-
Verfahren und Gerät zur Erzeugung eines Ultraschallbildes
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Ultraschallbildes,
bei dem ein zu untersuchendes Objekt mittels eines Ultraschallkopfes abgetastet
wird, wobei der Ultraschallkopf eine vorgegebene Anzahl von Ultraschall-Wandlerelementen
auf einer ebenen Abtastfläche umfaßt, die parallel zueinander angeordnet sind und
die nacheinander gruppenweise auf Senden und Empfang angesteuert werden, wobei sich
eine Abtastung in zueinander parallelen Richtungen ergibt und wobei in einem Scan
empfangene Ultraschall-Echosignale in einem Bild dargestellt werden. Die Erfindung
bezieht sich weiterhin auf ein Gerät zur Erzeugung eines Ultraschallbildes von einem
zu untersuchenden Objekt mit einem Ultraschallkopf, der eine vorgegebene Anzahl
von Ultraschall-Wandlerelementen auf einer Abtastfläche umfaßt, die parallel zueinander
angeordnet sind und mittels einer Steuereinrichtung gruppenweise auf Senden und
Empfang ansteuerbar sind, wobei sich eine Abtastung in zueinander parallelen Richtungen
ergibt, mit einer der Steuereinheit zugeordneten Ultraschall-Signalerzeugungs- und
Auswerteeinrichtung und mit einem Bilddarstellungsgerät, auf dessen Bildschirm die
in einem Scan empfangenen und ausgewerteten Ultraschall-Echosignale jeweils darstellbar
sind.
-
Bei der Erzeugung von Ultraschallbildern eines zu untersuchenden Objekts
geht es darum, das Objekt möglichst ungestört von äußeren Einflüssen und von benachbarten
Objekten darzustellen. Beispielsweise bereitet es Schwierigkeiten, ein Gebilde ultraschalltechnisch
zu erfassen, das im Körper eines Patienten hinter einem
Knochen
liegt. Eine besondere Schwierigkeit bildet hierbei die Untersuchung des Herzgebiets,
da das Herz hinter den Rippen liegt, die nur einen geringen Abstand zueinander aufweisen
und die es daher problematisch machen, mit einem konventionellen Ultraschall-Abtastkopf
das Herzgebiet wirksam abzutasten.
-
Bei der Untersuchung von Patienten haben in der Ultraschalltechnik
Ultraschallgeräte mit linearem Array weite Verbreitung gefunden. Es zeigt sich jedoch,
daß mit einem solchen linearen Array gewisse Gebiete, z.B. hinter den bereits erwähnten
Rippen, bei herkömmlicher Ausgestaltung und Dimensionierung des Arrays nicht erreichbar
sind. Die Rippen führen dazu, daß das eigentlich interessierende Gebiet zum Teil
abgeschattet wird und somit einer Bildauswertung nicht zugänglich ist.
-
Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, sind im Stande der Technik
bereits verschiedene modifizierte Ausführungsformen von Ultraschallköpfen bekannt
geworden, nämlich das sogenannte Curved Array, das Phased Array sowie ein Phased
Array mit linearer Fortschaltung zur Erzeugung eines Trapez-Scans. All diese Ausführungsformen
haben jedoch gewisse Nachteile.
-
Ein Curved Array kann prinzipiell konvex oder konkav gekrümmt sein.
Beide Ausführungsformen sind mit gewissen technologischen Nachteilen verbunden.
Das konvex gekrümmte Curved Array wirft einige Ankopplungsprobleme auf. Man hat
bereits versucht, diese Probleme dadurch zu überwinden, daß man der gekrümmten Ankoppelfläche
eine Linse zugeordnet hat, vgl. DE-OS 31 24 979, Figur 5. Dies wird jedoch mit Dämpfungsproblemen
und Mehrfachreflexionen in der besagten Linse erkauft. Weiterhin erfordert das Curved
Array eine verhältnismäßig aufwendige Filterung und Speicheradressierung der empfangenen
Echosignale.
-
Das Phased Array hat demgegenüber den Vorteil, daß der Applikator
relativ klein gehalten werden kann. Es findet aus diesem Grunde bevorzugte Anwendung
als Sektor-Scanner im kardiologischen Bereich. Nachteilig ist jedoch hier die relativ
aufwendige Signalverarbeitung, denn die Bereitstellung der Sendesignale und die
Verarbeitung der Empfangssignale erfordert Bauelemente mit variablen Verzögerungszeiten.
Solche Bauelemente sind kostspielig.
-
Beim Sektor-Scan wird eine Vielzahl von Winkeln abgetastet, was eine
entsprechende Feinheit in der Einstellung der Verzögerungszeiten erfordert. Überdies
sind beim Phased Array aufwendige Speicher- und Filtereinrichtungen erforderlich.
Ein weiterer Nachteil muß darin gesehen werden, daß in geringerer Abtasttiefe ein
kleineres Bildfenster, in größerer Abtasttiefe jedoch ein größeres Bildfenster zur
Verfügung steht. Vorzuziehen wäre eine gleichmäßige Fensterbreite wie beim linearen
Array.
-
Der Trapez-Scan schließlich ist eine Kombination von linearem Scan
und Sektor-Scan. Demzufolge erfordert er einen entsprechend kombiniert hohen Aufwand.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät
der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß Gebiete, z. B. unter den Rippen,
bildtechnisch erfaßt werden können, die mit einem herkömmlichen Parallelscan nicht
erreichbar sind, wobei sich jedoch eine besonders einfache und kostengünstige konstruktive
Ausgestaltung ergeben soll.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ultraschall-Wandlerelemente so angesteuert
werden, daß sie während der Abtastung eines Bildes unter einem festen, vorgegebenen
Schwenkwinkel bezüglich der Normalen der Abtastfläche senden und empfangen.
-
Gegenüber dem bekannten Sektor-Abtastverfahren bei einem Phased Array
wird hier also ein bestimmter Schwenkwinkel während des Aufbaus eines Bildes fest
vorgegeben. Dabei können die nachfolgenden Bilder ebenfalls unter demselben Schwenkwinkel
abgetastet werden. Da somit nur ein einziger Abtastwinkel vorliegt, können bei der
Realisierung des Verfahrens verhältnismäßig kostengünstige Bauelemente Verwendung
finden.
-
Es wurde bereits dargelegt, daß der Schwenkwinkel während der Abtastung
eines Bildes nicht verändert wird. Es ist jedoch nach einer weiteren Ausgestaltung
des Verfahrens möglich, den Schwenkwinkel einstellbar zu machen. Auf diese Weise
kann der Anwender den Ultraschallkopf auf die gerade vorliegende Anwendung, z.B.
Herzuntersuchung subxiphoid, einstellen. Hierbei ist entweder eine kontinuierliche
elektronische oder aber auch eine stufige, z.B. durch Schalter bewirkte Verstellung
des Schwenkwinkels möglich. Der Schwenkwinkel entspricht dabei dem Blickwinkel,
unter dem das interessierende Organ gesehen wird.
-
Es muß festgehalten werden, daß es auch bei diesem Verfahren möglich
ist, bei der Abtastung die bekannte dynamische Fokussierung durchzuführen, d.h.
den insgesamt abzutastenden Tiefenbereich in Unterbereiche einzuteilen und diesen
jeweils einen eigenen Fokus zuzuordnen.
-
Die genannte Aufgabe wird bei einem Gerät der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß
sie die Ultraschall-Wandlerelemente so ansteuert, daß diese während der Abtastung
eines Bildes unter einem festen, vorgegebenen Schwenkwinkel bezüglich der Normalen
der Abtastfläche senden und empfangen.
-
v w Bevorzugt kann die Steuereinrichtung dabei Zeitverzögerungsglieder
umfassen, die für die jeweils angesteuerte Gruppe von Ultraschall-Wandlerelementen
fest eingestellte Verzögerungszeiten besitzen. Um hierbei eine dynamische Fokussierung
durchführen zu können, sollte innerhalb einer Gruppe die Verzögerungszeit jeweils
auf unterschiedliche Werte umschaltbar sein.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer
schematischen Zeichnung näher erläutert.
-
Nach der Figur liegt ein zu untersuchendes Objekt 2 hinter einem oder
einer Anzahl von schallhemmenden Objekten 4 und 6. Bei dem zu untersuchenden Objekt
2 kann es sich insbesondere um das Herz eines Patienten und bei den schallhemmenden
Objekten 4 und 6 um dessen Rippen handeln. Das zu untersuchende Objekt 2 wird mittels
eines Ultraschallkopfes 8 abgetastet. Dieser wird in der Darstellung vor den Objekten
4 und 6 plaziert. Hierbei kann es sich um eine subxiphoide Herzuntersuchung handeln.
Dabei wird der Ultraschallkopf 8 auf die Bauchdecke des Patienten aufgesetzt, diese
wird einwärts gedrückt,und von der einwärts gedrückten Bauchdecke aus erfolgt eine
schräg gerichtete Abtastung des Objekts 2, also des Herzens.
-
Ähnlich wie bei einem linearen Array umfaßt der Ultraschallkopf 8
eine vorgegebene Anzahl von Ultraschallwandlerelementen 10, die auf dessen Abtastfläche
12 parallel zueinander angeordnet sind. Wie aus der Figur ersichtlich ist, handelt
es sich bei der Abtastfläche 12 um eine ebene Fläche. Beispielsweise kann diese
Abtastfläche 12 insgesamt 159 nebeneinander liegende Ultraschall-Wandlerelemente
10 aufweisen. Diese werden von einer in einer Ultraschall-Signalerzeugungs- und
Auswerteeinrichtung 14 enthaltenen Steuereinrichtung 15 über
eine
Signalverbindung 16 nacheinander gruppenweise auf Senden und Empfang angesteuert.
Eine Gruppe, die insgesamt drei Elemente umfaßt, ist mit 18 und die Abtastrichtung
ist mit dem Pfeil 20 bezeichnet. Die von der Gruppe 18 ausgesandten Sendesignale
22 verlaufen parallel zueinander. Sie dringen unter einem Schwenkwinkel Y in bezug
auf die Normale 19 der Abtastfläche 12 schräg in das Untersuchungsgebiet ein. Es
ergibt sich ein rautenförmiges Abtastgebiet 23 im zu untersuchenden Körper.
-
Die von der in Pfeilrichtung 20 wandernden Gruppe 18 empfangenen Echosignale
werden in der Ultraschall-Signalerzeugungs- und Auswerteeinrichtung 14 verarbeitet
und anschließend auf ein Bilddarstellungsgerät 24 gegeben.
-
Hier erzeugen sie ein rautenförmiges Bild 26.
-
Es muß festgehalten werden, daß die Gruppe 18 - abweichend von der
Darstellung - eine andere Zahl als drei Wandlerelemente 10 umfassen kann. Beispielsweise
kann es sich um 32 Wandlerelemente 10 handeln, die in Pfeilrichtung 20 von links
nach rechts durchgeschaltet werden.
-
Auch muß hervorgehoben werden, daß die Abtastung innerhalb der Ultraschall-Zeile,
die von der betreffenden Gruppe 18 gebildet wird, unter dynamischer Fokussierung
erfolgen kann. Wie am linken Rand der Figur dargestellt, ist dazu der gesamte Tiefenbereich
T in insgesamt fünf Tiefenzonen oder Unterbereiche mit jeweils fest vorgegebener
Fokussierung eingeteilt. Diese Tiefenzonen können unterschiedliche Länge aufweisen.
Der insgesamt abzutastende Tiefenbereich T wird im allgemeinen der maximalen Eindringtiefe
des emittierten Ultraschalls entsprechen.
-
Es soll noch einmal erwähnt werden, daß die einzelnen Ultraschall-Wandlerelemente
10 sukzessive so angesteuert werden, daß sie während der Abtastung eines Bildes
unter
dem festen, vorgegebenen Schwenkwinkel t bezüglich der Normalen
19 der Abtastfläche 12 senden und empfangen.
-
Dieser Schwenkwinkel * kann dabei einstellbar sein.
-
Das ist durch ein Einstellorgan 28 in Form eines Umschalters an der
Steuereinrichtung der Ultraschall-Signalerzeugungs- und Auswerteeinrichtung 14 gezeigt.
-
Durch die in fester Schräglage erfolgende Einstrahlung wird erreicht,
daß das Objekt 2 auf dem Bildschirm sichtbar wird, obgleich es - in Normalenrichtung
der Abtastfläche 12 gesehen - hinter dem ultraschallhemmenden Objekt 4 liegt.
-
In einer technischen Realisation kann der feste Schwenkwinkel * dadurch
erzeugt werden, daß die einzelnen Ultraschall-Wandlerelemente 10 nacheinander angesteuert
werden mit pro Bild gegeneinander fester Verzögerung.
-
Auf diese Weise kann die Ansteuereinrichtung 15 aus verhältnismäßig
einfachen und preisgünstigen Bauelementen aufgebaut sein.
-
Technisch relativ einfach läßt sich eine Einrichtung (nicht gezeigt)
zum Umschalten vom positiven Schwenkwinkel (+ t) zum negativen Schwenkwinkel (-
t) derselben Größe realisieren. Eine solche Umschaltung läßt sich als eine Spiegelung
des Schwenks an der durch die Applikatormitte verlaufenden Normalen auffassen.
-
Eine solche Spiegelung bedeutet nichts anderes als eine Vertauschung
der Verzögerungszeiten der Elemente 10 bezüglich der Scan-Richtung. Beispielsweise
läßt sich auf einen Knopfdruck hin über einen Multiplexer die Reihenfolge der Kanäle
vertauschen. Positiver und negativer Schwenkwinkel (+ t) bzw. (-#) sind dabei durch
dieselbe Voreinstellung gegeben. Auf diese Weise kann der Beobachter bei der Untersuchung
wahlweise nach links (wie in Figur 1) oder nach rechts schauen.
-
Aus dem beschriebenen Verfahren und dem dargestellten Gerät wird deutlich,
daß es sich hierbei nicht um eine Sektordarstellung, sondern beim rautenförmigen
Bild 26 um eine lineare Darstellung handelt. Dieses hat den Vorzug, daß sich über
den gesamt abgetasteten Tiefenbereich T ein mit Informationen gleichmäßig besetztes
Bild ergibt.
-
Gegenüber einem herkömmlichen Phased Array als elektronischem Sektor-Scanner
ist ein wesentlich geringerer Aufwand erforderlich, der sich insbesondere bei den
Zeitverzögerungseinrichtungen und dem Bildspeicher bemerkbar macht. Mit dem dargestellten
Ultraschallkopf 8, der im Vergleich zu einem handelsüblichen linearen Array wesentlich
kürzer ausgeführt sein kann, lassen sich auch entfernt liegende Objekte 2 erreichen,
die mit dem sonst üblichen linearen Array bildtechnisch nicht erreicht werden können.
-
Kurz gesagt: Bei dem vorliegenden Verfahren und Gerät bleiben die
Vorteile der linearen Bilddarstellung (verhältnismäßig geringer technischer Aufwand
im Applikator und in der Signalverarbeitung) weitgehend erhalten, während die Scan-Richtung
der Applikation angepaßt werden kann.
-
8 Patentansprüche 1 Figur