DE2830621C2

DE2830621C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufzeichnen von Ultraschallechos

Info

Publication number: DE2830621C2
Application number: DE19782830621
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 8521 Uttenreuth Hassler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-07-12
Filing date: 1978-07-12
Publication date: 1980-09-11
Also published as: DE2830621B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufzeichnen von Ultraschallechos, die bei der Ultraschallabtastung von Objekten, z. B. des menschlichen Körpers, anfallen, am Aufzeichnungsträ-

■>" gereiner Aufzeichnungsvorrichtung.

Bei der Abtastung von Untersuchungsobjekten mit Ultraschall (insbesondere auch des menschlichen Körpers) ergeben sich in Abhängigkeit von unterschiedlichen akustischen Wellenwiderständen im Untersu-

^r>> chungsobjekt unterschiedliche Echokonfigurationen. Basisuntersuchungen speziell über den akustischen Wellenwiderstand von biologischen Geweben haben gezeigt, daß eine ausreichend feste Zuordnung von Wellenwiderständen und Gewebsarten existiert. Krank-

M) hafte Veränderungen des Gewebes führen auch zu Veränderung der akustischen Widerstände und damit zu Veränderung der Reflexionsfaktoren. Herkömmliche Impuls-Echo-Systeme setzen bisher Ultraschall-Echosignale nur hinsichtlich des Betrages des Wellenwider-

^Μ Standssprunges in Bildinformation um. Richtung oder Polarität des Wellenwiderstandssprunges, die noch tiefergehende diagnostische Gewebedifferenzierungsmöglichkeit gewährleisten würden, wurden bisher zur

Umwandlung oder Beigabe zur Bildinformation nicht eingesetzt Es gibt zwar bereits Versuche (z. B. DE-OS 25 02 818), eine Polaritätserkennung beispielsweise durch Integration dadurch zu ermöglichen, daß eine bestimmte Zeitfunktion für den Sendevorgang vorgeschrieben wird. Ein solches Verfahren ist jedoch für die Bildaufzeichnung weniger gut geeignet. Die Sende-Pulsformen (Unipolarimpuls oder hartgetasteter Sinus) sind spektral sehr breitbandig und daher schwer zu erzeugen, weil die bekannten Wandler (aus Piezokeramikmatcrial) von Haus aus schmalbandig sind. Darüber hinaus sind breitbandige Pulsformen schlecht an die Gegebenheiten der Transmissionsstrecke angepaßt Das sehr ausgeprägte Tiefpaßverhalten speziell von Körpergewebe, verursacht durch die Absorptionsdämpfung, beschneidet die frequenzmäßig hohen Spektralanteile. Letztere tragen daher schon ab geringen Bildtiefen praktisch nichts mehr zum Bildinhalt bei, belasten aber das Gewebe durch ihren Energiegehalt Da die eingestrahlte Schall-Leistungsdichte einen oberen Grenzwert nicht überschreiten darf (Gefährdungsgefahr), entspricht dies einer unökonomischen Ausnutzung des erlaubten Dynamikbereiches (Verlust an maximal möglicher Eindringtiefe).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg anzugeben, wie mit technisch einfachsten Mitteln an Echosignalen die Polarität eines Widerstandssprunges, durch den das Echo erzeugt wird, erfaßt und in entsprechende Bildinformation umgewandelt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) aus den anfallenden Echosignalen wird die jeweils erste Halbwelle diskriminiert,

b) es wird die Polarität der so diskriminierten Halbwelle ermittelt,

c) in Abhängigkeit von der ermittelten Polarität wird das jeweilige zugehörige Echosignal am Aufzeichnungsträger in unterschiedlicher Weise markiert

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Diskriminator zur Erfassung der ersten Halbwelle, ein Polaritätserkennungsglied zur Ermittlung der Polarität der diskriminierten Halbwelle sowie durch eine Markiereinrichtung zur Markierung der Echosignale am Aufzeichnungsträger in Abhängigkeit von der ermittelten Polarität.

Mit der Erfindung lassen sich also auf technisch einfachste Art anfallende Ultraschall-Echosignale dahingehend unterscheiden, ob der akustische Wellenwiderstandssprung, von dem das jeweilige Echo herrührt, in der Schallrichtung gesehen von niedrigeren zu höheren Werten oder umgekehrt führt. Die so nach unterschiedlicher Polarität des Widerstaudssprunges erfaßten Echosignale können dann in unterschiedlicher Weise am Aufzeichnungsträger markiert werden. Spezielle Markierungsmöglichkeiten sind die, daß Echopunkte je nach Polarität des Sprunges unterschiedliche Färbung, Grautonabstufung, Dicke cd. dgl. aufweisen. Nicht in der Polarität erfaßbare Echosignale bleiben von Markierungen vorzugsweise unberührt.

Weitere Einzelheiten „,ω Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung m·· ¹^n Unteransprüchen.

Es ze^:£'-

Fig.¹, das Prinzipschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig.2 die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, erläutert anhand des zeitlichen Verlaufes eines empfangenen Hochfrequenz-Echosignals.

Dem Ausführungsbeispiel liegt der Tatbestand zugrunde, daß jeder ersten HaJbwelle eines typischen Schwingungszuges eines Ultraschall-Echosignals mindestens über die Dauer einer halben Periode eine Zeit vorausgeht in der entweder überhaupt kein oder ein nur sehr schwaches Signal vorhanden ist Wird nun durch

in Einsatz eines Spitzenwertmessers kontinuierlich der Amplitudenwert des einfallenden Signals erfaßt und durch eine geeignete Vergleichsvorrichtung jeder anfallende Amplitudenwert mit einem solchen aus einem vorgebbaren Zeitabstand davor ständig vergli-

Ii chen, und wird dann, wenn ein Amplituden wert im Vergleich zum vorangegangenen Wert einen ganz bestimmten Grenzwert überschreitet, das momentan anstehende Signal diskriminiert, so handelt es sich bei dem diskriminierten Signal um die erste Halbwelle des Ultraschall-Echosignals. Man braucht dann nur noch mittels geeignetem Polaritätserkennungsglied die Polarität der so diskriminierten ersten Halbwelle feststellen und hat dann sofort auch die Polarität des Wellenwiderstandssprunges, von dem das gerade angefallene

2^r> Ultraschall-Echo herstammt.

In der Fig. 1 ist der Spitzenwerterfasser ein Zweiweg-Spitzenwertgleichrichter 1, 2, wobei 1 die eigentliche Gleichrichter-Diodenschaltung ist und 2 ein Gleichrichter-Ausgangs-ÄC-Glied. Zur Hervorrufung

3d der Zeitverzögerung für den Zeitvergleich dient das dem Gleichrichter 1, 2 vorgeschaltete Verzögerungsglied 3. Das Verzögerungsglied hat eine Verzögerungszeit τ 1, die etwa dem Abstand der ersten beiden Extrema, d. h. praktisch der halben Periodendauer (T/2)

J5 der einfallenden Ultraschall-Hochfrequenzschwingung, entspricht. Dem Zweiweg-Spitzenwertgleichrichter 1, 2 ist ferner ein Verstärker 4 nachgeschaltet, der ausgangsseitig in der dargestellten Weise mit dem einen Eingang je eines Spannungskomparators 5 und 6

■»o verbunden ist. An den anderen beiden Eingängen der Komparatoren 5 und 6 liegen hingegen die ursprünglichen, d. h. nicht zeitverzögerten, Ultraschall-Hochfrequenzsignale einmal mit Normalpolarität (im Falle des Komparators S) und einmal mit invertierter Polarität

^ (im Falle dos Komparators 6). Zur Invertierung der Polarität dient ein Inverter 7. Das Ultraschall-Echosignal stammt in der üblichen Weiss von einem Ultraschall-Sende/Empfangswandler 8, der zum Senden von schmalbandigen Ultraschall-Sendeimpulsen über

w einen Hochfrequenzimpulserzeuger 9 im Takt von Leitimpulsen eines Taktgebers 10 erregbar ist. Die empfangenen und in elektrische Hochfrequenzsignale entsprechend rückgewandelten Ultraschall-Echosignale werden ebenfalls in üblicher Weise in einem Echoemp- >> fangsverstärker 11 verstärkt, bevor sie zur Weiterverarbeitung auf die Elemente 1 bis 7 gegeben werden. Bei dem schematisch dargestellten Ultraschall-Sende/Empfangswandler kann es sich um einen solchen mit beliebiger Formgebung und frei wählbarem Funktions-

bo zweck handeln. So kann der Wandler 8 sowohl zum Einsatz bei B-Scan oder auch Α-Scan oder einer beliebig anderen Abtastart eingesetzt werden. Es kann sich dabei um einen Wandler mit Einzelschwinger oder einem Paket aus Einzelschwingern handeln. Der Einsatz

h5 ist demnach als Ultraschallkopf bei Compound-Scan oder auch als Schwingerraum für ein Array möglich.

Im Prinzipschaltbild der Fig. 1 erfolgt die Diskriminierung der ersten Halbwelle speziell durch Vergleich

der Amplituden des unmittelbar anstehenden Signals mit dem um die Zeitdauer rl verzögert anfallenden Amplitudenspitzenwert. Nur dann, wenn die momentan anstehende Amplitude den Wert des um rl verzögert anfallenden Gleichrichtersignals über einen einstellbaren Grenzwert G hinaus überschreitet, soll von dem entsprechende η Diskriminator 5 oder 6 ein Ausgangssignal erzeugt werden. Zur Einstellung des Grenzwertes G dient der Verstärker 4, der die einfallenden gleichgerichteten Signale um den Faktor G verstärkt. Zur eindeutigen Diskriminierung der ersten Halbwelle sollte der Faktor G mindestens im Bereich G = 5 liegen. In Modifikation der Ausführung der Fig. 1 kann selbstverständlich auch der Verstärker 4 im Gleichrichterkreis durch je einen Abschwächer in den anderen beiden Zuführleitungen zu den Koinparaturen 5 und 6 ersetzt werden. Dieser Abschwächer müßte dann so gestaltet sein, daß sich das Signal in den gegenpoligen Eingangsleitungen zu den Komparatoren um den Teilungsfaktor G abschwächt (Abschwächer in der Ausbildung z. B. als Spannungsteiler). In weiterer Modifikation könnten aber auch die Komparatoren 5 und 6 durch einen Quotientenbildner ersetzt werden, der aus dem zeitlich unverzögerten und aus dem zeitlich verzögerten Signal ständig den Quotienten bildet. Überschreitet dann der Quotient einen vorgegebenen Grenzwert, so wird auf diese Weise automatisch die erste Halbwelle diskriminiert. Die Polarität des Quotientensignais ist dann gleichzeitig auch die Polarität der diskriminierten ersten Halbwelle.

Beim Prinzipschaltbild der Fig. 1 erfolgt die Diskriminierung der ersten Halbwelle jedoch durch reinen Amplitudenvergleich mittels Komparator. Die Diskriminierung der Polarität geschieht aufgrund Verwendung zweier Komparatoren. Der jeweils zuerst ansprechende Komparator 5 oder 6 stößt nun über ein ihm nachgeschaltetes elektronisches Tor 12 bzw. 13 einen monostabilen Multivibrator 14 bzw. 15 an. Mit dem Anstoßen eines monostabilen Multivibrators 14 oder 15 wird über die Rückleitungen 16 bzw. 17 automatisch die Triggermöglichkeit für den jeweils anderen Multivibrator gesperrt. Dies ist notwendig für den Fall, daß rl = r2 = T sich der vollen Periodendauer nähert, so daß auch noch die zweite Halbwelle das Kriterium der Diskriminierwürdigkeit erfüllt.

Jeder am Ausgang eines Multivibrators 14 oder 15 anfallende Impuls bewirkt eine spezielle Markierung des zugeordneten Echos. Im vorliegenden Falle dient als Aufzeichnungsvorrichtung für die Echos eine Farb(fernseh)bildröhre 18. Die Markierung erfolgt in der Weise, daß mit dem Auftreten eines Ausgangsimpülses aiii monostabilen Multivibrator 14 über die Rotaufsteuerung 19 ein Rotimpuls gesetzt wird. Entsprechend wird beim Auftreten eines Ausgangsimpulses am Multivibrator 15 z. B. über die Blausteuerung 20 ein Blauimpuls gesetzt. Die Impulsdauern definieren dann beispielsweise die Tiefenausdehnung des Färbungsbereiches am Bildschirm der Bildröhre 18. Dieser Tiefenbereich wird zweckmäßig an die erreichte Tiefenauflösung des jeweiligen Gerätesystems angepaßt, um auch wirklich nur das erste Echo einer nicht mehr bezüglich Polarität auflösbaren Kette von nacheinanderkommenden Echos zu kennzeichnen. Für den Fall, daß weder der Multivibrator 14 noch der Multivibrator 15 einen Ausgangsimpuls erzeugen, wird als Kriterium dafür, daß eine Polarität nicht diskriminiert werden konnte, für das betreffende Echosignal ein weißer Farbpunkt gesetzt. Zur Setzung eines solchen weißen Punktes dient die Serienschaltung aus einem weiteren Logikglied 21 (UND-Glied mit Invertern), einem dritten monostabilen Multivibrator 22 und der Weißmarkiereinrichtung 23, welche Serienschaltung in der dargestellten Weise mit dem Ultraschall-Eingangssignal und den Ausgängen der Multivibratoren 14 und 15 verkoppelt ist.

ίο Die Funktionsweise des Prinzipschaltbildes der F i g. 1 soll anhand des Echosignal-Zeitverlaufs der F i g. 2 noch etwas näher erläutert werden:

Die Fig. 2 zeigt zunächst das Hochfrequenz-Echosignal Uc das als Nutzsignal in etwa bei A beginnt, während die davorliegenden Schwingungen Ausläufer von vorher empfangenen Echosignalen sind, die man als Störgeräusche interpretiert. In den Kurvenverlauf gestrichelt miteingezeichnel ist auch der Verlauf U_eg der gleichgerichteten Hochfrequenzschwingung. Der strichpunktiert eingezeichnete Signaiveriauf Uapg gibt das Ausgangssignal des Spitzenwertgleichrichters 1, 2 wieder. Gemäß den dargestellten Signalverläufen untersucht nun also das Prinzipschaltbild der Fig. 1, ob G ■ A' ^ ff und wenig später, ob G ■ A ^B. Sind die

2^r> vorgelagerten Störungen klein genug, so wird spätestens bei B die Schwellwertüberschreitung B > G ■ A festgestellt und das Logiksignal für Rotfärbung ausgelöst. Anschließend folgen die Vergleiche G ■ B ^ C; G ■ B ^ Cusw., die zu keiner neuerlichen

so Triggerung der Multivibratoren führen, wenn G ausreichend groß ist. G ist größer zu wählen als der im Pulsanstieg maximal vorkommende Anstiegsquotient der Amplitude zweier aufeinanderfolgender Extrema. Die maximale Puls-Anstiegssteilheit ist durch die

<5 frequenzmäßige Bandbegrenzung der Geräte definiert vorgegeben. In der Ausklingphase des Echopulses wird der Vergleich z. B. G ■ E \ F immer so ausfallen, daß keine Triggerung ausgelöst wird, wenn die Abklingzeitkonstante des Spitzenwertgleichrichters an den Aus- klingvorgang der Echopulse in etwa angepaßt ist. Eine zu lange Zeitkonstante ist allerdings zu vermeiden, damit möglichst auch dicht (zeitlich) beeinanderliegende Echopulse polaritätsmäßig erfaßt werden können. Um diesen Punkt noch zu optimieren, könnte man an die Verwendung eines »Sample & Hold«-Schaltkreises anstelle des Spitzenwertgleichrichters denken.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sichtbarmachen von Ultraschallechos, die bei der Ultraschailabtastung von Objekten, z. B. des menschlichen Körpers, anfallen, am Aufzeichnungsträger einer Aufzeichnungsvorrichtung. Wünschenswert ist

Betrag des Sprunges eines Wellenwiderstandes, der zu einem Echo führt, sondern auch die Polarität dieses Sprunges in Bildinformation umgewandelt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß

a) aus den anfallenden Echosignalen (UJ die jeweils erste Halbwelle diskriminiert wird,
b) die Polarität der so diskriminierten Halbwelle ermittelt wird,

c) in Abhängigkeit von der ermittelten Polarität das jeweilige zugehörige Echosignal am Aufzeichnungsträger (18) in unterschiedlicher Weise markiert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufzeichnen von Ultraschallechos, die bei der Ultraschallabtastung von Objekten, z.B. des menschlichen Körpers, anfallen, am Aufzeichnungsträger einer Aufzeichnungsvorrichtung, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) aus den anfallenden Echosignalen (U_c) wird die jeweils erste Halbwelle ^diskriminiert,

b) es wird die Polarität der so diskriminierten Halbwelle ermittelt,

c) in Abhängigkeit von der ermittelten Polarität wird das jeweilige zugehörige Echosignal am Aufzeichnungsträger (18) in unterschiedlicher Weise markiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Diskriminierung der ersten Kalbwelle der Amplitudenwert des einfallenden Signals erfaßt und mit einem solchen aus einem vorgebbaren Zeitabstand davor ständig verglichen und dann, wenn ein Amplitudenwert im Vergleich zum vorangegangenen Wert einen speziellen Grenzwert überschreitet, ein Signal gesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wertvergleich ein reiner Amplitudenbetragsvergleich mittels Amplitudenkomparator ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wertvergleich durch Bildung des Quotienten aus den Amplitudenwerten und durch Untersuchung, ob das Quotientensignal einen vorgebbaren Grenzwert über- oder unterschreitet, durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudenvergleichswert auf der Basis von Spitzenwertgleichrichtung gewonnen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzengleichrichtwert mit einem vorgebbaren Faktor (G) verstärkt und das Originalsignal auf Überschreitung des verstärkten Spitzengleichrichtwertes überprüft wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Originalsignal um einen vorgegebenen Faktor geschwächt, z. B. durch Spannungsteilung gedämpft, wird und das so geschwächte Originalsignal auf Überschreitung des unverstärkten Spitzengleichrichtwertes überprüft wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Polarität der diskriminierten ersten Halbwelle im Falle des reinen Amplitudenvergleichs zwei gegensinnig geschaltete Spannungskomparatoren dienen, während im Falle der Quotientenbildung die Polarität des Quotientensignals die gesuchte Polarität abgibt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur unterschiedlichen Markierung von Echosignalen in Abhängigkeit von der ermittelten Polarität die Echopunkte je nach Polarität des Sprunges unterschiedliche Färbung, Grautonabstufung, Dicke, Blinksprünge od. dgl. aufweisen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Polarität nicht erfaßbare Echosignale von Markierungen unberührt bleiben.

11. Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Diskriminator (1 bis 7) zur Erfassung der ersten Halbwelle, ein Polaritätserkennungsglied (5, ■> 6) zur Ermittlung der Polarität der diskriminierten Halbwelle sowie durch eine Markiereinrichtung (12 bis 23) zur Markierung der Echosignale am Aufzeichnungsträger (18) in Abhängigkeit von der ermittelten Polarität

H) 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die Zuleitung des Ultraschall-Echosignals zu einem Spitzenwertgleichrichter (1,2).

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Zuleitung des Ultraschall-Echosignals zum Spitzenwertgleichrichter (1, 2) über ein Zeitverzögerungsglied mit der Zeitverzögerung τ 1.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spitzenwertgleichrichter (1, 2) ein Verstärker (4) mit variablem Verstärkungsgrad nachgeschaltet ist, der das Spitzengleichrichtsignal um einen Faktor (G) auf einen Vergleichswert verstärkt

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswert dem einen Eingang einer Komparatorschaltung (5,6) zugeleitet ist, während der andere Eingang mit dem Originalsignal beaufschlagt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung zwei

J° einzelne Komparatoren umfaßt, die an je einem Eingang vom Spitzengleichrichtsignal gleichzeitig beaufschlagt sind, während der andere Eingang des einen Komparators (5) mit dem Originalsignai, der des anderen Komparators (6) jedoch mit dem

^ invertierten Originalsignal beaufschlagt wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparatorschaltung Markierimpulsgeber (14, 15) zum Setzen von Markierimpulsen in Abhängigkeit von den Kompa-

⁴⁽> ratorausgangssignalen nachgeschaltet sind.