwendet werden.

Die Wandler werden mittels entsprechender Motoren 56 um die Achsen 53 gedreht, um eine Bestrahlung aus verschiedenen Richtungen zu erzeugen. Dies ist in Fig. 8a dargestellt, in der eine Welle sichtbar ist, die die Achse 53 bildet und in den Wänden des Kastens 42 gelagert ist. Das eine Ende der Welle verläuft über eine Dichtung 57 durch die Wand hindurch zum Motor 56. Der Motor 56 enthält ein Getriebe zur Erzielung einer genauen Steuerung sowie Anzeigemittel, die den Fortschritt der Drehung für Kontrollzwecke anzeigen.

Im Betrieb werden die Wandler nacheinander mit Impulsen beaufschlagt, wobei die Ausgangs- und Eingangsimpulse über einen Serializer 5S geleitet werden, und ferner werden die Wandler gedreht, um akustische Energie über die erforderliche Zahl von Wegen in einer verhältnismäßig kurzen Zeit auszusenden und zu empfangen. Dabei sollten die Detektoren 1 so nahe wie möglich nebeneinander angeordnet werden. Die Detektoren können wie dargestellt individuell gedreht werden, sie können aber auch über Riemen oder andere Glieder miteinander für einen gemeinsamen Betrieb gekuppelt sein.

- Patentansprüche -

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Claims

2 6Λ V8 8 Patentansprüche

1. Gerät zur Untersuchung eines Körpers mittels Ultraschallenergie unter Verwendung von Ultraschallwandlermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ultraschallwandler (1) vorgesehen ist, der Ultraschallenergie durch einen Bereich des Körpers entlang zahlreicher Strahlenwege mit unterschiedlicher Orientierung sendet, und der von Stellen innerhalb des Körpers reflektierte Ultraschallenergie empfängt, um Ausgangssignale zu erzeugen, die Linienintegrale der Reflexion der Energie in Richtung auf einen empfangenden Wandler für entsprechende Linien von reflektierenden Stellen in dem Körper darstellen, und daß Mittel vorgesehen sind, um die Ausgangssignale durch ein Verfahren, das eine Verarbeitung von Linienintegralen solcher Menge erlaubt, daß man eine Verteilung dieser Menge erhält, zu verarbeiten, um eine Verteilung von Reflexionskoeffizienten in dem Körperbereich zu gewinnen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der der oder die Ultraschallwandler so ausgebildet ist bzw. sind, daß die ausgesendete Ultraschallenergie von demselben Wandler an derselben Stelle nach der Reflexion wieder empfangen wird.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein einziger Wandler (1) vorgesehen ist.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linien von reflektierenden Stellen im wesentlichen senkrecht zur Hauptrichtung der Ausbreitung der Ultraschallenergie verlaufen.

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5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel Mittel enthalten, die die Ausgangssignale einem Transformatxonsprozeß unterwerfen, um Beiträge zu der Verteilung zu erzeugen, und daß die Verarbeitungsmittel einen Datenspeicher und Mittel zur Eingabe der Beiträge in den Datenspeicher an zugehörigen Stellen in dem Körperbereich entsprechenden Adressen enthalten.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformationsprozeß ein Konvolutionsprozeß ist, bei dem die Ausgangssignale oder andere, von diesen abgeleitete Signale, mit einer Konvolutionsreihe von Gliedern konvolviert werden.

7. Gerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel so ausgebildet sind, daß zur Ableitung der Beiträge die Ausgangssignale durch eine Kombination des Transformationsprozesses mit einem iterativen Prozeß-verarbeitet werden.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel so ausgebildet sind, daß die Ausgangssignale mit den Gesamtbeiträgen, die bereits für Adressen gespeichert sind, die Stellen auf entsprechenden Linien entsprechen, verglichen werden, um Fehlersignale zu erzeugen, die ein Maß für vorhandene Unterschiede sind, und daß die Fehlersignale dem Transformatxonsprozeß unterworfen werden, um die Genauigkeit der Verteilung zu verbessern.

9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel Mittel enthalten, um aus wenigstens einigen Ausgangssignalen eine Ver-

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teilung der Geschwindigkeit der Ultraschallenergie in Elementen dieses Bereiches zu bestimmen.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsmittel Mittel enthalten, um die Positionen der den Ausgangssignalen entsprechenden Linien der reflektierenden Stellen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsverteilung zu bestimmen.

11. Verfahren zur Untersuchung eines Körpers mittels Ultraschallenergie, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Messung der Intensität der Ultraschallenergie, die an vorgegebenen Punkten nach Reflexion an Stellen, die entlang von Linien in einem Bereich des Körpers verteilt sind, empfangen wird;

b) Ermittlung der Positionen einiger reflektierender Stellen in einem vorgegebenen Abstand von der Oberfläche des Körpers durch Berücksichtigung der Ausbreitungszeit der Ultraschallenergie dorthin;

c) Bestimmung der Ausbreitungszeit der Ultraschallenergie zu den gleichen Stellen über längere Wege, die andere Teile des Bereiches schneiden, aus den erfolgten oder weiteren Messungen der Intensität;

d) Konstruktion einer Verteilung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Ultraschallenergie in Elementen des Bereiches aus den Bestimmungen der Ausbreitungszeiten;

e) Ermittlung der Positionen von Linien von reflektierenden Stellen in diesem Bereich einschl. der zuerst erwähnten Linien von reflektierenden Stellen aus der Verteilung von Geschwindigkeiten; -

f) Erzeugung einer Verteilung von Reflexionskoeffizienten für Ultraschallenergie in diesem Bereich aus den

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Intensitäten von Energie, die nach Reflexion an Stellen auf den Linien und vorgegebenen Positionen empfangen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Begrenzung der Tiefe im Körper, bis zu der sich die zuerst genannten Messungen beziehen; Ermittlung der Positionen der reflektierenden Stellen innerhalb eines vorgegebenen Abstandes in Abhängigkeit zu den Messungen in der begrenzten Tiefe; Gewinnung weiterer Messungen, die nicht so begrenzt sind für die weitere Ermittlung.

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