DE3610439C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung einer Geschwindigkeitsverteilung einer Strömung in einer Ebene eines Untersuchungsobjekts. Sie betrifft ferner ein Gerät zur Darstellung einer Geschwindigkeitsverteilung in einer Ebene eines Untersuchungsobjekts.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Gerät für die Bilddarstellung von Gefäßarchitekturen in Organen, z. B. Leber und Niere, eines Patienten.

Bekannterweise bestehen die Nachteile der Röntgen-Angiographie darin, daß der apparative Aufwand verhältnismäßig groß ist und daß umständliche Vorbereitungsarbeiten sowohl technischer als auch physiologischer Art erforderlich sind, wie z. B. das Einbringen eines Kontrastmittels in die abzubildenden Gefäße, gründliche Untersuchung des Patienten vor Anwendung des Verfahrens, insbesondere seines Kreislaufs, usw. Weitere Nachteile sind darin zu sehen, daß der Kreislauf des Patienten durch das Kontrastmittel verhältnismäßig lange und stark einer Belastung unterworfen wird, daß die Injektion schmerzhaft ist, daß der Patient durch die Röntgenstrahlen belastet wird, und daß die Angiographie nur von einem Arzt mit Spezialausbildung durchgeführt werden kann. Weiterhin ist eine Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit des fließenden Mediums (z. B. Blut) nur während des Vordringens des Kontrastmittels durch laufende Bildaufnahmen zu ermitteln.

Diese Nachteile werden bei einem Dopplerbild-Darstellungsverfahren weitgehend vermieden. Dabei wird ein Ultraschallechosignal im Hinblick auf den Dopplereffekt, der durch das fließende Medium hervorgerufen wird, ausgewertet. Ein solches Vorgehen ist beispielsweise in der DE-OS 20 39 453 beschrieben.

Ein Ultraschallgerät zur Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung einer Strömung in einer Ebene ist außerdem aus der europäischen Offenlegungsschrift 01 00 094 bekannt. Beim bekannten Gerät wird von einem Ultraschall-Array ein Ultraschallimpuls ausgesendet; dieser wird an Grenzflächen im Patienten reflektiert. Blutkörperchen stellen dabei sich bewegende Grenzflächen dar. Aufgrund dieser Bewegung wird der reflektierte Ultraschallimpuls in seiner Frequenz beeinflußt. Eine Analyse des Frequenzspektrums des Echosignals ermöglicht es, Rückschlüsse auf die Geschwindigkeit des strömenden Bluts zu ziehen. Aufgrund physikalischer Gegebenheiten ist es dabei lediglich möglich, diejenige Geschwindigkeitskomponente zu ermitteln, welche in Abstrahlrichtung des Ultraschallimpulses liegt. So werden auch nach der EP-OS 01 00 094 lediglich Ultraschall-Dopplerbilder dargestellt, welche eine einzige Geschwindigkeitskomponente mit ihrem Vorzeichen wiedergeben. Das Vorzeichen zeigt dabei an, ob das Medium von dem Ultraschall- Array wegfließt oder auf das Ultraschall-Array zufließt. Nachteilig ist es, daß bei einem Blutfluß senkrecht zur Abstrahlrichtung keine Geschwindigkeitskomponente registriert und dargestellt werden kann. Dieses schränkt die Diagnosemöglichkeit und Diagnosesicherheit des Ultraschallgeräts ein.

Die US-PS 40 62 237 beschreibt ein Verfahren, mit dem zwei oder drei Komponenten der Geschwindigkeit einer Blutströmung an einem einzigen Ort in einem Untersuchungsgebiet gemessen werden können. Dazu sind sowohl Ultraschall-Sendewandler als auch Ultraschall-Empfangswandler in einer ebenen Fläche angeordnet. Die Sende- und Empfangswandler sind auf einen Meßpunkt im Untersuchungsgebiet fokussiert. Sie arbeiten im Dauerbetrieb (cs-mode). Auf einem Bildschirm wird ein Strömungsprofil der am Meßort vorhandenen Strömung dargestellt. Eine bildliche Darstellung des Blutflusses in einer Schnittebene ist mit diesem Gerät jedoch nicht möglich. Daher werden zur Orientierung zusätzlich zum Strömungsprofil zwei senkrecht aufeinander stehende B-Bilder, in denen der Meßort liegt, dargestellt.

In der DE-OS 34 17 418 ist eine Vorrichtung zur Untersuchung der Durchblutung menschlicher Körperteile angegeben, die aus den empfangenen Dopplersignalen ein Schnittbild erstellt und auf einem Bildgerät anzeigt. Zur Schnittbilderstellung werden von jedem Meßort mehrere Dopplersignale aus unterschiedlichen Richtungen gewonnen und ortsrichtig addiert. Durch die unterschiedlichen Abtastwinkel soll das Problem der Einstrahlwinkelabhängigkeit der Intensität der Dopplerverschiebung relativiert werden. Informationen über die Abtastrichtung selbst werden nicht verarbeitet, daher kann zusätzlich zu der Geschwindigkeitsinformation die Strömungsrichtung nicht dargestellt werden.

Die US-PS 43 73 533 offenbart ein Ultraschallgerät mit einer Ultraschallsonde, in der ein Ultraschall-Array zur Gewinnung eines B-Bildes und ein senkrecht dazu angeordnetes Ultraschall- Array zur Gewinnung von Blutflußinformation vorgesehen ist. Das Ultraschall-Array zur Blutflußmessung ist gegenüber dem Ultraschall- Array zur Blutflußmessung ist gegenüber dem Ultraschall- Array zur B-Bild-Gewinnung gekippt, damit sich die Abtastebenen beider Arrays schneiden. Die Blutflußinformationen werden nur für eine Abtastrichtung ermittelt, so daß mit diesem Gerät von der Strömung nur die Geschwindigkeitskomponente in Abtastrichtung gewonnen werden kann. Senkrecht dazu auftretende Geschwindigkeitskomponenten können nicht erfaßt werden. Informationen über die Strömungsrichtung werden ebenfalls nicht gewonnen.

Die Erfindung geht aus von der Überlegung, daß man mit einem Dopplerbild-Darstellungsgerät nach einer Winkelverschiebung der Abstrahlrichtung auch solche Strömungen erfassen kann, die vorher senkrecht zur Abstrahlrichtung gelegen hatten und nicht meßbar waren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine Vektordarstellung der Geschwindigkeitsverteilung in einer Ebene eines Untersuchungsobjekts ermöglicht. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Gerät anzugeben, das eine Vektordarstellung der Geschwindigkeit in einer Ebene eines Untersuchungsobjekts ermöglicht.

Die erstgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit folgenden Schritten gelöst:

• - aus einer ersten Richtung wird ein erstes Dopplerschnittbild der Ebene aufgenommen
• - aus einer zweiten Richtung, welche in der Ebene unter einem Winkel zur ersten Richtung liegt, wird ein zweites Dopplerschnittbild der Ebene aufgenommen,
• - das erste Dopplerschnittbild wird mit dem zweiten Dopplerschnittbild ortsrichtig und richtungsgerecht zu Geschwindigkeitsvektorsignalen kombiniert und
• - die resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignale werden ortsrichtig auf einem Bildschirmgerät dargestellt.

Aus den zwei Dopplerinformationen aus unterschiedlichen Richtungen sind zwei Geschwindigkeitskomponenten ableitbar, die in einer fest vorgegebenen Winkelbeziehung zueinander stehen. Der zugehörige zweidimensionale Geschwindigkeitsvektor läßt sich bestimmen und auf dem Bildschirm nach Amplitude und Richtung darstellen.

Die zweitgenannte Aufgabe wird zum einen durch ein Ultraschallgerät gelöst mit:

• - einem Ultraschall-Array, das in einer Ebene in einer ersten und zweiten Abstrahlrichtung ausrichtbar ist und zum Empfang von ersten und zweiten Ultraschallechosignalen aus der Ebene vorgesehen ist, wobei die zweite Abstrahlrichtung unter einem Winkel zur ersten Abstrahlrichtung liegt,
• - einer Auswerteschaltung, in der aus den Dopplersignalen der ersten und zweiten Ultraschallechosignale erste und zweite Geschwindigkeitskomponenten ableitbar sind,
• - einem Bildspeicher, in dem die ersten Geschwindigkeitskomponenten gespeichert werden,
• - einer Summiereinrichtung, wobei dem Eingang der Summiereinrichtung die ersten und die zweiten Geschwindigkeitskomponenten zugeführt sind, welche Summiereinrichtung die Geschwindigkeitskomponenten ortsrichtig und richtungsgerecht zu resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignalen kombiniert, und
• - einem Bildschirmgerät, wobei die resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignale zur ortsrichtigen Darstellung auf dem Bildschirmgerät vorgesehen sind.

So ist es möglich, ein bekanntes Ultraschall-Dopplergerät lediglich unter Hinzunahme eines Bildspeichers und eines Summiergliedes dahingehend zu betreiben, daß die Geschwindigkeitsverteilung des fließenden Mediums in zweidimensionaler Form auf dem Bildschirm dargestellt wird.

Die zweitgenannte Aufgabe wird zum anderen durch ein Ultraschallgerät gelöst mit:

• - einem ersten Ultraschall-Array, das in der Ebene eine erste Abstrahlrichtung aufweist und zum Empfang von ersten Ultraschallechosignalen aus der Ebene vorgesehen ist,
• - einer ersten Auswerteschaltung, in der aus den Dopplersignalen der ersten Ultraschallechosignale erste Geschwindigkeitskomponenten ableitbar sind,
• - einem zweiten Ultraschall-Array, das in der Ebene eine zweite Abstrahlrichtung aufweist, welche in der Ebene unter einem Winkel zur ersten Abstrahlrichtung liegt, und das zum Empfang von zweiten Ultraschallechosignalen vorgesehen ist,
• - einer zweiten Auswerteschaltung, in der aus den Dopplersignalen der zweiten Ultraschallechosignale zweite Geschwindigkeitskomponenten ableitbar sind,
• - einer Summiereinrichtung, wobei dem Eingang der Summiereinrichtung die ersten und zweiten Geschwindigkeitskomponenten zugeführt sind, welche Summiereinrichtung die Geschwindigkeitskomponenten ortsrichtig und richtungsgerecht zu resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignalen kombiniert, und
• - einem Bildschirmgerät, wobei die resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignalen ortsrichtig und richtungsgerecht zu resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignalen kombiniert, und
• - einem Bildschirmgerät, wobei die resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignale zur ortsrichtigen Darstellung auf dem Bildschirmgerät vorgesehen sind.

Neben dem bereits erwähnten Vorteil, einen zweidimensionalen Geschwindigkeitsvektor auf dem Bildschirm darstellen zu können, kommt bei diesem Ultraschallgerät als Vorteil hinzu, daß dieses Dopplerbild als Echtzeitbild vorliegt. Die erste und zweite Geschwindigkeitskomponente fallen in rascher Aufeinanderfolge an und können in der Summiereinrichtung laufend zu dem resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignal verarbeitet werden.

Sowohl das Verfahren als auch die beiden Ultraschallgeräte weisen den Vorteil auf, daß Strömungen in der Untersuchungsebene sicher und richtungsgenau dargestellt werden können. Das Ergebnis hängt nicht mehr von einer einzigen Geschwindigkeitskomponente dieser Strömung ab. Es bleiben lediglich solche Strömungskomponenten unberücksichtigt, die senkrecht zu der Untersuchungsebene liegen. Damit ist eine genauere und informativere Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung im Untersuchungsquerschnitt möglich als bei Vorliegen lediglich einer einzigen Geschwindigkeitskomponente.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die Ultraschall-Arrays um das Untersuchungsobjekt herumgeführt werden, daß dabei an jedem Untersuchungsobjektpunkt an den eine Strömung existiert, eine Mehrzahl von Geschwindigkeitsvektorsignalen aus jeweils unterschiedlichen Richtungen erfaßt werden und daß alle aus den unterschiedlichen Richtungen gemessenen Geschwindigkeitsvektorsignale zu einem statistisch gemittelten Geschwindigkeitsvektorsignal verarbeitet werden.

Vorteil dieses Gerätes ist neben den bekannten Vorteilen der Tomographie, wie z. B. statistische Sicherung des Ergebnisses, gute räumliche Auflösung, etc., auch eine verbesserte spektrale Dopplerauflösung und eine verbesserte Festzielunterdrückung. Unter Festzielunterdrückung wird dabei verstanden, daß alle feststehenden, also für das Dopplerbild unerwünschten Objektteile, wie z. B. Knochen und nicht durchblutetes Gewebe, aus der Bilddarstellung eliminiert werden.

Man kann das hier zugrundeliegende Prinzip auch so beschreiben: Es wird das Konzept der Computer-Tomographie mit Ultraschall auf die Erfassung von Dopplersignalen erweitert und zur Darstellung von Untersuchungsobjekten, insbesondere von Gefäßarchitekturen in Organen, wie der Niere oder Leber, angewendet.

Ausführungsarten der Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung zum Betrieb eines Ultraschall-Dopplergerätes mit einem einzigen Ultraschall-Array,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zum Betrieb eines Ultraschall-Dopplergerätes mit zwei Arrays, und

Fig. 3 und 4 Vektordiagramme zum verwendeten Algorithmus.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Querschnitt aus einem Untersuchungsobjekt bezeichnet. Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen menschlichen Patienten, und der Objektquerschnitt 1 erfaßt beispielsweise eine Niere. Es soll ein zweidimensionales (2D) Doppler-Bild dieser Querschnittsebene 1 erzeugt werden, wobei die einzelnen Geschwindigkeitskomponenten des Blutflusses in Gefäßen und in komplizierten Gefäßarchitekturen, welche das Organ (z. B. die Niere) durchsetzen, repräsentiert werden.

Die lineare Schallwandlergruppe oder das Ultraschall- Array 3 (mit Wandlerachse 4) eines Ultraschall-Dopplergeräts ist in einer ersten Position so ausgerichtet, daß die Ausbreitung der Ultraschallimpulse entlang seiner Abstrahlrichtung 5 beim Abtasten (Scan) nahezu den gesamten Querschnitt 1 des Patienten abdeckt. Das Ultraschall- Array 3 ist auf einem Bogen, vorzugsweise einem Kreisbogen, der mit einem Pfeil 7 angedeutet ist, um den Patienten schwenkbar. Das Zentrum des Bogens fällt dabei etwa mit dem Zentrum oder Schwerpunkt des Querschnitts 1 zusammen. Nach einem einmaligen Schwenken um den fest vorgegebenen Winkel α ist das Ultraschall-Array 3 wieder auf den Querschnitt 1 ausgerichtet, allerdings mit einer anderen Abstrahlrichtung 9. Der Winkel α sollte zwischen 10 und 170° liegen, wobei bevorzugt ein Winkel von 90° einzustellen ist. Die geschwenkte (zweite) Position des Ultraschall-Arrays 3 ist vorliegend gestrichelt angedeutet und mit 3′ bezeichnet; der Winkel α beträgt dabei etwa α = 45°.

Das Ultraschall-Array 3 ist mit einer Auswerteschaltung 11 verbunden. In der Auswerteschaltung 11 wird aus einem jeden eintreffenden Ultraschallechosignal die darin befindliche Dopplerinformation herausgefiltert. Diese Vorgehensweise ist an sich im Stand der Technik bekannt und braucht daher nicht näher erläutert zu werden. Das resultierende Signal wird als Dopplersignal D bezeichnet. Bei direkter Darstellung auf einem Bildschirm wäre es z. B. in der Ausgangsposition des Arrays 3 in bekannter Weise imstande, ein zweidimensionales (2D-) Doppler-Bild zu erzeugen, das die Querschnittsebene 1 in Richtung 5 abbildet und die zur Wandlerachse 4 normalen positiven und negativen Geschwindigkeitskomponenten des Blutflusses in den Gefäßen des Organs (Niere, Leber) repräsentiert.

Die Auswerteschaltung 11 ist ausgangsseitig mit dem Eingang 12 eines Bildspeichers 13 verbunden, in welchen die ermittelten Dopplersignale D eingeschrieben werden. Der Bildspeicher 13 weist einen Ausgang 15 auf, der mit dem ersten Eingang einer Summiereinrichtung 17 verbunden ist. In der Summiereinrichtung 17 werden die ersten und zweiten Dopplerbilder entsprechend dem später anhand der Fig. 3 und 4 beschriebenen Algorithums richtungsgerecht kombiniert. Der zweite Eingang der Summiereinrichtung 17 ist über eine Leitung 18 mit der Auswerteschaltung 11 verbunden. Die Summiereinrichtung 17 besitzt einen Ausgang 19, der sowohl mit dem Eingang 12 des Bildspeichers 13 als auch mit einem Bildschirmgerät 21 verbunden ist.

Die Auswerteschaltung 11 ist so konzipiert, daß sie lediglich zu Beginn des Dopplerbild-Meßvorgangs, d. h. in der ersten Position, den Bildspeicher 13 mit dem Dopplersignal D bedient. Ansonsten wird in den Eingang 12 des Bildspeichers 13 das am Ausgang 19 der Summiereinrichtung 17 anliegende, aufsummierte Dopplersignal Dp eingeschrieben. Die Steuerung wird durch Steuersignale am Ausgang 24 einer zentralen Steuereinrichtung 25 bewirkt.

Das Verfahren zur Doppler-Bildaufnahme mit diesem an sich bekannten Ultraschall-Dopplergerät, das allerdings zusätzlich den Bildspeicher 13 und zusätzlich die Summiereinrichtung 17 aufweist, läuft folgendermaßen ab. In der ersten Stellung, also unter der Abstrahlrichtung 5, werden die ermittelten Dopplersignale D, die ein erstes Dopplerbild darstellen, in den Bildspeicher 13 eingeschrieben. In diesem ersten Dopplerbild sind lediglich diejenigen Geschwindigkeitskomponenten des Blutes in der Querschnittsebene 1 enthalten, welche in Richtung der Abstrahlrichtung 5 oder entgegengesetzt zur Abstrahlrichtung 5 weisen. Dieses erste Dopplerbild wird auf dem Bildschirm 21 dargestellt. Anschließend wird das Ultraschall-Array 3 um den vorgegebenen Winkel α entlang des Bogens 7 verschoben. Es wird in der nun erreichten zweiten Stellung ein zweites Dopplerbild aufgenommen, wobei diesmal lediglich die Geschwindigkeitskomponenten des Blutes in der Querschnittsebene 1 erfaßt werden, die in Richtung der Abstrahlrichtung 9 oder entgegengesetzt dazu verlaufen. Diese Dopplersignale D′ werden über die Leitung 18 an den zweiten Eingang der Summiereinrichtung 17 gegeben. Gleichzeitig wird das Dopplersignal Dm, welches aufgrund der ersten Messung unter der Abstrahlrichtung 5 gewonnen und abgespeichert wurde, an den ersten Eingang der Summiereinrichtung 17 gegeben.

Die Eingabe der beiden Dopplersignale D′, Dm in die Summiereinrichtung 17 erfolgt unter Steuerung der zentralen Steuereinrichtung 25, und zwar unter Berücksichtigung der Richtungen 5, 9 für jeden Untersuchungspunkt im Querschnitt 1 getrennt. Die Ansteuerung und Verknüpfung der Signale ist aus der Computertomographie an sich bekannt. Es muß hier lediglich berücksichtigt werden, daß nicht skalare Größen, wie z. B. die Dämpfung oder die Relaxationszeit, entsprechend den bekannten Tomographieverfahren zu verarbeiten sind, sondern vektorielle Größen, die auch gleichzeitig noch eine Richtungsinformation besitzen. Auf den in der Summiereinrichtung 17 anzuwendenden Algorithmus wird später näher eingegangen.

Am Ausgang 19 der Summiereinrichtung 17 steht ein Geschwindigkeitsvektorsignal als aufsummiertes Dopplersignal D_p zur Verfügung, welches Punkt für Punkt durch Addition der beiden Geschwindigkeitskomponenten errechnet wurde. Dieses resultierende Geschwindigkeitsvektorsignal D_p wird zum einen unter Löschung des zuvor gespeicherten Dopplersignals D_m in den Bildspeicher 13 eingeschrieben und zum anderen auf dem Bildschirm 21 zur Darstellung gebracht. Auf dem Bildschirm 21 ist nun als resultierendes Dopplerbild die Geschwindigkeitsverteilung in dem Querschnitt 1 ersichtlich. Diese Geschwindigkeitsverteilung wird hier auch "Durchblutungsmuster" oder "Gefäßarchitektur" genannt. Sie ist z. B. von Bedeutung, wenn eine transplantierte Niere dahingehend untersucht werden soll, ob Abstoßungsreaktionen im Körper aufgetreten sind. Anhand der dargestellten Geschwindigkeitsvektorsignale lassen sich Richtung und Amplitude von Blutströmungen und damit Durchblutungsstörungen diagnostizieren. Es besteht somit vorliegend die Möglichkeit, das gesamte Durchblutungsmuster des Querschnitts 1 in einer Bildebene darzustellen.

Das dargestellte Ergebnis kann statistisch noch sicherer gemacht werden, wenn das Ultraschall-Array 3 ein weiteres Mal, z. B. um einen Winkel β, verschoben wird. Das in Fig. 1 gestrichelt gezeichnete Ultraschall-Array, das in dieser dritten Position mit 3″ bezeichnet ist, weist dann eine weitere Abstrahlrichtung 23 auf, und die ermittelten Dopplersignale D″ beinhalten die Geschwindigkeitskomponenten der Geschwindigkeitsverteilung unter dieser weiteren Abstrahlrichtung 23. Diese Dopplersignale D″ werden über die Leitung 18 in den zweiten Eingang der Summiereinrichtung 17 gegeben. In den ersten Eingang der Summiereinrichtung 17 werden die im Bildspeicher 13 eingeschriebenen, in diesem Fall unter Berücksichtigung der Abstrahlrichtungen 5 und 9 gewonnenen Dopplersignale D_m eingegeben. Nach Durchführung der richtungsgerechten Summation steht am Ausgang 19 wiederum ein resultierendes Geschwindigkeitsvektorsignal oder Dopplersignal D_p zur Verfügung. Dieses ist nun unter rechnerischer Berücksichtigung der Meßergebnisse aus drei Abstrahlrichtungen 5, 9, 23 zustandegekommen. Dieses resultierende Geschwindigkeitsvektorsignal D_p wird wiederum sowohl in den Bildspeicher 13 eingeschrieben als auch auf dem Bildschirmgerät 21 zur Anzeige gebracht.

Dieses Verfahren läßt sich in beliebig vielen Winkeleinstellungen und damit in beliebig vielen Abstrahlrichtungen wiederholen. Mit wachsender Anzahl der Winkelpositionen wird das dargestellte Geschwindigkeitsvektorsignal immer sicherer. Die nützlichen Informationen über die Geschwindigkeitsverteilung summieren sich auf, und die auftretenden Artefakte subtrahieren sich aus dem aufsummierten Dopplersignal D_p heraus.

Es soll noch angemerkt werden, daß es zweckmäßig ist, die Einzel-Doppler-Bilder in jeder Winkelposition sequentiell in Synchronismus mit dem Herzfrequenzzyklus des Patienten zu gewinnen, d. h. jeweils in einer definierten Phase dieses Zyklus.

In Fig. 2 ist ein Ultraschall-Dopplergerät gezeigt, welches ein erstes stationäres Ultraschall-Array 50 und ein zweites stationäres Ultraschall-Array 52 aufweist. Das erste Ultraschall-Array 50 besitzt eine erste Abstrahlrichtung 54, die auf den Querschnitt 1 eines Untersuchungsobjektes weist. Der Querschnitt 1 ist wiederum z. B. ein Querschnitt durch einen Patienten in Höhe der Niere. Das zweite Ultraschall-Array 52 besitzt eine zweite Abstrahlrichtung 56. Die beiden Abstrahlrichtungen 54, 56 liegen um einen vorgegebenen Winkel α auseinander. Es lassen sich verschiedene Betriebsarten realisieren. In einer Betriebsart werden die beiden Arrays 50, 52 sequentiell bei gleicher Ultraschallfrequenz in rascher zeitlicher Aufeinanderfolge betreiben, so daß ein Echtzeitbetrieb möglich ist. In einer weiteren Betriebsart werden beide Arrays 50, 52 mit verschiedenen Ultraschallfrequenzen synchron betrieben. Auch in diesem Fall ist Echtzeitbetrieb möglich.

Das erste Ultraschall-Array 50 ist an eine erste Auswerteschaltung 58 und das zweite Ultraschall-Array 52 an eine zweite Auswerteschaltung 60 angeschlossen. Die Auswerteschaltungen 58, 60 ermitteln wiederum die Information über die Geschwindigkeitskomponenten oder Dopplersignale D1, D2 zu den zugeordneten Abstrahlrichtungen 54 bzw. 56. Die ersten und zweiten Geschwindigkeitskomponenten in Form der Dopplersignale D1, D2 sind auf die Eingänge einer Summiereinrichtung 62 gegeben. Am Ausgang 63 der Summiereinrichtung 62 liegt ein resultierendes Geschwindigkeitsvektorsignal als richtungsgerecht aufsummiertes Dopplersignal an. Das Geschwindigkeitsvektorsignal wird auf dem Schirm eines Bildschirmgeräts 64 dargestellt.

Bei diesem Ultraschall-Dopplergerät werden die aus den Dopplersignalen abgeleiteten Informationen, also die erste und zweite Geschwindigkeitskomponente D1, D2, im Echtzeitverfahren gleichzeitig oder in rascher zeitlicher Aufeinanderfolge auf die Summiereinrichtung 62 gegeben. Neben den bei Fig. 1 erwähnten Vorteilen kommt hier also der Vorteil der Echtzeit-Darstellung hinzu.

Es ist möglich, ein (gestrichelt gezeichnetes) winkelversetztes drittes Ultraschall-Array 66 mit Auswerteschaltung 68 und ggf. auch noch weitere Ultraschall-Arrays hinzuzufügen. Die Summiereinrichtung 62 weist dann entsprechend der Anzahl der Ultraschall-Arrays 50, 52, 66 drei oder mehr Eingänge auf. Auch ist es möglich, die gesamte Anordnung von zwei Ultraschall-Arrays 50, 52 starr miteinander zu verbinden und entlang eines Bogens (nicht gezeigt) um das Untersuchungsobjekt herumzuführen. Den einzelnen Winkelpositionen werden dann wieder zweidimensionale Dopplerbilder zugeordnet. Es entsteht (analog einem tomographischen Verfahren) ein resultierendes zweidimensionales Dopplerbild, wobei letzteres quantitativ alle Vektorkomponenten des Blutflußvektorfeldes innerhalb des dargestellten Querschnitts 1 enthält. Dieses resultierende Dopplerbild wird durch hardwaremäßige oder softwaremäßige, quantitative Kombination der Einzel-Dopplerbilder ermittelt.

Es soll noch erwähnt werden, daß es zweckmäßig ist, zur Freigabe von Ultraschall-Sendeimpulsen für die Ultraschall- Arrays eine Einrichtung zur Abgabe von Triggerimpulsen vozusehen. Diese Einrichtung zur Abgabe von Triggerimpulsen kann - wie voranstehend bereits angedeutet - vorzugsweise ein EKG-Gerät sein, welches zu gleichen Bewegungsphasen der Herzrhythmusbewegung immer ein Triggersignal abgibt. Es kommt aber auch eine Triggerung, die aus der Lungenbewegung abgeleitet ist, infrage.

Die Bilddarstellung des Dopplersignals oder des resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignals auf dem Bildschirmgerät 21, 64 kann prinzipiell auf zwei unterschiedliche Arten vorgenommen werden. Zum einen ist es möglich, ein Farbbildgerät zu wählen und die Flußrichtungen in Farben einzuteilen, so z. B. rot für einen Winkel 0°, grün für einen Winkel 120° und blau für einen Winkel 240°, und die dazwischenliegenden Winkelbereiche jeweils farblich abzustufen. Dann kann der Beobachter des Farbbildgeräts aus der Farbe des jeweiligen Bildpunktes einen Rückschluß auf die Strömungsrichtung ziehen. Die Amplitude der Strömung kann durch Änderung der Helligkeit des Farbpunktes, z. B. je heller, desto schneller die Strömung, veranschaulicht werden. Ein resultierendes Bild sieht dann ähnlich aus wie eine Landkarte, bei der hohe Gebirge durch ein dunkleres Braun dargestellt werden als niedrige, und bei der tiefe Gewässer durch ein dunkleres Blau veranschaulicht werden als flache Gewässer. Zum anderen besteht die Möglichkeit, bei der Darstellung auf dem Bildschirm mit Pfeilen zu arbeiten. Aus der Pfeilrichtung ergibt sich dann die Richtung der Blutströmung und aus der Länge des Pfeils die Amplitude.

Die technischen Voraussetzungen zur Durchführung der ersten Möglichkeit sind an sich aus der Farbbildtechnik, z. B. von der analogen RGB (Rot-Grün-Blau) Ansteuerung bei Farbmonitoren, bekannt. Bei der zweiten Möglichkeit ist es zweckmäßig, eine vorgegebene Anzahl von Pixeln des Bildschirms zusammenzufassen zu einem gemeinsamen Vektorpixel. Mit Hilfe dieses Vektorpixels wird dann das resultierende Geschwindigkeitsvektorsignal oder Dopplersignal D_p dargestellt. So z. B. können jeweils neun quadratisch angeordnete Bildpixelpunkte zur Darstellung je eines Geschwindigkeitsvektorsignals oder Dopplersignals D_p vorgesehen sein. Wenn eine größere Genauigkeit in der Darstellung gewünscht wird, können auch 16 Bildpixelpunkte den gemeinsamen Vektorpixel bilden. Eine solche Vorgehensweise ist zu vertreten, da die aus dem Ultraschallechosignal gewonnene Dopplerinformation ohnehin nicht so hoch aufgelöst ist wie ein üblicher skalierter Wert z. B. beim konventionellen B-Bildverfahren. Das heißt, die Kapazität eines gegebenen Bildschirms an verfügbaren Pixeln ist an sich für ein Dopplerbild überdimensioniert. Man kann also ohne weiteres eine Mehrzahl von räumlich benachbarten Pixel zusammenfassen und jeweils zur Darstellung eines einzigen Geschwindigkeitsvektorsignals verwenden. Die Pfeildarstellung wird um so genauer, je mehr Pixel zur Zusammensetzung des Geschwindigkeitsvektorsignals verwendet werden können.

Abschließend soll noch auf einen zweckmäßigen Algorithmus eingegangen werden, wie er zur Bildung des Dopplersignals D_p herangezogen werden kann. Dabei müssen zwei Fälle unterschieden werden. Im ersten Fall wird aus den zwei Geschwindigkeitskomponenten das resultierende Geschwindigkeitsvektorsignal abgeleitet. Im zweiten Fall oder Dopplersignalen D ein gemeinsames Dopplersignal D_p gebildet.

Für den bevorzugten Fall, daß der Winkel α = 90° beträgt, wird die Aufsummierung der Geschwindigkeitskomponenten für jedes Pixel beispielsweise unter Anwendung des folgenden Algorithmus vorgenommen:

ϕ = (l - sign v₅) π/2 + arc tan (v₉/v₅).

Dabei stellt v₅ die in Ausbreitungsrichtung 5 gemessene Geschwindigkeitskomponente dar und v₉ die in Ausbreitungsrichtung 9 gemessene Geschwindigkeitskomponente.

Der Winkel ϕ bezeichnet dann die Richtung des Geschwindigkeitsvektors in bezug zur Richtung 9.

Den Betrag des Geschwindigkeitsvektors enthält man beispielsweise durch:

Für den komplizierten Fall von Winkel α ≠ 90° kann die Aufsummierung der Geschwindigkeitskomponenten beispielsweise unter Anwendung des folgenden Algorithmus vorgenommen werden:

Ein Geschwindigkeitsvektor in einer Ebene, die durch die kartesischen Koordinaten x und y beschrieben wird, ist durch einen bestimmten Betrag ||- und durch eine bestimmte Richtung ϕ gekennzeichnet (Bild 3). Dieser Vektor läßt sich aus den beiden Vektorkomponenten v_x und v_y zusammensetzen. Sind diese beiden Vektorkomponenten V_x, V_y nach Betrag und Vorzeichen bekannt, so sind auch Betrag und Richtung des Gesamtvektors eindeutig bestimmt. v_x und v_y lassen sich nun mittels Dopplermessungen aus zwei verschiedenen Richtungen (Fig. 4) bestimmen. Die Messung aus Richtung 1 (Winkel ϕ₁ in bezug auf die x-Achse) ergibt den Geschwindigkeitsvektor ₁ nach Betrag und Vorzeichen. Die Meßgröße ist demgemäß eine Zahl v₁, die ein positives oder negatives Vorzeichen haben kann und die Dimension einer Geschwindigkeit besitzt. Eine zweite Messung aus der Winkelrichtung ϕ₂ ergibt entsprechend eine Zahl v₂. Der Winkel zwischen den beiden Meßrichtungen sei dabei α = ϕ₂-ϕ₁. Die Vektorkomponenten v_x und v_y sind dann durch folgende Gleichungen zu bestimmen:

Der Zusammenhang zwischen diesen Komponenten und dem Betrag und der Richtung des Geschwindigkeitsvektors ist:

Die angegebenen Formeln lassen erkennen, daß Winkel von α = 0° und α = 180° unbrauchbar sind. Es sind Winkelbereiche von etwa α = 10° bis 170° sinnvoll. Ein im Hinblick auf die Meßgenauigkeit optimaler Winkel ist α = 90°. Der Algorithmus ist auf jedes Pixel der darzustellenden Schnittebene anwendbar.

Bei der Messung aus mehr als zwei Richtungen lassen sich jeweils zwei Messungen zu einem Paar zusammenfassen. Jedes einzelne Paar führt dann gemäß dem Algorithmus von Ziffer 1 zu dem gesuchten Geschwindigkeitsvektorfeld. Aus diesen Einzelergebnissen kann dann durch Mittelwertbildung für jedes Pixel ein genauerer Wert für den Geschwindigkeitsvektor (Betrag, Richtung) bestimmt werden.

Claims (16)

1. Verfahren zur Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung einer Strömung in einer Ebene (1) eines Untersuchungsobjekts mit folgenden Schritten:

• - aus einer ersten Richtung (5, 54) wird ein erstes Dopplerbild (D, D1) der Ebene (1) aufgenommen,
• - aus einer zweiten Richtung (9, 56), welche in der Ebene (1) unter einem Winkel (α) zur ersten Richtung (5, 54) liegt, wird ein zweites Dopplerbild (D′, D2) der Ebene (1) aufgenommen,
• - das erste Dopplerbbild (D, D1) wird mit dem zweiten Dopplerbild (D′, D2) ortsrichtig und richtungsgerecht zu Geschwindigkeitsvektorsignale (Dp, ) kombiniert und
• - die resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignale (Dp, ) werden ortsrichtig auf einem Bildschirmgerät (21, 62) dargestellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsvektorsignale (Dp, ) als Farbpunkte auf einem Farbbildgerät dargestellt werden, wobei die Strömungsrichtung durch die Farbe und die Amplitude durch die Helligkeit der Farbpunkte charakterisiert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander mit einem Ultraschall-Array (3) das erste und das zweite Dopplerbild (D bzw. D′) erzeugt werden, daß das erste Dopplerbild (D) in einen Speicher (13) eingeschrieben wird und daß das gespeicherte Dopplerbild (Dm) gleichzeitig mit dem zweiten Dopplerbild (D′) zur ortsrichtigen und richtungsgerechten Kombination einer Summiereinrichtung (17) zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dopplerbild (D1) mit einem ersten Ultraschall-Array (50) und das zweite Dopplerbild (D2) mit einem zweiten Ultraschall-Array (52) erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ultraschall-Arrays (50, 52) sequentiell bei gleicher Ultraschallfrequenz in rascher zeitlicher Aufeinanderfolge zur Echtzeitdarstellung der Geschwindigkeitsvektorsignale (Dp, ) betrieben werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ultraschall-Arrays (50, 52) mit verschiedenen Ultraschallfrequenzen synchron betrieben werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschall-Arrays (3, 50, 52) um das Untersuchungsobjekt herumgeführt werden, daß dabei an jedem Untersuchungsobjektpunkt, an dem die Strömung existiert, eine Mehrzahl von Geschwindigkeitsvektorsignalen aus jeweils unterschiedlichen Richtungen erfaßt werden und daß alle aus den unterschiedlichen Richtungen gemessenen Geschwindigkeitsvektorsignale (Dp, ) verarbeitet werden.

8. Ultraschallgerät zur Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung einer Strömung in einer Ebene (1) eines Untersuchungsobjekts mit

• - einem Ultraschall-Array (3), das in einer Ebene (1) in einer ersten und zweiten Abstrahlrichtung (5 bzw. 9) ausrichtbar ist und zum Empfang von ersten und zweiten Ultraschallechosignalen aus der Ebene (1) vorgesehen ist, wobei die zweite Abstrahlrichtung (9) unter einem Winkel (α) zur ersten Abstrahlrichtung (5) liegt,
• - einer Auswerteschaltung (11), in der aus den Dopplersignalen der ersten und zweiten Ultraschallechosignale erste und zweite Geschwindigkeitskomponenten (D, D′) ableitbar sind,
• - einem Bildspeicher (1), in dem die ersten Geschwindigkeitskomponenten (D) gespeichert werden,
• - einer Summiereinrichtung (17), wobei dem Eingang der Summiereinrichtung (17) die ersten und die zweiten Geschwindigkeitskomponenten (Dm, D′) zugeführt sind, welche Summiereinrichtung (17) die Geschwindigkeitskomponenten (Dm, D′) ortsrichtig und richtungsgerecht zu resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignalen (Dp) kombiniert, und
• - einem Bildschirmgerät (21), wobei die resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignale (Dp) zur ortsrichtigen Darstellung auf dem Bildschirmgerät (21) vorgesehen sind.

9. Ultraschallgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschall-Array (3) bogenförmig führbar ist.

10. Ultraschallgerät zur Darstellung der Geschwindigkeitsverteilung einer Strömung in einer Ebene (1) eines Untersuchungsobjekts mit

• - einem ersten Ultraschall-Array (54), das in der Ebene (1) eine erste Abstrahlrichtung aufweist und zum Empfang von ersten Ultraschallechosignalen aus der Ebene (1) vorgesehen ist,
• - einer ersten Auswerteschaltung (58), in der aus den Dopplersignalen der ersten Ultraschallechosignale erste Geschwindigkeitskomponenten (D1) ableitbar sind,
• - einem zweiten Ultraschall-Array (52), das in der Ebene (1) eine zweite Abstrahlrichtung (56) aufweist, welche in der Ebene (1) unter einem Winkel (α) zur ersten Abstrahlrichtung (54) liegt, und das zum Empfang von zweiten Ultraschallechosignalen vorgesehen ist,
• - einer zweiten Auswerteschaltung (60), in der aus den Dopplersignalen der zweiten Ultraschallechosignale zweite Geschwindigkeitskomponenten (D2) ableitbar sind,
• - einer Summiereinrichtung (52), wobei dem Eingang der Summiereinrichtung (52) die ersten und die zweiten Geschwindigkeitskomponenten (D1 bzw. D2) zugeführt sind, welche Summiereinrichtung (60) die Geschwindigkeitskomponenten (D1, D2) ortsrichtig und richtungsgerecht zu resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignalen () kombiniert, und
• - einem Bildschirmgerät (54), wobei die resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignale () zur ortsrichtigen Darstellung auf dem Bildschirmgerät (64) vorgesehen sind.

11. Ultraschallgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite Ultraschall-Array (50, 52) bogenförmig führbar ist.

12. Ultraschallgerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, das das erste Ultraschall-Array (50) mit einer zum zweiten Ultraschall-Array (52) unterschiedlichen Ultraschallfrequenz betrieben wird.

13. Ultraschallgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) zwischen 10° und 170° und bevorzugt 90° beträgt.

14. Ultraschallgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Freigabe von Ultraschall-Sendeimpulsen für die Ultraschall-Arrays (3, 50, 52) eine Einrichtung zur Abgabe von Tripperimpulsen, insbesondere ein EKG-Gerät, vorgesehen ist.

15. Ultraschallgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Bildschirm eine Vielzahl von Pixeln darstellbar ist, und daß eine vorgegebene Zahl benachbarter Pixel zusammengefaßt sind, die ein gemeinsames Vektorpixel zur Darstellung des resultierenden Geschwindigkeitsvektorsignals (Dp, ) bilden.

16. Ultraschallgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils neun quadratisch angeordnete Pixel zur Darstellung je eines Geschwindigkeitsvektorsignals (Dp, ) vorgesehen sind.