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Vorrichtung zur Ultraschall-Abtastung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ultraschall-Abtastung,
mit einem Ultraschall-Sende-/ Empfangs-System aus mehreren Wandlern nach Art eines
Arrays, einer Steuerschaltung sowie einem Bildsignalverarbeitungsgerät.
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Insbesondere das Sektor-Scan-Verfahren hat sich für kardiologische
Untersuchungen bewährt. Dies ist deshalb vorteilhaft anwendbar, weil zwischen den
Rippen des Patientenkörpers ein schmales akustisches Fenster vorhanden ist, durch
das ein gebündeltes Ultraschall-Scan-Feld eingestrahlt werden kann. Es ist so möglich,
jeweils durch Aufsetzen des Ultraschallkopfes ein Querschnittsbild des Herzens in
"real-time" zu erzielen.
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Damit können dann für eine diagnostische Kontrolle auf dem Sichtschirm
eines Ultraschall-Bildsignalverarbeitungsgerätes die Herzaktionen sichtbar gemacht
werden.
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Allerdings ist mit einem solchen Verfahren immer lediglich ein bestimmtes
Querschnittsbild erzielbar. Zum Erreichen eines anderen Scan-Bereiches muß der Ultraschallkopf
in eine andere Position gebracht werden.
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Es ist denkbar, mittels zweier nebeneinander positionierter Sektor-Scan-Einrichtungen
zwei Ultraschall-Querschnittsbilder des Herzens simultan zu erzeugen und auf einem
oder zwei Sichtschirmen gleichzeitig darzustellen. Dazu wäre aber immer die jeweilige
Winkelposition der Ultraschallköpfe zu ermitteln und bei der Bildsignalverarbeitung
entsprechend zu berücksichtigen.
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Beim Stand der Technik hängt also die Richtung des Querschnittsbildes
von der speziellen Position des Ultraschall-Wandlersystems ab.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ultraschall-Abtastung
anzugeben, mit dem die Richtung des Scan-Bereiches unabhängig von der Applikatorposition
gewählt werden kann. Es sollen damit insbesondere für kardiologische Untersuchungen
die Applikationsmöglichkeiten verbessert werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ultraschall-Sende-/Empfangs-System
als Matrix mit m x n Elementen aufgebaut ist, wobei die einzelnen Wandlerelemente
separat ansteuerbar sind in der Weise, daß durch entsprechende Aktivierung einer
beliebigen Linie von aufeinanderfolgenden Wandlerelementen ein dazu senkrecht stehender
Scan-Bereich in der Linie der angesteuerten Wandlerelemente, insbesondere im Sektor-oder
Trapez-Format, erzeugt wird.
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Mit der Erfindung werden also völlig neue Wege zur Realisierung insbesondere
eines Sektor-Scans beschritten.
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Das Matrix-Array kann entsprechend einer beliebigen Linie aktiviert
werden. Diese Linie kann alternativ an einem Display von der Untersuchungsperson
frei vorwählbar sein, beispielsweise mit einem sogenannten Lichtgriffel, oder aber
auch nach bestimmten Kriterien vorprogrammiert werden. Durch Wahl geeigneter Ansteuermittel
können nun praktisch dreidimensionale Scan-Bereiche mit beliebigen Konturen erzeugt
werden. Es entstehen damit als 3-D-Scan zu bezeichnende Untersuchungsfelder
Für
kardiologische Untersuchungen können nun also solche Scan-Schnitte beispielsweise
durch ein Herz gelegt werden, die der individuell vorliegenden Anatomie entsprechen.
Beispielsweise kann die Scan-Richtung bei fest appliziertem Ultraschallkopf mit
erfindungsgemäßen Matrix-Array in einem beliebigen Winkel verdreht werden, so daß
jeweils die an die anatomischen Verhältnisse angepaßte optimal mögliche Richtung
wählbar ist. Es kann aber beispielsweise auch ein Scan-Bereich als Teil eines oder
mehrerer Kreisausschnitte vorgewählt werden. Solche speziellen Schnitte waren mit
den Ultraschall-Wandlersystemen des Standes der Technik bisher gar nicht möglich.
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Weiterhin können mit der Vorrichtung nach der Erfindung zwei oder
mehrere Ultraschall-Scan-Bereiche gleichzeitig erzeugt werden, wobei in einem solchen
Fall vorzugsweise mit unterschiedlichen Frequenzen gearbeitet wird, um gegenseitige
Beeinflussungen auszuschließen.
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Die beiden Scan-Richtungen können in einem beliebigen Winkel und in
einem beliebigen Linienverlauf zueinander stehen. Besonders vorteilhaft ist es in
diesem Fall, wenn die beiden Scan-Richtungen senkrecht aufeinander stehen, so daß
man in einem solchen Fall zwei senkrecht aufeinanderstehande Schnitte des zu untersuchenden
Organg erhalten kann.
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Es können also die Scan-Bereiche simultan als B-Bilder auf einem oder
mehreren Sichtschirmen des Bildsignalverarbeitungsgerätes dargestellt werden. Es
ist aber auch möglich, einen Scan-Bereich als B-Bild darzustellen und aus dem zweiten
Scan-Berach die Ultraschall-Echo-Signale einer Zeile einer Verarbeitungseinheit
für eine TM- und/oder eine Doppler-Signalauswertung zuzuführen. Eine solche Darstellung
kann insbesondere bei
kardiologischen Untersuchungen vorteilhaft
sein, da in diesem Fall die Herzaktionen sowohl optisch auf dem Bildschirm dargestellt,
als aber auch quantitativ als TM-Kurve ausgedruckt oder nach entsprechender Doppler-Signal-Auswertung
die Ergebnisse alphanumerisch anzeigbar oder auch akustisch darstellbar sind.
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Bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist also bei festpositioniertem
Ultraschallkopf ein Veränirn der Scan-Richtung möglich, wodurch die optimale räumliche
Lage der Querschnitte bzw. auch der Zeilen für die TM- und/ oder Doppler-Auswertung
bestimmt werden kann.
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Weitere Einzeoheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung
mit den weiteren Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 das Schema der Matrixanordnung mit m Spalten und
n Zeilen, Fig 2 und 3 mit einem Matrix-Array nach Figur 1 erzeugbare Sektor-Scan-Felder
Fig. 4 ein Matrix-Array mit einem frei programmierbaren Sektorfeld, Fig. 5 bis 7
jeweils ein Matrix-Array mit zwei sich schneidenden Scan-Bereichen und Fig 8 blockscbeitmäßig
eine Steuerschaltung mit Bildsignalverarbeitungsgerät zur Realjsi erung eines der
Anwendungsfälle nach Fig. 2 bis 7.
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In der Figur 1 ist eine Matrix aus m Spalten und n Zeilen dargestellt:
Die m x n-Matrix repräsentiert ein zweidimensionales, flächenhaftes Array aus Ultraschall-Wandlern.
Ein solches flächenartiges Array kann beispielsweise aus 64 Spalten und 64 Zeilen
bestehen. Bei Verwendung eines feingeteilten Wandler-Arrays auf Folienbasis (sog.
PVDF-Folien) läßt sich ein derartiges Array in den Maßen 14 x 14 mm realisieren.
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Wesentlich ist nun, daß alle Einzelelemente eines so beschriebenen
zweidimensionalen Arrays einzeln ansteuerbar sind. Es läßt sich beispielsweise durch
verzögertes Ansteuern einer beliebigen Reihe von Einzelelementen (sog. "phased array")
elektronisch ein Sektor-Scan aufbauen. Das heißt im Rserrtlichen, daß die einzelnen
Wandlerelemente entsprechend kontaktiert sein müssen und eine geeignete Ansteuerschaltung
notwendig ist.
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Die nachfolgenden Figuren zeigen verschiedene Möglichkeiten eines
Sektor-Scans, der mit einem zweidimensionalen Ultraschall-Array nach Figur 1 erzeugt
werden kann: In Figur 2 ist eine Linie von Elementen längs einer Spalte 101 einer
Matrix 100 angesteuert. Damit ergibt sich ein mit 102 bezeichnetes Sektorfeld. Ganz
entsprechend wird in der Figur 3 aus der Matrix 200 eine Linie 201 von Wandlerelementen
angesteuert, die gekrümmt ist und beispielsweise einen Kreisausschnitt definiert.
Dadurch ergibt sich ein entsprechend gekrümmtes Sektorfeld.
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Natürlich sind auch beliebig andere Krümmungen für eine vorgegebene
Linie möglich. Dies ist in spezieller Ausführung in Figur 4 dargestellt:
In
der Figur 4 bezeichnet 300 wieder ein Matrixfeld, auf dem beispielhaft eine S-förmige
Linie 301 der anzusteuernden Wandlerelemente eingezeichnet ist. In diesem Fall kann
auf einem Display 310 von der Untersuchungsperson eine entsprechende Linie 311 der
Wandleransteuerung vorgewählt werden. Dafür ist insbesondere ein sog. "Lichtgriffel"
312 vorhanden, mit dem auf dem Display 310 die gewünschte Kontur frei eingetragen
werden kann. Uber eine entsprechende Signalverarbeitungsschaltung 320 wird die vorgewählte
Linie auf die Schaltung zur Wandleransteuerung übertragen.
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Uber ein Bildsignalverarbeitungsgedt 330 werden auf einem Sichtschirm
340 eines Bildgerätes das Ultraschall-Sektorbild dargestellt. Für den Fall, daß
ein gekrümmter Sektor von der Untersuchungsperson vorgewählt wird, werden in der
Signalverarbeitungsschaltung entsprechende Projektionen erstellt, da auf dem Sichtschirm
lediglich ein zweidimensionales Bild dargestellt werden kann.
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Statt des Displays 310 mit Lichtgriffel 312 kann auch eine Widerstandsplatte
zur Vorwahl eines entsprechenden Linienprofils vorhanden sein.
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Bei einem zweidimensionalen flächenhaften Array und geeigneter Ansteuerschaltung
ergeben sich nun auch Möglichkeiten, zwei Sektor-Scan-Bereidemit unterschiedlichen
Richtungen gleichzeitig zu erzeugen. Voraussetzung ist allerdings dafür, daß sich
die Ultraschall-Frequenzen der beiden Scan-Richtungen in hinreichender Weise unterscheiden,
so daß auch die Echos entsprechend diskriminiert werden können. Dies ist bei der
Verwendung ir oben angeführten PVDF-Wandler als sogenannte Breitbandwandler möglich.
Beispielsweise können solche Wandler Ultraschall-Frequenzen von f1 = 2 NHz und f2
= 4 MHz erzeugen.
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In der Figur 5 bedeutet 400 ein zweidimensionales Array.
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In diesem Array werden entlang der Linie 401 und 402 durch Ansteuerung
der entsprechenden Wandlerelemente zwei senkrecht aufeinanderstehende Ultraschall-Sektor-Scan-Felder
erzeugt. Die beiden Linien 401 und 402 können ebensogut jeden beliebigen Winkel
einschließen.
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Es ist auch ein Verdrehen eines oder beider Sektorwinkelrichtungen
während der Untersuchungen möglich.
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Bei simultaner Verwendung zweier Scan-Bereiche erscheinen nach Bildsignalverarbeitung
auf dem zugehörigen Sichtschirm 440 zwei Sektor-Felder nebeneinander. Für den Fall,
daß beide Schnitte senkrecht aufeinanderstehen, kann so das Volumen eines Organs
bestimmt werden.
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In den Figuren 6 und 7 bedeuten 500 und 600 wiederum Matrix-Arrays.
Mit 501, 502 bzw. 601, 602 sind Linien der Wandleransteuerung bezeichnet. Dabei
ist in Figur 6 ein fester Winkel o!zwischen den ebenen Scan-Bereichen 503 und 504
vorgesehen, während in Figur 7 die Scan-Bereiche an einem Display entsprechend Figur
4 frei gewählt werden sollen. Insbesondere bei Figur 6 ist es auch vorgesehen, bei
konstantem Schnittwinkel 0' eine Drehung der Scan-Bereiche in der Matrixebene zu
ermöglichen.
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Entscheidender Vorteil bei den verschiedenen Ausführungsformen der
Erfindung ist, daß ein Applikator mit einem derartigen zweidimensionalen Array während
der gesamten Untersuchung ortsfest verbleibt und nicht manipuliert werden muß.
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In der Auswerteschaltung nach Figur 8 bedeutet 800 einen Ultraschall-Applikator
mit einem anhand voranstehender Figuren beschriebenen Wandler-Array. Mit 801 ist
die
Sende-/Empfangseinheit für das Wandlersystem bezeichnet. Einem
Scan-Konverter 802 sind Sichtschirme 803 und 804, z.B. Fernsehmonitore zur B-BilddarstellungJzugeordnet.
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Die Sender-/Empfänger-Einheit 801 wird von einer Steuerungseinheit
805 betrieben. Weiterhin ist eine Steuer-und Kontrolleinrichtung 806 zur Synchronisierung
von Steuerelektronik und Scan-Konverter vorhanden. Der Steuer-und Kontrolleinrichtung
806 sind weiterhin Einheiten 810 bis 813 zur Vorwahl des Scan-Vorgangs zugeordnet.
Im einzelnen bedeutet die Einheit 810 eine Einrichtung zur freien Programmierung
der Scan-Linie, die mit Widerstandsplatte oder einem Display mit Lichtgriffel arbeitet.
Die Einheit 811 weist dagegen Speichereinrichtungen für vorgegebene Scan-Linien
auf. Daneben können an der Einheit 812 bei mehreren fest vorgegebenen Scan-Richtungen
bestimmte Scan-Richtungen angewählt werden. Auf einem Operator-Monitor 813 ist eine
direkte Sichtkontrolle möglich.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach Figuren 5 bis 7 werden jeweils
beide Scan-Bereiche als B-Bilder auf den Sichtschirm dargestellt. Es ist jedoch
auch in bestimmten Anwendungsfällen sinnvoll, lediglich ein Scan-Feld als 13-Bild
darzustellen und aus dem anderen Scan-Feld eine geeignete Zeile für eine quantitative
Signalverarbeitung herauszugreifen. Dabei kann ein solches Ultraschall-Echo-Signal
beispielsweise im TM-Mode dargestellt werden, wodurch sich insbesondere in der Kardiologie
die Bewegung einer Herzklappe überwachen läßt. Es ist aber auch möglich, ein Ultraschall-Echo-Sisal
hinsichtlich seiner Dopp>vfrequenzvepschiebung auszuwerten. In diesem Fall wird
das Echo signal einer geeigneten Auswerteeinrichtung zugeführt> womit beispielsweise
die Blutflußgeschwindigkeit innerhalb des Herzens direkt bestimmir unS ausgebbar
ist.
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Da bei festpositioniertem Ultraschallkopf die beiden aufeinander senkrecht
stehenden Scan-Richtungen beliebig gedreht werden können, ist die Möglichkeit gegeben,
eine optimale Scan-Richtung für eine Bilddarstellung eines ersten Scan-Bereiches
und die Abastzeile für eine TM- und/oder Doppler-Signalauswertung zu ermitteln.
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Durch die Erfindung ergeben sich also ganz neue Möglichkeiten bei
der Ultraschall-Untersuchung. Aufgrund Verwendung modernster Technologie für die
Wandlerelemente sind derartige Arrays sehr klein und damit der gesamte Applikator
sehr kompakt ausgebildet.
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Ein solcher Applikator mit den vielfältigen Scan-Möglichkeiten eignet
sich insbesondere für kardiologische Untersuchungen. Dafür wird beiielsweise ein
Sektor-Format verwendet. Natürlich sind auch andere Anwendungsmöglichkeiten, wie
z.B. abdominaie Untersuchungen, denkbar.
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Entscheidend ist, daß durch die Erfindung praktisch beliebige dreidimensionale
Scan-Bereiche bei Anpassung an die jeweilige Aufgabenstellung ermöglicht werden,
was für die Untersuchung von inneren Organen entscheidende Vorteile liefert.
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8 Figuren 15 Patentansprüche