DE4309596A1 - Verfahren zur bildgebenden Darstellung mittels Echosignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Derartige bildgebende Verfahren werden insbesondere zur Untersuchung des menschlichen Körpers eingesetzt.

Dabei ist eine Vorsorgeuntersuchung der weiblichen Brust­ drüse zur Früherkennung von Brustkrebs sehr erstrebens­ wert, da diese Erkrankung, die in den industrialisierten Ländern die häufigste Krebsart bei Frauen darstellt, ein großes epidemiologisches Gewicht hat, und eine Früherken­ nung der Krankheit in der Regel Heilung bedeutet.

Ultraschalluntersuchungen sind im Gegensatz zu röntgen­ mammographischen Untersuchungen völlig ungefährlich und selbst sehr dichtes Drüsengewebe (Mastopathie) stellt kein Problem dar, da die Tumoren in dichtem Drüsengewebe sono­ graphisch gut darstellbar sind. Bei Patienten mit einer Mastopathie oder mit Endoprothesen im Brustbereich ist die Röntgen-Mammographie mitunter nicht aussagefähig, da die Tumoren dann nicht oder nur schlecht darstellbar sind.

Dagegen konnten aber viele bisherige sonographische Ver­ fahren im Falle der Brustuntersuchung bezüglich Sensitivi­ tät und Spezifität die Röntgen-Mammographie in der Früher­ kennung von bösartigen Tumoren nicht übertreffen. Gerade dies wäre aber wünschenswert, da wegen der völligen Ge­ fahrlosigkeit ein Ultraschallverfahren die ideale Suchme­ thode darstellen würde.

Während die Ultraschalluntersuchung normalerweise mit ei­ nem Schallkopf vorgenommen wird, der vom Arzt auf das zu untersuchende Organ aufgesetzt wird, um auf diese Weise ein Schichtbild zu gewinnen, welches als sogenanntes B- Bild einer Schichtdarstellung entspricht, sind auch Ver­ fahren bekannt, welche mehrere aus verschiedenen Richtun­ gen aufgenommene Bilder nach Art eines Computertomographen einander überlagern.

Bei einem aus der US 45 09 368 bekannten Ultraschall- Tomographen werden reflektorisch und transmissorisch ge­ wonnene Signale einander überlagert. Diese Anordnung er­ möglicht zwar gegenüber den übrigen bekannten Lösungen ei­ nen Informationsgewinn - dieser führte jedoch nicht dazu, daß nach diesem Verfahren arbeitende Geräte in nennenswer­ ter Zahl in die Praxis Eingang fanden. Hindernd dabei ist, daß das Gerät im Aufbau relativ kompliziert ist und daß mehrere Schallsender und Schallempfänger benötigt werden, wodurch das. Gerät aufwendig in der Anschaffung und auch in der Handhabung nicht einfach ist.

Weiterhin ist aus der DE 40 37 387 A1 ein Verfahren be­ kannt, bei dem die erhaltenen Echowerte für übereinstim­ mende Raumpunkte aus einander entgegengesetzten Einstrahl­ richtungen einander überlagert werden, so daß schließlich Signalanteile nur für diejenigen Raumpunkte verbleiben, welche je nach Strahlungsrichtung voneinander abweichen. Dadurch lassen sich Informationen bezüglich der Form und der Oberflächenstruktur einer erkannten Inhomogenität bes­ ser ableiten, da Schallschatten und dergleichen eliminiert werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist aber weiter­ hin, daß die zu untersuchende Körperpartie von zwei entge­ gengesetzten Raumrichtungen aus untersucht werden muß, so daß der Schallkopf entweder entsprechend oft umgesetzt werden muß oder aber von vornherein zwei Schallköpfe benö­ tigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung, bei dem die aus dem Ultraschallbild entnehmbare Information bei Ultra­ schalluntersuchungen, insbesondere bei Reihenuntersuchun­ gen im Rahmen der Krebsvorsorge (Screening), besonders aus­ sagekräftig ist, sowie ein Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Lauf­ zeit und/oder Amplitudenbeeinflussung eines durch einen malignen Tumor zurückgesandten Ultraschallsignals von der Laufzeit bzw. Amplitudenbeeinflussung eines durch gesundes Gewebe gesendeten Referenz-Ultraschallsignals abweicht, wobei durch die Anordnung eines im vorgegebenen Abstand vom Sender/Empfänger räumlich fixierten stark ultraschall­ reflektierenden Objekts jenseits der zu untersuchenden Körperpartie ein Referenzsignal erzeugt wird, welches eine Beurteilung der Beeinflussung der Laufzeit bzw. der Ampli­ tudenänderung ermöglicht. Die Laufzeit- bzw. Amplitudenab­ weichung empfangener Echosignale im Vergleich zur bekann­ ten bzw. ermittelbaren Laufzeit und als Amplitude aufge­ zeichneten Intensität des vom Ultraschallsender/Empfänger empfangenen Referenz-Echosignals unter Berücksichtigung der aufgezeichneten Amplitudenverläufe können dann als Maß für die Tumorwahrscheinlichkeit im Bereich der Raumrich­ tung der Ausbreitung der jeweiligen Echosignale angesehen werden. Die Laufzeitänderung rührt dabei von der jeweils unterschiedlichen resultierenden Ausbreitungsgeschwindig­ keit des Schalls in unterschiedlichen Gewebebereichen her, während Schallauslöschungen (oder auch -verstärkungen) durch Beugungs- und Reflexionserscheinungen hervorgerufen werden.

Die scheinbare Position und Darstellungsintensität einer jenseits der zu untersuchendenden Körperpartie angeordne­ ten und senkrecht zur Raumrichtung des ausgestrahlten Ul­ traschallsignals ausgerichteten Referenzfläche wird da­ durch in den Bereichen jenseits eines Tumors verzerrt und verschoben bzw. in ihrem Reflexionsverhalten geändert im erzeugten Ultraschallbild dargestellt. Anhand der Anord­ nung, der Beschaffenheit der Randkontur und dem Betrag (bzw. der Richtung) der Verschiebung lassen sich Rück­ schlüsse über die Wahrscheinlichkeit eines Tumors im Be­ reich der Körperpartie oberhalb der Verschiebung ziehen.

Von Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren ist auch, daß hier die Bildelemente des räumlichen arbeitenden bild­ gebenden Verfahrens (Ultraschall) mit solchen informa­ tionsmäßig zusammengefügt werden, welche ebenfalls aus dem Ultraschallsignal stammen und dabei lediglich zweidimen­ sionalen Charakter haben (damit aber solchen Signalen ent­ sprechen, wie sie durch Schattenbildung bei Durchstrahlung gewonnen werden.) Das ursprüngliche Ultraschallverfahren ermöglicht dabei die Tiefenortung von Befunden, welche durch die erfindungsgemäßen zweidimensional bildgebenden Verfahrensschritte hervorgehoben werden oder erst lokali­ sierbar sind.

Zur Ermittlung der Laufzeit des Echosignals werden bei ei­ ner vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens die Echosignale vom Ultraschallsender/Empfänger aufgenommen, die innerhalb eines festgelegten Zeitfensters eine einen vorgebenen Pegel überschreitende Amplitude auf­ weisen. Der Pegel richtet sich nach der Beschaffenheit der verwendeten Referenzfläche und das Zeitfenster befindet sich in dem Bereich des Echosignals, in dem mit einer Laufzeitverschiebung der von der Referenzfläche stammenden relativen Überhöhung des Amplitudenpegels gerechnet werden kann. Es kann somit entweder die absolute oder aber auch nur die relative Laufzeitabweichung im Bereich des Zeit­ fensters ermittelt werden. Bei einer Ermittlung der Lauf­ zeitabweichung im Bereich des Zeitfensters verhindert man, daß weitere eine ähnliche Amplitude erzeugende schallre­ flektierende Bereiche des zu untersuchenden Körperteils wie Drüsenkörper, Fettgewebe usw. fälschlicherweise mit der Referenzfläche verwechselt werden.

In allgemeiner Form lassen sich dabei Bereiche der Bild­ darstellung unter gemeinsamer Auswertung für für einander benachbarte Punkte aufgenommene Echos erzeugen, so daß ei­ ne vollständige Darstellung der Referenzebene unter maxi­ maler Ausnutzung der aufgenommenen Signalinformation er­ möglicht ist.

Günstig ist dabei weiterhin, wenn die Punkte oder Bereiche zu einer zwei- oder dreidimensionalen graphischen Darstel­ lung - insbesondere Falschfarbendarstellung - überlagert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch für eine räumlich bildgebende Darstellung nach Art der Computerto­ mographie verwenden, wenn nämlich auf dem zu untersuchen­ den Körperteil aus kontinuierlich oder in im wesentlichen äquidistanter Folge aneinanderanschließenden Raumrichtun­ gen von einer den Körperteil flächendeckenden Bahn aus Primärstrahlung auf den zu untersuchenden Körperteil abge­ geben wird.

Die technische Ausführung einer Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist dabei jeweils die entsprechenden, Signalwandler bildenden Strahlungs­ quellen bzw. Strahlungsempfänger auf sowie einen Signal­ prozessor mit zugehörigem Programmspeicher und Signalver­ bindungen zu den Signalwandlern.

Da die Wellenstrahlung die relevante Körperpartie, d. h. das zu untersuchende Objekt zeitlich nacheinander abtastet und insoweit eine stabile Lagerung insbesondere bewegli­ cher Objekte günstig ist, ist bei der bevorzugten Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Objekt zwischen einem für die Wellenstrahlung im wesentlichen durchlässigen, plattenförmigen Element und der die Echosi­ gnale reflektierenden Referenzfläche angeordnet, wobei das Element und die Referenzfläche parallel zueinander gerich­ tet sind.

Weil die zu untersuchenden Objekte unterschiedliche Formen aufweisen können, sind das für die Wellenstrahlung durch­ lässige Element und die reflektierende Referenzfläche mit­ tels einer axialen Verstelleinrichtung miteinander verbun­ den. Das zu untersuchende und von einem Kopplungsmedium umgebende Objekt wird somit nach seiner Einbringung zwi­ schen der Referenzfläche und dem Element, die ebenfalls mit dem Kopplungsmedium versehen sind, durch Betätigung der Verstelleinrichtung fixierend eingeklemmt, so daß re­ lativ große Bereiche des Objekts das Element bzw. die Re­ ferenzfläche unmittelbar berühren und dadurch auf einfache Weise eine gute Kopplung zwischen Objekt und Element bzw. Referenzfläche gewährleisten. Da die Dicke der vom Ultra­ schallsignal zu durchquerenden Bereiche damit definiert sind, lassen sich von vorn herein Sender/Empfänger mit ge­ eigneter Fokussierung auswählen, so daß Zeitverluste durch Fehlmessungen vermieden sind.

Das das Objekt umgebende Kopplungsmedium befindet sich vorzugsweise in einem flexiblen Behälter, dessen Form sich an die Form des Objekts anpassen läßt. Der Behälter ist aus einem für die Wellenstrahlung durchlässigen Material und das Kopplungsmedium ist derart, daß die Schallge­ schwindkeit der Wellenstrahlung im Kopplungsmedium im we­ sentlichen derjenigen der Wellenstrahlung im Körpergewebe des zu untersuchenden Objekts gleicht. Dadurch können auch diejenigen Bereiche des Objekts untersucht werden, deren Oberfläche nicht in unmittelbarer Berührung mit dem durch­ lässigen Element oder der reflektierenden Referenzfläche stehen.

Bei einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Ultraschallsender/Empfänger in einem Schlitten an der Außenfläche des für die Wellenstrahlung durchlässigen plattenförmigen Elements anliegend arretier­ bar und derart translatorisch beweglich angeordnet, daß das zu untersuchende Objekt mit jenseitiger reflektieren­ der Referenzfläche auf einfache Weise entweder manuell oder motorgetrieben punktweise zeitlich nacheinander ra­ sterförmig abtastbar ist. Im Falle einer linien- oder flä­ chenförmigen Array-Anordnung vereinfachen sich die erfor­ derlichen Bewegungsabläufe bzw. können ganz entfallen. Bei einer Ausführung als flächenförmiges Array kann dieses selbst die Andruckfläche bilden. Die Ansteuerung erfolgt dabei scannend mittels einer entsprechenden elektronischen Schaltung.

Insbesondere sind das für die Wellenstrahlung durchlässige Element und die reflektierende Referenzfläche bei der Un­ tersuchung eines menschlichen Körperteils, und vorzugswei­ se der weiblichen Brustdrüse, jeweils in ihren an den be­ nachbarten Körperpartien dichtend anliegenden Anschlußbe­ reiche dieser formangepaßt, und insbesondere mit einer ei­ ne konkav geformte Ausnehmung aufweisenden Anschlußkante versehen.

Eine bevorzugte Art der Auswertung der erhaltenen Informa­ tionen besteht in einer computerberechneten dreidimensio­ nalen Darstellung der ultraschallreflektierenden Referenz­ fläche auf einem Monitor, so daß die Größe des Bereichs des zu untersuchenden Objekts, in dem ein Tumor mit großer Wahrscheinlichkeit vorhanden ist, gleichzeitig überblickt werden kann. Damit ist die simultane Darstellung der cha­ rakteristischen Informationen in einem einzigen Bild mög­ lich, welches durch die entsprechenden graphischen Steue­ rungsmittel des Computers in unterschiedlichen Ansichten ausrichtbar ist.

Durch Auswahl der Darstellung der zu den auffälligen Be­ reichen der Referenzfläche gehörigen (zugeordneten) Gewe­ bebereiche kann jeweils eine nähere Diagnose erfolgen. Un­ ter Ausschnittsvergrößerung (Zoom) lassen sich dabei inter­ essierende Gewebebezirke getrennt wiedergeben, so daß eine genauere Beurteilung möglich ist.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schnitt,

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3a bis 3d schematische Ansichten von Gewebeinhomo­ genitäten bei Durchstrahlung in Schnittdarstellung,

Fig. 4a bis 4d verschiedene Echosignalverläufe zu den Ansichten gemäß Fig. 3a bis 3d,

Fig. 5a bis 5f Echosignalverläufe an verschiedenen Auf­ nahmepunkten einer Raumrichtungsebene,

Fig. 6 eine dreidimensionale Darstellung der ultraschall­ reflektierenden Unterlage im Ultraschallbild bei vorhande­ nem Tumor im zu untersuchenden Objekt sowie

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Prozessorsystems zur Signalverarbeitung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zwei planparallele Elemente, eine Platte 6 und ein Element 7 vorgesehen, welche das zu untersuchende Objekt 1 in zwei Richtungen begrenzen. Dabei ist das Element 7 für Ultra­ schallwellen durchlässig ausgebildet, während die Platte 6 Ultraschallwellen reflektiert. Platte 6 und Element 7 sind mittels einer axialen Verstelleinrichtung 8 miteinander verbunden. Mittels Verstellelemente 9 und 10 läßt sich der Abstand zwischen dem Element 7 und der Platte 6 individu­ ell einstellen. Für die nachfolgende Beschreibung sollen folgende räumliche Richtungen gelten: x bildet die Ein­ dringrichtung der Ultraschallsignale und damit die t-Achse für die zeitlich nacheinander empfangenen Ultraschalle­ chos. Die y-Achse bildet eine erste "Bewegungs-"achse bei der Signalaufnahme und damit die zweite Koordinate für die Darstellung eines Schnittbildes. Die z-Achse bildet dann die sekundäre Bewegungsachse der Signalaufnahme und ermög­ licht somit die Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes. Die "Bewegung" braucht dabei aber nicht mechanisch zu er­ folgen, sondern kann bei der Verwendung von Sender-/Em­ pfänger-Arrays mit linien- oder flächenhafter Erstreckung durch elektronisches Scannen vorgenommen werden.

Der Primärwellensender/Echosignalempfänger 2 ist in einem Schlitten 12, der bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ebenfalls mit Querstäben 11 der Verstel­ leinrichtung 8 verbunden ist, entlang der Längsachse des Schlittens 12 beweglich aber auch arretierbar angeordnet. Der Schlitten 12 ist wiederum entlang der Längsachse der Querstäbe 11 verschiebbar. Der Primärwellensender/Echo­ signalempfänger 2, der an der Außenseite des Elements 7 anliegt kann mittels des Schlittens 12 die gesamte Plan­ fläche des Elements 7 zum Scannen des zu untersuchenden Objekts 1 überfahren. Dabei kann die jeweilige Position, d. h. die Raumrichtung des Primärwellensenders/Echosignal­ empfängers 2 entweder manuell oder schrittmotorgetrieben bzw. mittels der elektronischen Scanmittel eingestellt werden.

Die am menschlichen Körper anliegende Kante 13 bzw. 14 der Platte 6 bzw. des Elements 7 ist anatomisch verrundet, d. h. insbesondere konkav ausgebildet.

Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel ist deshalb mecha­ nisch besonders einfach, weil ein eine beliebige Form auf­ weisendes Untersuchungsobjekt 1 von einem ein Kopplungsme­ dium 17 enthaltenden flexiblen und für die verwendete (Wellen)strahlung durchlässigen abgedichteten Behälter 15 jederzeit umgebbar ist. Der Behälter 15 ist über ein Füllstutzen 16 zu füllen bzw. zu entleeren. Zusätzlich muß dabei das Kopplungsmedium lediglich auf die Platte 6 und auf das Element 7 aufgetragen werden, um zu gewährlei­ sten, daß die Wellenstrahlungen gut übertragbar sind.

Bei einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet die reflektierende Platte 6 gleichzeitig eine Empfangsvorrichtung für eine weiteres in paralleler Raumrichtung wirksames bildgebendes Signal.

Eine solche weitere Untersuchungsmethode besteht in der Röntgenexposition bzw. digitalen Radiographie des Objekts in identischer Position. Dadurch können weitere Informa­ tionen bezüglich der aufgefundenen Inhomogenität gewonnen werden bei gleichzeitiger vorteilhafter Verringerung der Röntgenbelastung im Vergleich zu den heute üblichen reinen Röntgen-Aufnahmen aus zwei unterschiedlichen Raumrichtun­ gen. Dabei kann dann gegebenenfalls die Röntgenröhre zeit­ weise an die Stelle der Ultraschallsende- und Empfangsvor­ richtung treten.

Danach wird das zu untersuchende Objekt 1 mittels der Ver­ stelleinrichtung 8 bis 10 fixiert und die vom Primärwel­ lensender/Echosignalempfänger 2 ausgestrahlten Primär­ strahlungen 3 werden von der Platte 6 nach Durchquerung des Objekts 1 als Echosignale 4 reflektiert und vom Primärwellensender/Echosignalempfänger 2 aufgenommen. Die Laufzeiten und die Amplituden der Echosignale 4 werden da­ bei von der mit dem Primärwellensender/Echosignalempfänger 2 verbundenen Auswertungsvorrichtung für die unterschied­ lichen Raumrichtungen 5 der abgegebenen Primärstrahlungen 3 registriert.

Anhand der Fig. 3a bis 3d und 4a bis 4d sollen nunmehr die für die verschiedenen an Grenzen von Inhomogenitäten entstehenden und die sich daraus ergebenden Signalverläufe näher diskutiert werden.

In den Schnittdarstellungen gemäß Fig. 3a bis 3d sind verschiedene Inhomogenitäten bei Durchstrahlung mit Ultra­ schall (in x-Richtung) wiedergegeben, an denen das erfin­ dungsgemäße Verfahren verdeutlicht werden soll. In Pfeil­ richtung ist jeweils die Raumrichtung der Primärstrahlung angegeben, wobei der Schwärzungsgrad der Darstellung ein Maß für die Anzahl bzw. die Intensität der erhaltenen Echos bildet.

In Fig. 3a ist ein tumorfreies, Fettgewebe F und Drüsen­ körper DK enthaltendes Objekt dargestellt. Das Fettgewebe F weist eine geringere Echodensität als der Drüsenkörper DK auf, wobei die ultraschallreflektierende Platte P die höchste Echodensität aufweist.

In Fig. 3b ist ein einen malignen Tumor T aufweisendes Objekt dargestellt. Der maligne Tumor erscheint fast echo­ leer und mit einem bilateralen Randschatten hinter dem Tu­ mor.

In Fig. 3c ist ein einen malignen Tumor T aufweisendes Objekt dargestellt. Der maligne Tumor erscheint fast echo­ leer aber weist im Gegensatz zu Fig. 3b einen mittleren Zentralschatten hinter dem Tumor auf.

In Fig. 3d ist ein eine benigne Zyste Z aufweisendes Ob­ jekt dargestellt. Die Zyste Z erscheint, wie die meisten Zysten ohne Echos und mit einer zentralen Schallverstär­ kung hinter der Zyste.

In den Fig. 4a bis 4d (z-Richtung) sind die verschiede­ nen sich aus den Fig. 3a bis 3d ergebenden Echosignal­ verläufe wiedergegeben.

In Fig. 4a ist der Echosignalverlauf der Referenzprimär­ strahlung 3′ dargestellt, die das tumorfreie, Fettgewebe F und Drüsenkörper DK enthaltende Objekt durchquert. Dabei werden die Veränderungen in der Echoamplitude A mit der Zeit t und daher auch mit der zunehmenden Entfernung zum Primärstrahlensender/Echosignalempfänger aufgezeichnet. Das Fettgewebe F weist dabei eine geringere Amplitude als die Drüsenkörper DK auf, wobei der Bereich der höchsten Amplitudenwerte Pa die Position der ultraschallreflektie­ renden Platte anzeigt.

In der Fig. 4b ist der Echosignalverlauf einer den malig­ nen Tumor T durchquerenden Primärstrahlung 3 dargestellt. Dabei ist die Amplitude im Bereich des Tumors T und des bilateralen Randschattens wesentlich geringer als die des umgebenden Fettgewebes F. Ersichtlich ist dabei weiterhin, daß sich einerseits die Laufzeit Lb bis zum Bereich der erhöhten Amplitudenwerte Pb der Platte im Vergleich zur Laufzeit La des Echosignals gemäß Fig. 4a verkürzt hat und daß andererseits die erhöhten Amplitudenwerte Pb ge­ ringer sind als die erhöhten Amplitudenwerte Pa des Echo­ signalverlaufs gemäß Fig. 4a. Die Laufzeitverkürzung stellt sich dabei als scheinbare Plattendeformation dar.

In der Fig. 4c ist der Echosignalverlauf einer den malig­ nen Tumor T durchquerenden Primärstrahlung 3 dargestellt. Dabei ist die Amplitude im Bereich des Tumors T wesentlich geringer als die des umgebenden Fettgewebes F und der mittlere Zentralschatten weist eine gegenüber der Amplitu­ de vor dem Tumor T verringerte Amplitude auf. Ersichtlich ist dabei in gleicher Weise wie bereits bei Fig. 4b, daß sich einerseits die Laufzeit Lc bis zum Bereich der erhöh­ ten Amplitudenwerte Pc der Platte im Vergleich zur Lauf­ zeit La des Echosignals gemäß Fig. 4a verkürzt hat und daß andererseits die erhöhten Amplitudenwerte Pc geringer sind als die erhöhten Amplitudenwerte Pa des Echosignal­ verlaufs gemäß Fig. 4a.

In der Fig. 4d ist der Echosignalverlauf einer die benig­ ne Zyste Z durchquerende Primärstrahlung 3 dargestellt. Die Amplitude im Bereich der Zyste Z ist im wesentlichen gleich Null und die zentrale Schallverstärkung ist mit ei­ ner gegenüber der Amplitude vor der Zyste Z erhöhten Am­ plitude hinter der Zyste Z zu sehen. Ersichtlich ist hier­ bei aber ebenfalls, daß sich die Laufzeit Ld bis zum Be­ reich der erhöhten Amplitudenwerte Pd der Platte 6 im Ver­ gleich zum Echosignalverlauf gemäß Fig. 4a zwar verkürzt hat, aber daß die erhöhten Amplitudenwerte Pd weiterhin im wesentlichen die erhöhten Amplitudenwerten Pa des Echosi­ gnalverlaufs gemäß Fig. 4a übertreffen.

Durch das wiederholte Scannen des Objekts in weiteren zu der ersten Ebene senkrecht gerichteten Ebenen, läßt sich bei einem hier nicht dargestellten weiteren Ausführungs­ beispiel über eine Verknüpfung der ermittelten Echosignal­ verläufe durch Überlagerung ein dreidimensionales Bild er­ stellen.

In den Fig. 5a bis 5e werden fünf in einer Raumrich­ tungsebene an verschiedenen Punkten ermittelten Echosi­ gnalverläufe dargestellt.

Gemäß Fig. 5a verläuft das Echosignal durch Fettgewebe F bis zur Platte 6, in welchem Bereich sich die Amplitude des Echosignals relativ zum Grundpegel der Amplitudenwerte erheblich erhöht. Anhand der Entfernung dieses Bereichs relativ überhöhter Amplitude zum Nullpunkt der x-Achse (Zeitachse) ist die Laufzeit La des Echosignals ermittel­ bar. Weiterhin ist aufgrund dieses Echosignals ein Zeit­ fenster Zf festlegbar, in dem mit einer Laufzeitverschie­ bung der von der Platte 6 stammenden relativen Überhöhung des Amplitudenpegels gerechnet werden kann.

Das Echosignal durchquert in der grafischen Darstellung gemäß Fig. 5b das zu untersuchende Objekt in einem gera­ sterten Abstand zum in Fig. 5a dargestellten Echosignal und verläuft durch zwei Drüsenkörper DK, die anhand der gleichsinnig erhöhten Amplitudenbereiche erkennbar sind. Dabei entspricht die Laufzeit Lb dieses Echosignals der Laufzeit La des Echosignals der Fig. 5a, so daß die Posi­ tion des relativ überhöhten Amplitudenwertes Pb im Zeit­ fenster Zf die des relativ überhöhten Amplitudenwertes Pa im Zeitfenster Zf entspricht. Die Amplitudenwerte für Pa und Pb sind dabei im wesentlichen gleich.

In der Darstellung gemäß Fig. 5c durchquert das Echosi­ gnal einen malignen Tumor T. Im Bereich des malignen Tu­ mors ist eine sehr niedrige Amplitude zu verzeichnen, wo­ bei die Amplitude hinter dem Tumor T aufgrund eines mitt­ leren Schallschattens geringer ist als vor dem Tumor T. Die Laufzeit Lc des Echosignals hat sich um einiges im Vergleich zu den Echosignalen der Fig. 5a und 5b ver­ kürzt, da die Schallgeschwindigkeit im Tumor größer ist als die im restlichen Körpergewebe. Die relative Laufzeit­ verkürzung innerhalb des Zeitfensters Zf wird mit Lc′ dar­ gestellt. Der relativ überhöhter Amplitudenwert Pc befin­ det sich weiterhin im Zeitfenster Zf, wobei er sich aber jetzt aufgrund der verkürzten Laufzeit Lc nahe der Unter­ grenze des Zeitfensters Zf befindet und jetzt einen erheb­ lich geringen Wert als die relativ überhöhten Amplituden­ werte Pa und Pb der Fig. 5a und 5b aufweist.

Das Echosignal gemäß Fig. 5d durchquert weiterhin den Tu­ mor T, aber die Wegstrecke dieses Echosignals durch den Tumor T ist anders als die des Echosignals der Fig. 5c, so daß bei gleicher Laufzeitverkürzung (Ld entspricht Lc und die relative Laufzeitverkürzung Ld′ entspricht Lc′ in­ nerhalb des Zeitfensters Zf) und Position im Zeitfenster Zf der relativ überhöhter Amplitudenwert Pd anders aus­ fällt als der relativ überhöhter Amplitudenwert Pc der Fi­ gur 5c.

Das in Fig. 5e dargestellte Echosignal verläuft wieder entsprechend der Fig. 5a nur noch durch Fettgewebe F, so daß anhand dieser fünf Echosignale feststellbar ist, daß in dieser Ebene im Bereich zwischen den den Fig. 5c und 5d entsprechenden Punkten der ausgestrahlten Primärstrah­ len ein Tumor vorhanden ist, da sowohl Laufzeitverkürzun­ gen Lc und Ld bzw. die relativen Laufzeitverkürzungen Lc′ und Ld′ als auch relativ überhöhte Amplitudenwerte Pc und Pd im Bereich des festgelegten Zeitfensters Zf aufgefunden wurden.

Um eine die Laufzeit des Echosignals verkürzende benigne von einer malignen Inhomogenität noch besser unterscheiden zu können, ist das resultierende Ultraschallbild der re­ flektierenden Platte 6 in Fig. 6 dreidimensional darge­ stellt. Damit kann die räumliche Kontur des Bereichs in der eine Inhomogenität mit hoher Wahrscheinlichkeit zu er­ warten ist, bildlich wiedergegeben werden. Hiermit wird die Beschaffenheit der Randkontur des verzerrten Bereichs der reflektierenden Platte 6 ersichtlich, welches eine Aussage über die Beschaffenheit der Randkontur der Inhomo­ genität ermöglicht. Studien haben ergeben, daß maligne Be­ funde meist unregelmäßige Randkonturen auf, während benig­ ne Befunde mit glatte Randkonturen aufweisen. Weiterhin ist durch ist Abruf des parallel zur Schallausbreitungs­ richtung gerichteten Primärbildes die eine Störung verur­ sachende Inhomogenität unmittelbar der Betrachtung zugäng­ lich, so daß eine nähere Charakterisierung möglich ist.

Bei der dreidimensionalen Darstellung gemäß Fig. 6 ist der ultraschallreflektierenden Platte 6 bei vorhandenem malignen Tumor im zu untersuchenden Objekt gezeigt. Dabei ist die unregelmäßige Beschaffenheit der Kontur des ver­ zerrt dargestellten Bereichs der Platte 6 deutlich zu er­ kennen. Somit ist es anhand der Beschaffenheit der Rand­ kontur ersichtlich, daß es sich mit hoher Wahrscheinlich­ keit um einen malignen Befund handelt. Weiterhin kann durch die Projektion des verzerrt dargestellten Bereichs in Richtung des oberen wellendurchlässigen Elements ein räumlich begrenzter Bereich der untersuchten Körperpartie ermittelt werden, in dem der maligner Befund mit hoher Wahrscheinlichkeit anzutreffen ist.

Bei dem in Fig. 7 in Form eines Blockschaltbildes wieder­ gegebenen prinzipiellen Aufbau einer Auswertungsvorrich­ tung für das erfindungsgemäße Verfahren werden die von ei­ ner Ultraschall-Empfangseinheit 40 aufgenommenen Ultra­ schallechos als digitalisierte Amplitudensignale in ei­ nen Speicher 42 eingeschrieben, welche beispielsweise Schieberegister zur Aufnahme der digitalisierten Signale bilden. (Eine weitere Empfangseinheit 41 dient zum Empfang eines weiteren räumlich korrelierten von dem zu untersu­ chenden Organ abgeleiteten bildgebenden Signal, welches weiter unten näher beschrieben werden soll.) Bei dem in dem Schieberegister vorhandenen Signal handelt es sich um die digitalisierten Amplitudenwerte des empfangenen Echos, wobei der Empfang gestartet wird, nachdem ein Aus­ gangssignal von einer Zeitverzögerungseinrichtung 44 er­ halten wurde, die ihrerseits durch einen Zeitgeber 45 ak­ tiviert wurde, der den Zeitpunkt der Aussendung der Ultra­ schallsignale bestimmt. Damit wird auf jeden abgegebenen Ultraschall-Signalimpuls hin das zurücklaufende Signal im Speicher 42 festgehalten, wobei die digitalisierte Reprä­ sentation in x-Richtung (Eindringtiefe) derjenigen der Fi­ guren 4 und 5 entspricht.

Die Schallempfangseinheit 40 wird mit einer Vorrichtung zur zeilenweisen linearen Verschiebung in y-Richtung (vergleiche die Fig. 3), welche bevorzugt auch automa­ tisiert ausgebildet sein kann, in unterschiedlichen Posi­ tionen in bezug auf das zu untersuchende Organ positio­ niert. Damit ist eine zeilenweise Abtastung zur schicht­ weisen Darstellung des zu untersuchenden Organs oder der zu untersuchenden Körperpartie möglich. Bei einer - hier nicht dargestellten - Variante der Erfindung kann die zei­ lenweise Abtastung auch durch simultane Aufnahme jeweils einer ganzen Zeile mittels eines entsprechenden Arrays von Ultraschallsendern/-empfängern erfolgen.

Das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel repräsen­ tiert die Auswertungsschaltung für die nacheinander inner­ halb einer räumlichen Ebene aufgenommenen Signale, also für einen zweidimensionalen Bereich. Für eine simultane zweidimensionale Erfassung ist ein Ultraschall-Sender- Empfänger erforderlich, der Signale gleichzeitig für eine vollständige Zeile abgibt, während für eine dreidimensio­ nale Erfassung eine derartige Anordnung für jede weitere zu erfassende Schicht entsprechend zu vervielfachen wäre. Dies führt zu einer flächenartigen Array-Anordnung für die Ultraschall-Sender/Empfänger.

Da hierbei jedoch infolge einer ebenfalls scannenden Abta­ stung der ohne mechanische Bewegung aufgenommenen Signale deren Weiterverarbeitung letztlich wieder nacheinander vorgenommen wird, ist die Betriebsweise bei der Erfassung der einzelnen geometrischen Ebenen letztlich entsprechend, so daß auch hierbei eine Verarbeitung entsprechend der nachstehenden Beschreibung erfolgen kann.

Mittels eines Schwellwertdetektors 43 werden in dem emp­ fangenen und digitalisiert in dem Schieberegister 42 fest­ gehaltenen Echosignal Überschreitungen eines vorgegebenen Schwellwerts festgehalten, welche die Amplituden von Echos von Körpergewebe übertreffen und Echos der stark re­ flektierenden Platte bilden. Dieser Wert wird in einen Mittelwert- oder Bezugswertspeicher 47 einbeschrieben, in dem die zeitlichen Mittelwerte der Amplituden und/oder Echoverögerungen bzw. die Verzögerungszeiten der Majorität der aufgenommenen Echoverzögerungszeiten der den Schwell­ wert überschreitenden Impulse einbeschrieben werden. Bei einer anderen Variante des dargestellten Ausführungsbei­ spiels kann es sich bei dem Bezugswert auch um einen fest vorgegebenen Wert handeln, welcher aufgrund von Erfah­ rungswerten erhalten bzw. aus der bekannten Geometrie der Anordnung ermittelt wurde.

In einer weiteren Verarbeitungsstufe 48 wird die Differenz der Echozeit des aufgenommenen Impulses seit seiner Aus­ sendung bzw. seine Amplitude im Vergleich zu dem im Spei­ cher 47 enthaltenen Bezugswert ermittelt und an einen Speicher 49 für die Verschiebung des Echos der hinsicht­ lich der Reflexionseigenschaften "harten" Platte bzw. der Minderung der Echoamplitude aufgrund von im zwischenge­ schalteten Körpergewebe befindlicher Objekte weitergelei­ tet. Diese virtuelle Plattendeformation bzw. "Echomin­ derung" bildet - wie erläutert - ein weiteres lokales cha­ rakteristisches Signal für einen Punkt der x,y-Ebene als Anzeichen für das Vorhandensein von malignem Gewebe, al­ lerdings ohne Information in der x-Richtung. Die erhalte­ nen Werte werden in einem Speicher 49 festgehalten. Dem Ausgangssignal des Schieberegisters 42 wird in einer er­ sten Verarbeitungseinheit 50 das in dem Speicher 49 ent­ haltene Signal als weitere Information hinzugefügt. Dies kann in einfacher Weise durch Festhalten des Wertes der Echoverschiebung bzw. Echominderung in einer dafür vorge­ sehenen zusätzlichen Speicherzelle erfolgen.

Ein weiteres für den betreffenden Punkt in der x,y-Ebene charakteristisches bildgebendes Signal, das von dem Si­ gnalaufnehmer 41 abgegeben und in einem Speicher 51 fest­ gehalten ist, wird gegebenenfalls in einer zweiten Verar­ beitungseinheit 52 dem Gesamtsignal als Ausgangssignal der ersten Verarbeitungsstufe 50 hinzugefügt.

Dieses Signal wird in einem Speicher 54 abgelegt, wobei dieser Speicher matrixartig organisiert ist und das ge­ samte Echosignal (x-Achsen-Information) einschließlich der vorgenannten Zusatzsignale für eine y-Abtastungszeile auf­ nimmt.

In einer dritten Verarbeitungseinheit 55 wird das für ei­ nen Punkt der y-Achse erhaltene Gesamtsignal nunmehr mit weiteren Signalen korreliert, die zu einem früheren Zeit­ punkt aufgenommen worden sind. Hierbei handelt es sich be­ vorzugt um in z-Richtung benachbarte Signale, so daß Aus­ sage über die Tumorwahrscheinlichkeit für eine Schicht des betrachteten Gewebes aus der Überlagerung der lokalen Tiefenechos (x-Richtung), der lokalen Echoverschiebung, dem lokalen Signal eines weiteren bildgebenden Verfahrens und den entsprechenden benachbarten Signalen in z-Richtung erhalten wird, welche mit dem aktuellen Signal verglichen oder in sonstiger Weise korreliert werden. Damit können in das lokal aufgenommene Signal auch Signaländerungen im Vergleich zu benachbarten Signalen eingehen.

Durch die weitere Signalaufnahme unter Verschiebung in z- Richtung werden weitere - entsprechend verarbeitete - Schichtbilder erhalten, welche in weiteren (nur bei­ spielsweise dargestellten) Speichern 56 bis 58 abgelegt werden, so daß mit dem zusammengefaßten Inhalt dieser Speicher ein räumliches Bild erhalten wird, welches insge­ samt ausgewertet werden kann. Dabei bildet die Korrelation der Inhalte benachbarter Speicherplätze in z-Richtung ebenfalls eine Möglichkeit die erhaltene Information noch zu verbessern, wie es bereits am Beispiel der dritten Ver­ arbeitungseinheit 55 gezeigt wurde. Entsprechend kann auch eine Korrelation von aus unterschiedlichen räumlichen Richtungen aufgenommenen Bilder erfolgen, wobei allerdings im Falle der Untersuchung der weiblichen Brust für die Si­ gnalermittlung aus unterschiedlichen Raumrichtungen deren räumliche Arretierung Voraussetzung ist.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (16)

1. Verfahren zur bildgebenden Darstellung eines räumlich fixierten Objekts, vorzugsweise als Teil einer Partie des menschlichen Körpers, mittels Echosignalen, einer auf das Objekt gerichteten Primär(wellen)strahlung, insbesondere Ultraschall, wobei die bildgebende Darstellung des Objekts mittels der von einem Echosignalempfänger zeitabhängig empfangenen Echosignale aufgrund deren Laufzeit und/oder Amplitude jeweils bezüglich einer in der Raumrichtung der Primärstrahlung gerichteten Objektachse erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Objekt (1) sich zwischen dem Primärstrahlensen­ der/Echosignalempfänger (2) und einer senkrecht zur Raum­ richtung (5) der Primärstrahlung (3) ausgerichteten die Primärstrahlung (3) als Echosignal (4) stärker als andere im Darstellungsfeld befindliche Bereiche des Objekts re­ flektierenden Referenzfläche (6) befindet,
daß die mittlere oder zu erwartende Laufzeit und/oder Am­ plitude eines vom Primärstrahlensender/Echosignalempfänger (2) empfangenen von der Referenzfläche (6) reflektierten Echosignals (4′) der das Objekt (1) durchquerenden Primär­ strahlung (3′) als Referenzechosignal ermittelt oder vor­ gegeben wird, und
daß die Laufzeit und/oder Amplitude eines vom Primärstrah­ lensender/Echosignalempfänger (2) empfangenen von der Re­ ferenzfläche (6) reflektierten Echosignals (4) der das Ob­ jekt (1) durchquerende Primärstrahlung (3) ermittelt wird, wobei die Abweichung der Laufzeit und/oder Amplitude die­ ses aufgenommenen von der Referenzfläche (6) reflektierten Echosignals (4) im Vergleich zur Laufzeit bzw. Amplitude des Referenz-Echosignals (4′) ausgewertet wird und dabei insbesondere ein Maß für die Tumorwahrscheinlichkeit im Bereich der Raumrichtung der Ausbreitung dieses Echosi­ gnals (4) bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ermittelte als Verrin­ gerung der Laufzeit und/oder der Amplitude auftretende Abweichung des von der Referenzfläche (6) reflektierten Echosignals (4) ausgewertet wird.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Er­ mittlung der Laufzeit und/oder der Amplitude der von der Referenzfläche (6) reflektierten Echosignale (4) jeweils die vom Primärstrahlensender/Echosignalempfänger (2) emp­ fangenen Echosignale (4) ausgewertet werden, die innerhalb eines festgelegten Zeitfensters eine einen vorgebenen Pe­ gel überschreitende Amplitude aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Maß der Abweichung der Laufzeit und/oder Amplitude als zusätzliche Informa­ tion(en) in Zuordnung zu Informationen in einem Speicher (42) festgehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zusätzliche Information mittels logischer Verknüpfung der mit den weiteren aus den Echoinformationen abgeleiteten Signalen in der Weise ver­ bunden ist, daß die Amplituden derjenigen Echosignale (4), denen eine abweichende Laufzeit und/oder Amplitude als zu­ sätzliche Information zugeordnet ist, mit weiteren aus diesen Echosignalen (4) abgeleiteten, für eine hohe Tumor­ wahrscheinlichkeit repräsentativen Informationen additiv oder multiplikativ verknüpft wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf das zu untersuchende Objekt (1) kontinuierlich oder in im wesentlichen äquidistanter Folge anschließenden - insbe­ sondere parallelen - Raumrichtungen (5) aus Primärstrah­ lung (3) auf das zu untersuchende (1) Objekt abgegeben wird, wobei der Primärstrahlensender mechanisch angetrie­ ben ist und/oder mehrere räumlich verteilte Primärstrah­ lensender - insbesondere in einer Anordnung nach Art eines Arrays - scannend nacheinander oder auch simultan betrie­ ben werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für mehrere Raumrichtungen (5) ermittelten Bildelemente zu ei­ ner gemeinsamen räumlichen Darstellung überlagert werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei­ nem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das räumlich fixierte Ob­ jekt (1) zwischen einem für die Wellenstrahlung im wesent­ lichen durchlässigen, insbesondere plattenförmigen Element (7) und der die Echosignale (4) reflektierenden Referenz­ fläche (6) angeordnet ist, wobei der Primärstrahlensen­ der/Echosignalempfänger (2) der Außenseite des strahlen­ durchlässigen Elements (7) benachbart angeordnet ist und dabei insbesondere in einer Anordnung nach Art eines Ar­ rays Teil des plattenförmigen Elements selbst ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das strahlendurchlässige Element (7) und die reflektierende Referenzfläche (6) mit­ tels einer axialen mechanischen wirkenden Verstelleinrich­ tung (8) miteinander verbunden sind, wobei der Abstand zwischen Referenzfläche und Element (6 und 7) mittels Ver­ stellelemente (9 und 10) einstellbar ist und damit eine geometrische Bezugsgröße bilden kann.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Behälter (15) aus einem, insbesondere flexiblen, und für die Wel­ lenstrahlung durchlässigen Material das mittels der Ver­ stelleinrichtung (8) räumlich fixierte Objekt (1) umgibt, wobei der Behälter (15) mit einem Kopplungsmedium (16) ge­ füllt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kopplungsmedium (16) derart beschaffen ist, daß die Schallgeschwindkeit der Wellenstrahlung im Kopplungsmedium (16) im wesentlichen derjenigen der Wellenstrahlung im Körpergewebe des zu un­ tersuchenden Objekts (1) entspricht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Pri­ märstrahlensender/Echosignalempfänger (2) zur scannenden Abtastung der Planfläche des Objekts (1) translatorisch oder drehbar auf einer vorgegebenen Bahn beweglich bzw. in einer vorgegebenen Position arretierbar an der Außen­ seite des strahlendurchlässigen Elements (7) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß der Pri­ märstrahlensender/Echosignalempfänger (2) auf einem Schlitten (12), der ebenfalls mit der Verstelleinrichtung (8) verbunden ist, entlang der Längsachse des Schlittens (12) beweglich aber auch arretierbar angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Position des Primärstrahlensenders/Echosignalempfängers (2) oder die des den Primärstrahlensender/Echosignalempfänger (2) aufweisenden Schlittens (12) mit einem Schrittmotor, gege­ benenfalls selbsttätig, einstellbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlendurchlässige Element (7) und die reflektierende Referenzfläche (6) zur Untersuchung der menschlichen Kör­ perpartie und insbesondere der weiblichen Brustdrüse, je­ weils in seinem bzw. in ihrem in der Umgebung des zu un­ tersuchenden Körperteils an einer an der menschlichen Kör­ perpartie dichtend anliegenden Anschlußbereich dieser formangepaßt oder unter Einschaltung eines für die Strah­ lung transparenten Koppelmediums (17), und insbesondere mit einer eine konkav geformte Ausnehmung aufweisende An­ schlußkante (13 bzw. 14) versehen ausgestaltet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, gekennzeichnet durch Signalwandler als Primärstrahlensender/Echosignalempfänger (2) sowie einen Prozessor mit zugehörigem Programmspeicher und Signalver­ bindungen zu den Signalwandlern.