DE2814336B1 - Geraet zur Untersuchung mit Ultraschall nach dem Impuls-Echo-Verfahren - Google Patents

Description

• Durch die Zeitschrift »Medizinal-Markt/Acta Medicotechnica« Nr. 1/1978, Seiten 7 bis 9 ist bereits ein Prüfgerät zur Überprüfung der Abbildungseigenschaften von Ultraschallköpfen für das Impuls-Echo-Verfahren vorbekannt. Dieses Prüfgerät beinhaltet einen mit Flüssigkeit (Wasser oder Öl) gefüllten Plexiglasbehälter, an dessen Unterseite sich ein Schallkopf befindet. In der Flüssigkeit im Behälter ist ein Kugelreflektor angeordnet, der zur Erzielung ausreichender Intensität reflektierter Schallwellen einen Durchmesser von etwa 8 mm hat. Der Kugelreflektor läßt sich nun im Flüssigkeitsbad, gesteuert durch einen Rechner, in vorgebbarer Weise verschieben. Die bei Verschiebung des Kugelreflektors aus den verschiedenen Stellungen empfangenen Echosignale können zwar auf einem Bildschirm des Impuls-Echo-Gerätes sichtbar gemacht werden; eigentlich ausgewertet werden jedoch nur Druckkurven eines Plotters, der, gesteuert vom Rechner, in einem 2-mm-Raster ausgewählte Symbole ausdruckt, die bestimmten Schallpegelbereichen zugeordnet sind. Die vom Plotter gelieferten Kurven erlauben gewisse Aussagen über die Schallfeldgeometrie, woraus wiederum Schlüsse in Sicht auf das zu erwartende Ultraschallbild gezogen werden können. Bei sehr komplizierter Technik sind also Bildauswertungen nur indirekt und in äußerst beschränktem Maße möglich. Nur die Auswertung am Ultraschallbild selbst liefert jedoch die erwünschten Testwerte.
• Aufgabe vorliegender Erfindung ist demnach, ein Gerät der eingangs genannten Art aufzubauen, das mit wesentlich einfacheren technischen Mitteln eine Sofortanzeige nur der wesentlichen Eigenschaften der Bildqualität direkt im Echo-Sichtbild erlaubt Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Beschallungs-Grundkörper, der aus einem solchen Kompaktmaterial, vorzugsweise Kunststoff-Gußmaterial, besteht, das in bezug auf einen vorgebbaren Ultraschall-Frequenzbereich weitgehend dieselben frequenzabhängigen Dämpfungseigenschaften wie ein zu untersuchendes Objekt, z. B. biologisches Gewebe, aufweist, wobei im Grundkörper Reflexionsmaterial nach fest vorgebbaren geometrischen Konfigurationen eingelassen ist.
• Durch die Erfindung ist ein Test-Phantom geschaffen, das bei Beschallung mit Ultraschall (z. B. B-Scan mittels Ultraschall-Array oder Rotationswandler mit Paraboloidreflektor oder mittels Compound-Scan, Sektor-Scan od. dgl.) ein Ultraschall-Testbild liefert, an dem unmittelbar visuell die gewünschten Informationen zur Beurteilung der Abbildungseigenschaften gewonnen werden können.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigt F i g. 1 ein Mehrschichtenmodell zur Erfassung speziell einer Grauwertabstufung, F i g. 2 ein Modell zur Erfassung insbesondere der Schichtdicke, F i g. 3 ein Kugelmodell zur Erfassung insbesondere der Querauflösung.
• In den Fig. 1 bis 3 ist der Grundkörper für das jeweilige Test-Phantom ein elastischer Kunststoffkörper auf der Basis von Sil-Gel (Silikon-Einbettmasse), der in Form eines Blockes, beispielsweise mit den Abmessungen5 x 15 x 30 cm,gegossenistSil-GelalsGrundsubstanz hat einen Absorptionskoeffizienten, der sich allein für sich gesehen noch nicht die für biologisches Gewebe typische lineare Frequenzabhängigkeit aufweist Durch geeignete Mischung von Sil-Gelen mit unterschiedlichen Dämpfungsexponenten kann jedoch ohne weiteres der Absolutwert des Dämpfungsexponenten bei einer gewünschten Frequenz (z. B. der Mittenfrequenz der im Schallsystem verwendeten Pulse) auf einen Wunschwert (z. B. den mittleren Gewebewert) eingestellt werden.
• Für ein 2,25 MHz-Bildsystem ist in diesem Sinne beispielsweise eine Mischung aus Sil-Gel 600 (Datenblatt Wackersilicone SM 13-912.7612) und Sil-Gel 604 (Datenblatt Wackersilicone SM 7211.671) plus Härter (Hersteller: Fa. Wacker-Chemie) in einem Verhältnis von 1:1 optimal. Mit einer solchen Mischsubstanz ergibt sich ein Dämpfungsfaktor von ca. 2 dB/cm. Für Bildsysteme, die auf einer anderen Mittenfrequenz arbeiten, ergibt sich der Optimalwert entsprechend bei einem anderen Mischungsverhältnis. Festzuhalten ist jedoch, daß unabhängig vom jeweiligen Mischungsverhältnis im selektiven Frequenzbereich eine bedeutungsvolle Gewebeeigenschaft, nämlich die der frequenzabhängigen Absorption, gut simuliert werden kann.
• Im Grundkörper 1 sind nun in den einzelnen Ausführungsbeispielen der F i g. 1 bis 3 nach unterschiedlichen Konfigurationen echogebende Stoßstellen eingebaut Die Stoßstellen sind dabei Körnchen 2 aus einem Material, das zum Material des Grundkörpers 1 unterschiedlichen Wellenwiderstand aufweist Als Körnchenmaterial kommen wieder Gruppierungen von Sil-Gelen in Frage. Bevorzugtes Material ist das Sil-Gel 601, das in bezug auf das Grundmaterial des Grundkörpers 1 einen Reflexionsfaktor von etwa 1% aufweist Die Körnchen können direkt in den Grundkörper eingelassen (z. B. eingegossen) sein und im eingelassenen Zustand bestimmte Konfigurationen bilden. Im Grundkörper kann jedoch auch die jeweils erwünschte Konfiguration durch ein Formteil aus Stoßstellenmaterial vorgegeben sein, wobei die Formteile an den Oberflächen so aufgerauht sind, daß die Aufrauhstellen Körnchencharakter haben, d. h., daß sie ähnlich ungerichtet reflektieren wie direkt eingelassene Körnchen. Wichtig für die Reflexion unabhängig von der Orientierung zum Schallstrahl und von der Form der Körner ist, daß der maximale Durchmesser der Körnchen (Einzelkörnchen oder Aufrauhkörnchen an Formkörpern) klein gegen die jeweils verwendete Ultraschall-Wellenlänge ist. Die Körner wirken dann immer unabhängig von ihrer Formgebung als ideale Kugelstrahler. Bei größeren Korndurchmessern in Richtung Wellenlänge muß die Kugelform zunehmend mehr eingehalten werden. Wünschenswert kann es sein, daß in unterschiedlichen Konfigurationen die Körnchen des Reflexionsmaterials unterschiedliche Reflexionseigenschaften aufweisen. Sofern derartige Konfigurationen erwünscht sind, können grundsätzlich zur Erzielung unterschiedlicher Reflexionseigenschaften Körnchen in etwa gleichen Durchmessers, jedoch unterschiedlichen akustischen Wellenwiderstands oder Körnchen gleichen akustischen Wellenwiderstands, jedoch unterschiedlichen Durchmessers, verwendet werden.
• Unter Nutzung dieser Techniken lassen sich nun Test-Phantome im erwünschten Sinne aufbauen.
• Fig. 1 zeigt beispielsweise ein Test-Phantom zur Ermittlung der Abstufungen einer Grautreppe. Zu diesem Zweck ist der Grundkörper 1 in verschiedene Schichten 3 bis 10 unterteilt Jede der (z. B. 2 cm dicken) Schichten des Mehrschichtenmodells umfaßt eine gewisse Anzahl von Körnchen pro Volumeneinheit (z. B. 5 Stück/cm2), die von Streifen zu Streifen unterschiedliche Reflexionseigenschaften aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 nimmt beispielsweise, beginnend vom Streifen 3, für jeden der nachfolgenden Streifen 4 bis 10 die Körnchendicke (-<1 mm) eingebrachter Körnchen 2 fortlaufend zu. Damit ergeben sich jedoch am Test-Phantom von links nach rechts fortlaufend Stufen mit zunehmender Reflexion an den einzelnen Körnchen 2. Im Sichtbild ergibt sich dann die Abstufung einer Grautreppe, deren Bildpunkte von Streifen zu Streifen - kontinuierlich oder diskontinuierlich gestuft - zunehmend heller werden. Die kontinuierliche oder diskontinuierliche Stufung kann dabei von links nach rechts gesehen so gewählt sein, daß bei vorausgesetzten guten Bildaufzeichnungseigenschaften des Ultraschallsystems die Körnchen des Streifens 3 gerade noch sichtbare Bildpunkte ergeben.
• Die Körnchen des Streifens 10 führen hingegen zu gerade noch nicht überstrahlten Bildpunkten, sofern die vom System empfangenen und verarbeiteten Echos um nicht mehr als 30 dB stärker sind als die Echos aus dem Streifen 3. Damit die untere Dynamikgrenze insbesondere bei weniger guten Systemen auch noch gut erkennbar ist, sollte im Bereich der Schichten mit kleineren Reflexionen (kleinste Körnchengröße) eine Stufung in relativ geringen Schritthöhen (z. B. drei Stufen zu 5 dB) vorgesehen sein. Von da an können größere Sprünge gewählt werden (z. B. an Mitte und Ende des Dynamikbereiches), wobei jedoch größere Schritte im Restbereich unterbrochen sein sollten durch kleinere Schritte (z. B. 1 dB), um Grauwertsprünge in Feinststufung wenigstens diskret über die Grautreppe verteilt erkennen zu können. Mit dem Test-Phantom der F i g. 1 lassen sich jedoch nicht nur die Abstufungen einer Grautreppe erfassen, aus der der Dynamikumfang des Ultraschall-Systems ermittelt werden kann. Mit dem Modell läßt sich auch die maximal darstellbare Objekttiefe (Eindringtiefe) in Absolutwerten anzeigen.
• Dies ist möglich, weil Dämpfung und Reflexionsgröße definierte, reproduzierbare Kenngrößen des Modells sind.
• Das Ausführungsbeispiel der F i g. 2 eignet sich besonders gut zur Erfassung der Schichtdicke. In dem bereits beschriebenen Grundkörper 1 sind Röhren, Stäbe oder Drähte eingegossen, deren kreisrunder Querschnitt sich kontinuierlich zum einen Ende hin verjüngt. Die Röhren, Stäbe oder Drähte bestehen aus einer akustisch homogenen (streukörperlosen) Kunststoffmasse, deren akustischer Wellenwiderstand von dem des Grundmaterials abweicht Die Einlegkörper tragen an ihren Oberflächen jeweils warzenartige Ausbuchtungen 2, die entsprechend den Körnchen 2 des Ausführungsbeispiels der Fig.1 als Streukörper für eingestrahlten Ultraschall (insbesondere in den tangential betroffenen Wandbereichen) dienen. Die Ausstülpungen sind entsprechend den Körnchen der Fig 1 wieder klein gegen die Wellenlänge des eingestrahlten Ultraschalls, so daß keine gerichtete Rückstreuung auftritt. Als Material für den Formkörper bietet sich bevorzugt Sil-Gel 601 an. Mehrerer solcher Formkörper mit einem Durchmesser von z. B. 3 mm bis 15 mm linear ansteigend sind in unterschiedlichen Tiefen des Grundkörpers 1 quer zur Richtung der Ultraschallabtastung eingelegt.
• Bei unendlich dünner Abtastschicht und einem Zentralschnitt durch die Adern des Test-Phantoms nach der Fig.2 wäre die Darstellung des Lumens lediglich entsprechend der Längsauflösung des Ultraschall-Bildsystems verfälscht (vorausgesetzt, der Anstieg des Durchmessers über der Längsachse der Aderbildung ist klein genug);-Da in der Praxis die Schichtdicke der Abtastung ein Mindestmaß nicht unterschreitet, werden je nach Schichtdicke bis zu unterschiedlich großen Durchmessern noch Reflexionen aus den tangential getroffenen Wandstrukturen ausgelöst und ins Bild gesetzt. Das Lumen schließt sich bzw. kann nicht aufgelöst werden. Aus der Länge des nicht darstellbaren Lumens läßt sich dann unmittelbar die Schichtdicke der Abtastung und damit ein Qualitätsmaß für das Abbildungssystem im Hinblick auf die Schichtdicke ermitteln. Im Test-Phantom der F i g. 2 ist der Einfluß der Schichtdicke auf die Bildauflösung am stärksten hervorgehoben, weil er praktisch nur durch die Pulslänge, nicht jedoch die Querdimension des Schallstrahls in Abtastrichtung, beeinflußt ist. Die Pulslänge ist jedoch immer um eine Größenordnung kleiner als die Querabmessungen des Schallstrahls in x- und y-Richtung. Die Bedingung, daß also ein Meßgerät in seiner Auflösung immer um eine Klasse besser sein sollte als der zu messende Effekt, ist beim Test-Phantom der F i g. 2 mit Sicherheit erfüllt Ein Testmodell, das sich zur Beurteilung insbesondere der Querauflösung speziell als Überlagerungsergebnis aus Strahlgeometrie in Abtast- und Schichtdickenrichtung besonders eignet, ist in der F i g. 3 dargestellt. Hier sind im Grundkörper 1 in unterschiedlichen Tiefen Kugeln 15 bis 18 unterschiedlichen Durchmessers (5 mm bis 20 mm) eingelegt. Diese Kugeln sind an ihren Oberflächen wiederum aufgerauht, so daß sich wieder der Körnchencharakter der Ausführungsbeispiele der F i g. 1 und 2 ergibt Als Grundmaterial für die Kugeln dient Sil-Gel 601.
• Beim Test-Phantom der F i g. 3 bildet die Ringauflösung der Kugeln in Abhängigkeit von deren Durchmesser bei bestimmter Querdimension des Schallstrahls sowohl in Abtast- als auch Schichtdickenrichtung ein Maß für die Querauflösung im obigen Sinne. So werden bei bestimmter Querdimension des Strahles in beiden Richtungen Kugeln bis zu einem Minimaldurchmesser noch als Ringe mit echofreiem Inneren aufgelöst. Mit zunehmender Querdimension, d. h. abnehmender Querauflösung, werden sich die Ringe immer mehr schließen, bis Ringe überhaupt nicht mehr aufgelöst werden. In letzterem Falle ergibt sich dann unmittelbar der Grenzwert der Querauflösung.
• Mit dem beschriebenen Test-Phantom der F i g. 1 und 3 lassen sich bereits wesentliche Systemparameter zur Charakterisierung der Bildqualität unmittelbar am Echosichtbild ermitteln. Die Test-Phantome sind dabei so konzipiert, daß sie speziell in der medizinischen Technik bei der Untersuchung biologischen Gewebes, z. B. des menschlichen Körpers, als Simulationsmodelle einsetzbar sind. So simulieren verstreut eingelassene Körnchen, wie z. B. im Modell der Fig. 1, insbesondere das Leberinnenmuster, während die Kugelformen 15 bis 18 der F i g. 2 Zysten nachbilden. Die Kegelstümpfe des Phantoms der Fig. 1 simulieren hingegen z. B. Ader-oder Gangsysteme endokriner Drüsen.

Claims (14)

1. Patentansprüche: 1. Gerät zur Untersuchung mit Ultraschall nach dem Impuls-Echo-Verfahren zum Zwecke der Erfassung der Abbildungseigenschaften von Ultraschall-Abtastsystemen, mit einem Beschallungskörper mit vorgebbaren Ultraschall-Dämpfungseigenschaften und mit eingebrachter Reflexionsstelle als Test-Phantom, gekennzeichnet durch einen Beschallungs-Grundkörper (1), der aus einem solchen Kompaktmaterial, vorzugsweise Kunststoff-Gußmaterial, besteht, das in bezug auf einen vorgebbaren Ultraschall-Frequenzbereich weitgehend dieselben frequenzabhängigen Dämpfungseigenschaften wie ein zu untersuchendes Objekt, z. B.
2. biologisches Gewebe, aufweist, wobei im Grundkörper (1) Reflexionsmaterial (2) nach fest vorgebbaren geometrischen Konfigurationen eingelassen ist 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Materialien mit unterschiedlichen Dämpfungsexponenten in geeigneter Mischung das Grundkörpermaterial mit einem gewünschten Dämpfungsexponenten bilden.
3. 3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus Materialien mit unterschiedlichen Dämpfungsexponenten den Absolutwert des Dämpfungsexponenten des Grundkörpermaterials bei einer bevorzugten Frequenz, z. B. der Mittenfrequenz abzustrahlender Ultraschall-Impulse, auf einen nur für diese Frequenz signifikanten Wunschwert einstellt.
4. 4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Basismaterial zum Aufbau des Grundkörpers Sil-Gele dienen.
5. 5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Sil-Gel 600 und Sil-Gel 604 in einem besonderen prozentualen Mischverhältnis das Material für den Grundkörper (1) bilden.
6. 6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Grundkörper (1) Körnchen (2) aus Reflexionsmaterial in vorgebbaren Konfigurationen eingelassen sind, deren maximale Durchmesser bei beliebiger Formgebung außerhalb Kugelform klein gegen die verwendete Ultraschall-Wellenlänge sind, bei Kugelform hingegen auch größer, z. B. auch größer als die Wellenlänge, sein dürfen.
7. 7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in unterschiedlichen Konfigurationen die Körnchen (2) des Reflexionsmaterials unterschiedliche Reflexionseigenschaften aufweisen.
8. 8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung unterschiedlicher Reflexionseigenschaften Körnchen in etwa gleichen Durchmessers, jedoch unterschiedlichen akustischen Wellenwiderstands und/oder Körnchen gleichen akustischen Wellenwiderstands, jedoch unterschiedlichen Durchmessers, verwendet sind.
9. 9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundkörper (1) in eine Mehrzahl paralleler Schichten (3 bis 10) unterteilt ist, in die verstreut körnchenartiges Reflexionsmaterial (2) eingelassen ist in der Weise, daß sich über die Schichten hinweg in kontinuierlichen und/oder diskontinuierlichen Stufen schritten sich ändernde Reflexionseigenschaften am Reflexionsmaterial ergeben.
10. 10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung zunehmender Schichtung Körnchen (2) mit zunehmendem Reflexionsvermögen in den Schichten eingelagert sind.
11. 11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Formkörper (11 bis 14 bzw. 15 bis 18) aus Reflexionsmaterial Reflexions-Konfigurationen vorgeben, wobei die Formkörper an ihren Oberflächen körnchenartig (2) aufgerauht sind bzw. an glatten Oberflächen Körnchen (2) angebracht sind.
12. 12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Formkörper untereinanderliegende Adern (11, 12, 13, 14), z. B. Rohre, Stäbe oder Drähte, eingelassen sind, die im Querschnitt vom einen Ende zum anderen kontinuierlich konisch abnehmen.
13. 13. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Formkörper Kugeln (15 bis 18) unterschiedlichen Durchmessers in den Grundkörper eingelassen sind.
14. 14. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Reflexionsmaterial Sil-Gel 601 verwendet ist.

    Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Untersuchung mit Ultraschall nach dem Impuls-Echo-Verfahren zum Zwecke der Erfassung der Abbildungseigenschaften von Ultraschall-Abtastsystemen, mit einem Beschallungskörper mit vorgebbaren Ultraschall-Dämpfungseigenschaften und mit eingebrachter Reflexionsstelle als Test-Phantom.

    Bei Ultraschall-Abtastgeräten, insbesondere solchen für den B-Scan, ist die Qualität der Abbildungseigenschaften des Abtastsystems von wesentlicher Bedeutung. Aus diesem Grunde ist es sowohl für den Hersteller als auch Anwender von Ultraschall-Abtastgeräten wichtig, daß ihm ein Prüfgerät in die Hand gegeben wird, mit dem er die Qualität des eingesetzten Abtastsystems hinsichtlich wichtiger Bildparameter, wie beispielsweise Längs- und Querauflösung oder auch Helligkeitsabstufung der Helligkeitspunkte im Ultraschallbild, vor Anwendung am eigentlichen Untersuchungsobjekt, beispielsweise Menschen, beurteilen kann. Letzte Instanz für die Beurteilung der Qualität wird zwar auch weiterhin der Anwender in der Klinik oder Praxis am lebenden Objekt sein; dennoch kann ein Testgerät der erwähnten Art eine große Arbeitshilfe sein, da es dem Hersteller bzw. Anwender sofort und ohne weiteres Zutun gezielt ausgewählte Teileigenschaften der Bildqualität liefert, die er aus einem Originalbild bei der Objektabtastung wegen der besonders komplexen Strukturierung nur mit großen Schwierigkeiten, z. B. nur mit Hilfe medizinischer Statistiken oder aufwendiger Prüffeldgeräte, erhielte.