DE3531893A1 - Verfahren zur bestimmung der verteilung der dielektrizitaetskonstanten in einem untersuchungskoerper sowie messanordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zur bestimmung der verteilung der dielektrizitaetskonstanten in einem untersuchungskoerper sowie messanordnung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung
der Verteilung der Dielektrizitätskonstanten
in einem Untersuchungskörper, bei dem von einem
Mikrowellensender ausgesandte Strahlung in den Untersuchungskörper
eingestrahlt wird, bei dem die vom Untersuchungskörper
durchgelassene und gestreute Strahlung
von einem Mikrowellen-Detektorarray nach Amplitude
und Phase nachgewiesen wird und bei dem aus dem
Ausgangssignal des Mikrowellen-Detektorarrays die Verteilung
der Dielektrizitätskonstanten berechnet und
zur Bilddarstellung gebracht wird (vergl. IEEE Transactions
on Medical Imaging, Vol. MI-2, No. 4, Dec. 1983,
Seiten 176 bis 195). Die Erfindung bezieht sich weiterhin
auf eine Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Es sind bereits verschiedene Versuche unternommen worden,
die Verteilung der Dielektrizitätskonstanten in
biologischem Gewebe, insbesondere im menschlichen
Körper, zu bestimmen. Diese für die Wechselwirkung
elektromagnetischer Strahlung mit biologischem Gewebe
maßgebliche physikalische Größe soll für die Bildgebung
in der medizinischen Diagnostik verwendet werden.
Bisher bekannte Ansätze der sogenannten Diffraktions-
Tomographie wählen entweder feststehende lineare Antennenarrays
(M. Slaney et al, IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques, Vol. NTT 32, 1984, Seiten 860
bis 1874; M.Azimi und A.C. Kak, IEEE Transactions on
Medical Imaging, Vol. MI-2, No. 4, Dezember 1983, Seiten
176 bis 195) oder aber feststehende flächenhafte
Arrays (G. Peronnet et al, Proc. of the 13th European
Microwave Conference, Nürnberg, Germany, Sept. 1983,
Seiten 529 bis 533; RNM Images 14 (1984) 4, Seiten 32
bis 33, Seite 37) zur Meßwerterfassung. Bei den Systemen
nach den drei erstgenannten Literaturstellen müssen auf
jeden Fall zur Bestrahlung des Untersuchungsobjekts
ebene Wellen verwendet werden. Die mit den bekannten
Systemen erzeugten Bilder stellen Schnittbilder dar;
allerdings wird in der letztgenanten Literaturstelle
auch schon auf dreidimensionale Darstellungen abgehoben.
Die Bildrekonstruktion wird aber in all diesen Fällen
unter der Annahme durchgeführt, daß das Streufeld
durch Einfachstreuung am Untersuchungskörper erzeugt
wird.
Die vier zuletzt genannten Abbildungssysteme basieren
also auf der Annahme der Einfachstreuung im Untersuchungsobjekt.
Sie sind für die medizinsche Diagnostik
kaum brauchbar, da sie massiv verfälschte Bilder von der
Epsilon-Verteilung im biologischen Gewebe erzeugen. Ein
Grund dafür ist, daß die Annahme der Einfachstreuung
(diese entspricht der ersten Born'schen Näherung zur
elektromagnetischen Wellengleichung) nur für schwach
streuende und schwach inhomogene Objekte gilt, und
zwar auch in einem solchen Fall nur näherungsweise.
Beide Voraussetzungen, nämlich schwache Streuung und
schwache Inhomogenität, sind aber, wie aus der Literatur
ablesbar, für biologische Gewebe nicht erfüllt.
In der bereits erwähnten Literaturstelle RNM Images 14,
(1984) 4, Seite 32 bis 33, Seite 37, wird ein Meßsystem
beschrieben, bei dem eine Vielzahl von einzelnen Detektoren
auf einen Zylinder angeordnet ist. Diese Einzeldetektoren
sind an ein Meßwertverarbeitungssystem angeschlossen.
Ein solches System erfordert eine große
Anzahl von Einzeldetektoren und damit von Verarbeitungskanälen
und ist entsprechend aufwendig.
Aus der US-PS 38 87 923 ist ein holographisches Meßsystem
für Hochfrequenz bekannt, bei dem ebenfalls eine Vielzahl
von Antennen oder Einzeldetektoren eingesetzt wird. Dabei
handelt es sich jedoch ebenfalls um feststehende
Antennen. Das dort vorgestellte System ist auf ein
lineares Array festgelegt.
Aus der US-PS 38 18 427 ist ein Verfahren zur Aufzeichnung
akustischer, synthetischer oder von Mikrowellen-
Hologrammen bekannt. Bei diesem Verfahren sendet
ein in einem Behälter angeordneter Sender Strahlung
auf einen Untersuchungskörper, und an der Oberfläche
der im Behälter befindlichen Flüssigkeit wird das resultierende
Signal abgetastet. Hierbei handelt es sich um
die Abtastung mittels einer Einzelantenne. Mit diesem
Verfahren ist keine dreidimensionale Darstellung möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß es auf
die Darstellung von Schnittbildern nicht beschränkt ist,
sondern daß eine Berechnung der dreidimensionalen Verteilung
der Dielektrizitätskonstanten möglich ist, wobei
es möglich sein soll, daß man mit einer relativ geringen
Anzahl von Einzeldetektoren und wenig Verarbeitungskanälen
auskommt. Insbesondere soll das Verfahren so ausgestaltet
werden, daß es die dreidimensionale Verteilung
der komplexen Dielektrizitätskonstanten im menschlichen
Körper zu bestimmen gestattet. Eine weitere Aufgabe besteht
darin, eine Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens
anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
durchgelassene und gestreute Strahlung in einem vorgegebenen
Volumen nach Amplitude und Phase erfaßt wird.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist hier ein dreidimensionales
Volumen vorgegeben, in dem mittels des
Mikrowellen-Detektorarrays die auffallende Strahlung
gemessen wird. Aus den Daten, die vom Ausgangssignal des
Mikrowellen-Detektorarrays abgeleitet werden, läßt sich
dann mittels Rechenoperationen auf die Verteilung der
Dielektrizitätskonstanten schließen. Da die Strahlung
in dem vorgegebenen Volumen erfaßt wird, kommt man - im
Vergleich zu einer zylindrischen Anordnung von Detektorelementen
- mit einer verhältnismäßig geringen Anzahl
von Elementen im Mikrowellen-Detektorarray aus.
Nach einer ersten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen,
daß das Detektorarray flächenhaft und linear
verschiebbar ausgebildet ist. Das Detektorarray muß dabei
nicht eben, sondern kann prinzipiell nach einer
beliebigen Form gestaltet sein.
Eine zweite Ausführungsform besteht darin, daß das Detektorarray
flächenhaft ausgebildet und um den Untersuchungskörper
drehbar ist. Auch hierbei kann das Detektorarray
gekrümmt oder eben geformt sein. Beispielsweise kann es
die Form einer Kugelkalotte oder eines Zylindermantel-
Teils haben. Dabei sollte jedoch darauf geachtet sein,
daß der Krümmungsradius ungleich dem Umlaufradius um den
Untersuchungskörper gewählt wird.
Eine dritte Ausführungsform besteht darin, daß das Detektorarray
linienhaft ausgebildet ist, daß es um den Untersuchungskörper
drehbar angeordnet und in Richtung auf diesen
oder von diesen weg verschiebbar ist.
Nach einer vierten Ausführungsform ist das Detektorarray
durch einen Einzeldetektor ersetzt, der das vorgesehene
Volumen in bezug auf Amplitude und Phase abtastet.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei
dem vorliegenden Verfahren die Bildrekonstruktion unter
Berücksichtigung der Vielfachstreuung durchgeführt. Da
Amplitude und Phase des bestreuten Wellenfeldes gemessen
werden, ist - in Analogie zur Optik - die Bildrekonstruktion
holographischer Natur. Hierfür besonders geeignete
mathematische Operationen werden im folgenden angegeben.
Da zur Bilderzeugung somit die Mehrfachstreuung
berücksichtigt wird, kann - wie Simulationsrechnungen
bestätigt haben - die Epsilon-Verteilung im Untersuchungskörper
präzise bestimmt werden. Damit ist es
möglich, das Verfahren insbesondere für die medizinische
Diagnostik einzusetzen.
Die weiter genannte Aufgabe wird bei einer Meßanordnung
zur Durchführung des Verfahrens dadurch gelöst, daß
das Mikrowellen-Detektorarray so ausgestaltet ist, daß
es die durchgelassene und gestreute Strahlung in dem
vorgegebenen Volumen nach Amplitude und Phase erfaßt.
Besonders bevorzugt ist hierbei eine Ausführungsform,
bei der das Mikrowellen-Detektorarray flächenhaft ausgebildet
ist, und bei der eine Einrichtung zur linearen
Verschiebung des Mikrowellen-Detektorarrays vorgesehen
ist. Dabei können die Einzeldetektoren dieses
Detektorarrays insbesondere auf einer ebenen Fläche
angeordnet sein. Auch können sie, wie an sich aus der
Radartechnik bekannt, als Dipolantennen ausgebildet
werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer
Figur dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Meßanordnung zur Bestimmung der
Verteilung der Dielektrizitätskonstanten in einem Untersuchungskörper.
Allerdings soll bereits hier schon betont
werden, daß diese Meßanordnung im Prinzip auch
zur Messung der Verteilung der Schallgeschwindigkeit
in einem Untersuchungskörper verwendet werden kann. Die
hierfür erforderlichen Modifikationen sind weiter unten
näher ausgeführt.
Die Meßanordnung umfaßt einen Mikrowellensender 2, der
aus einem HF-Oszillator 4, einem nachgeschalteten Verstärker
6 und einer von dem Verstärker 6 betriebenen,
(um den Untersuchungskörper drehbaren) Sendeantenne 8
besteht. Dieser Sender 2 erzeugt entweder gepulst
oder kontinuierlich Mikrowellenstrahlung. Die von
der Sendeantenne 8 abgegebenen Wellen müssen dabei
nicht ebene Wellen sein; sie können prinzipiell ein
beliebiges Wellenfeld bilden. Aus Gründen der wellenlängen-
begrenzten Auflösung und der Eindringtiefe ist
eine Hochfrequenz f von wenigen Giga-Hertz angebracht.
Im Prinzip könnten dem Verstärker 6 auch mehrere Sendeantennen
8 elektrisch nachgeschaltet sein.
Die von dem Mikrowellensender 2 abgegebene Strahlung
10 trifft im Meßbetrieb auf einen zu untersuchenden
Körper 12 auf und tritt mit ihm in Wechselwirkung.
Die vom Untersuchungskörper 12 durchgelassene und gestreute
Strahlung trifft auf ein Mikrowellen-Detektorarray
14 auf. Dieses enthält eine Vielzahl von Einzeldetektoren
oder Mikrowellen-Empfangsantennen 14 a, vorzugsweise
angeordnet in einer ebenen Fläche F. Das
Mikrowellen-Detektorarray 14 ist mittels einer (nicht
gezeigten) Vorrichtung linear verschiebbar. Diese Verschiebbarkeit
ist durch einen Doppelpfeil 16 angedeutet.
Die jeweilige Position 1 wird mit einem Positionsgeber
17, insbesondere auf berührungslosen Wege, ermittelt.
Beim Verschieben um die Strecke Δ 1 wird vom
Mikrowellen-Detektorarray 14 ein vorgegebenes Volumen
Δ V = F·Δ1 durchfahren. Die einzelnen Detektoren 14 a
des Detektorarrays 14 sind imstande, Ausgangssignale
abzugeben, die das auffallende elektromagnetische
Strahlungsfeld am Ort des betreffenden Detektors 14 a
nach Amplitude und Zeit charakterisieren. Die Ausgangssignale
der Detektoren 14 a dieses Detektorarrays 14
werden nacheinander mit Hilfe eines Multiplexers 18,
der auch einen Vorverstärker beinhalten kann, abgefragt.
Das so gebildete Ausgangssignal A wird einen Verstärker
20 zugeleitet.
Im Prinzip könnte jedem Einzelcharakter 14 a des Detektorarrays
14 auch ein eigener Verstärker zugeordnet
sein. Dadurch würde sich allerdings der Anwand erhöhen.
Das verstärkte Ausgangssignal A wird in einem phasenempfindlichen
Detektor 22 mit einem Referenz-Signal RS,
das vom HF-Oszillator 4 abgeleitet ist, verglichen. Der
Vergleich liefert die Amplitude und die relative Phase
bezüglich des HF-Oszillator-Ausgangssignals. Diese
Größen werden durch zwei Ausgangssignale P (für Phase)
und H (für Amplitude) angezeigt. Die beiden Ausgangs-
Signale P und H sind einer Analog-Digital-Umsetzereinheit
24 zugeführt. Hier werden sie in die entsprechenden
digitalen Signale umgesetzt. Diese Ausgangssignale
werden über einen Umschalter 26 entweder einem
Speicher 28 für Eichmeßdaten ψ o oder einem Datenspeicher
30 für Streufelddaten ψ s zugeleitet. Im Prinzip
kann sich an den Ausgang der Analog-Digital-Umsetzereinheit
24 auch nur ein einziger Datenspeicher höheren
Speicherinhalts anschließen. Im ersten Datenspeicher 28
werden die in einer Eichphase ohne Untersuchungskörper
12 gewonnenen Daten gespeichert, währen im zweiten
Datenspeicher 30 diejenigen Daten abgelegt werden, die
während der eigentlichen Untersuchungsphase gewonnen
werden. Die Ausgänge der beiden Speicher 28, 30 sind
mit einem Rechner 32 verbunden. Hier werden die Daten
der beiden Speicher 28, 30 miteinander verknüpft, wie
im folgenden noch näher dargelegt werden wird. Dabei
wird die jeweilige Position 1 berücksichtigt. Der
Rechner 32 ermittelt die Verteilung der Dielektrizitätskonstanten
Epsilon im Untersuchungskörper 12. Er ist
ausgangsseitig mit einer Bildausgabeeinheit 34 oder
einem anderen Aufzeichnungsgerät verbunden.
Der Rechner 32 bildet auch ein Steuersignal C für den
Betrieb des HF-Oszillators 4. Dieses Steuersignal C
wird dem HF-Oszillator über eine Leitung 36 zugeführt.
Zum Nachweis der vom Untersuchungskörper 12 durchgelassenen
und gestreuten Strahlung dient, wie bereits
ausgeführt, das Mikrowellen-Detektorarray 14. Die
Einzeldetektoren 14 a des Detektorarrays 14 können auf
einer ebenen, einer zylinderförmigen oder einer kugelförmigen
Fläche angeordnet sein. Vorliegend ist eine
ebene Fläche F gewählt. Die Verschiebung innerhalb
der Strecke Δ 1 erfolgt in kleinen Schritten. Bei jedem
Schritt wird ein Satz Daten (Amplitude, Phase)
für den Ort jedes Detektorelements 14 a ermittelt.
Um eine optimale Auflösung zu erreichen, sollte das
Detektorarray 14 einen möglichst großen Raumwinkel
erfassen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Detektorarray
14 um den Untersuchungskörper 12 herumzuführen.
Dies geschieht zweckmäßigerweise schrittweise auf einer
Kreisbahn und ist durch einen Doppelpfeil 40 angedeutet.
Bei einer solchen Ausführungsform kommt man mit verhältnismäßig
wenig Einzelementen 14 a aus. Lineare
Bewegungs- und Drehbewegungsmöglichkeit des Detektorarrays
14 sind also in diesem Fall gleichzeitig vorgesehen.
In jeder Drehwinkelstellung kann für jeden linearen
Schritt ein Satz Daten (Amplitude, Phase) für den
Ort eines jeden Detektorelements 14 a aufgenommen werden.
Ein Winkelstellungsgeber 41 stellt die jeweilige
Drehwinkelstellung α fest. Diese Drehwinkelstellung α
wird ebenfalls dem Rechner 32 mitgeteilt.
Das Detektorarray 14 im Zusammenhang mit dem phasenempfindlichen
Detektor 22 ist also vorwiegend in der
Lage, sowohl Amplitude H aus auch Phase P des Streufeldes
relativ zu dem festen Referenz-Signal RS zu messen.
Die Verwendung eines Antennenarrays, also einer fest
verdrahteten Antennenordnung auf einer Fläche, ist
wichtig für eine kurze Meßwerterfassungszeit und eine
hohe Meßgenauigkeit. Mit einer üblichen Einzelantenne
wären im Scanbetrieb bereits aus mechanischen Gründen
die erforderliche Meßgenauigkeit und Meßzeit nur unzureichend
zu erzielen.
Im Betrieb der Meßanordnung wird zunächst eine Eichmessung
ohne Untersuchungskörper 12 und dann erst die eigentliche
Messung am Untersuchungskörper 12 durchgeführt. Dabei
wird zunächst bei der Eichmessung Mikrowellenstrahlung,
die am vorgesehenen Ort des Untersuchungskörpers
12 auftrifft, nach Amplitude und Phase erfaßt und in
dem ersten Speicher 28 abgelegt. Für die Eichmessung
wird vorliegend dasselbe Detektorarray 14 wie für die
eigentliche Messung verwendet. Prinzipiell könnte auch
ein geometrisch andersgeartetes Array von Detektoren
verwendet werden. Das Detektorarray 14 steht bei dieser
Eichmessung am vorgesehenen Ort des Untersuchungskörpers.
Wie erwähnt werden also zunächst die Eichmeßdaten nach
A/D-Wandlung dem ersten Datenspeicher 28 (oder einem gemeinsamen
Speicher) zugeführt. Bei der eigentlichen
Messung werden dann die Meßdaten dem zweiten Datenspeicher
30 zugeleitet. Aus beiden Gruppen von Meßdaten
erzeugt der Rechner 32, vorzugweise mit Hilfe
des unten beschriebenen Rekonstruktions-Algorithmus,
die gewünschte dreidimensionale räumliche Verteilung
der komplexen Dielektrizitätskonstanten. Diese dreidimensionale
Verteilung kann auf der Bildausgabeeinheit
34 dargestellt werden. Dabei können eine räumliche
Darstellung oder aber auch zweidimensionale
Schnittbilder der dreidimensionalen Verteilung gewählt
werden.
Die Anordnung aus Sendeantenne 8, Untersuchungskörper 12
und Detektorarray 14 befindet sich in einem Behälter 44,
das mit einem Koppelmedium 46 großer Dielektrizitätskonstante
gefüllt ist. Dabei kann es sich zum Beispiel um
Alkohol, Öl, Gummi oder aber insbesondere um Wasser
mit ε = 80 handeln. Dadurch wird zum einen eine günstige
Ankopplung der Mikrowellenenergie an den Untersuchungskörper
12 und zum anderen eine möglichst große Wellenlängen-
Verkürzung gegenüber der Vakuumwellenlänge der
verwendeten Mikrowellenstrahlung erreicht.
Die mathematische Grundlage zur her verwendeten Bilderstellung
ist die inhomogene (skalare)Helmholtz-Gleichung.
Die exakte Lösung dazu ist die Lippmann-Schwinger-Integral-
Gleichung:
wobei ψ o das einlaufende Wellenfeld,G die Greensfunktion
der Helmholtz-Gleichung und V( r ) das Streupotential
bezeichnet. V ist durch die dielektrischen Eigenschaften
des Untersuchungskörpers 12 und des umgebenden
Koppel-Mediums 46 bestimmt:
ε bezeichnet die Dielektrizitätskonstante des umgebenden
homogenen Koppel-Mediums 46 und ε( r ) die entsprechende
ε-Verteilung im Untersuchungskörper 12. ω ist die
Kreisfrequenz 2 π f, wobei f die Frequenz der verwendeten
Mikrowellenstrahlung ist.
Die Permeabilität µ ist im biologischen Bereich etwa
µ = µ( r ) = 1. Mit c ist die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet.
Ziel des Abbildungsverfahrens ist es, ε( r ) aus den gemessenen
Wellenfeldern ψ( r ) zu ermitteln. Eine Näherungslösung
zur Gleichung (1) ist die Born'sche Näherung,
die man erhält, indem man das Feld ψ unter dem Integral
durch das ungestörte einlaufende Feld ψ o ersetzt. Wie
bereits erwähnt, ist diese Näherung für die medizinische
Diagnostik unzureichend.
Eine geschlossene Lösung von Gleichung (1) ist möglich,
da der Untersuchungskörper 12 und damit das Streupotential
V( r ) endlich ist, d. h. V( r ) = 0 für ≦Χεθβαθ r ≦Χεθβαθ ≦λτ R . R ist
dabei der Radius einer Kugel, die den Körper 12 ohne
Einschluß der Einzeldetektoren 14 a vollständig umschließt.
Daher kann die Gleichung (1) in zwei Gleichungen
(3a), (3b) separiert werden, nämlich eine für das
beobachtete Streufeld ψ S = ψ-ψ o und eine für das
interne Feld ψ int im Bereich des Untersuchungskörpers
12 (≦Χεθβαθ r ≦Χεθβαθ ≦ωτ R):
Diese Kurzschreibweise entspricht der in der Quantenmechanik
üblichen Operatorformulierung, d. h. die genannten
Größen können, müssen aber nicht Matrizen sein.
Die Lösung der Gleichungen (3a), (3b) ist:
ist hierbei der Einheitsoperator.
Wenn also das Streufeld ψ S und das ungestörte einlaufende
Feld ψ o gemessen sind, kann V( r ) vom Rechner 32 berechnet
werden. Danach kann - nach Umformung von Gleichung
(2) - vom Rechner 32 ε( r ) berechnet werden. Die
für die Berechnung der Greensfunktionen G S und G T notwendigen
Parameter (Abstände, Wellenzahl, etc.) sind
durch die Sende- und Detektoranordnung und die Sendefrequenz
f bestimmt.
Bei der Berechnung der ε-Verteilung über Gleichung (2)
und (4) können zwei Darstellungen verwendet werden:
In diesem Fall sind die Greensfunktionen G S und G T nichtdiagonal,
und die numerische Berechnung von V nach
Gleichung (4) erfordert die Inversion der entsprechenden
Matrizendarstellungen. Für eine hohe Anzahl von Meßwerten,
d. h. bei großen Untersuchungskörpern schon bei
geringer Auflösung und bei kleinen Untersuchungskörpern
und hoher räumlicher Auflösung und bei kleinen Untersuchungskörpern
und hoher räumlicher Auflösung, ist die Rechenmethode
nicht angemessen, da die Matrixinversion mit der
heutigen Rechentechnik lange Rechenzeiten und großen
Speicherbedarf erfordert.
Die andere Rechenmethode zur Berechnung von V nach Gleichung
(4) erhält man durch dreidimensionale Fouriertansformation
der in den Gleichungen (3 a) und (3 b) enthaltenen
Größen. Da jeder Greensoperator G T , G S im
Fourierraum diagonal ist, kann damit die Matrixinversion
umgangen werden, d. h. G -1 in Gleichung (4) bedeutet
lediglich eine Division mit den entsprechenden
Fourierkomponenten von G S , G T . Der Einsatz von FFT-
Techniken führt dabei auch bei hoher Anzahl von Meßwerten
zu vergleichsweise kurzen Rechenzeiten. Mit der Fouriertechnik
ist somit eine Art Echtzeit-Darstellung möglich.
Diese 2. Rechenmethode wird daher bei der Berechnung
im Rechner (32) vorgezogen.
Für den Einsatz der schnellen Fouriertechnik ist es notwendig,
entweder das Streufeld mit dem (im Prinzip dargestellten)
Detektorarray 14 in dem erwähnten dreidimensionalen
kartesischen Volumen zu messen, wobei die Verschiebbarkeit
in Richtung des Doppelpfeiles 16 sichergestellt
ist, oder aber auf anderem Wege (nicht gezeigt)
gewonnene Meßwerte auf ein dreidimensionales
kartesisches Raster unter Zuhilfenahme von Interpolationen
umzurechnen.
Auch bei der Ultraschall-Tomographie und Ultraschall-
Holographie führen merkliche Inhomogenitäten der Schallgeschwindigkeit
im Gewebe zu verminderter Bildqualität.
Die Ultraschallausbreitung kann ebenfalls in guter
Näherung durch die skalare Helmholtz-Gleichung beschrieben
werden. Daher ist - insbesondere bei Einsatz der
Fouriermethode - der Rekonstruktionsalgorithmus nach
Gleichung (2) und (4) auch für die Ultraschallbildgebung
anwendbar.
Mit anderen Worten: Das in der Figur gezeigte Prinzip
der Meßanordnung läßt sich auch auf das Gebiet der Ultraschall-
Technik übertragen. Die dargestellte Meßanordnung
kann dann zur Messung der Verteilung der Ultraschallgeschwindigkeit
im Untersuchungskörper 12
(anstelle der Messung der Verteilung der Dielektrizitätskonstanten)
dienen. Diese Ausführungsform soll
gleichfalls mit unter die Erfindung fallen. Somit ist
in der Beschreibung und in den Patentansprüchen jeweils
der Begriff "Mikrowellensender" auch als "Ultraschallsender",
der Begriff "Mikrowellen-Detektorarray" auch
als "Ultraschall-Detektorarray", das "Koppelmedium
hoher Dielektrizitätskonstante" gleichzeitig auch als
"Ultraschall-Koppelmedium", etc., zu verstehen.
Claims (17)
1. Verfahren zur Bestimmung der Verteilung der Dielektrizitätskonstanten
in einem Untersuchungskörper, bei dem
von einem Mikrowellensender ausgesandte Strahlung in den
Untersuchungskörper eingestrahlt wird, bei dem die vom
Untersuchungskörper durchgelassene und gestreute Strahlung
von einem Mikrowellen-Detektorarray nach Amplitude und
Phase nachgewiesen wird und bei dem aus dem Ausgangssignal
des Mikrowellen-Detektorarrays die Verteilung
der Dielektrizitätskonstanten berechnet und zur Bilddarstellung
gebracht wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die durchgelassene und gestreute
Strahlung in einem vorgegebenen Volumen (Δ V) nach Amplitude
und Phase erfaßt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das flächenhaft ausgebildete Mikrowellen-
Detektorarray (14) linear verschoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das flächenhaft ausgebildete Mikrowellen-
Detektorarray (14) sich um den Untersuchungskörper
(12) dreht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das linear ausgebildete
Mikrowellen-Detektorarray sich um den Untersuchungskörper
(12) oder von diesem weg bewegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß statt eines Mikrowellen-
Detektorarrays ein Einzeldetektor vorgesehen ist, der
das vorgegebene Volumen (Δ V) abtastet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zunächst
eine Eichmessung ohne Untersuchungskörper (12) und dann
erst die eigentliche Messung am Untersuchungskörper (12)
durchgeführt wird, wobei bei der Eichmessung Mikrowellen-
Strahlung, die am vorgesehenen Ort des Untersuchungskörpers
(12) auftrifft, nach Amplitude und Phase erfaßt und
in einem Speicher (28) abgelegt wird.
7. Verfahren zur Bestimmung der Verteilung der Dielektrizitätskonstanten
in einem Untersuchungskörper, insbesondere
nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die dreidimensionale
Verteilung der Dielektrizitätskonstanten (ε(r)) im
Untersuchungskörper (12) berechnet wird unter Verwendung
der folgenden Gleichungen:
und
wobei V( r ) das Streupotential, ω = 2 π f die Kreisfrequenz
der verwendeten Mikrowellen-Strahlung, c die
Lichtgeschwindigkeit, ε die Dielektrizitätskonstante des
Koppelmediums, µ und µ(r) die Permeabilität des Koppelmediums
bzw. des Untersuchungskörpers, G S und G T die
Greensfunktionen für die Ausbreitung der Mikrowellen-
Strahlung vom Untersuchungskörper zu einem Meßort im
vorgegebenen Volumen bzw. zwischen zwei Orten im Untersuchungskörper,
ψ o das einlaufende Strahlungsfeld am
Ort des Untersuchungskörper und ψ S das Streufeld am
Meßort bedeutet.
8. Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Mikrowellen-Detektorarray
(14) so ausgestaltet ist, daß es die durchgelassene
und gestreute Strahlung in dem vorgegebenen
Volumen (Δ V) nach Amplitude und Phase erfaßt.
9. Meßanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Mikrowellen-Detektorarray
(14) flächenhaft ausgebildet ist, und daß eine Einrichtung
(16) zur linearen Verschiebung des Mikrowellen-
Detektorarrays (14) vorgesehen ist.
10. Meßanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einzeldetektoren (14 a)
des Mikrowellen-Detektorarrays (14) auf einer ebenen
Fläche angeordnet sind.
11. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß als
Einzeldetektoren (14 a) des Mikrowellen-Detektorarrays
(14) Dipolantennen vorgesehen sind.
12. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Mikrowellensender (8), der Untersuchungskörper (12) und
das Mikrowellen-Detektorarray (14) gemeinsam in einem
Koppelmedium (46) hoher Dielektrizitätskonstanten
untergebracht sind.
13. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß zum
Betrieb des Mikrowellensenders (8) eine HF-Oszillator
(4) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal als Referenz-
Signal (RS) einem phasenempfindlichen Detektor (22) zugeführt
ist, dessen Eingang vom Ausgangssignal (A) des
Mikrowellen-Detektorarrays (14) beaufschlagt ist.
14. Meßanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal (P, H)
des phasenempfindlichen Detektors (22) über einen Analog-
Digital-Wandler (24) einem Speicher (28, 30) zugeführt
ist.
15. Meßanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal des
Analog-Digital-Wandlers (24) wahlweise einem Speicher (28)
für Eichmeßdaten oder einem Speicher (30) für Meßdaten
vom Untersuchungskörper (12) zugeführt ist.
16. Meßanordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ausgang des Speichers
(28, 30) an einen Rechner (32) angeschlossen ist,
der zur Berechnung der dreidimensionalen Verteilung der
Dielektrizitätskonstanten (ε(r)) vorgesehen und mit
Monitor (34) verbunden ist.
17. Meßanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rechner (32) zur Bildung
eines Steuerungssignals (C) eingerichtet ist, das
den HF-Oszillator (4) beaufschlagt.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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