DE3643548C2 - Ultraschall-Empfangsgerät zur Kontrastmittelerkennung - Google Patents

Description

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

Aus dem US Patent 4 572 203 ist bekannt, einem Patienten ein Ultraschall-Kontrastmittel einzuspritzen, welches spezifische Veränderungen eines Ultraschall-Impulsechos verursacht. Die Änderungen können mit einem herkömmlichen Ultraschallgerät sichtbar gemacht werden. Die verwendeten Kontrastmittel enthal­ ten kontrastgebende Mikrobläschen oder ein Metall umfassende Mikropartikel, die sich in ihren akustischen Eigenschaften von denen des Körpergewebes unterscheiden. Ein weiteres Kontrast­ mittel ist auch aus der deutschen Offenlegungsschrift 33 24 754 bekannt. Die speziellen Veränderungen des Ultraschall-Echoimpul­ ses sind bedingt durch unphysiologische Streueigenschaften, Ab­ sorptionseigenschaften und Resonanzphänomene, die in Abhängigkeit vor allem von der Frequenz, der Impulsdauer, der Pulswiederhol­ frequenz und der Intensität des verwendeten Ultraschallimpulses einerseits sowie der kontrastgebenden Substanz, insbesondere der Durchmesser und Konzentration der Mikrobläschen, andererseits ab­ hängen.

Aus den US Patent 4 534 359 ist ein Verfahren und ein Gerät be­ kannt, womit die Dämpfung von Ultraschallwellen in biologischen Geweben aus Ultraschall-Echosignalen bestimmt werden kann. Da­ bei wird die durch Absorption hervorgerufene Verschiebung eines Seitenbandes des demodulierten Echosignals ausgewertet. Die Pha­ senverschiebung des Seitenbandsignals wird detektiert und diffe­ renziert. Die differenzierte Phasenverschiebung ist ein Maß für die Frequenzänderung im Ultraschallsignal und damit für den Ab­ sorptionskoeffizient des von der Ultraschallwelle durchlaufenen Gewebes.

Der Artikel "Investigation of Methods to Estimate Ultrasonic Attenuation of Soft Tissue" von G. Salomonsson, L. Björkman, erschienen in IEEE Trans. on Biomedical Engineering, Vol. BME-32, No. 8, August 1985, pp. 583-591, analysiert Verfahren zur Abschätzung der Ultraschall-Dämpfung von weichem Gewebe. Sowohl Verfahren im Frequenzbereich wie Verfahren im Zeitbe­ reich werden auf systematische Fehler untersucht.

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 5 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 f₁ (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 S₁ 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 f₂ (Ausgangssignal S′₂) und nachgeschaltet einen zweiten Hüllkurvenbildner 21, dessen Ausgangssignal S₂ dem zweiten Eingang 23 des Dividiergliedes 17 zugeführt ist. Die Mittenfrequenzen f₁, f₂ 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 f₁, f₂ 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 S₁ und S₂ der Hüllkurvenbildner 13 bzw. 21. Das Aus­ gangssignal S₃ des Dividiergliedes 17 wird auf einen Differen­ tiator 25 gegeben. Der Differentiator 25 bildet die zeitliche Ableitung des Ausgangssignales S₃ 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 S₄, 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 S₅ 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 S₅ zeigt vorzugsweise digital an, ob das Ausgangssignal S₄ des Differentiators 25 den vorgegebenen Signalwert X über- oder unterschritten hat. Zweckmäßigerweise wird das digitale Steuer­ signal S₅ 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 S₅ in einer Weise so verknüpft wird, daß die Ultraschallzeile im Bereich des angezeigten Kontrastmittels ausgetastet wird. Hat bei­ spielsweise das Steuersignal S₂ 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 Multiplilkation 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 S₁ bis S₄ 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 z0 und z1 befindet sich im vorlie­ genden Beispiel ein Gebiet (z. B. Blutgefäß) mit Kontrastmittel. Davor und dahinter liegt normales Gewebe.

Der Signalverlauf S₁, der die niedrigen Frequenzanteile des empfangenen Ultraschall-Echosignales repräsentiert, ist in Fig. 2 logarithmisch dargestellt. S0 ist dabei eine Konstante, die als Normiergröße dient. Das Ausgangssignal S₂, das die höher­ frequenten Anteile des empfangenen Ultraschall-Echosignales S enthält, ist in der zweiten Kurve dargestellt. Die dritte Kurve S₃ ∼ log S₁/S₂ zeigt den Quotienten der niederfrequenten Anteile zu den höherfrequenten Anteilen. Die Kurve S₃ ist die zeitliche Ableitung des Ausgangssignales S₃:S₄ ∼ d/dt(log S₁/S₂). 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 S₁ und S₂ weisen im normalen Medium eine konstant zunehmende Dämpfung auf, die beim Ausgangssignal S₂, 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 z0 und z1, umgekehrt: Bei K werden die nie­ derfrequenten Anteile, die dem Ausgangssignal S₁ entsprechen, stärker gedämpft als bei L die höherfrequenten Anteile des Ultraschall-Echosignales S, die vom Ausgangssignal S₂ reprä­ sentiert werden. Bei der Differenz der beiden logarithmischen Kurven, dem Ausgangssignal S₃ des Dividiergliedes 17, resul­ tiert dies in einem Anstieg im Bereich des Kontrastmittels (Verlauf M). Durch Vergleich des Ausgangssignales S₃ des Divi­ diergliedes 17 mit dem vorgegebenen Wert X im Komparator 29 wird das Ausgangssignal S₄ ermittelt (s. letzter Kurvengang in Fig. 2). Es entspricht der Steigung des Ausgangssignales S₃. Es weist im normalen Gewebe zunächst einen konstanten Wert A auf, welcher im Bereich z0 bis z1 des Kontrastmittels auf den kon­ stanten Wert -B springt. Danach nimmt es wieder den konstanten Wert A an.

Der Verlauf des Ausgangssignales S₃ 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 S₁ und S₂ 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 S₃ negativ dargestellt.

Vorteil der Ultraschall-Empfangsschaltung 1 ist die selektive Detektion und Signalverarbeitung der Ultraschallechos im Kon­ trastmittelbereich zwischen z1 und z0. 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 (6)

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 (f₁, f₂) zugeführt ist,
daß jedes bandpaßgefilterte Signal (S′₁, S′₂) einem Hüllkurven­ bildner (13, 21) zugeführt ist, dessen Hüllkurven-Ausgangssi­ gnal (S₁, S₂) an den ersten bzw. zweiten Eingang (15, 23) eines Dividiergliedes (17) angelegt ist,
daß das Ausgangssignal (S₃) des Dividiergliedes (17) einem Dif­ ferentiator (25) zur Bildung der zeitlichen Ableitung zugeführt ist,
daß das Ausgangssignal (S₄) des Differentiators (25) an den er­ sten Eingang (27) eines Komparators (29) gelegt ist, an dessen zweitem Eingang (31) ein vorgegebener Signalwert (X) anliegt, und
daß am Ausgang (33) des Komparators (29) ein Steuersignal (S₅) als Ausgangssignal abgegriffen ist, welches beim Über- und Un­ terschreiten des vorgegebenen Signalwertes (X) durch das Aus­ gangssignal (S₄) 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 (f₁, f₂) der beiden Bandpaßfilter (11, 19) zwischen 0,5 und 2,5 MHz auseinanderliegen.

3. Ultraschall-Empfangsgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vor­ gegebene Signalwert (X) gleich Null ist.

4. Ultraschall-Empfangsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuer­ signal (S₅) digital anzeigt, ob das Ausgangssignal (S₄) des Differentiators (25) den vorgegebenen Signalwert (X) über- oder unterschritten hat.

5. Ultraschall-Empfangsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Steuersignal (S₅) zum Ausblenden eines Ultraschall-Bildbereiches herange­ zogen ist.

6. Ultraschall-Empfangsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Steuersignal (S₅) zum farblichen Unterlegen eines Ultraschall-Bildbereiches herangezogen ist.