DE3643548A1

DE3643548A1 - Ultraschall-empfangsgeraet zur kontrastmittelerkennung

Info

Publication number: DE3643548A1
Application number: DE19863643548
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Med Schlief; Hans Dr Rer Nat Kaarmann
Original assignee: Siemens AG; Schering AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1986-12-19
Publication date: 1988-06-30
Anticipated expiration: 2006-12-20
Also published as: DE3643548C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Empfangsgerät zur Erken nung eines ein Kontrastmittel enthaltenden Raumes in einem Ge webe aus einem Ultraschall-Echosignal.

Es ist bekannt, einem Patienten ein Ultraschall-Kontrastmittel einzuspritzen, welches spezifische Veränderungen des Ultra schall-Impulsechos verursacht. Ein solches Kontrastmittel ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 33 24 754 bekannt. Das Kontrastmittel enthält dabei kontrastgebende Mi krobläschen, die sich in ihren akustischen Eigenschaften von denen des Körpergewebes unterscheiden. Die speziellen Verände rungen des Ultraschall-Echoimpulses sind bedingt durch unphy siologische Streueigenschaften, Absorptionseigenschaften und Resonanzphänomene, die in Abhängigkeit vor allem von der Fre quenz, der Impulsdauer, der Pulswiederholfrequenz und der In tensität des verwendeten Ultraschallimpulses einerseits sowie der kontrastgebenden Substanz, insbesondere der Durchmesser und Konzentration der Mikrobläschen, andererseits abhängen.

Vorrichtungen zur Erkennung von Kontrastmittel enthaltenden Räumen, wie z.B. Adern, Venen und anderen Blutgefäßen, sind an sich aus der Röntgentechnik, z.B. aus der Subtraktionsangio graphie unter Verwendung einer Masken-Subtraktion, bekannt. Die Erfindung geht aus von der Überlegung, daß die Darstellung von Räumen, die von einem Kontrastmittel gefüllt oder durchflossen sind, mit Hilfe der den Körper weniger belastenden Ultraschall technik wünschenswert und möglich ist. Allerdings muß ein ge eignetes Ultraschall-Kontrastmittel zur Verfügung stehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ultraschall-Empfangsgerät an zugeben, bei welchem mit Ultraschall-Kontrastmittel gefüllte oder von diesem durchflossene Gebiete direkt und selektiv dar stellbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ul traschall-Echosignal als Eingangssignal zwei Bandpaßfiltern mit unterschiedlicher Mittenfrequenz zugeführt ist, daß jedes band paßgefilterte Signal einem Hüllkurvenbildner zugeführt ist, dessen Hüllkurven-Ausgangssignal an den ersten bzw. zweiten Eingang eines Dividiergliedes angelegt ist, daß das Ausgangs signal des Dividiergliedes einem Differentiator zur Bildung der zeitlichen Ableitung zugeführt ist, daß das Ausgangssignal des Differentiators an den ersten Eingang eines Komparators gelegt ist, an dessen zweitem Eingang ein vorgegebener Signalwert an liegt, und daß am Ausgang des Komparators als Ausgangssignal ein Steuersignal abgegriffen ist, welches beim Über- und Unter schreiten des vorgegebenen Signalwertes durch das Ausgangssi gnal des Differentiators seinen Betrag ändert und so das Vor liegen des Kontrastmittels im Raum im Gewebe signalisiert.

Bei dieser Lösung wird sich die Erkenntnis zunutze gemacht, daß in Gebieten mit einem Ultraschall-Kontrastmittel im Gegensatz zu reinen Gebieten mit biologischem Gewebe die Absorption des Ultraschallimpulses bei niedrigeren Frequenzen größer ist als bei höheren Frequenzen. Demzufolge werden aus dem Ultraschall- Echosignal mit Hilfe der Bandpaßfilter zum einen höhere und zum anderen niedrigere Frequenzanteile herausgefiltert. Diese wer den zueinander ins Verhältnis gesetzt, und der Quotient wird nach der Zeit differenziert. Im normalen Körpergewebe wird die ser Quotient mit größer werdender Eindringtiefe stetig größer. In Gebieten mit Kontrastmittel dagegen verkleinert er sich. Durch den Vergleich des Quotienten im Komparator mit dem vor gegebenen Signalwert lassen sich die Ultraschallechos, bei wel chen der genannte Anstieg des Quotienten erfolgt, ermitteln.

Als Vorteile ergeben sich eine gute Kontrastverstärkung und die Möglichkeit zur isolierten Darstellung von vom Kontrastmittel gefüllten oder durchflossenen Räumen. Im Gegensatz zur Subtrak tionangiographie ergibt sich ein im Realtime-Verfahren zu be treibendes Empfangsgerät. Darüber hinaus zeigt sich eine Ver besserung der Bildgebung durch "Homogenisierung" eines un ruhigen Textur-Musters in kontrastierten Gebieten.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 ein Übersichtsschaltbild eines Ultraschall-Empfangsge rätes zur Erkennung von Räumen, die ein Kontrastmittel enthalten, und

Fig. 2 einige ausgewählte Signalverläufe im Ultraschall-Emp fangsgerät.

Nach der Fig. 1 bildet eine Ultraschall-Empfangsschaltung 1 ein Ultraschall-Echosignal S mit Hilfe eines Breitband-Ultraschall wandlers 3. Das Ultraschall-Sendegerät, das konventioneller Na tur ist, ist vorliegend nicht gezeigt. Das Echosignal S ist ein Hochfrequenzsignal, das eventuell bereits tiefenabhängig ver stärkt ist. Es wird auf einen Knotenpunkt 5 gegeben, von wel chem ein erster und ein zweiter Filterzweig 7 bzw. 9 abzweigt. Der erste Filterzweig 7 enthält ein erstes Bandpaßfilter 11 mit der Mittenfrequenz f 1 (Ausgangssignal S′₁) und nachgeschaltet einen ersten Hüllkurvenbildner 13. Die Hüllkurve wird dabei im einfachsten Fall durch Weglassen der negativen Halbwellen ge bildet. Sie kann aber auch durch "Hochklappen" derselben gebil det werden. Das Ausgangssignal S ₁ des ersten Hüllkurvenbildners 13 wird dem ersten Eingang 15 eines Dividiergliedes 17 zuge führt.

Der zweite Filterzweig 9 enthält analog hierzu ein zweites Bandpaßfilter 19 mit der Mittenfrequenz f 2 (Ausgangssignal S′₂) und nachgeschaltet einen zweiten Hüllkurvenbildner 21, dessen Ausgangssignal S ₂ dem zweiten Eingang 23 des Dividiergliedes 17 zugeführt ist. Die Mittenfrequenzen f ₁, f ₂ der beiden Bandpaß filter 11, 19 liegen zwischen ca. 0,5 und 2,5 MHz auseinander. Bei einem Ultraschallsendeimpuls von z.B. 3,5 MHz betragen die Mittenfrequenzen f ₁, f ₂ beispielsweise 2,5 bzw. 4 MHz, und die Bandbreiten betragen beispielsweise 0,5 MHz bis 1,0 MHz.

Das Dividierglied 17 bildet den Quotienten der beiden Ausgangs signale S ₁ und S ₂ der Hüllkurvenbildner 13 bzw. 21. Das Aus gangssignal S ₃ des Dividiergliedes 17 wird auf einen Differen tiator 25 gegeben. Der Differentiator 25 bildet die zeitliche Ableitung des Ausgangssignales S ₃ des Dividiergliedes 17. Die Zeitkonstante τ des Differentiators 25 beträgt vorzugsweise das Ein- bis Zweifache der Wellenlänge des Ultraschall-Echosi gnales S. Am Ausgang des Differentiators 25 ergibt sich ein Ausgangssignal S ₄, das dem ersten Eingang 27 eines Komparators 29 zugeleitet wird. Der zweite Eingang 31 des Komparators 29 ist mit einem vorgegebenen Signalwert X belegt. Der Komparator 29 weist einen Ausgang 33 auf, an welchem als Ausgangssignal ein Steuersignal S ₅ abgegriffen wird. Dieses signalisiert das Vorliegen oder Nicht-Vorliegen eines Gewebebereiches mit Kon trastmittel. Der vorgegebene Signalwert X am zweiten Eingang 31 des Komparators 29 weist z.B. den Wert Null auf. Das Steuersi gnal S ₅ zeigt vorzugsweise digital an, ob das Ausgangssignal S ₄ des Differentiators 25 den vorgegebenen Signalwert X über- oder unterschritten hat. Zweckmäßigerweise wird das digitale Steuer signal S ₅ zum Ausblenden oder zum farblichen Unterlegen eines Ultraschall-Bildbereiches auf einem Bildschirm herangezogen. Dies kann so geschehen, daß parallel zur Aufzeichnung das Si gnal der Ultraschallbildzeile mit dem Steuersignal S ₅ in einer Weise so verknüpft wird, daß die Ultraschallzeile im Bereich des angezeigten Kontrastmittels ausgetastet wird. Hat bei spielsweise das Steuersignal S ₂ den Wert "0" an Stellen, an denen in der beschriebenen Weise das Ultraschallkontrastmittel detektiert wird, und sonst den Wert "1", so kann die angegebe ne Verknüpfung eine Multiplikation sein. Entsprechend könnte statt einer Austastung auch eine farbige Kennzeichnung der Ul traschallbildzeile auf einem Farbmonitor in den Bereichen des detektierten Kontrastmittels erfolgen, wobei die Information der Helligkeitsamplituden erhalten bliebe.

In Fig. 2 sind die Ausgangssignale S ₁ bis S ₄ in logarithmischem Maßstab in Abhängigkeit von der Tiefe z oder von der Zeit dar gestellt. Auf der Abzisse ist also die Eindringtiefe z, aus welcher die Ultraschallechos reflektiert werden, aufgetragen. Am Ort der Eindringtiefe z=0 sind die Abstrahlfläche und die Empfangsfläche des Breitband-Ultraschallwandlers 3 plaziert. Zwischen den Eindringtiefen z 0 und z 1 befindet sich im vorlie genden Beispiel ein Gebiet (z.B. Blutgefäß) mit Kontrastmittel. Davor und dahinter liegt normales Gewebe.

Der Signalverlauf S ₁, der die niedrigen Frequenzanteile des empfangenen Ultraschall-Echosignales repräsentiert, ist in Fig. 2 logarithmisch dargestellt. S 0 ist dabei eine Konstante, die als Normiergröße dient. Das Ausgangssignal S ₂, das die höher frequenten Anteile des empfangenen Ultraschall-Echosignales S enthält, ist in der zweiten Kurve dargestellt. Die dritte Kurve S ₃ ∼ log S ₁/S ₂ zeigt den Quotienten der niederfrequenten Anteile zu den höherfrequenten Anteilen. Die Kurve S ₃ ist die zeitliche Ableitung des Ausgangssignales S ₃ : S ₄ ∼ d/dt (log S ₁/S ₂). Die zeitliche Ableitung entspricht dabei einer Ableitung nach der Eindringtiefe Z, da den Laufzeiten der Ultraschallechos die Eindringtiefen Z fest zugeordnet werden können.

Die Ausgangssignale S ₁ und S ₂ weisen im normalen Medium eine konstant zunehmende Dämpfung auf, die beim Ausgangssignal S ₂, also bei den höheren Frequenzanteilen, stärker ausfällt als bei den niederen Frequenzanteilen des Ultraschall-Echosignales S. Dieser Sachverhalt ist im Bereich des Kontrastmittels, also zwischen den Tiefen z 0 und z 1, umgekehrt: Bei K werden die nie derfrequenten Anteile, die dem Ausgangssignal S ₁ entsprechen, stärker gedämpft als bei L die höherfrequenten Anteile des Ultraschall-Echosignales S, die vom Ausgangssignal S ₂ reprä sentiert werden. Bei der Differenz der beiden logarithmischen Kurven, dem Ausgangssignal S ₃ des Dividiergliedes 17, resul tiert dies in einem Anstieg im Bereich des Kontrastmittels (Verlauf M). Durch Vergleich des Ausgangssignales S ₃ des Divi diergliedes 17 mit dem vorgegebenen Wert X im Komparator 29 wird das Ausgangssignal S ₄ ermittelt (s. letzter Kurvengang in Fig. 2). Es entspricht der Steigung des Ausgangssignales S ₃. Es weist im normalen Gewebe zunächst einen konstanten Wert A auf, welcher im Bereich z 0 bis z 1 des Kontrastmittels auf den kon stanten Wert -B springt. Danach nimmt es wieder den konstanten Wert A an.

Der Verlauf des Ausgangssignales S ₃ würde - wenn er abweichend von der Darstellung positiv aufgetragen wäre - erst ein Anstei gen des Quotienten zur Folge haben, da die Differenz zwischen den beiden Ausgangssignalen S ₁ und S ₂ mit zunehmender Eindring tiefe z immer größer wird. Im Verlauf des Kontrastmittels von 0 bis 1 würde dieser Quotient kleiner, da sich hier die Dämp fungseigenschaften umdrehen. Nach Verlassen des Kontrastmit tels, also wieder im normalen Gewebe, würde der Quotient wieder kontinuierlich zunehmen. Der Übersichtlichkeit halber wurde der Kurvenverlauf des Ausgangssignales S ₃ negativ dargestellt.

Vorteil der Ultraschall-Empfangsschaltung 1 ist die selektive Detektion und Signalverarbeitung der Ultraschallechos im Kon trastmittelbereich zwischen z 1 und z 0. Auf einem nachgeschalte ten Bildschirm ist die isolierte Darstellung von mit Kontrast mittel gefüllten oder davon durchflossenen Räumen, wie Blutge fäßen, möglich. Diese Darstellung kann im Echtzeit-Verfahren vorgenommen werden.

Claims

1. Ultraschall-Empfangsgerät zur Erkennung eines ein Kontrast mittel enthaltenden Raumes in einem Gewebe aus einem Ultra schall-Echosignal, dadurch gekennzeich net,
daß das Ultraschall-Echosignal als Eingangssignal (S) zwei Bandpaßfiltern (11, 19) mit unterschiedlicher Mittenfrequenz (f 1, f 2) zugeführt ist,
daß jedes bandpaßgefilterte Signal (S′₁, S′₂) einem Hüllkurven bildner (13, 21) zugeführt ist, dessen Hüllkurven-Ausgangssi gnal (S ₁, S ₂) an den ersten bzw. zweiten Eingang (15, 23) eines Dividiergliedes (17) angelegt ist,
daß das Ausgangssignal (S ₃) des Dividiergliedes (17) einem Dif ferentiator (25) zur Bildung der zeitlichen Ableitung zugeführt ist,
daß das Ausgangssignal (S ₄) des Differentiators (25) an den er sten Eingang (27) eines Komparators (29) gelegt ist, an dessen zweitem Eingang (31) ein vorgegebener Wert (X) anliegt, und
daß am Ausgang (33) des Komparators (29) ein Steuersignal (S ₅) als Ausgangssignal abgegriffen ist, welches beim Über- und Un terschreiten des vorgegebenen Signalwertes (X) durch das Aus gangssignal (S ₄) des Differentiators (25) seinen Betrag ändert und so das Vorliegen des Kontrastmittels im Raum im Gewebe signalisiert.

2. Ultraschall-Empfangsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittenfrequenzen (f 1, f 2) der beiden Bandpaßfilter (11, 19) zwischen 0,5 und 2,5 MHz auseinanderliegen.

3. Ultraschall-Empfangsgerät nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß der Differen tiator (25) mit einer Zeitkonstanten differenziert, die im Bereich der 1 bis 2fachen Wellenlänge des Ultraschall-Echo signales (S) liegt.

4. Ultraschall-Empfangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vor gegebene Signalwert (X) gleich Null ist.

5. Ultraschall-Empfangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer signal (S ₅) digital anzeigt, ob das Ausgangssignal (S ₄) des Differentiators (25) den vorgegebenen Signalwert (X) über- oder unterschritten hat.

6. Ultraschall-Empfangsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Steuersignal (S ₅) zum Ausblenden eines Ultraschall-Bildbereiches herange zogen ist.

7. Ultraschall-Empfangsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Steuersignal (S ₅) zum farblichen Unterlegen eines Ultraschall-Bildbereiches herangezogen ist.