DE3241670C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung der Blutströmungsgeschwindigkeit und zur Darstellung biologischer Gewebestrukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung und zur Darstellung biologischer Gewebe­ strukturen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 14.

Einrichtungen zur zweidimensionalen Abbildung biologischer Strukturen in Realzeit auf der Basis der Amplituden von Echos eines kurzen Ultraschallimpulses sind kommerziell erhältlich. Solche Einrichtungen gibt es in zwei Versio­ nen:

• a) eine Einrichtung, die auf der Basis eines sektorför­ migen Durchlaufs (bzw. einer sektorförmigen Abta­ stung) arbeitet und entweder eine phasengesteuerte Umsetzeranordnung (Reihe oder Schiene) oder einen mechanisch bewegbaren Umsetzer aufweist, und
• b) eine Einrichtung, die auf der Basis eines linearen Durchlaufs bzw. einer linearen Abtastung arbeitet und die entweder mit elektronischer Selektion der Elemente einer linearen Umsetzeranordnung oder mit einer linearen mechanischen Bewegung eines einzigen Umsetzers arbeitet.

Ferner sind Einrichtungen für Ultraschall-Doppler-Messun­ gen der Blutströmungsgeschwindigkeit kommerziell erhält­ lich. Hierbei gibt es die beiden folgenden Verfahren:

• a) Ultraschallimpulse. Hierbei kann man eine Tiefen­ auflösung längs des Ultraschallstrahls erhalten, so daß die Geschwindigkeit in einem kleinen Bereich gemessen werden kann. Ferner können Messungen in verschiedenen Tiefen durchgeführt werden, so daß man die Geschwindigkeit in unterschiedlichen Tiefen messen kann. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die meßbare Maximalgeschwindigkeit infolge der Impulsrate bzw. der verwendeten Frequenz begrenzt ist.
• b) Kontinuierliche Ultraschallmessung. Mit diesem Ver­ fahren erhält man keine Tiefenauflösung längs des Ultraschallstrahls. Andererseits besteht keine Be­ schränkung der meßbaren Maximalgeschwindigkeit.

Es gibt auch Instrumente, die die Verfahren a) und b) vereinigen. Schließlich wird kommerziell ein Gerät angebo­ ten, das die Echoamplitudenabbildung und die Blutgeschwin­ digkeitsmessung vereinigt. Hierbei werden drei verschiede­ ne Prinzipien benutzt:

• a) Unterbrechungsmodus. Das Bild wird während manueller Steuerung auf einem Bildschirm eingefroren, während der Ultraschallkopf für die Doppler-Messung der Blutgeschwindigkeit benutzt wird.
• b) Jeder zweite ausgesandte Ultraschallimpuls wird für die Doppler-Geschwindigkeitsmessung benutzt und die dazwischen liegenden Impulse werden für die Echoam­ plitudenabbildung benutzt. Mit anderen Worten: Die Impulse dienen abwechselnd für die Doppler-Messung und die Echoabbildung.
• c) Schließlich wurde vorgeschlagen, verschiedene Dopp­ lerimpulse als Impulszug aus aufeinanderfolgenden Impulsen auszusenden, der periodische Unterbrechun­ gen für einen einzelnen Echoamplitudenabbildungs­ impuls aufweist.

Die oben angegebenen Verfahren zur Kombination von Echo­ abbildungen und Doppler-Messung haben die folgenden Nach­ teile:

• 1) Bei dem Unterbrechungsmodus ergeben Bewegungen des Meßkopfes oder des Meßobjektes, wenn das Bild einge­ froren ist, Fehlanzeigen des Bereiches, in dem die Geschwindigkeit gemessen wird.
• 2) Bei abwechselnder Aussendung von Doppler- und Ab­ bildungsimpulsen wird die Aussendungsrate der Dopp­ lerimpulse verringert, so daß die Maximalgeschwin­ digkeit, die gemessen werden kann, verringert wird (Dopplerimpulsmessung).
• 3) Bei dem dritten angegebenen Verfahren erfolgt nur ein langsames Aktualisieren des Bildes, was zu einer Einschränkung der Orientierung führt, wenn das Objekt und/oder der Meßkopf bewegt wird. Ein anderer ernsthafter Nachteil dieses Verfahrens besteht dar­ in, daß das Abhören des Signals Störungen unter­ liegt, weil die Bildsignale hörbar sind.

Bei den Verfahren b) und c) kann ein kontinuierliches Doppler-Meßsignal nicht benutzt werden. Dies bedeutet, daß die zu messenden Maximalgeschwindigkeiten beim Doppler­ impulsmodus durch die Abtastfrequenz bestimmt werden.

Aus der GB 16 01 367 sind ein Verfahren und eine Vorrich­ tung bekannt, bei denen während der Geschwindigkeitsmes­ sungszeitintervalle einzelne Doppler-Burstimpulse (ein­ zelne Impulspakete) hoher Frequenz ausgesandt werden. Die Unterbrechungsintervalle zwischen denjenigen Intervallen, in denen die Doppler-Burstimpulse gesendet werden, werden neben den Doppler-Messungsintervallen zur Auswertung der reflektierten Burstimpulse und Bestimmung der Strömungs­ geschwindigkeit genutzt. Während der Unterbrechungszeit­ intervalle werden jedoch keine neuen Doppler-Meßsignale empfangen bzw. geliefert. Die Geschwindigkeitsmessung, insbesondere aber deren Anzeige, ist daher lückenhaft, was sich insbesondere dann nachteilig auswirkt, wenn verschie­ dene Bereiche der biologischen Gewebestruktur anhand der dort gegebenen Blutströmungsgeschwindigkeiten untersucht werden sollen.

Aus der EP 0 035 325 A2 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung des Leitungsquerschnittes und der Durchflußmenge durch die Leitung mittels Doppler-Messung bekannt. Eine Echoamplitudenabbildung der Leitung bzw. des Leitungsquerschnittes erfolgt dabei nicht. Meßintervall­ pausen bei der Doppler-Messung stellen sich bei diesem Stand der Technik ebenfalls nicht ein. Zwar ist hierbei das Speichern von Blutgeschwindigkeitsdaten in einem Bild­ speicher vorgesehen, jedoch finden sich keine Angaben für die Festlegung der Intervalle, noch ist eine Meßsignal- Schätzeinrichtung vorgesehen.

In der Zeitschrift "Ultrasound in Medicin and Biology, Vol. 3, 1977, S. 129 bis 142" wird ein Echtzeit-Ultra­ schallbildsystem beschrieben, bei dem neben der Bilddar­ stellung auch eine Doppler-Messung der Blutströmungsge­ schwindigkeit erfolgt. Einzelheiten bezüglich der Synchro­ nisation der Geschwindigkeitsmeß- und Bildsignale werden nicht offenbart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mittels derer bei geringfügi­ ger Modifikation an kommerziellen Abbildungs- und Blut­ strömungsmeßeinrichtungen ein sicheres Auffinden des Blut­ gefäßes und eine exakte Messung der Blutströmungsgeschwin­ digkeit möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Ansprü­ che 1 bzw. 14.

Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Doppler-Messung während Intervallen, die einen nicht unwesentlichen Anteil der Zeit ausmachen, unterbrochen wird, um einen vollständigen oder teilweisen Durchlauf des Ultraschallstrahles über das Bildfeld durchzuführen und daß das direkt gemessene Doppler-Signal zur Bildung eines Vorgabewertes benutzt wird, der das direkt gemessene Dopp­ ler-Signal entweder über die gesamte Zeit oder während Bereiche dieser Zeit ersetzt.

Es ist möglich, eine hohe Bildfrequenz (z. B. 20 Hz) zu verwenden. Darüber hinaus können sowohl impulsartige als auch kontinuierliche Doppler-Meßsignale benutzt werden und die Impulsfrequenz beim Impulsbetrieb muß gegenüber einer reinen Doppler-Messung nicht reduziert werden.

Bei einer solchen Vorrichtung und einem solchen Verfahren wird die Blutströmungsgeschwindigkeit mit Ultraschall auf der Basis des Dopplerprinzips (Doppler-Messung) gemessen und kombiniert mit gleichzeitiger Echoamplitudenabbildung unter Verwendung von Ultraschallimpulsen (Echoabbildung) zur Untersuchung lebender biologischer Strukturen, ins­ besondere bei Bewegung, z. B. einer Herzfunktion verwendet. Bei dem Verfahren werden die Doppler-Messung und die Echo­ abbildung sequentiell in variablen Intervallen ausgeführt, die so kurz sind, daß die Echoabbildung mit einer für eine ausreichende Bildqualität hinreichenden Häufigkeit auf­ datiert wird, bei dem die Doppler-Messung einen für die Geschwindigkeitsbestimmung mit hinreichender Genauigkeit ausreichenden Zeitanteil einnimmt, bei dem die Bildinfor­ mation von der Echoabbildung und die Anzeige des Meßbe­ reichs oder Meßpunktes für die Doppler-Messung in Realzeit auf einem Bildschirm o. dgl. angezeigt wird und bei dem eine Steuereinheit die Doppler-Messung und die Echoabbil­ dung synchronisiert, wobei in jedem Augenblick einer oder mehrere Umsetzer zur Durchführung entweder der Doppler- Messung oder der Echoabbildung aktiviert werden.

Als wesentlich ist es anzusehen, daß durch die unter­ schiedlich langen Intervalle für die Ultraschall-Messung und die Echoamplitudenabbildung eine Beschränkung der meßbaren Maximalgeschwindigkeit entfällt. Dabei erfolgt die Unterbrechung der Doppler-Messung für einen Zeitraum der nötig ist, um einen vollständigen oder teilweisen Durchlauf des Ultraschallstrahles über das Bildfeld durch­ zuführen.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Kombina­ tion aus einer Blutströmungsmessung nach dem Ultraschall- Doppler-Verfahren und einer Ultraschallecho-Amplituden­ abbildung zur Erzielung einer für praktische Abbildungen geeigneten simultanen Abbildung einer biologischen Struk­ tur (z. B. eines Blutgefäßes, einer Herzventrikel usw.) und zur gleichzeitigen Messung der Blutströmungsgeschwindig­ keit in diesen biologischen Strukturen. Die Kombination bewirkt keinerlei Verringerung der maximalen Blutgeschwin­ digkeit, die mittels der Impulsdopplertechnik gemessen werden kann. Es ist jedoch auch möglich, eine kontinuier­ liche Dopplertechnik anzuwenden. In dem zuletzt genannten Fall besteht keine Beschränkung hinsichtlich der Maximal­ geschwindigkeit, die gemessen werden kann.

Techniken zur Messung der Blutströmungsgeschwindigkeit mit Ultraschall auf der Basis des Dopplerprinzips (im folgen­ den als "Doppler-Messung" bezeichnet) und Echoamplituden­ abbildungen unter Verwendung von Ultraschallimpulsen (im folgenden als "Echoabbildung" bezeichnet) werden als be­ kannt betrachtet. Die Erfindung bezieht sich auf eine Kombination dieser beiden Verfahren zur Durchführung gleichzeitiger Messungen.

Das Bild der biologischen Struktur wird auf einem Bild­ schirm abgebildet und der Bereich, in dem die Blutströ­ mungsgeschwindigkeit gemessen wird, wird auf demselben Bildschirm dargestellt. Ferner kann auf einem Bildschirm eine Spektralanalyse des empfangenen Doppler-Signals abge­ bildet werden, die zweckmäßigerweise von einem Drucker ausgedruckt wird.

Das Einrichten des Ultraschallkopfes, des Umsetzers oder der Umsetzer während der Doppler-Messung der Blutgeschwin­ digkeit ist dadurch vereinfacht, daß das Echoamplituden­ bild zur Bestimmung des Bereichs, in dem die Blutgeschwin­ digkeit gemessen werden soll, benutzt wird. Durch Kombina­ tion der Blutgeschwindigkeitsmessung mit der Größenmessung von Blutgefäßen ist es möglich, den tatsächlichen Volumen­ strom in dem Gefäß abzuschätzen oder zu berechnen.

Ein sehr wichtiger Aspekt bei der Benutzung der entspre­ chenden Einrichtung besteht darin, daß das Doppelsignal in hörbarer Form, z. B. von einem Lautsprecher, dargeboten wird. Der die Untersuchung durchzuführende Arzt wird, insbesondere anfangs, in einem hohen Maße die in dem hör­ baren Doppler-Signal enthaltene Information benutzen, u. a. um nach Stellen oder Zonen im Blutsystem zu suchen, in denen eine detailliertere Messung oder Abbildung von In­ teresse sein kann. Daher ist es sehr wichtig, daß das hörbar dargebotene Doppler-Signal nicht wesentlich zer­ stört oder verzerrt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens,

Fig. 2 schematisch eine Bilddarstellung, die mit der Vorrichtung erzielt wird,

Fig. 3 eine andere Bilddarstellung,

Fig. 4 eine Modifizierung der Anordnung nach Fig. 2, mit einem separaten Doppler-Umsetzer,

Fig. 5 eine weitere Darstellungsform auf der Basis der Verwendung einer linearen Umsetzeran­ ordnung (Reihe) für die Echoabbildung und eines separaten Doppler-Umsetzers,

Fig. 6 denjenigen Teil der Vorrichtung, in welchem das direkt gemessene Doppler-Signal durch einen Schätzwert ersetzt wird,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel zur Bildung des Schätzwertes für das Doppler-Signal,

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Schätzwertbildung,

Fig. 9 schematisch ein Beispiel der Zeitaufteilung zwischen der Echoabbildung und der Doppler- Messung, und nebenbei, einer gewissen Signal­ verarbeitung (Fensterfunktion),

Fig. 10 ein Zeitdiagramm ähnlich demjenigen der Fig. 9, jedoch bei einem speziellen Aus­ führungsbeispiel, bei dem ein Hochpaß­ filter benutzt wird,

Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel eines zur Vor­ filterung benutzten Netzwerkes, das vor dem Hochpaßfilter in der Vorrichtung ein­ gesetzt wird, und

Fig. 12 ein Beispiel einer Umsetzereinheit (Reihe oder Schiene) zur Verwendung in der Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur praktischen Durchführung des Verfahrens. Die Vorrichtung besteht aus einer zentralen Steuereinheit 4, einer Echoamplituden-Abbildungseinheit 2 zur zweidimensionalen Abbildung in Realzeit, einer Doppler­ einheit 1 mit einer als MSE (Missing Signal Estimator) bezeichneten angeschlossenen Einheit 5, sowie einer Anzeigeeinheit, beispielsweise einem Bildschirmgerät 3, zur Anzeige und Darstellung des Bildes und des Dopplerspektrums. Das Verfahren kann dementsprechend für die eindimensionale und für die dreidimensionale Echoamplituden-Abbildung benutzt werden.

Sowohl die Dopplereinheit 1 als auch die Abbildungs­ einheit 2 können elektronisch ein- und ausgeschaltet werden. Beide Einheiten werden von der Steuereinheit 4 gesteuert, die nach den für derartige Steuerungen bekannten Prinzipien arbeitet. Während des Betriebes sorgt die Steuereinheit 4 für kurzzeitige Unter­ brechungen der Doppler-Messung, beispielsweise in der Größenordnung von 15 ms, um eine vollständige oder teilweise Ablenkung des Ultraschall-Abbildungs­ strahles über das Abbildungsfeld bzw. den Abbildungs­ bereich zu bewirken. Das direkt gemessene Doppler- Signal wird zur Erzeugung eines Schätzwertes benutzt, der das Doppler-Signal entweder während der Gesamt­ zeit oder innerhalb von Teilen der Gesamtzeit, z. B. nur dann wenn die Doppler-Messung nicht benutzt werden kann, ersetzt. Diese Intervalle können entsprechend den Unterbrechungsintervallen, den Übergangszeiten in den Hochpaßfiltern usw. bestimmt werden. Der Schätzwert wird von der MSE-Einheit 5 gebildet.

Das Echoamplitudenbild, das bei jedem Durchlauf gebildet wird, wird in einem geeigneten elektronischen Bildspeicher gespeichert, der zur Darstellung des Bildes auf einem Bildschirm kontinuierlich abgetastet wird. Geräte für derartige Speicherverfahren sind kommerziell erhältlich. Die Steuereinheit 4 sorgt für die zeitliche Organisation der Doppler-Messung und der Bildmessung (Echodarstellung), sowie für die Organisation der Signale zum Anzeigen und Ausdrucken. Diese variieren im Detail in Abhängigkeit davon, was für Doppler- und Abbildungseinheiten benutzt werden und sie können auf der Grundlage derselben Techniken ausgelegt sein, wie in Kontrolleinheiten, die man in anderen Zeitfolgeinstrumenten benutzt.

In Fig. 1 sind schematisch ein Doppler-Umsetzer 10a und eine Umsetzerreihe oder -schiene für die Echo­ abbildung dargestellt, die beispielsweise dem­ jenigen entsprechen, was detaillierter in Fig. 4 und in Fig. 5 dargestellt ist und nachfolgend noch erläutert wird.

Die Funktion der Vorrichtung nach Fig. 1 wird im folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 9 erläutert.

Fig. 2 und 3 zeigen zwei Beispiele von Bilddar­ stellung und Anzeige des Bereichs 21 (Fig. 2) bzw. 31 (Fig. 3), in welchem die Blutgeschwindigkeit mit einer phasengesteuerten Umsetzerreihe gemessen werden soll.

In den Figuren ist ein Herz mit 25 bzw. 35 und die zu­ gehörige Aorta mit 26 bzw. 36 bezeichnet. In den Darstellungen ist das Bildfeld 27, 28, 29 bzw. 37, 38, 39 sichtbar. Die Haut des Patienten ist mit 23 bzw. 32 bezeichnet.

Für die Doppler-Messung und die Echo-Abbildung wird jeweils derselbe Ultraschallkopf 20 bzw. 30 benutzt. Gemäß Fig. 2 wird der Ultraschallstrahl 22 für die Doppler-Messung geradeaus durch die Haut gesandt. In diesem Fall kann man mit geeigneten Selektoren (Relais oder elektronischen Schaltern) verschiedene Elemente in der Umsetzerreihe zu einem einzigen Doppler-Umsetzer untereinander verbinden.

In Fig. 3 weicht die Richtung 33 der Doppler-Messung von der Mittelsenkrechten zur Haut ab. Um dies zu erreichen, muß das Signal aller Umsetzerelemente 30 phasengesteuert sein, beispielsweise mittels der­ selben Elektronik, die während der Abbildung zur Phasensteuerung benutzt wird. Das Verfahren der Fig. 2 führt im Falle einer ungenauen und rauschbehafteten Phasensteuerelektronik zu einer besseren Empfindlichkeit.

Gemäß Fig. 4 kann auch ein separater Umsetzer (Transducer) 40a für die Doppler-Messungen benutzt werden, wobei eine Umsetzerreihe 40 zur Echoabbildung durch sektorielles Durchlaufen des Abbildungsbereichs inner­ halb der Grenzlinien 47, 48 dient. Fig. 5 zeigt den linearen Bilddurchlauf mittels einer geradlinigen Umsetzerreihe 50 und mit einem separaten Doppler- Umsetzer 50a. Die Umsetzer 50 und 50a sind in Kontakt mit der Haut 52 des Patienten dargestellt, unter der eine Vene 56 abgebildet ist. Diese Vene liegt ganz innerhalb des Bildfeldes oder -bereichs, der durch die Linien 57, 58 und 59 begrenzt ist. Der Meßbereich 21 für die Doppler-Messung befindet sich innerhalb der Vene 56.

Diese Anordnung mit einem separaten Doppler-Umsetzer hat u. a. den Vorteil, daß der Doppler-Umsetzer 50a zur Erzielung einer höheren Empfindlichkeit bei den Doppler-Messungen optimiert werden kann. Bei einem mechanischen Abbildungsdurchlauf kann ein separater stationärer Doppler-Umsetzer 50a verwendet werden, weil es schwierig ist, den bewegbaren Abbildungsum­ setzer für Doppler-Messungen hinreichend schnell anzu­ halten.

An dieser Stelle soll Bezug genommen werden auf Fig. 9, die in erster Linie ein Beispiel für die Zeitaufteilung zwischen der Echoabbildung und der Doppler-Messung der Geschwindigkeit zeigt. Bei einer Bildzeit vom 15 ms und einer Doppler-Zeit von 35 ms entsteht eine Bildfolge von 20 Hz. Durch Verringerung der Doppler-Zeit auf zum Beispiel 18 ins wird die Bildfolgefrequenz auf 30 Hz erhöht. Der sonstige Inhalt von Fig. 9 wird später noch erläutert.

Wie vorstehend erläutert wurde, wird das direkt ge­ messene Doppler-Signal zur Bildung einer Vorgabe (eines Schätzwertes) benutzt, die das Doppler- Signal entweder für die gesamte Zeit oder für den Fall, daß kein Doppler-Signal vorliegt, ersetzt. In Fig. 6 ist dargestellt, wie die Vorgabe das direkt gemessene Doppler-Signal ersetzt, und zwar entweder nur in den oben beschriebenen Unter­ brechungsintervallen oder auch während größerer Zeitspannen, z. B. über die gesamte Zeit. Die MSE- Einheit 65 kann, wie dargestellt, in den Signalweg 60 parallel zu einer Verbindung geschaltet sein, die das direkt gemessene Doppler-Signal von der Leitung 61 zu einem Schalter 62 führt. Der Schalter 62 gibt in seiner oberen (durchgezogenen) Schalt­ stellung das direkt gemessene Doppler-Signal weiter und in seiner unteren (gestrichelt gezeichneten) Stellung das Vorgabesignal von der MSE-Einheit 65. Das jeweilige Signal wird an die nachfolgenden Teile der Einrichtung weitergegeben, beispielsweise an die Steuereinheit 4, um auf einem Bildschirm o. dgl., beispielsweise dem Bildschirm 3 in Fig. 1, angezeigt zu werden. Wenn die Vorrichtung nach der generellen Idee der Erfindung so ausgebildet ist, daß das Vorgabesignal über die gesamte Zeit benutzt wird, ist der Schalter 62 permanent in seiner unteren Stellung oder es kann möglicherweise ausreichen, daß nur derjenige Signalweg eingeschaltet ist, der durch die MSE-Einheit 65 geht. Wenn der Schalter 62 vorhanden ist, ist es möglich, durch geeignete Steuerung dieses Schalters diejenigen Zeitbereiche zu selektieren, in denen das Vorgabesignal, das direkt gemessene Doppler- Signal ersetzen soll.

Das Vorgabesignal wird in der der Einheit 5 in Fig. 1 entsprechenden MSE-Einheit 65 auf der Grundlage der Eigenschaften des gemessenen Doppler-Signals er­ zeugt, beispielsweise in Verbindung mit dem be­ treffenden Unterbrechungsintervall, d. h. vor und/oder nach diesem Intervall. Die Vorgabe (Abschätzung) des ausbleibenden Doppler-Signals kann beispielsweise auf die folgenden Arten ausgeführt werden:

• a) auf der Basis der Eigenschaften des Doppler- Signals, z. B. am Ende des Doppler-Intervalls, kann ein Vorgabesignal erzeugt werden, indem beispielsweise Breitbandrauschen an ein ge­ steuertes Filternetzwerk gelegt wird. Dies ist in Fig. 7 dargestellt. In Fig. 7 ist ein Generator 73 für Breitbandrauschen, ein gesteuertes Filter 72 und eine Einrichtung 71 zur Bildung von Filter­ parametersignalen, die die momentanen Filter­ charakteristiken des Filters 72 steuern, darge­ stellt. Das Filter kann beispielsweise als Transversalfilter ausgebildet sein, bei dem die Abzweigungsgewichte in Abhängigkeit von den Filterparametern eingestellt werden, um das gewünschte Spektrum zu erhalten.
• b) Gemäß Fig. 8 wird das direkt gemessene Doppler- Signal kontinuierlich gespeichert, z. B. in einem Digitalspeicher 82, und zwar durch das Zusammen­ wirken eines Adressenzählers 85 und einer Adressensprungsteuerung 84. Wenn eine Unter­ brechung für den Bilddurchlauf erfolgt, kann der zuletzt gespeicherte Teil des Doppler-Signals ausgelesen und während der Bilderzeugungsperiode als Vorgabesignal benutzt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 bilden die Einheiten 82, 83, 84 und 85 die MSE-Einheit 5 gemäß Fig. 1. In entsprechender Weise bilden bei dem Ausführungsbei­ spiel der Fig. 7 die Einheiten 71, 72, 73 und 74 eine MSE-Einheit.

Das "direkt gemessene" Doppler-Signal bei 61 in Fig. 6 hat ein Hochpaßfilter, z. B. das Filter 81 in Fig. 8, durchlaufen. Im Falle einer Doppler-Impulsmessung muß ein Interpolationsfilter vor oder hinter dem Hochpaß­ filter vorgesehen sein.

Zur Erzielung eines glatten Überganges zwischen dem vor­ gegebenen Doppler-Signal und dem direkt gemessenen Doppler-Signal kann eine Multiplikation des Signals durch eine Fensterfunktion ausgeführt werden, wie in Fig. 6 bei 63 angedeutet ist. Mit diesem Verfahren wird das Signalniveau vor der Umschaltung graduell reduziert und nach der Umschaltung wieder graduell auf die volle Höhe vergrößert. Dies ist in Fig. 9 dargestellt. Fig. 9 zeigt, wie die Signalamplituden an den Über­ gängen von der Doppler-Messung zur Echoabbildung, und umgekehrt, variieren. Es kann auch eine Überlappung zwischen dem direkt gemessenen Doppler-Signal und dem vorgegebenen Doppler-Signal vorgesehen werden, indem die Amplitudenvergrößerung des Vorgabesignals an der Übergangsstelle von dem direkten Signal zum Vorgabe­ signal beginnt, während die Amplitude des direkten Signals verringert wird. An der Übergangsstelle von dem Vorgabesignal zu dem direkten Signal beginnt die Am­ plitude des direkten Signals, während die Amplitude des Vorgabesignals reduziert wird. Diese Glättung oder Einstellung der Signalübergänge ist insbesondere am Ende jedes Unterbrechungsintervalls von Interesse, d. h., bei dem Wechsel zwischen dem Vorgabesignal und dem direkt gemessenen Doppler-Signal.

Um starke Reflexionen zu unterdrücken, die an den Gewebegrenzen der biologischen Struktur auftreten können, ist das Doppler-Instrument mit einem Hoch­ paßfilter 81 (Fig. 8) versehen, das hohe Rand­ selektivitäten aufweist. Bei Beginn der Doppler- Messung nach der Abbildungsperiode (dem Unterbrechungs­ intervall) treten Übergänge in dem Hochpaßfilter auf. Das direkt gemessene Doppler-Signal kann in der Übergangsperiode des Hochpaßfilters nicht verwertet werden, so daß auch während dieser Periode ein Vor­ gabewert benutzt werden muß. Die Vorgabeperiode ist daher länger als die Bilddurchlaufperiode, wie in Fig. 10 dargestellt ist.

Die Übergangszeit des Hochpaßfilters kann durch Multiplikation des Signals vor dem Filter durch eine Fensterfunktion verringert werden, wie bei 83 in Fig. 8 dargestellt ist. Das Signalniveau vor dem Filter 81 wird dann langsam von Null bis auf seine stationäre Höhe vergrößert.

Eine Verringerung der Übergangszeit im Hochpaßfilter kann man auch durch Veränderung der Frequenzantwort des Filters während der Übergangszeit erzielen. Ein Beispiel eines Vorfilternetzwerkes 100 hierzu ist in Fig. 11 dargestellt. Das Vorfilternetzwerk weist einen Widerstand 102 auf, der an einem Steuersignal­ eingang 103 spannungsgesteuert ist. Wenn die Doppler- Messung beginnt, ist der Wert des Widerstandes 102 sehr niedrig oder annähernd gleich Null, was zu einer geringen Verstärkung und einer hohen Grenz­ frequenz des Filters 100 führt. Der Wert des ge­ steuerten Widerstandes 102 erhöht sich dann während einiger Millisekunden nach dem Einschalten des Doppler- Instrumentes nach dem Bilddurchlauf auf den Maximal­ wert.

In Fig. 11 ist zusätzlich zu dem Vorfilternetzwerk, das aus dem Kondensator 101 und dem gesteuerten Widerstand 102 besteht, ein Pufferverstärker 104 dar­ gestellt, der zwischen dem Vorfilternetzwerk und dem Hochpaßfilter 105, dessen Übergangszeit reduziert werden soll, erforderlich ist. Das Vorfilternetzwerk kann in das Hochpaßfilter als dessen Bestandteil integriert sein.

In dem Vorfilternetzwerk 100 in Fig. 11 kann anstelle des spannungsgesteuerten Widerstandes 102 auch der variable Kondensator spannungsgesteuert sein oder die beiden genannten Komponenten können als spannungsge­ steuerte Bauteile ausgeführt sein. Wichtig ist, daß die Charakteristiken sich in der beschriebenen Weise verändern.

Fig. 12 zeigt eine Umsetzeranordnung (Reihe oder Schiene) zur Verwendung in der Vorrichtung. Diese An­ ordnung ist von besonderem Interesse für das Aus­ führungsbeispiel der Fig. 2. Gemäß Fig. 12 sind zahl­ reiche Umsetzerelemente entlang einer Reihe oder Schiene angeordnet. Die mittleren sechzehn Elemente oder eventuell auch alle Elemente werden für die kontinuierliche Doppler-Messung benutzt. Dies bedeutet, daß jeweils die eine Hälfte dieser Elemente Sender­ elemente sind, während die andere Hälfte Empfänger­ elemente sind. Dies wird durch elektronische Um­ schaltung oder auch durch Relaisumschaltung in bekannter Weise erreicht. Bei der Impulsbetriebsart der Doppler- Messung sind die beiden Hälften, von denen jede acht Umsetzerelemente aufweist, untereinander verbunden, so daß die mittleren sechzehn Elemente parallel ar­ beiten. Während der Echoabbildung arbeiten sämtliche Umsetzerelemente nach Art einer Steuerung, die an sich bekannt ist. Die Anordnung muß natürlich nicht mit 32 Umsetzern arbeiten, wie in Fig. 12 dargestellt ist, sondern sie kann auch andere Umsetzerzahlen aufweisen. Ferner kann bei der kontinuierlichen Doppler-Messung die Unterteilung der verwendeten Umsetzer von dem Zustand abweichen, bei dem die eine Hälfte der Um­ setzerelemente zum Senden und die andere Hälfte zum Empfang benutzt wird.

Schließlich sei darauf hingewiesen, daß das Verhältnis der Zeitintervalle für die Doppler-Messung die Echo­ abbildung von dem unter Bezugnahme auf Fig. 9 er­ läuterten Fall abweichen kann. Auf diese Weise kann in Abhängigkeit von der gewünschten Genauigkeit bei der Geschwindigkeitsbestimmung die Doppler-Messung auch einen kleineren Anteil der Gesamtzeit bean­ spruchen als die Abbildung (das Unterbrechungsinter­ vall).

Claims (25)

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Blutströmungsge­ schwindigkeit und Darstellung biologischer Gewebe­ strukturen an einer Anzeigeeinrichtung, mit

• - einer Ultraschall-Doppler-Meßeinrichtung (1) zur Messung der Blutströmungsgeschwindigkeit nach dem Doppler-Meßprinzip,
• - einer Echoamplitudenabbildungseinrichtung (2), die anhand der Amplituden von von einer bio­ logischen Gewebestruktur (25) reflektierten Ultraschallwellen ein Bild der biologischen Gewebestruktur (25) erzeugt,
  wobei die Ultraschall-Messung und die Echo­ amplitudenabbildung sequentiell durchführbar sind, und
• - einer Steuereinheit (4), die die Ultraschall- Doppler-Meßeinrichtung (1) und die Echoampli­ tudenabbildungseinrichtung (2) steuert und die Weitergabe der von diesen ausgegebenen Meß- bzw. Bildsignale zum Anzeigen der gemessenen Blutströmungsgeschwindigkeit und Darstellen der biologischen Gewebestruktur (25) an die An­ zeigeeinrichtung (3) steuert,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Ultraschallmessung und die Echoamplitu­ denabbildung sequentiell in unterschiedlichen Intervallen durchführbar sind und eine Unter­ brechung der Dopplermessung zur Durchführung eines vollständigen oder teilweisen Durchlaufs des Ultraschallstrahles über das Bildfeld er­ folgt,
• - daß eine Meßsignal-Schätzeinrichtung (5) vorge­ sehen ist, die für die Unterbrechungsinter­ valle, in denen die Ultraschall-Doppler-Meßein­ richtung (1) deaktiviert ist, auf der Grundlage eines von der Ultraschall-Doppler-Meßeinrichtung (1) direkt gemessenen und von einem Hochpaßfil­ ter (81, 105) gefilterten Doppler-Meßsignals ein Schätzsignal erzeugt, und
• - daß die Steuereinheit (4) die Weitergabe dieses Schätzsignals an die Anzeigeeinrichtung (3) für zumindest die Dauer des Unterbrechungsinter­ valls steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßsignal-Schätzeinrichtung (5) einen Speicher (82) zum Speichern des gemessenen Doppler-Meßsignals aufweist und daß das jeweils vor einer Unterbrechung zuletzt gemessene und in dem Speicher (82) abgespeicherte Doppler-Meßsignal das Schätzsignal für das Unterbrechungsintervall ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßsignal-Schätzeinrichtung (5) eine Steuereinrichtung (71) aufweist, die von der Ultraschall-Doppler-Meßeinrichtung (1) Doppler- Meßsignale empfängt und vom Signalverlauf der Doppler-Meßsignale abhängige Steuersignale für ein steuerbares Filter (72) erzeugt, welches das Aus­ gangssignal eines Breitbandrauschgenerators (72) filtert und an seinem Ausgang das Schätzsignal liefert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters (81, 105) für dessen Übergangszeitdauer gesteuert verringerbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Hochpaßfilter (105) ein steuerbares Vorfilternetzwerk (100) aus einem Serienkondensa­ tor (101) und einem Parallelwiderstand (102) vor­ geschaltet ist, wobei der Serienkondensator (101) und/oder der Parallelwiderstand (102) durch eine Steuerspannung (103) steuerbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Verringerung der Übergangszeitdauer des Hochpaßfilters (81) eine Einrichtung (83) zur Multiplikation des Doppler-Meßsignals mit einer Fensterfunktion vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (63) zum Einstellen oder Glätten des Doppler-Meßsignals und/oder des Schätzsignals beim Umschalten vom Doppler-Meßsignal auf das Schätzsignal und umge­ kehrt, insbesondere am Ende eines Unterbrechungs­ zeitintervalls, vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung (63) das Doppler-Meßsig­ nal und/oder das Schätzsignal mit einer Fenster­ funktion, insbesondere einer Kosinusfunktion, multipliziert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Meßein­ richtung (1) wahlweise entweder kontinuierlich Ultraschallwellen oder Ultraschallwellenimpulse aussendet und empfängt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (69) zur akustischen Wiedergabe des Doppler-Meßsignals und/oder des Schätzsignals vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ultraschall- Doppler-Meßeinrichtung (1) und die Echoamplitu­ denabbildungseinrichtung (2) eine gemeinsame Um­ setzeranordnung mit mehreren nebeneinander ange­ ordneten Umsetzerelementen vorgesehen ist, von denen bei einer kontinuierlichen Doppler-Messung ein Teil als Sender und der übrige Teil als Empfänger arbeitet und während der Echoamplituden­ abbildung sämtliche Umsetzerelemente arbeiten.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ultraschall- Doppler-Meßeinrichtung (1) und die Echoamplitu­ denabbildungseinrichtung (2) ein gemeinsamer Ultraschall-Meßkopf (20; 30) vorgesehen ist, dessen Ultraschall-Meßstrahl (22; 33) zum Messen der Blut­ strömungsgeschwindigkeit auf den Blutstrom gerich­ tet ist und zum Erzeugen der Echoamplitudenabbil­ dung die biologische Struktur (25) abtastet.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß für die Doppler-Messung und für die Echoamplitudenabbildung separate Ultraschall-Umsetzer (40, 40a; 50, 50a) vorgesehen sind.

14. Verfahren zur Ermittlung der Blutströmungsgeschwin­ digkeit und Darstellung biologischer Gewebestruktu­ ren an einer Anzeigeeinrichtung, bei dem

• - die Blutströmungsgeschwindigkeit mittels Ultra­ schall nach dem Doppler-Meßprinzip gemessen und eine dem Doppler-Meßsignal entsprechende Infor­ mation an eine Anzeigeeinrichtung (3) angezeigt wird und
• - eine Echoamplitudenabbildung durchgeführt wird, bei welcher an der Anzeigeeinrichtung (3) eine Darstellung einer biologischen Struktur (25) anhand der Amplituden von von der biologischen Struktur (25) reflektierten Ultraschallwellen erzeugt wird,
  wobei die Doppler-Messung und die Echoamplitu­ denabbildung sequentiell durchgeführt wird,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Ultraschallmessung und die Echoamplitu­ denabbildung sequentiell in unterschiedlichen Intervallen durchgeführt werden und die Dopplermessung zur Durchführung eines vollstän­ digen oder teilweisen Durchlaufs des Ultra­ schallstrahles über das Bildfeld unterbrochen wird, und
• - daß auf der Grundlage der Doppler-Meßsignale ein Schätzsignal ermittelt wird, das in den Un­ terbrechungsintervallen, in denen die Echoampli­ tudenabbildung durchgeführt wird, das Doppler- Meßsignal ersetzt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schätzsignal für ein Unter­ brechungszeitintervall, in dem die Echoamplituden­ abbildung durchgeführt wird, auf Doppler-Signalen in dem Unterbrechungszeitintervall zugeordneten Zeitintervallen basiert, in denen jeweils eine Doppler-Messung erfolgt ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Doppler-Meßsignale in einem Signalspeicher (82) gespeichert werden und das Schätzsignal durch Auslesen des jeweils letzten vor einem Unterbrechungszeitintervall gespeicher­ ten Doppler-Meßsignals erzeugt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schätzsignal durch Filterung von Breitbandrauschen in einem gesteuerten Filter (72) erzeugt wird, wobei das Filter (72) durch eine Steuereinrichtung (71) gesteuert wird, der die gemessenen Doppler-Meßsignale zugeführt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die Doppler-Messung un­ abhängig von der Echoamplitudenabbildung wahlweise mit kontinuierlichen Ultraschallwellen oder Ultra­ schallwellenimpulsen durchgeführt wird, wobei beim Impulsbetrieb die Impulsrate der Doppler-Messung unabhängig von derjenigen der Echoamplitudenabbil­ dung gewählt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß das Doppler-Meßsignal vor der Erzeugung des Schätzsignals in einem Hoch­ paßfilter gefiltert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochpaßfiltercharakteristik im Anschluß an jedes Unterbrechungszeitintervall für eine der Übergangszeitdauer des Hochpaßfilters (81) entsprechende Zeitspanne durch Verringerung der Grenzfrequenz des Hochpaßfilters (81) ver­ ändert wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochpaßfiltercharakteristik durch ein veränderbares Vorfilter (100) mit einem Serienkondensator (101) und einem Parallelwider­ stand (102) veränderbar ist, wobei der Serienkon­ densator (101) und/oder der Parallelwiderstand (102) durch eine Steuerspannung (103) gesteuert wird/werden.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Verringerung der Übergangszeit­ dauer des Hochpaßfilters (105) das Doppler-Meß­ signal vor der Filterung mit einer Fensterfunktion multipliziert wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, da­ durch gekennzeichnet, daß während des Übergangs vom Doppler-Meßsignal zum Schätzsignal und umge­ kehrt, insbesondere beim Umschalten vom Schätz­ signal auf das Doppler-Meßsignal, eine Einstellung oder Glättung des Doppler-Meßsignals erfolgt.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Glättung durch Multiplikation des Doppler-Meßsignals und/oder des Schätzsignals mit einer Fensterfunktion, insbesondere einer Kosinusfunktion, erfolgt.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schätzsignale und/oder die Doppler-Meßsignale akustisch angezeigt werden.