DE3311804A1

DE3311804A1 - Verfahren zur aktiven verstaerkung des spitzenreflexes von punktionsnadeln bei echosonographischer abbildung, sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3311804A1
Application number: DE19833311804
Authority: DE
Inventors: Hans J. Dr. 4000 Düsseldorf Einighammer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-03-31
Filing date: 1983-03-31
Publication date: 1984-10-11
Anticipated expiration: 2003-04-01
Also published as: DE3311804C2

Description

Verfahren zur aktiven Verstärkung des
Spitzenreflexes von Punktionsnadeln bei echosonographischer Abbildung, sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Verstärkung des Spitzenreflexes von Punktionsnadeln bei echosonographischer Abbildung sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der unter Ultraschallkontrolle vorgenommenen Biopsie oder Punktion, also der Gewebs- oder Flüssigkeitsentnahme aus dem Körper, werden heute nach dem Echtzeitverfahren arbeitende Scanner verwendet, die zweidimensionale Schnittbilder einer Körperregion erzeugen oder auch Systeme mit einem Einzelschallkopf, der mit nur einem Schallbündel eindimensional abbildet.
Hierbei wird der Schallkopf so positioniert, daß Bewegung und Lage der in den Körper eingeführten Nadeln in der von dem Gerät auf dem Bildschirm dargestellten Schicht bzw. im eindimensionalen Fall der abgebildeten Linie, kontrolliert werden können.
Bei denjenigen Methoden, bei denen Nadel und Gewebe miteinander sonographisch abgebildet werden, ist es notwendig, daß zumindest die Nadelspitze bei den Arbeits- und Einstellungsparametern, die für eine ausreichende Abbildung des betreffenden Körpergewebes oder Organs gewählt werden müssen (Schallfrequenz, Sendeleistung, Kontrast u.a.), deutlich genug dargestellt wird.
Das Spitzenecho sollte zur Unterscheidung von den umgebenden Gewebsechos so hell sein, daß es zumindest bei dynamischer Arbeitsweise, also beim Einstechen der Nadel, durch die Bewegung des Reflexes im Bild identifiziert werden kann.
Während eine Nadelspitze unter idealen Bedingungen, z.B.
im Wasserbad oder in wenig echogenem Gewebe (Gewebszysten), fast immer eine für die Abbildung ausreichende Streuwirkung zeigt, ist ihre Sichtbarkeit in stark echogenem Gewebe (soliden Tumoren) häufig ein Problem.
Man kann bis zu einem gewissen Grad die Streuwirkung einer Nadel durch Methoden verbessern, die zur Abgrenzung gegenüber der vorliegenden Erfindung als passive Methoden bezeichnet werden. Hierzu zählen: a) geeignete Formgebung der Spitze.
Es ist bekannt, daß die Form des Anschliffs, der Beschallungswinkel, die Beschallungsfrequenz, der Abschluß der Nadelöffnung durch einen Mandrin, der Nadeldurchmesser, die Stellung der Anschlifffläche im Schallfeld und die Rauhigkeit der Spitze, die Intensität des Spitzenechos beeinflussen. Die Anwender finden meist empirisch unter den angebotenen Typen die für ihren Zweck geeignete Nadel heraus.
Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß die Intensität der Streuwelle, verglichen mit der der auftreffenden Welle, nicht größer werden kann als im Fall eines ideal streuenden Mediums mit Abmessungen maximal von der Größe der Nadel dimensionen, und daß zur Optimierung der Streuwirkung keine Formgebungen erlaubt sind, die die mechanischen Funktionen der Gewebs- oder Flüssigkeitsentnahme beeinträchtigen (z.B. Widerhaken etc.).
b) Unregelmäßige Aufrauhung des Nadelschaftes vor der Spitze. Es ist aus dem Bereich der Werkstoffprüfung mit Ultraschall bekannt, daß aufgerauhte Oberflächen eine erhöhte Streuwirkung gegenüber glatten Flächen zeigen.
Durch eine Aufrauhung des Schaftes oder Mandrins wird die Intensität des Nadelbildes erhöht und die Spitze - indirekt als das Nadelende - deutlicher erkennbar.
Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß die Intensität der von den zufällig verteilten Streuzentren ausgehenden Streuwellen, verglichen mit der der auftreffenden Welle, nicht größer werden kann als im Fall idealer Streuzentren mit Abmessungen maximal von der Größe der Nadeldimensionen, und daß eine starke äußere Aufrauhung schließlich bei einem Einstich traumatisierend wirkt.
c) Regelmäßige Profilierung des Nadelschafts vor der Spitze.
Es ist bekannt, daß man die Streuwirkung des Schafts durch periodische Aufrauhung oder Riffelung (effektiver als bei b)) erhöhen kann, wobei die gestreute Energie durch den Gittereffekt in bestimmte Richtungen gelenkt werden kann.
Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß die Intensität der von den äquidistanten Zentren ausgehenden Streuwellen, verglichen mit der der auftreffenden Welle, nicht größer werden kann als im Falle idealer Streuzentren, d.h. bei einem Gitter mit maximaler Effektivität, und daß ein zu starkes Profil beim Einstich traumatisierend wirkt.
Die folgende bekannte Methode der Markierung bzw. der Darstellung der Nadelposition im Ultraschallbild soll zur Abgrenzung gegenüber der vorliegenden Erfindung als indirekte Methode bezeichnet werden.
d) Bestimmung der Nadelposition durch mechanischelektrische Positionsmessung.
Bei dieser Methode wird das Spitzenecho nicht verwendet. Der Ort der Spitze wird indirekt mit Hilfe einer mit dem hinteren Teil der Nadel verbundenen mechanischen Einrichtung über Positionsgeber errechnet und in das Monitorbild als Marke (overlay) eingeblendet.
Nachteilig wirkt sich hierbei die Unsicherheit der Ortsbestimmung aus, die bei relativ langen und dünnen Nadeln aufgrund der Verbiegung auftritt.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, die Nachteile der vorgenannten passiven und indirekten Maßnahmen bzw. Verfahren zur Sichtbarmachung oder Markierung der Nadelspitze zu beseitigen, um auf diese Weise die Sicherheit der ultraschallkontrollierten Punktion zu erhöhen und um eine Punktion insbesondere in stark echogenem Gewebe zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die durch die Sendeschallimpulse an der Nadelspitze erzeugten Drahtwellen an einem weiter hinten liegenden Teil der Nadel durch einen Hilfsschallkopf registriert werden, und daß jeweils die Summe aus Laufzeit im Testmedium und Laufzeit in der Nadel gemessen wird.
Dazu werden die registrierten Drahtwellenimpulse elektronisch verstärkt und nach einer solchen Verzögerung dem Bildsignal des Scanners überlagert, daß sie mit den normalen Spitzenechos zur Deckung kommen.
Mit den registrierten, elektronisch verstärkten Drahtwellenpulsen werden über einen als Schallsender dienenden Hilfsschallkopf am hinteren Teil der Nadel Drahtwellenimpulse erzeugt, die zu den Zeitpunkten als Longitudinalwellen an der Nadelspitze austreten, zu denen die Spitze von Sendeschallimpulsen getroffen wird.
Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung naher beschrieben. Von der Zeichnung zeigt: Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines Schalldetektionsverfahrens bei einem Einzelschallkopf für eindimensionale Abbildung (sogen. A-Scan), Figur 2 ein Zeitdiagramm der verwendeten Wellen, Fig. 3 u. 4 schematische Darstellungen zweier Anordnungen zur Verwirklichung des Schalldarstellungsverfahrens nach der Erfindung bei einem Schallkopf für die zweidimensionale Abbildung (sogen. B-Scan).
In Fig. 1 ist das Verfahren an einer Prinzipdarstellung erläutert. Die Anordnung besteht aus einem Einzelschallkopf 1, der Nadel 2 sowie dem Hilfsschallkopf 3.
In dem Zeitdiagramm von Fig. 2 werden folgende überlegungen verdeutlicht.
Ein Puls der regelmäßigen Pulsfolge mit der Periode T (z.B.
1/25 sec) träte zur Zeit t0 = 0 aus dem Schallkopf 1 aus.
Er erreicht die Spitze der Nadel in der Zeit wobei s1 die Entfernung zwischen Spitze und Schallkopf ist und vH20 die Schallgeschwindigkeit in Wasser. An der Spitze entsteht einmal die Streuwelle (Echo), die zur Zeit 2t1 wieder den jetzt auf Empfang geschalteten Schallkopf 1 erreicht, und zum anderen eine Drahtwelle, die in der Nadel nach hinten läuft und zum Zeitpunkt - wobei t2 die Laufzeit in der Nadel und s2 die Nadel länge und vD die Geschwindigkeit der Drahtwelle bedeuten - einen dort befestigten Hilfsschallkopf erreicht und registriert wird.
Die Größe (t1+t2) wird dabei elektronisch gemessen.
In der darauffolgenden Phase soll die Nadel aktiv werden (aktive Phase). Hier werden zwei Möglichkeiten beschrieben, der elektrisch aktive und der schallaktive Betrieb.
Beim elektrisch aktiven Betrieb wird das Nadel echo dadurch verstärkt, daß der durch den Sende-Schallimpuls in die Spitze eingekoppelte, mit dem Hilfsschallkopf 3 registrierte Wellenimpuls verstärkt wird, verzögert wird und dann dem Bildsignal des Scanner überlagert wird, wobei die Verzögerung t t=t1-t2 beträgt. Auf diese Weise kommt das aktive Signal mit dem relativ schwachen Echosignal zur Deckung. Die Nadellaufzeit t2 sei durch eine Eichmessung bekannt und t1 ergibt sich aus dem in der passiven Phase gewonnenen Meßwert (t1+t2) Ist wegen relativ großer effektiver Nadellängen oder kurzer Objektabstände t2>t1 oder reicht die Zeit zur Berechnung der Verzögerung nicht aus, so kann das verstärkte Signal nach :kurzer Zwischenspeicherung im nächsten Bild der Bildfolge der Periode T gesendet werden, also t tl t1-t2+T Beim schallaktiven Betrieb wird das Nadelecho dadurch verstärkt, daß zum geeigneten Zeitpunkt durch den Hilfsschallkopf 3 ein ausreichend starker Drahtwellenimpuls in die Nadel 2 eingekoppelt wird, der dann an der Spitze austritt und sich der relativ schwachen Echowelle überlagert.Der Zeitpunkt der Einkopplung ergibt sich aufgrund der Laufzeiten zu T + (t1-t2). Unter Verwendung des gemessenen Wertes für (t1+t2) folgt für die Differenz AT zwischen der Registrierung des Drahtwellenpulses in der passiven Phase und der Erzeugung des verstärkten Pulses in der aktiven Phase t T = T+(t1-t2)-(t1+t2) = T-2t2 T ist bekannt und t2 eine Nadelkonstante, Beim elektrisch aktiven und beim schallaktiven Betrieb kann t2 am einfachsten durch folgende Eichung bestimmt werden: In schwach echogenem Gewebe oder Wasserbad wird die Nadelspitze wie bisher, passiv, zur Darstellung gebracht. Für At bzw.
t T wird ein Schätzwert eingestellt, so daß der aktive Puls im Bild in Form eines hellen Flecks in der Nähe des Spitzenechos sichtbar wird. Man bringt nun durch Anderung des Schätzwertes den Artefakt mit dem echten Nadel echo zur Deckung.
Aktive und passive Phasen werden alternierend wiederholt.
Man kann jedoch während einer schallaktiven Periode im allgemeinen nicht gleichzeitig (t1+t2) messen, sondern erst eine oder wenige Perioden später, da von der Nadelspitze ein störendes Drahtwellenecho ausgeht, das mit der von außen eingekoppelten Welle verwechselt werden kann.
Diese überlegungen können ohne weiteres auf den in Fig. 3 dargestellten Fall einer Lineararray-Biopsie-Sonde 1.1 übertragen werden, wenn nur eine bestimmte aktive Elementgruppe des Arrays betrachtet.
In einer Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 4 dargestellt ist, ist der Hilfsschallkopf 3.1 nicht an dem Nadelende befestigt, sondern mit dem Schallkopf des Scanners starr verbunden und z.B. in die Führungsfläche eingelassen und bogenförmig ausgebildet. Da die Nadel 2 bei der Punktion immer an die Führungsfläche gedrückt wird, wird sie dabei gleichzeitig an den Hilfsschallkopf angekoppelt. Hierbei ändert sich also t#zu geeigneten Zeitpunkten, z.B. in den passiven Phasen direkt bestimmt, indem man mit dem Hilfsschallkopf 3.1 die Laufzeit eines Drahtwellenimpulses mißt, der am vorderen Nadelende reflektiert wird. Der Zeitpunkt wird so gewählt, daß die durch den Meßimpuls an der Spitze austretende Longitudinalwelle keinen störenden Bildartefakt erzeugt, oder daß dieser irgendwo am äußeren Bildrand liegt.
Eine schnelle elektronische Logik kann dann A#t bzw. # T berechnen.
Erweitert man diese Funktionen, die hier für einen Einzelschallkopf oder eine bestimmte aktive Elementgruppe eines Array-Schallkopfes erklärt wurden, auf den Fall, daß sich der Einzelschallkopf zur Erzeugung eines zweidimensionalen B-Bildes lateral ändert, oder daß sich bei einem mechanischen oder elektronischen Sektor-Scanner die Richtung des Schallstrahls ändert, so ist während einer Periode T der Bildfolge eine Anzahl von Schallstrahlpositionen zu berücksichtigen, die der Zahl der Bildzeilen des Sonogramms entspricht. Erfindungsgemäß werden hierbei die Ankunftszeiten (t1+t2) der eingekoppelten Sendeimpulse und deren Amplituden für alle Bildzeilen gespeichert (und gegebenenfalls zusätzlich ein Wert t2 für z.B. eine Periode). Während der darauffolgenden aktiven Periode werden die zu jeder Bildzeile gehörigen Drahtwellenimpulse ausgesandt, wobei die Amplituden den gespeicherten Amplitudenwerten proportional sind.
Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die laterale Intensitätsfunktion des Bildes der Spitze im aktiven Betrieb zumindest richtig reproduziert wird. Vor allem besteht aber die Möglichkeit, durch einfache schnelle Verrechnung des gespeicherten Bildes, das z.B. aus etwa 10 Funktionswerten besteht, insbesondere durch nichtlineare Operationen, die (laterale) Breite des aktiven Spitzenechos gegenüber der des ursprünglichen passiven Echos zu verringern.
Die Erfindung erlaubt weiterhin eine Heraushebung des verstärkten Spitzenechos aus der Gewebsumgebung zusätzlich dadurch, daß die Spitze periodisch ein- und ausgeschaltet wird und im Bild z.B. mit 2 Hz blinkt (Leuchtturmeffekt).
Durch die Erfindung werden die Nachteile bekannter Verfahren und Methoden beseitigt und die Anwendbarkeit der ultraschallkontrollierten Punktion durch die Verbesserung der Nadelsichtbarkeit erweitert. Insbesondere ist bei der aktiven Nadel a) die Intensität der von der Nadelspitze ausgehenden aktiven Welle nicht mehr durch die Streueffektivität der Spitze begrenzt, sondern kann gegenüber der normalen Streuwelle erheblich verstärkt werden. Das aktive Spitzenecho wird somit heller als durch Wahl besonders günstiger Spitzenformen, die außerdem im Widerspruch zur mechanischen Funktion stehen können, möglich ist.
b) Die aktiv strahlende Spitze kann heller gemacht werden und wird dadurch deutlicher dargestellt als bei einer indirekten Markierung der Spitze, die durch die Aufhellung des Nadelschaftes davor mittels unregelmäßiger Aufrauhung erreicht wird, da die Streueffektivität keine Grenze mehr darstellt. Außerdem ist eine Aufrauhung, die traumatisierend wirkt, nicht mehr notwendig.
c) Die aktiv strahlende Spitze kann heller gemacht und daher deutlicher dargestellt werden als bei einer indirekten Mark-ierung, die durch eine Aufhellung des Schaftes vor der Spitze durch regelmäßige Profilierung erreicht wird, weil die Gittereffektivität keine Grenze mehr darstellt. Eine Profilierung, die traumatisierend wirkt, ist außerdem nicht mehr notwendig.
d) Da das verstärkte Echo der aktiven Nadel am gleichen Ort wie das normale Echo entsteht, können keine Ortsungenauigkeiten durch Nadelverbiegung auftreten, wie bei den indirekten Methoden.
Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, daß das aktive Nadelsystem gemäß der Erfindung bis auf die Mitverwendung von Zeitsignalen des Scanners relativ unabhängig vom bildgebenden Grundgerät ist und das keine besonderen Anderungen desselben erforderlich macht.
Es sind im Prinzip alle üblichen Nadeln verwendbar. Die Bedingungen für das Ein- bzw. Auskoppeln der Drahtwelle sind jedoch nicht immer gleich. So ist es z.B. günstig, wenn ohne Mandrin gearbeitet wird oder wenn der Mandrin wenige Millimeter kürzer ist als die Nadel und die Nadelöffnung nicht glatt abschließt. Schwache Drahtwellenechos erfordern eine höhere Verstärkung durch die Nachweiselektronik.

Claims

AnsprUche X Verfahren zur aktiven Verstärkung des Spitzenreflexes von Punktionsnadeln bei echosonographischer Abbildung, dadurch uekennzelchnet, daß die durch die Sendeschaltimpul-se an der Nadelspitze. erzeugten Drahtwellen an einem weiter hinten liegenden Teil der Nadel durch einen Hilfsschallkopf registriert werden, und daß jeweils die Summe aus Laufzeit im Testmedium und Laufzeit in der Nadel gemssen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die registrierten Drahtwellenpulse elektronisch verstärkt und nach einer solchen Verzögerung dem Bildsignal des Scanners übe.rlagert werden, daß sie mit den normalen Spitzenech.os zur Deckung kommen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit den registrierten, elektronisch verstärkten Drahtwellenpulsen über einen als Schallsender dienenden Hilfsschallkopf am hinteren Teil der Nadel Drahtwellenimpulse erzeugt werden, die zu den Zeitpunkten als Longitudinalwellen an der Nadelspitze austreten, zu denen die Spitze von Sendeschallimpulsen getroffen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Uhr (Quarzuhr) des Scanners zur Steuerung des Funktionsablaufs der aktiven Nadel oder des aktiven Nadelsystems verwen-det wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte für die Amplituden und Ankunftszeiten der über die Spitze eingekoppelten Impulse - das entspricht also einem Bild der Spitze - kurzzeitig elektronisch gespeichert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gespeicherte Nadelbild, bevor es in der aktiven Phase verwendet wird, bezüglich der lateralen Amplitudenfunktion des Bildes korrigiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur durch Glättung der Funktion mittels gleitender Mittelwertbildung oder Tiefpaßfilterung vorqenommen wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bildung von Differenzen zweiter Ordnung das Nadelbild in Richtung auf eine Verschmälerung des Punktbildes korrigiert wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur in Form einer Peak-Detektion erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Nadel periodisch ein- und ausgeschaltet wird, derart, daß sie sich im Bild durch Blinken von der Umgebung zusätzlich abhebt.
11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei unbekannter oder v.eränderlicher effektiver Nadel länge die Laufzeit in der Nadel selbsttätig gemessen wird, indem mit dem Hilfsschallkopf die Laufzeit eines Drahtwellenpulses bestimmt wird, der am vorderen Nadelende reflektiert wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen an sich bekannten Schallkopf (1) zur Erzeugung von Sendeschallimpulsen, sowie einen der Nadel (2) direkt oder indirekt zugeordneten Hilfsscfiallkopf (3) zur Erzeugung und/oder Detektion von Drahtwellenimpulsen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschallkopf (3) am hinteren Teil der Nadel (2) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschallkopf (3) fest mit dem Schallkopf (1) des Scanners verbunden und z.B. in die Nadelführungsfläche eingelassen ist.
15. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschallkopf mit dem Piezoeffekt arbeitet.
16. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwelle mit Hilfe einer Magnetspule durch magnetostriktive Anregung der Nadel selbst erzeugt und/oder beim Empfang induktiv registriert wird, sofern diese aus Stahl besteht.
17. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschallkopf (3) für beide Funktionen - Senden und Empfangen -verwendbar ist.
.18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionen Senden und Empfangen zwei verschiedenen Schallkopfelementen zugeordnet sind.
19. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der Impulserkennung zwei oder mehrere Hilfsschallköpfe oder Elemente hintereinander zum Einsatz kommen.
20. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Punktionsschallköpfen von Linear-Array-Scannern der Hilfsschallkopf bogenförmig ausgebildet ist.
21. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Nadeln zur Verwendung kommen, deren Mandrin gegenüber der Nadel um ca. 3 mm verkürzt ist, so daß die Spitze selbst offen ist.
22. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei einmanlverwendbaren Nadeln ein Kunststoff-Mandrin verwendet wird, der einmalig herausgezogen wird.