DE2718601C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gerät zum dreidimensionalen Sammeln von Daten über Größe, Form, Ort und Natur von Weichgewebeorganstrukturen von einem Lebewesen in diesen und zum Aufbereiten der Daten außerhalb des Lebewesens zum Darstellen der Größe, der Form, des Ortes und der Natur der Strukturen in drei Dimensionen mit einer Ultraschallabtastvorrichtung zum Ausstrahlen von Ultraschall in und Aufnahme von Ultraschall aus dem Weichgewebe und einer Vorrichtung zum Erfassen der physikalischen Charakteristika der aus dem Weichgewebe empfangenen Wellen und Erzeugen von den Charakteristika dieser Wellen entsprechenden Ausgangssignalen und einer dreidimensional im Raum wirksamen Ortsbestimmungsvorrichtung.

Das Gerät eignet sich für die medizinische Diagnose. Zum Beispiel stellt es eine sichere, zuverlässige und wirksame Einrichtung zur Herzdiagnose dar, ohne daß man dabei in den Körper selbst eindringen muß. Bei dem erfindungsgemäßen Gerät wird unter anderem eine Bilddarstellung mit Ultraschall eingesetzt.

Mit Entfernungsmessung nach der Impulsechomethode und mit Ultraschall arbeitende diagnostische Geräte haben sich von verhältnismäßig einfachen zu verwickelten Vorrichtungen entwickelt. Durch diese Weiterentwicklung ist auch die Nützlichkeit dieser Geräte infolge eines quantitativen und qualitativen Anstieges der Daten, die sie aufnehmen, verarbeiten und darstellen, erhöht worden. Die Dateneingabe für diese Systeme besteht aus der Echo-Entfernungsmessung und der Amplitude zuzüglich räumlicher Koordinaten und Zeitdaten.

Ein bei medizinischen Ultraschallgeräten der hier beschriebenen Art anzutreffendes allgemeines Problem liegt in der spezifischen Natur der Ultraschallreflexionen von Gewebestrukturen. Größere Oberflächen und Strukturen im Körper, wie zum Beispiel Herzklappen und -wände, wirken wie spiegelartige Reflektoren, bei denen der Austrittswinkel gleich dem Einfallswinkel ist. Für nach dem Echoprinzip arbeitende Entfernungsmeßgeräte, bei denen die reflektierte Schallwelle zu einem sendenden Übertrager zurückkehren muß, muß der Einfallswinkel fast senkrecht auf der reflektierenden Fläche stehen. Im Körper sind die Geometrie und Ausrichtung der reflektierenden Flächen stark veränderlich und verwickelt. Um die Rückkehr des Echos von jedem gegebenen Punkt auf einer reflektierenden Oberfläche unbekannter Ausrichtung auf ein Optimum zu bringen, sollte dieser Punkt daher mit dem Ultraschallstrahl aus jeder nur möglichen Richtung abgetastet werden. Zum Verwirklichen dieses Ideals sollte ein Ultraschallabtaster daher in sämtlichen drei Dimensionen frei abtasten können.

Ein bei der bildlichen Darstellung des Herzens mit der Ultraschalltechnik auftretendes besonderes Problem liegt in der verhältnismäßig kleinen Öffnung oder dem kleinen Fenster, durch das der Ultraschallstrahl eintreten kann. Nur eine kleine Fläche des Vorherzens liegt der Wand des Brustkastens unmittelbar ohne die dazwischenliegende Lunge oder Knochen gegenüber, die den Durchgang der Ultraschallwellen blockieren würden. Durch dieses kleine Fenster bzw. diese kleine Öffnung läßt sich der Schallstrahl in einer größeren Anzahl von Richtungen zwecks Aufnahme von Echodaten abgeben. Bei Verwendung eines Gerätes, mit dem in jeder beliebigen Richtung freizügig abgetastet werden kann, lassen sich mehr Echos als mit einem Gerät aufnehmen, das in seiner Abtastung auf ein vorgegebenes Muster, wie in Reihe oder parallel zueinander liegende Ebenen, beschränkt ist.

Die einfachsten medizinischen Ultraschallgeräte zeichnen nur eine Echoamplitude und den Abstand einer Echoquelle von dem Ultraschallgeber in einer räumlichen Dimension auf und stellen diese dar. Für die Untersuchung des schlagenden Herzens ist dieses Verfahren durch die Schaffung einer Zeit-Bewegungs-Darstellung verbessert worden, bei der der mit einem Echo gemessene Abstand als Funktion der Zeit dargestellt wird. Für eine bildliche Auswertung einer anatomischen Struktur sind Ultraschallabtaster entwickelt worden. Ein Abtaster ist eine Vorrichtung zum Aufnehmen und Aufzeichnen der räumlichen Ausrichtung des Ultraschallgebers und damit zum Erzeugen der Raumkoordinaten der Echoschallquelle. Bei üblichen Ultraschallabtastern ist die Bewegung des Schallgebers und des Schallstrahles auf eine Ebene s beschränkt. Infolgedessen werden für jede Echoquelle nur zwei räumliche Koordinaten, X und Y, erzeugt. Die Bewegung des Schallgebers in einer Ebene kann aus einer einfachen linearen, einer bogenförmigen oder einer sektorförmigen Abtastung bestehen. Verschiedenartige Zusammenstellungen, das heißt ein zusammengesetztes Abtasten, ist ebenfalls möglich. Beim zusammengesetzten Abtasten erhöht sich die Anzahl der aufnehmbaren Spiegelechos. Trotzdem stellen die beim zusammengesetzten Abtasten in einer Ebene aufgenommenen Echos nur einen Teil derjenigen Echos dar, die potentiell aus dem Bereich innerhalb dieser Ebene erzielbar wären. Eine schräg zu der Abtastebene liegende Gewebestruktur oder Fläche wirkt die Ultraschallwellen aus der Abtastebene heraus. Der Einschluß eines solchen schräg reflektierten Echos in das planare Bild würde ein dreidimensionales Abtastsystem erfordern, das die X-, Y- und Z-Koordinaten für jede Echoquelle aufnimmt. Zusätzlich wären ein dreidimensionaler Bildspeicher und eine Integriervorrichtung erforderlich.

Aufgrund der Bildintegration und -darstellung als zweidimensionale Systeme entwickelte übliche Abtaster wurden zu einem einzigen Gerät zusammengefaßt, wie zum Beispiel zu einer Oszillograph- Filmkombination. Dies ist ein zweidimensionales System und kann nur zweidimensionale Daten integrieren. Das Aufnehmen der Schallgeberbewegung wird damit durch das Bildspeicherformat auf zwei Dimensionen beschränkt. Die Ebene des Bildschirmes (die Bildebene) hat in einer unmittelbaren Entsprechung zu der untersuchten Gewebeebene zu liegen. Die Abtaster wurden daher als zweidimensionale Abtaster gebaut. Die Echos konnten nur von innerhalb der abgetasteten Gewebeebene aufgenommen werden. Mit einem solchen Analogsystem war es nicht möglich, die außerhalb der zu den Echos führenden und der Bildebene entsprechenden Gewebeebene aufgezeichneten Echos zu speichern und/oder in ein planares Bild zu integrieren. Ein Speicher zum Auftrennen der unmittelbaren Entsprechung der Abtastebene und der Bildintegration und der Wiedergabeebene ist nicht vorhanden. Ein dreidimensionales Abtasten verlangt, um erfolgreich zu sein, die Auftrennung dieser beiden Funktionen, nämlich der Bildintegration und der Bildwiedergabe. Die Bildintegration würde mit einer Vorrichtung, wie zum Beispiel einem Rechner, durchzuführen sein, der einen dreidimensionalen Speicher aufweist. Ein System mit dreidimensionaler Abtastung und einem dreidimensionalen Speicher würde nicht nur das Problem einer Spiegelechoreflexion und getrennter Bildintegrations- und Darstellungsfunktionen lösen, sondern würde auch ein Bildvolumen eines Gewebevolumens schaffen. Dieses System würde auch das gegenseitige Verhältnis der nacheinander erzielten Echodaten aufzeichnen, unabhängig davon, ob diese durch parallele oder nicht- parallele planare Abtastungen oder durch andere Abtastmuster, wie zum Beispiel ein Abtasten in einer Spirale, erzielt wurden. Aus dem dreidimensionalen Speicher des Rechners ließen sich in geeigneter Weise aufbereitete Bilder in jeder beliebigen zweidimensionalen Querschnittsebene abrufen. Zum Simulieren von dreidimensionalen Bildern könnten auch graphische Rechnertechniken verwendet werden, wie zum Beispiel eine perspektivische Darstellung, eine rotierende Darstellung oder eine Schattierung.

Ein beim dreidimensionalen Abtasten auftretendes praktisches Problem ist die für ihre Durchführung benötigte Zeit. Bei üblichen zweidimensionalen Abtastern benötigt man zum vollständigen Herstellen des Bildes eines Körpers mehrere Sekunden. Im Vergleich mit der durch den Herzschlag oder die Atmung erzeugten Bewegung eines Körperorgans ist dies eine geringe Bildbildungsgeschwindigkeit. Die Anwendung aufeinanderfolgender planarer Abtastungen dieser Art in drei Dimensionen würde somit zuviel Zeit beanspruchen, um noch praktisch zu sein. Eine Untergruppe von zweidimensionalen Abtastern, die als Echtzeitabtaster bekannt sind, haben jedoch im Vergleich zu der Bewegung der aufzunehmenden Struktur eine sehr hohe Bildbildungsgeschwindigkeit (höher als fünfzehn pro Sekunde). Zu den Eigentümlichkeiten dieser Abtaster gehört, daß die Zeitdimension in die bildliche Darstellung eingeht und ein dynamisches Bild dargestellt wird. Echtzeitabtaster vollführen einfache Abtastungen und können ohne Zusätze keine dreidimensionale zusammengesetzte Abtastung durchführen. Für die Zwecke eines dreidimensionalen Abtastens verbessern die Echtzeitabtaster die Geschwindigkeit der Datenaufnahme, die durch vorgegebene Koordinaten räumlich orientiert sind, ganz beträchtlich. Die Integration des Echtzeitabtasters in eine dreidimensionale Abtastvorrichtung ermöglicht sowohl eine schnelle Datenaufnahme als auch eine Aufzeichnung der drei Koordinaten der Echoquelle.

In der US-PS 35 55 888 (siehe auch Brown TG: Visualization of Soft Tissues in Two and Three Dimensions - Limitations and Development. Ultrasonics, 5: 118, 1967) ist bereits eine Anordnung für das dreidimensionale Abtasten mit Ultraschall beschrieben worden. Bei dieser Anordnung wird ein mechanisches Gelenk mit fünf Potentiometern zum Aufzeichnen der Lage des Ultraschallgebers in drei Dimensionen während einer Abtastung verwendet. Zur Darstellung wird ein Oszillograph, das heißt eine Kathodenstrahlröhre, verwendet und eine Steuereinrichtung, mit der die Echos einer bestimmten Schnittebene des Körpers zur Darstellung ausgewählt werden. Zum Zurückhalten der dreidimensionalen Information über die Echodaten wird kein dreidimensionaler Speicher verwendet, weder ein Digitalrechner noch ein anderer Rechner. In der bekannten Anordnung werden nur diejenigen Daten integriert und auf einem zweidimensionalen Oszillographen dargestellt, die aus einer im Körper liegenden zweidimensionalen Ebene abgeleitet werden.

Über ein ähnliches Gerät, bei dem zur dreidimensionalen Speicherung und zur Bildintegration ein digitaler Computer verwendet wird, ist kürzlich berichtet worden (Dekker, DL, et al.: A System for Ultrasonically Imaging the Human Heart in Three Dimensions. Computers and Biomedical Research, 7: 544-553, 1974). Bei diesem Gerät wird ein mechanischer Art mit einer Freiheit von 5° und einem Potentiometer für jede Drehachse verwendet. Zur Datenaufnahme wird bei diesem System statt eines Echtzeitabtasters ein einziger üblicher Übertrager verwendet. Als Folge hiervon ist die für die Erzeugung eines vollständigen dreidimensionalen Bildes eines zeitveränderlichen Gegenstandes, wie eines Herzens, erforderliche Zeit unbrauchbar lang.

Die mechanische Gelenke aufweisenden dreidimensionalen Abtaster haben infolge Massenträgheit und Reibung den Nachteil einer gewissen Inflexibilität. Das mechanische Gelenk kann weiter umständlich und auch im Arbeitsweg der Bedienung liegen. Die mit mechanischen Systemen erreichbare Aufzeichnungsgenauigkeit läßt weiter zu wünschen übrig und beeinträchtigt die Anwendung.

Andere Literatur auf diesem Gebiet ist:

• (a) Kossoff, G.: Display Techniques in Ultrasound Pulse Echo Investigation: A Review. J. Clin Ultrasound, 2: 61, 1974. In diesem Artikel wird die Technik der dreidimensionalen Darstellung von Kombinationen zweidimensionaler Echogramme erläutert, und ihre Grenzen werden dargelegt.
• (b) Rasmussen, SN, Nielsen, SS, Bartrum, FJ, et al.: Three-dimensional Imaging of Abdominal Organs with Ultrasound. Am. J. Roentgen, 121: 883, 1974. In diesem Artikel wird die Rechneraufbereitung dreidimensionaler Bilder aus einer Serie von zweidimensionalen B-Abtastungen, die mit einem Nachfolgestift digital aufgenommen wurden, beschrieben.
• (c) Robinson, DE: Display of Three-dimensional Ultrasonic Data for Medical Diagnosis. J. Acoust. Soc. Amer., 52: 673, 1971. Auch in diesem Artikel wird ein ähnliches Verfahren zur dreidimensionalen Bildaufbereitung aus einer Reihe paralleler zweidimensionaler Bilder und die Bildung neuer zweidimensionaler Bilder durch die dreidimensionale Information beschrieben.

Bei den in diesen drei Artikeln beschriebenen Techniken werden die in einem zweidimensionalen Abtastsystem aufgenommenen Echodaten verwendet. Beim Eingeben der Daten in den Rechner fügt der Operator die dritte angenommene Koordinate den Grunddaten zu.

• (d) Physical Principles of Ultrasonic Diagnosis. Wells, PNT. Academic Press, London, 1969. In diesem Artikel werden die Probleme der Spiegelreflexion und verschiedene dreidimensionale Wiedergabetechniken erörtert.
• (e) Fry, WJ, Leichner, GH, Okuyama, D, et al.: Ultrasonic Visualization Systems Employing New Scanning and Presentation Methods. J. Acous. Soc. Amer., 44: 1324, 1968. In diesem Artikel wird ein rechnergestütztes System für eine Abtastung in sämtlichen Richtungen erläutert. Zu diesem Abtastsystem gehört eine mechanische Einrichtung, die drei lineare und zwei Rotations- Freiheitsgrade aufweist. Ein einziges planares Bild wird durch Abtasten in der der Bildebene entsprechenden Gewebeebene unter winkelmäßiger Ausrichtung zu der Schnittebene gebildet. Die entstehenden Signale werden zeitlich gesehen so unterdrückt, daß nur dann Echosignale dargestellt werden, wenn die Abtastung unter einem Winkel zu der Schnittebene durch das Gewebe erfolgt. Eine Abtastung unter einer winkelmäßigen Ausrichtung wird durch Rotation des abzutastenden Gegenstandes erreicht.
• (f) Baum, G, Greenwood, I: Orbital Lesion Localization by Three- dimensional Ultrasonography. N.Y. State J. Med., 61: 4149, 1961. In diesem Artikel wird die Konstruktion eines dreidimensionalen Modells beschrieben, das durch Anordnung einer Reihe von zweidimensionalen Ultraschall-Transparenzbildern in einer Reihe von transparenten (Glas-)Abstandhaltern aufgebaut wird.
• (g) Howry, DH, Posakony, G. Cushman, CR, et al.: Three-dimensional and Stereoscopic Observation of Body Structures by Ultrasound. J. Applied Physiol., 9: 304, 1956. In diesem Artikel wird ein mechanisches Gerät zum Abtasten eines begrenzten Volumens in drei Dimensionen beschrieben. Auf einem Bildschirm erfolgt eine zweidimensionale veränderbare perspektivische Projektion dieses Volumens.

Bekannt ist ein Gerät der eingangs genannten Gattung (US-Zeitschrift Ultrasonics, April 1967, Seiten 118-124, insbesondere Fig. 6 und zugehörige Beschreibung). Bei diesem Gerät enthält die Ortsbestimmungsvorrichtung drei sogenannte Sinus-Cosinus- Potentiometer. Diese sind mit dem Tastkopf der Abtastvorrichtung mechanisch starr verbunden. Damit können sie dessen Bewegungen in den drei Richtungen des Raumes nachvollziehen. Über die Veränderung ihres elektrischen Widerstandes liefern sie Daten zur Bestimmung von dessen jeweiliger Lage im Raum. Die mechanische Verbindung der drei Potentiometer mit dem Abtastkopf schränkt dessen Bewegungsmöglichkeiten ein. Er läßt sich nicht mehr frei im Raum bewegen. Auch die Geschwindigkeiten, mit denen der Abtastkopf in den drei Richtungen des Raumes bewegt werden kann, sind durch seine mechanische Verbindung mit den drei Potentiometern begrenzt.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das bekannte Gerät so weiterzubilden, daß der Abtastkopf regellos und frei in sämtlichen drei Richtungen des Raumes bewegt werden kann. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich bei einem Gerät der eingangs genannten Gattung nach der Erfindung durch die Verwendung der folgenden Merkmale:

einer dreidimensional im Raum wirksamen Ortsbestimmungsvorrichtung mit

• i) einem Sender, der von einer Vielzahl von diskreten Punkten eine Vielzahl von Energiewellen in den Raum strahlt,
• ii) mit einem von dem Sender einen Abstand aufweisenden Sensor zum Aufnehmen jeder Energiewelle von jedem diskreten Punkt des Senders in X-, Y- und Z-Richtung, wobei entweder der Sender oder der Sensor eine vorgegebene räumliche Beziehung zu der Ultraschallabtastvorrichtung einnimmt, und
• iii) mit einer elektronischen Schaltung zum Erzeugen von Ausgangssignalen entsprechend jeder Welle von der Vielzahl der diskreten Punkte und

einem an die Ultraschallabtastvorrichtung und die Ortsbestimmungsvorrichtung angeschlossenen Rechner zur Aufnahme der in den von der Ultraschallabtastvorrichtung abgegebenen Ausgangssignalen enthaltenen Daten und zum Verarbeiten und Zusammensetzen dieser Daten zu ihrer Darstellung in einer die Größe, die Form, den Ort und die Natur des Weichgewebes in den drei Dimensionen darstellenden Gestalt.

Eine starre Verbindung zwischen dem Abtastkopf und der Ortsbestimmungsvorrichtung ist nicht erforderlich. Eine vorgegebene räumliche Beziehung zwischen entweder dem Sender oder dem Sender zum Abtastkopf reicht aus. Es entfällt auch die Notwendigkeit, daß mechanische Elemente, wie die drei Potentiometer, mit einer nach oben begrenzten Geschwindigkeit bewegt werden müssen.

Die Ortsbestimmungsvorrichtung ist ein Schallsuchgerät. Ihre Aufgabe liegt darin, der Bewegung der Abtastsonde zu folgen. Sie mißt die Laufzeit einer von einer Punktquelle, wie einer Funkenstrecke, ausgehenden Überschallwellenfront zu einer auf dem Patienten angeordneten Meßeinrichtung aus drei orthogonalen linearen Mikrofonen. Eine Schallgeschwindigkeit für normale Umgebungsbedingungen (Temperatur, Druck, Feuchtigkeit) wird angenommen, und der Abstand der Quelle von den Meßeinrichtungen wird berechnet. Die Meßspannung besteht aus digitalen, dieX-, Y- und Z-Koordinaten des Punktes angebenden Signalen. Zum Bestimmen der Richtung einer Linie im Raum werden zwei Funkenstrecken verwendet. Um die Lage eines Gegenstandes, wie zum Beispiel der Abtastsonde, im Raum zu bestimmen und aufzuzeichnen, werden drei Funkenstrecken benötigt, die in einer bekannten wiederholbaren und eine Ebene bildenden Folge gezündet werden. Diese drei Funkenstrecken werden dicht beieinander in einer dreieckförmigen Anordnung auf einer Kunststoffplatte montiert. Diese Platte wird dann mechanisch fest und starr an der Ultraschallabtastvorrichtung montiert.

Während der Bewegung der Sonde werden die drei Funkenstrecken in einer stetigen Folge gezündet, und das Schallsuchgerät nimmt ihre Lage und Anordnung im Raum konstant auf. Die Sonde läßt sich frei und regellos an jede Stelle innerhalb des durch die Mikrofone festgelegten Volumens verschieben. Eine direkte Sichtlinie von jeder Funkenstrecke zu jedem Mikrofon wird beibehalten. Aus den Ortskoordinaten der Funkenstrecken und aus den Daten der Abtastvorrichtung über die Echo-Abstandmessung und die Meßfolge lassen sich die X-, Y- und Z-Ortskoordinaten der Abtastsonde und entsprechend auch die Koordinaten jeder Echoquelle errechnen. Die Ortskoordinaten der Funkenstrecken, die Ultraschalldaten, die Zeit- oder Synchronisationssignale der Abtastvorrichtung und das Elektrocardiogramm des Patienten werden digital umgerechnet und in dem Rechner aufbereitet und gespeichert. Durch eine geeignete Koordinatentransformation werden aus diesen Grunddaten die Ultraschalldaten in eine einzige dreidimensionale Körperbildmatrix umgesetzt. Die dreidimensionale Matrix läßt sich dann in einer zweidimensionalen Querschnittsform oder in Form von simulierten dreidimensionalen Bildern darstellen unter Verwendung einer Perspektive, Schattierung, Rotation, Animation usw. Auch eine mathematische Bestimmung des Herzvolumens und der Geschwindigkeit der Herzwand läßt sich durchführen.

Im Vergleich zu Ultraschallabtastern nach dem Stand der Technik tastet die erfindungsgemäße Sonde die Körperoberfläche regellos und frei in sämtlichen drei Richtungen ab. Als Ergebnis hiervon löst sie das allgemeine Problem der Spiegelechoreflexionen dadurch, daß sich die Sonde optimal auf die Aufnahme jedes beliebigen Echos einstellen läßt, und sie läßt auch die Datenaufnahme aus einer maximalen Anzahl von Richtungen zu. Dies geschieht ausschließlich zum Beispiel über die kleine Zugangsöffnung zum Herz in der Brustkammerwandung. Im Vergleich mit zweidimensionalen Systemen integriert sie das Ultraschallbild in drei Dimensionen im Rechnerspeicher und läßt damit die folgende Wiedergabe im Querschnitt oder in der Projektion auf eine Weise zu, die statt für die Datenspeicherung für die Diagnose sehr zufriedenstellend ist. Im Vergleich mit dem Stand der Technik ist das berührungslos arbeitende Schallsuchgerät nach der Erfindung flexibler, weniger umständlich, von gleicher oder größerer Genauigkeit als mechanische Gelenke für die dreidimensionale Ortsbestimmung.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfinderischen Grundgedankens bilden den Gegenstand von Unteransprüchen.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild des Gerätes,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Abschnittes des in Fig. 1 schematisch dargestellten Rechners,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Analog-Digitalwandlers,

Fig. 4A und 4B je ein ins einzelne gehendes Blockschaltbild des schon in Fig. 2 gezeigten Rechnerabschnittes,

Fig. 5A und 5B je ein ins einzelne gehendes Blockschaltbild des in Fig. 3 gezeigten Analog-Digitalwandlers und

Fig. 6 eine grafische Darstellung der R-Wellensegmente, auf die bei der Beschreibung der Betriebsweise des Gerätes verwiesen wird.

Fig. 1 zeigt die Ultraschallabtastvorrichtung 2. Zu ihr gehört der Sender 12. Über eine Leitung 38 ist er mit einer Schaltung 36 verbunden. Mit Hilfe von in dem Sender 12 angeordneten Kristallen gibt die Abtastvorrichtung 2 mehrere akustische Signale (Wellen) 32 an einen Gegenstand, wie zum Beispiel an ein Weichgewebe 14 eines Tieres, ab. Vom Weichgewebe 14 werden akustische Signale 34 zum Sender 12 gegeben. Die Abtastvorrichtung 2 erfaßt die meßbaren physikalischen Charakteristika dieser Signale 34 und erzeugt diesen entsprechende elektronische Signale. Diese Signale und andere Takt- und Synchronisiersignale werden über Leitungen 50 zum Terminal 52 des Rechners 6 übertragen.

Der Elektrocardiograph 16 ist von konventioneller Bauart. Er nimmt vom Herz erzeugte Spannungen auf. Der Elektrocardiograph 16 und das Terminal 52 des Rechners 6 sind über Leitungen 54 bzw. 56 mit dem Weichgewebe 14 verbunden.

Nach der Darstellung in Fig. 1 ist die Ortsbestimmungsvorrichtung 4 den Schallsuchgerät üblicher Bauart. Sie enthält einen Sender 18 mit drei Funkenstrecken. Diese strahlen akustische Wellen 42 aus. Diese werden von einem Sensor 22 aufgenommen. Dieser befindet sich in einem Abstand vom Sender 18. Der Sender 18 kann sich gegenüber dem Sensor 22 frei verschieben. Dieser ist seinerseits gegenüber dem Sender 18 ortsfest. Sowohl der Sensor 22 als auch der Sender 18 sind über Leitungen 44 bzw. 46 elektrisch mit einer elektronischen Schaltung 40 verbunden. Der Sensor 22 erfaßt die Ankunft jeder akustischen Welle 42 von jeder der drei Funkenstrecken in der X-, Y- und Z-Richtung. Die Schaltung 40 erzeugt dann Signale, die den von drei diskreten Punkten ausgehenden Wellen entsprechen. Diese Signale werden über Leitungen 48 zum Terminal 52 am Rechner 6 übertragen. Über eine feste mechanische Kupplung 20 ist der Sender 18 fest mit dem Sender 12 verbunden. Entsprechend folgt der Sender 18 den Bewegungen des Senders 12. Die Kupplung 20 läßt sich auch durch eine Einrichtung ersetzen, die eine veränderliche räumliche Beziehung zwischen dem Sender 18 und dem Sender 12 mißt.

Nach der Darstellung in Fig. 1 ist der Rechner 6 ein Digitalrechner PDP 11/45 üblicher Bauart. Er weist ein Terminal 52 auf. Dieses ist elektrisch mit der Ortsbestimmungsvorrichtung 4, mit der Ultraschallabtastvorrichtung 2 und mit dem Elektrocardiograph 16 verbunden. Diese Verbindung erfolgt über Leitungen 48, 50 und 56.

Der Rechner 6 enthält eine Plansteuereinrichtung 10. Diese ist im Blockschaltbild in Fig. 2 und im Einzelschaltbild in den Fig. 4A und 4B dargestellt. Zum Rechner 6 gehört auch noch ein Analog-Digitalwandler 8. Dieser wird im Blockschaltbild in Fig. 3 und in dem ins einzelne gehenden Schaltbild in den Fig. 5A und 5B dargestellt.

Nach der Darstellung in Fig. 2 besteht die Plan-Steueranordnung aus einer Schaltung zum Steuern und Festlegen der Arbeitsfolge bei der Digitalisierung und Aufnahme von Signalen aus der Ultraschallabtastvorrichtung 2 und der Ortsbestimmungsvorrichtung 4 durch den Rechner 6. Eine Zeitsteuerschaltung 58 empfängt ein Synchronisationssignal von 60 Hz und ein Haupttaktsignal mit 1920 Hz. Das Synchronisationssignal durchläuft eine Verzögerungsstrecke 60 von etwa 2,3 msec und aktiviert die Zeitsteuerschaltung, die die nächsten zweiundzwanzig Impulse des Haupttaktsignals durchläßt. Im Rechner setzen diese Impulse eine Aufmerksamkeitsflagge 88 und laufen zu einer Verzögerungsschaltung 62 von 65 Mikrosekunden weiter. Bei Aktivierung dieser Schaltung durch ein Signal von einem 50- Bit-Schieberegister treten die Haupttaktsignale zu dem Analog- Digitalwandler 8 durch und lösen die Digitalisierung der von der Ultraschallabtastvorrichtung 2 kommenden Signale aus.

Ein der R-Welle des Elektrocardiogramms entsprechendes Signal bewirkt eine Unterbrechung des Betriebes des Rechners und schaltet den 1-msec-Zeittaktgeber 64 erneut an. Bei jedem Zyklus des Zeittaktgebers 64 wird in dem Schieberegister 66 ein Bit gesetzt. Hierdurch werden die Zeitsegmente in dem R-R-Intervall festgesetzt. Mit der Ausgangsspannung vom Schieberegister wird die Folge der Arbeitsschritte des Systems während jedes Zeitsegmentes gesteuert. Ausgangssignale von 0 bis 17 msec ermöglichen die Digitalisierung der Daten. Signale von 17 bis 19 msec, 24 bis 26 msec bzw. 31 bis 33 msec aktivieren die drei einzelnen Funkenstrecken des Senders 18 der Ortsbestimmungsvorrichtung 4. Ausgangssignale werden auch zu einem Mehrfachkoppler 68 gegeben. Von dort gelangen sie zu einem Liniencodierer 70 und setzen die Statusregister des Rechners 6.

Nach der Darstellung in Fig. 3 besteht der Analog-Digitalwandler 8 aus einer Schaltung zum Digitalisieren der aus der Ultraschallabtastvorrichtung 2 kommenden Signale in einem 1,5- Mikrosekunden-Muster in eine von acht Stufen für Betriebsfolgen von 150 oder 180 Mustern.

Das Digitalisierungssignal aus der Plansteueranordnung 10 startet einen 1,3-Mikrosekunden-Zeitgeber 72. Damit werden die Steuerschaltungen 74 für die Spitzen-Abfrage- und Halteschaltung 76 und den Analog-Digitalwandler 78 aktiviert. Eine Zählschaltung 80 beendet die Abfragefolge nach entweder 150 oder 180 Abfragungen bis zum nächsten Digitalisierungssignal. Die von der ersten Einrichtung 2 an der Spitzen-Abfrage- und -Halteschaltung 76 ankommenden Datensignale werden für jedes 1,3-Mikrosekunden-Intervall wiederholt abgefragt, und der sich für jedes Intervall ergebende Maximalwert wird dem Analog-Digitalwandler 78 zugeführt, in dem er auf eine der drei Bits enthaltenden acht Stufen digitalisiert wird.

Die Bits werden in ein 15-Bit-Schieberegister 82 gegeben. Sobald das Schieberegister mit fünf Abfragemustern angefüllt ist, werden die Daten auf eine 16-Bit-Pufferstufe 84 übertragen. Eine Daten-Fertig-Anzeigeflagge 86 wird gesetzt und die Daten anschließend in das Eingangsregister des Rechners 6 gegeben.

Mehr ins einzelne gehende Blockschaltbilder für die Schaltung der Plansteueranordnung (Fig. 2) und des Analog-Digitalwandlers (Fig. 3) werden in den Fig. 4A-B und 5A-B gegeben. Es wird angenommen, daß diese Schaltbilder so ins einzelne gehen, daß eine weitere schriftliche Erläuterung dieser Schaltbilder nicht mehr nötig ist. Die folgenden Anmerkungen sind daher nur als eine kurze Erläuterung für einige Bauteile mit ihren zugehörigen Bezeichnungen, Funktionen, Herstellern und Symbolen zu verstehen.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Gerätes beschrieben. Ein Patient mit einem Gewebe 14 wird auf einen Behandlungstisch gelegt, und der Elektrocardiograph 16 wird befestigt. Die die Mikrofone enthaltende Meßanordnung 22 des Schallsuchgerätes wird an einem geeigneten Ständer über dem Brustkorb des Patienten angebracht. Die Ultraschall-Sendersonde 12 mit dem an ihr befestigten Funkenstrecken-Sender 18 wird über dem Herzen auf den Brustkorb aufgesetzt und mit einer auf die Haut aufgebrachten Paste oder einem Öl akustisch mit dieser gekoppelt. Der Echtzeit-Ultraschallabtaster 2 arbeitet kontinuierlich und bietet ein dynamisches zweidimensionales Echtzeit-Querschnittsbild des unter der Sonde liegenden Herzens. Die von der Sonde erzeugten akustischen Ultraschallwellen werden in kurzen Impulsen in das Gewebe gegeben. Reflexionen der Wellen treten auf, wenn sie Grenzflächen zwischen Geweben mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften durchlaufen. Sofern die auftreffenden Wellen ungefähr senkrecht zu dieser Zwischenfläche stehen, werden die Echos zum Sender zurückgeworfen. Die Geschwindigkeit der Wellen ist praktisch konstant. Eine Messung der zwischen Abstrahlen und Rückkunft eines Echos verstrichenen Zeit zeigt daher den Abstand zu der das Echo erzeugenden Zwischenfläche an. Die von der Sonde ausgehenden Mehrfach-Ultraschallstrahlen werden in rascher Folge durch eine Ebene abgetastet. Die von jedem Strahl aufgezeichneten Echos werden in der gleichen Folge dargestellt und unter Bildung eines zweidimensionalen Bildes zusammengefaßt. Die Bilder werden mit einer Geschwindigkeit von 60 pro Sekunde erzeugt.

Der Operator bringt die Sonde unter Verwendung der konventionellen Darstellungseinrichtung in die optimale Lage und beginnt mit der Datenaufnahme. Während des größten Teiles jedes Herzschlages wird die Sonde in fester Lage gehalten. Am Ende jedes Herzzyklus wird ihre Lage ein wenig in eine neue Lage verschoben, und damit werden zusätzlich räumlich unterschiedliche Daten aufgenommen. Während einer Zeitspanne von fünf bis zehn Minuten wird die Sonde über das Herz bewegt, so daß dessen sämtliche Strukturen und Flächen erfaßt werden.

Das dreidimensionale Schallsuchgerät 4 verfolgt kontinuierlich die Lageänderungen der Sonde und ordnet jedem der aufeinanderfolgenden zweidimensionalen Bilder X-, Y- und Z-Koordinaten zu. Die zeitlich zusammengehörenden Daten über das Bild und die Abstände werden digitalisiert und in den Rechnerspeicher gegeben. Bei Beendigen der Datenaufnahme werden diese zu einem dreidimensionalen Bild des Herzens zusammengefaßt.

Die grundlegenden Voraussetzungen für die Bildaufnahme des Herzens (King, 1972) liegt darin, daß die mechanischen Ereignisse der Systole und Diastole in einer regelmäßigen vorhersehbaren Folge nach der R-Welle auftreten, sofern der Patient einen normalen Sinusrhythmus und einen konstanten Herzschlag aufweist. Während der gleichen Phase aufeinanderfolgender Herzschlagzyklen aus verschiedenen Abschnitten des Herzens aufgezeichnete Echodaten beschreiben die gleichen mechanischen Ereignisse und lassen sich zu einem vollständigen, von der Herzbewegung nicht beeinflußten Bild zusammensetzen.

Nach dem Starten des Systems beginnt das erste aufgenommene R- Wellensignal seinen Betrieb. Nach einer bestimmten Zeit wird die R-Welle in Abschnitte von je 50 msec unterteilt bis zum Auftreten der nächsten R-Welle. Dies ist in Fig. 6 dargestellt. Dies geschieht mit Hilfe des 50-Bit-Schieberegisters 66. Unter Verwendung der Ausgangssignale des Schieberegisters 66 wird der 50-msec- Abschnitt funktional in Drittel unterteilt. Das erste Drittel wird für die Ultraschalldatenaufnahme verwendet. Das zweite Drittel dient unter Verwendung des Schallsuchgerätes 4 zum Aufzeichnen der Lagekoordinaten, und das letzte Drittel dient zum Eingeben der Daten in den Rechnerspeicher 6.

Der Echtzeitabtaster 2 sendet kontinuierlich 60-Hz-Synchronisationssignale und 1920-Hz-Zeittaktsignale zur Plansteueranordnung 10 und Ultraschalldatensignale zum Analog-Digitalwandler 8. Die 60-Hz-Synchronisations- und die 1920-Hz-Zeittaktsignale werden dazu verwendet, 22 räumlich und zeitlich unterschiedliche Schallstrahlecho- "Linien" der Daten zu identifizieren. Diese stellen einen vollständigen Rahmen oder einen vollständigen Zyklus der Echodaten dar, die mit einer Geschwindigkeit von 60 pro Sekunde oder einmal pro 16,67 msec auftreten, das heißt der Dauer jedes Drittels der 50-msec-Abschnitte. Gleichzeitig mit dem Auftreten der R-Welle wird ein "Befähigungs"-Signal erzeugt, das einem "Digitalisierungs"-Signal den Eintritt in den Analog-Digitalwandler 8 ermöglicht. Das Digitalisierungssignal gibt die Ankunft der ersten Daten einer anderen Echo-"Linie" am Analog-Digitalwandler 8 an. Dieses Digitalisierungssignal wird für jede der zweiundzwanzig Echo-"Linien" der Daten wiederholt. Die Daten werden nacheinander für Zeitspannen von 1,3 msec entsprechend 1 mm Gewebe abgefragt, bis eine Gesamtzahl von 150 Abfragen erfolgt ist. Der Maximalwert jeder Abfrage wird auf eine von acht Stufen digital umgerechnet und in den Rechnerspeicher gegeben. Für jeden Schallstrahl werden 150 Abfragen entsprechend 15 cm Gewebe digital aufbereitet. Sämtliche zweiundzwanzig Echo-"Linien" oder Schallstrahlen eines einzigen Zyklus des Echtzeitabtasters werden vor der Unterdrückung des Digitalisierungssignals durch das Schieberegister 66 digital aufbereitet.

Das zweite Drittel des durch das Schieberegister festgelegten 50-msec-Abschnittes wird von dem dreidimensionalen Schallsuchgerät verwendet. Während dieser Zeitspanne wird jede Funkenstrecke mit der in Fig. 2 gezeigten Folge gezündet. Die Laufzeit der Schallwellen von den drei Funkenstrecken bis zu jedem Mikrofon 22 wird gemessen. Anschließend werden die X-, Y- und Z-Koordinaten jeder Funkenstrecke errechnet, digitalisiert und zum Rechner 6 übertragen. Dieser Vorgang wird am Ende des zweiten Drittels des 50-msec-Abschnittes abgeschlossen. Das letzte Drittel dient zur Rechneraufbereitung der Daten. Die vom Schieberegister 66 gesteuerte Folge wird dann bis zur nächsten R-Welle wiederholt. Die Anzahl der Abschnitte pro R-R-Intervall hängt von der Herzschlaggeschwindigkeit ab. Mit jeder neuen R-Welle wird eine neue Folge von Abschnitten erzeugt. Bei jeder R-Welle wird die Lage der Ultraschallsonde eingestellt, so daß die Abschnitte dieses R-R-Intervalls neue anatomische Daten enthalten. Sämtliche Abschnitte der gleichen Dauer nach der R-Welle enthalten anatomische Daten der gleichen Phase des Herzzyklus von verschiedenen Teilen des Herzens, so daß sie sich unter Ausschaltung der Auswirkungen der Herzbewegungen zu einem vollständigen Herzbild zusammensetzen lassen. Daten, die das gesamte Herz in dessen drei Dimensionen beschreiben, werden über einen langen Zeitraum von Herzzyklen gesammelt. Am Ende der Prüfung enthält der Rechner eine ganze Reihe von Datenblöcken. In jedem Datenblock sind Identifizierungsdaten, Folgezahlen und auch Zahlen enthalten, die jeden Punkt der zweiundzwanzig Ultraschallecho-"Linien" beschreiben, und die neun Positionskoordinaten, die die räumliche Anordnung dieses Musters der zweiundzwanzig Echolinien festlegen. Die Daten aus der Datenblockreihe werden dann in eine Körperbildmatrix übersetzt. Dies ist ein dreidimensionales Bild des Herzens für einen vorgegebenen Abschnitt des R-R-Intervalls. Für jeden Abschnitt wird ein getrenntes unterschiedliches Bild erzeugt. Die Bilder sind digitale Bilder im Rechnerspeicher, die sich unter Verwendung von grafischen Rechnertechniken betrachten lassen. Diese Bilder ermöglichen eine genaue quantitative Analyse des Kammervolumens und der Herzwandbewegung.

Claims (11)

1. Gerät zum dreidimensionalen Sammeln von Daten über Größe, Form, Ort und Natur von Weichgewebeorganstrukturen von einem Lebewesen in diesen und zum Aufbereiten der Daten außerhalb des Lebewesens zum Darstellen der Größe, der Form, des Ortes und der Natur der Strukturen in drei Dimensionen mit

• a) einer Ultraschallabtastvorrichtung zum Ausstrahlen von Ultraschall in und Aufnahme von Ultraschall aus dem Weichgewebe und einer Vorrichtung zum Erfassen der physikalischen Charakteristika der aus dem Weichgewebe empfangenen Wellen und Erzeugen von den Charakteristika dieser Wellen entsprechenden Ausgangssignalen und
• b) einer dreidimensional im Raum wirksamen Ortsbestimmungsvorrichtung,

gekennzeichnet durch

• c) eine dreidimensional im Raum wirksame Ortsbestimmungsvorrichtung (4) mit
  • i) einem Sender (18), der von einer Vielzahl von diskreten Punkten eine Vielzahl von Energiewellen in den Raum strahlt,
  • ii) mit einem von dem Sender (18) einen Abstand aufweisenden Sensor (22) zum Aufnehmen jeder Energiewelle von jedem diskreten Punkt des Senders in X-, Y- und Z-Richtung, wobei entweder der Sender (18) oder der Sensor (22) eine vorgegebene räumliche Beziehung zu der Ultraschallabtastvorrichtung (2) einnimmt, und
  • iii) mit einer elektronischen Schaltung (40) zum Erzeugen von Ausgangssignalen entsprechend jeder Welle von der Vielzahl der diskreten Punkte und
• d) einen an die Ultraschallabtastvorrichtung (2) und die Ortsbestimmungsvorrichtung (4) angeschlossenen Rechner (6) zur Aufnahme der in den von der Ultraschallabtastvorrichtung (2) abgegebenen Ausgangssignalen enthaltenen Daten und zum Verarbeiten und Zusammensetzen dieser Daten zu ihrer Darstellung in einer die Größe, die Form, den Ort und die Natur des Weichgewebes in den drei Dimensionen darstellenden Gestalt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (18) drei räumlich getrennte Quellen zum Ausstrahlen der Energiewellen aufweist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (22) drei getrennte Meßköpfe zum Aufnehmen der Energiewellen aufweist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (22) ortsfest und der Sender (18) frei beweglich ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (18) und der Sensor (22) galvanisch nicht gekoppelt sind.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (18) mindestens eine eine akustische Energiewelle erzeugende elektrische Funkenstrecke enthält.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (22) einen akustischen Empfänger enthält.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortsbestimmungsvorrichtung (4) ein dreidimensionales, berührungslos arbeitendes Schallsuchgerät ist.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (6) eine Programm- und Steuereinrichtung enthält, die elektrisch mit der Ultraschallabtastvorrichtung (2) und dem Rechner (6) gekoppelt ist und die folgenden Funktionen ausführt:

• (a) sie empfängt ein Signal von einem Elektrocardiogramm des Lebewesens, das einen neuen Herzzyklus ansagt, und teilt die diesem Signal folgende Zeit in vorgegebene Zeitabschnitte auf,
• (b) sie ermöglicht das Aufsammeln der aus der Ultraschallabtastvorrichtung (2) kommenden Daten im Rechner (6) für einen Teil jedes vorgegebenen Zeitabschnittes, und
• (c) sie ermöglicht das Aufsammeln der aus dem Sensor (22) kommenden Daten im Rechner (6) für einen Teil jedes vorgegebenen Zeitabschnittes.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (6) einen Analog-Digitalwandler enthält.