DE4419551A1 - Hochauflösendes und kontrastreiches Ultraschallmammografie-System mit Herzmonitor und Grenzgruppenabtaster zur elektronischen Abtastung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Mammografiesysteme und insbesondere Ultraschallmammografiesysteme und Ultraschallabtaster für diese.

Mammografie ist ein Gattungsbegriff, der hier verwendet wird, um auf verschiedene Verfahren Bezug zu nehmen, durch welche eine Abbildung der Brust durchgeführt werden kann, normaler­ weise zu medizinischen Diagnosezwecken. Anderswo ist der Be­ griff "Mammografie" jedoch in einem engeren Sinn angewendet worden, in dem er Röntgenstrahl-Brustabbildung bedeutet, und wird weiterhin so verwendet, da Röntgenstrahlverfahren bisher allgemein die besten Abbildungsergebnisse geliefert haben und dementsprechend die am weitesten verbreiteten Verfahren sind.

Obwohl die Röntgenstrahlmammografie erfolgreich und allgemein zur Brustkrebserkennung angewendet worden ist, sind nichtsde­ stoweniger Nachteile damit verbunden. Erstens schafft das Röntgenstrahlmammografieverfahren ein Strahlenbelastungsri­ siko, welches wünschenswerterweise vermieden werden soll, wenn Alternativen erhältlich sind.

Außerdem wird das Röntgenstrahlmammografieverfahren typisch beschränkt durch eine Geräteeignungsgrenze hinsichtlich der Tiefe, bis zu welcher eine effektive Brustabbildung erzielt werden kann. Folglich erfordert eine effektive Brustabbildung mit Röntgenstrahlmammografie häufig Brustkompressionsverfah­ ren, die gewöhnlich schmerzhaft sind.

Röntgenstrahlmammografie ist ferner in ihrer Wirksamkeit für jüngere weibliche Patienten beschränkt. Wie dargelegt in einem Artikel mit dem Titel "Ultrasound Breast Imaging - The Method of Choice for Examining the Young Patient", veröffent­ licht von Patricia Harper et al. in Ultrasound in Med. & Biol., 1981, in Großbritannien, hat radiografische Abbildung die Diagnosegenauigkeit von Massen nicht wesentlich verbes­ sert, die in den dichten Brüsten junger Frauen vorhanden sind. Also weisen, wie in diesem Artikel angegeben, Brüste einer Mehrzahl von Patientinnen unter 30 Jahren ein Überwie­ gen von Drüsengewebe auf und werden gewöhnlich, zum Zweck ra­ diografischer Abbildung, als "dichte Brüste" gekennzeichnet.

Der Begriff "dichte Brust", wie er in der Röntgenstrahlmammo­ grafie verwendet wird, bezieht sich auf eine Brust, welche ein Überwiegen von dichtem Gewebe enthält, wie zum Beispiel Drüsengewebe, und bei den in der Mammografie angewendeten Hochspannungen (kilovoltages) einen mäßigen Kontrast zwischen dem überwiegenden Gewebe und anderen Brustgeweben zeigt, seien sie normal oder pathologisch.

Röntgenstrahlmammografie ist außerdem etwas beschränkt vom Standpunkt der Bildabmessungen. So wird in dem Röntgenstrahl­ mammografieverfahren eine Silhouette eines ganzen dreidimen­ sionalen Brustbereichs auf eine zweidimensionale Platte pro­ jiziert. Um ein Bild entlang einer weiteren Dimension zu er­ halten, muß ein weiteres Bild unter einem anderen Winkel auf­ genommen werden.

Mikroverkalkungen in Brustgewebe sind bekanntlich ein mögli­ cher früher Vorläufer für einen bösartigen Tumor. Dementspre­ chend ist festgestellt worden, daß Mammografieverfahren, um diagnostisch wirksam zu sein, eine ausreichend hohe Auflösung aufweisen sollten, um Mikroverkalkungen mit einer Größe von 100 Mikron (Millionstel Meter) oder kleiner zu erkennen. Röntgenstrahlmammografie ist allgemein akzeptiert worden, hauptsächlich, weil sie die Eignung zur Erkennung von Mikro­ verkalkungen von nur 50 bis 75 Mikron aufweist, wogegen es anderen Verfahren an solch hoher Auflösung ermangelt.

Verschiedene andere potentielle Mammografieverfahren sind we­ nig erfolgversprechend für klinische Anwendung, wie festge­ stellt und beschrieben in einem Artikel von 1990 mit dem Ti­ tel "Imaging Techniques Other than Mammography for the Detec­ tion and Diagnosis of Breast Cancer", veröffentlicht von E. A. Sickles in Recent Results in Cancer Research. So ist die Com­ putertomografie(CT)-Abtastung unter Verwendung von dedizier­ ten Brustabtastvorrichtungen und Ganzkörperabtastvorrichtun­ gen verbunden mit hohen Untersuchungskosten, intravenöser Jo­ didverabreichung mit Strahlungsdosen, die höher sind als die für Röntgenstrahlmammografie verwendeten, und Schwierigkeit der Interpretation.

Wie ferner in dem Artikel von 1990 angegeben, sind die Durch­ leuchtungsverfahren beschränkt durch ein grundsätzliches Pro­ blem der Lichtstreuung. Magnetresonanzabbildung ist als etwas erfolgversprechend angegeben worden als ein Diagnosetest zum Ergänzen der Mammografie und der physischen Untersuchung für bereits erkannte Läsionen. Insbesondere kann die Magnetreso­ nanz nützlich sein zur Unterscheidung gutartiger von bösarti­ gen festen Massen mit ausreichender Genauigkeit, so daß ein Biopsie vieler gutartiger Läsionen vermieden werden kann.

Eine alternative Technik, welche bei weitem die größte Hoff­ nung für verbesserte Mammografie gebracht hat, ist die Anwen­ dung sonografischer Verfahren gewesen, wie zu erkennen aus vielen Veröffentlichungen, die etwa in den letzten 10 Jahren publiziert worden sind. Ein Artikel mit dem Titel "Ultrasound Mammography", veröffentlicht von Pat Harper, M.D. in Univer­ sity Park Press in Baltimore bietet eine Beschreibung der Entwicklung von Ultraschall-Brustuntersuchungsverfahren und -geräten von den sechziger bis zu den achtziger Jahren. Harper kommt zu dem Schluß, daß derzeit (zu jener Zeit) eine erhöhte Bereitschaft besteht, die Vorteile von Ultraschall als Zusatzverfahren zum Röntgenstrahlmammografie und unter bestimmten genau spezifizierten Umständen als einzige Untersuchungsmodalität anzuerkennen.

In einem Artikel von 1983, betitelt "Breast Cancer Screening for Younger United States Women", veröffentlicht von Elizabeth Kelly Fry in 1981 in Ultrasonic Examination of the Breast (John Wiley & Sons) ist angegeben, daß Ultraschall­ sichtbarmachung in Japan verwendet worden ist in laufenden Untersuchungen für Brustkrebsdurchleuchtung mit Instrumenten, die den zur Untersuchung symptomatischer Patienten verwende­ ten ähnlich sind. Der Artikel von Fry kommt zu dem Schluß, daß das primäre Brustuntersuchungsverfahren, das für nicht­ symptomatische Frauen unter 35 Jahren in USA zur Verfügung steht, manuelle Palpation oder Untersuchung durch Abtastung ist, während eine eingeschränkte Verwendung von Röntgen­ strahlmammografie für Frauen in dem Altersbereich von 35 bis 50 Jahren empfohlen worden ist.

Fry gibt ferner an, daß Röntgenstrahlmammografie kein adäqua­ tes Erkennungsverfahren ist für Frauen zwischen 35 und 50, die dichte (das heißt nichtfettige) Brüste aufweisen, so daß einige dieser Altersgruppe von manueller Palpation abhängen. Da Palpation allgemein Tumoren einer Größe von weniger als 1 cm nicht erkennt, hat sie beschränkten Wert unter dem Ge­ sichtspunkt der Früherkennung. Anstrengungen sollten unter­ nommen werden, ein nichtionisierendes Durchleuchtungsverfah­ ren zu schaffen zur Untersuchung erwachsener Frauen unter der Altersgrenze von 50, wobei Frauen unter dem Alter von 35 Jah­ ren besondere Beachtung geschenkt wird.

Fry empfiehlt, daß in den Vereinigten Staaten intensive Be­ mühungen unternommen werden sollten zur Verbesserung der Ul­ traschallinstrumentierung, so daß sie in der Lage ist, mini­ malen Krebs in der Population von Frauen zu erkennen, wo sol­ che frühen Krebse mit größter Wahrscheinlichkeit anzutreffen sind, nämlich bei der jüngeren Frau.

In dem Sickles-Artikel von 1990 besteht die wesentliche kli­ nische Rolle für Brustultraschall darin, Zysten von festen Massen zu unterscheiden. Ferner ergibt sich die größte Nütz­ lichkeit von Sonografie, wenn die Unterscheidung von Zysten und festen Massen benötigt wird für nichtpalpierbare Massen, für welche die Aspiration unpraktisch ist. Kopans 1987; Sick­ les et al. (1984). Dieser Umstand trifft zu, wenn eine nicht­ verkalkte nonspiculated (?) Masse durch Mammografie allein ermittelt wird. Ähnlich wird in einem Artikel von 1991 mit dem Titel "Breast Sonography", veröffentlicht von Lawrence W. Bassett und Carolyn Kimme-Smith in AJR 156, geschlossen, daß sonografisches Gerät zur Brustabbildung sich weiter verbes­ sert hat und die Rolle der Brustsonografie sich zur Rolle einer unerläßlichen Ergänzung zur (Röntgenstrahl)-Mammografie entwickelt hat. Brustsonografie ist unter Verwendung der heute zur Verfügung stehenden Hardware nicht brauchbar zur Untersuchung auf Brustkrebs in irgendeiner Altersgruppe. Ihre Hauptanwendung liegt in der Unterscheidung der Zysten von fe­ sten palpierbaren und mit Röntgenstrahlmammografie sichtbaren Massen.

Ein Artikel von 1991 mit dem Titel "Usefulness of Mammography and Sonography in Women Less than 35 Years of Age", veröf­ fentlicht von L.W. Bassett, M.D., et al. in Radiology, lie­ fert eine weitere Diskussion zur Wirksamkeit der Anwendung von Röntgenstrahlmammografie und Brustsonografie für jüngere Frauen. Er kommt zu dem Schluß, daß Mammografie offensicht­ lich weniger wirksam ist in der Auswertung der strahlendich­ ten Brüste jüngerer Frauen als der weniger strahlendichten Brüste älterer Frauen.

Ein Artikel mit dem Titel "Automated and Hand-held Breast US: Effect on Patient Management", veröffentlicht von L.W. Bas­ sett, M.D., et al. in Radiology, gibt an, daß automatisierte Ultraschalleinheiten, konstruiert zur Untersuchung der Brüste symptomatischer Patientinnen, befürwortet worden sind, als mögliche Untersuchungsvorrichtung für Brustkrebs, mit Erken­ nungsraten, die laut Bericht denjenigen der Röntgenstrahlmam­ mografie nahekommen. Einige Ermittler haben jedoch über be­ deutende Anzahlen von Krebs berichtet, die mit Mammografie erkannt wurden, aber mit automatisierten Ultraschall uner­ kannt blieben. Kürzlich ist betont worden, daß eine Identifi­ zierung von gutmütigen Brustgewebeveränderungen mit Ultra­ schall in nichtsymptomatischen Patientinnen nicht als nützli­ cher Effekt angesehen werden sollte, da sie oft zu überflüs­ sigen Biopsien führt. Es ist jedoch gezeigt worden, daß Ul­ traschall nützlich ist als Ergänzung zur Röntgenstrahlmammo­ grafie in spezifischen klinischen Situationen. Seine ganz allgemein akzeptierte derzeitige Rolle liegt in der Unter­ scheidung der Zysten von festen Massen, die durch Palpation oder ein Röntgenstrahlmammogramm gefunden worden sind. Die Ergebnisse einer Patientenstudie zeigen, daß Ultraschall, ob­ wohl er unter Verwendung derzeit erhältlicher Hardware Rönt­ genstrahlmammografie in der Brustkrebsuntersuchung (screening) nicht ersetzen kann, eine wichtige Rolle bei der Auswertung gewählter Patienten spielen kann.

Ein neuerer Artikel von 1992 mit dem Titel "Sonographic De­ monstration and Evaluation of Microcalcifications in the Breast", veröffentlicht von W.J. Leucht, MD, et al. in Breast Dis kommt zu dem Schluß, die Untersuchung habe gezeigt, daß ein sonografischer Beweis von Mikroverkalkungskorrelaten (als Gewebeveränderungen und als sichtbar gemachte Kalziumparti­ kel) möglich ist. Es wird ferner angegeben, daß routinemäßige präoperative Brustsonografie als nützlich angesehen wird, da sie bei der Bestimmung des korrekten operativen Vorgehens helfen kann. Also können radiografisch erkannte Mikroverkal­ kungen, die für Bösartigkeit sprechen, bestätigt werden durch ein sonografisches Mikroverkalkungskorrelat, das Bösartigkeit voraussagt.

Das rasch zunehmende Interesse an höchstauflösender Ultra­ schallmammografie, wie durch die obige Auswahl von Artikeln wiedergegeben, ist eine Reaktion auf die Schmerz- und Strah­ lengefährdungsprobleme von der Röntenstrahlmammografie und ein Bestreben, einen wirksameren Tumordetektor zu finden. Das Erzielen einer der Röntgenstrahlauflösung vergleichbaren aku­ stischen Auflösung erfordert das Minimieren der Bildverzer­ rungsprobleme, die von der Heterogenität in der Brust herrüh­ ren. Heterogenität führt zu veränderlichen akustischen Weg­ längen und akustischer Wegverlustvariation. Gerätekosten sind auch ein wesentlicher Faktor. Ein akustisches Abtastverfahren muß ferner Körperbewegungseffekte während des Abtastens eli­ minieren. Im allgemeinen können diese Problembereiche mini­ miert werden durch Verwenden eines Ultraschallmammografie­ systems mit einer Abtastvorrichtung (Scanner), welche die kleinstmögliche physikalische Anordnungsgruppe (array) mit der niedrigsten Elementpunktzählung aufweist.

Der akustische Absorptionskoeffizient von Brustgewebe steigt rasch mit der Frequenz an. Daher erfordert ein ausreichendes Eindringen in die Brust die Verwendung einer relativ niedri­ gen Frequenz und einer großen Transducergruppe. Um zum Bei­ spiel eine Auflösung von 100 µm an der Brustkorbwand 15,2 cm (6 Zoll) unter der Gruppe zu erzielen, wird eine 20,3 cm (8 Zoll) breite reale Gruppe benötigt, die bei 10 MHz arbeitet. Die Strahlengänge von dem Fokuspunkt zu verschiedenen Punkten auf dieser Gruppe können unterschiedliche Weglängen und Gewe­ betypen durchlaufen. Die resultierende Signalamplituden- und Phasenverzerrung über die Abtastergruppe kann die Auflösung wesentlich verschlechtern. Eine vollbesetzte quadratische Ab­ tastergruppe dieser Größe würde 7,1 × 10⁶ Elementpunkte auf­ weisen. Die Herstellung einer solchen Abtastergruppe und ih­ rer zugeordneten Elektronik übersteigt gegenwärtig den Stand der Technik.

Die erforderliche hohe Elementpunktzählung erzeugt ferner ein übermäßiges Berechnungsproblem in einem Ultraschallmammogra­ fiesystem. Ein typisches Brustvolumen beträgt 8,2 × 10^-4 m³. Ein erzielbares akustisches Auflösungsvolumen beträgt 2,5 × 10^-12 m³, was ein Brustvolumen 3,28 × 10⁸ Auflösungszellen ergibt. Die Abtastergruppe operiert tief in dem nahen Feld, so daß die Verarbeitungsbelastung proportional dem Produkt aus der Gruppenelement-Punktzählung und der Auflösungszellen­ zählung ist. Die obige vollbesetzte reale Abtastergruppe von 20,3 cm (8-Zoll) im Quadrat erfordert annähernd 9,8 × 10¹⁴ reale Vielfache zum Abbilden des Brustvolumens. Ein typisches Klinikarbeitspensum beträgt 100 Brüste pro Tag, so daß eine Verarbeitungsrate von 1,1 × 10¹² realen Vielfachen/Sekunde benötigt würde. Dies geht um einige Größenordnungen über das praktische Maschinenvermögen hinaus.

Eine Mill′s-Cross-Gruppe reduziert die Elementpunktzählung um einen Faktur N/2, worin N die Elementpunktzählung entlang einer Kante der quadratischen Gruppe ist. Zum Beispiel wird die reale Vielfachenrate vermindert auf 8,3 × 10⁹ Vielfache je Sekunde, welches ein erzielbarer Wert ist. Die maximalen realen Mill′s-Cross-Gruppen-Abmessungen sind jedoch die glei­ chen wie die gefüllte Gruppe, so daß die akustischen Wegver­ zerrungsprobleme bleiben.

Eine Dimension der Mill′s-Cross-Strahlauflösung wird durch den Projektionsstrahl erzeugt. Die Tiefenschärfe um diesen Fokusbereich herum für diesen Strahl ist sehr klein bei An­ wendung auf das Ultraschallmammografieproblem. Dies erfor­ dert, daß der Projektor neu fokussiert wird für typisch 370 Tiefenebenen zusätzlich zu seinem typischen Bereich von 1270 lateralen Positionen. Die Zeit zum Abtasten einer Brust be­ trägt annähernd 35 Sekunden. In einem Maßstab einer Auflösung von 100 Mikron bewegt sich die Brust in dieser Zeitspanne übermäßig.

Das endgültige Problem bei der Mill′s-Cross-Gruppe ist das Herstellen seiner zwei 8-Zoll-Realgruppen von je annähernd 2667 Elementen. Dies geht über den Stand der Technik hinaus.

Das Implementieren der Mill′s-Cross-Gruppe durch Ablenken eines Projektorelementes zum Bilden einer synthetischen Gruppe und durch Sammeln der Daten mit einer realen Hydrofon­ gruppe vermindert die Abtastzeit-Rechenlast ausreichend. Es vermindert jedoch die Gruppengröße nicht ausreichend und ver­ meidet auch nicht das Problem des Herstellens der Hydrofon­ gruppe.

Die Hydrofongruppenkomplexität kann vermindert werden durch Ablenken eines einzigen Hydrofonelementes, um die Hydrofon­ gruppe synthetisch zu bilden. Das Hydrofonelement wird über die Länge seiner "Gruppe" abgelenkt für jede Übertragung des Projektors an Punkten entlang seiner "Gruppen"-Länge. Dies erfordert etwa 24 Sekunden zum Abtasten einer Brust, was übermäßig ist.

In einer gleichzeitig noch anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/072,806 mit dem Titel "Sonar System Employing Synthetic Orthogonal Array", eingereicht von B. Mitchell und G. Greene, ist eine synthetische Mill′s-Cross-Gruppe verwirklicht mit gepaarten Elementen auf eine Art, welche die typische Brust­ abtastzeit auf 1,1 Sekunden vermindert. Die Strahlennebenzip­ fel sind niedrig genug, so daß der Kontrast unter einigen Be­ dingungen akzeptabel ist, aber die Abtastzeit ist noch übermäßig zum Vermeiden einer Bildverschlechterung durch Kör­ perbewegung.

Ein einzelnes Element kann abgetastet werden in einem Kreis über dem Bildbereich, um eine synthetische kreisförmige Gruppe zu bilden, die in dem Lichtstrahlmodus (spotlight) verwendet wird. Eine Brust kann in 0,48 Sekunden abgetastet werden, was annehmbar ist. Der übermäßige Nebenzipfelwert führt zu unzureichendem Kontrast.

Ein einzelnes Element kann auch dazu verwendet werden, eine quadratische synthetische Gruppe zu bilden. Die typische Ab­ tastzeit von 0,45 Sekunden für eine Brust ist akzeptabel. Das Problem hoher Nebenzipfel, was zu niedrigem Kontrast führt, ist schwerwiegender als bei der kreisförmigen synthetischen Gruppe.

Um mit Röntgenstrahluntersuchungsverfahren wettbewerbsfähig zu sein, müssen Ultraschallabtaster ähnliche Auflösung, Bild­ kontrast und Abtastrate bei annehmbaren Hardwarekosten bie­ ten. Kommerzielle Ultraschallabtaster werden heute nicht zur Untersuchung verwendet, da sie eine ausreichende Rate und niedrige Kosten erzielen durch Abtasten in einer Dimension mit Transducerliniengruppen relativ niedriger Auflösung.

Verbesserungen sind in dem Stand der Technik vorgenommen wor­ den, indem der Strahl entweder elektronisch oder mechanisch in der nichtabgetasteten lateralen Dimension fokussiert wird, und indem eine begrenzte Zahl von Strahlen parallel zueinan­ der in der nichtabgetasteten Dimension verwendet wird. Andere haben zwei einzelne Fächerstrahlen von eindimensionalen Abta­ stern verwendet und die Strahlen orthogonal abgelenkt. Diese Verfahren haben sich als unangemessen zu Brustuntersuchungs­ zwecken erwiesen. Die besten Auflösungen nach dem Stand der Technik reichen von 400 bis 100 Mikron, und der resultierende Bildkontrast ist unzureichend, um Tumoren mit einem Durchmes­ ser von weniger als 5000 Mikron zu sehen. Röntgenstrahlver­ fahren erkennen Mikroverkalkungen mit einem Durchmesser von 100 Mikron. Ein primäres Hindernis zum Erzielen einer sehr hohen dreidimensionalen Ultraschallauflösung ist die Unmög­ lichkeit gewesen, einen ausreichenden Bildkontrast mit an­ nehmbaren Abtastraten und Hardwarekosten zu erhalten.

Obwohl das Interesse an Ultraschallmammografie hoch ist, bil­ den die Abtasterauflösung, der Bildkontrast und Herstellbar­ keitsprobleme, wie oben skizziert, eine wesentliche Abschrec­ kung für die Entwicklung der Ultraschallmammografie dahinge­ hend, daß sie eine bevorzugte Alternative zur Röntgenstrahl­ mammografie wird.

Die Grunderfindung, die in der erwähnten Patentanmeldung of­ fenbart ist, auf welcher diese Anmeldung beruht, richtet sich auf die Schaffung einer verbesserten Brustkrebserkennung mit­ tels eines Ultraschallmammografiesystems und eines Ultra­ schallabtasters für dieses, welche eine im wesentlichen schmerzlose, strahlungsfreie Brustabbildung ermöglichen, die zuverlässig durchzuführen ist mit ausreichend hoher Auflö­ sung, so daß Mikroverkalkungen einer Größe von weniger als 100 Mikron erkannt werden können.

Die hier offenbarte Anmeldung schafft zusätzliche Merkmale für das Ultraschallmammografiesystem der Grunderfindung, um­ fassend eine Eingliederung einer Herz-Monitor-Schaltung zu größerer Zuverlässigkeit bei der Mammografiesystemoperation und weiter verbesserte Abtastkonstruktion und -operation des Systems, um einen erhöhten Bildkontrast und schnellere Zielabtastung zu schaffen.

Ein Ultraschallmammografiesystem umfaßt also eine syntheti­ sche Abtastergruppe mit einer Grenze, die gebildet wird durch vorbestimmte Seiten, welche jeweils Punkte aufeinanderfolgen­ der Position mit vorbestimmtem Abstand voneinander aufweisen.

Es wird eine Einrichtung geschaffen zum Projizieren akusti­ scher Signale in ein abzutastendes Brustvolumen und zum Emp­ fangen reflektierter Signale aus dem abgetasteten Brustvolu­ men. Die Projektionseinrichtung und die Empfangseinrichtung sind an vorbestimmten Stellen entlang den Abtastergruppensei­ ten angeordnet, und es sind Einrichtungen vorgesehen zum schrittweisen Positionieren der Projektionseinrichtung und der Empfangseinrichtung von einem Punkt zum nächsten entlang den Gruppenseiten, um die Durchführung einer Brustvolumenab­ tastung zu ermöglichen. Die Projektionseinrichtungen werden aktiviert, um ein akustisches Signal in das Brustvolumen zu senden von jedem Punkt, auf welchem die Projektionseinrich­ tung schrittweise positioniert wird.

Durch die Empfangseinrichtung erzeugte elektrische Signale werden verarbeitet in Reaktion auf reflektierte akustische Signale, die an jedem Punkt empfangen werden, auf welchen die Empfangseinrichtung schrittweise positioniert wird, um da­ durch Bilddaten für das abgetastete Brustvolumen zu liefern. Es sind Einrichtungen vorgesehen zum Steuern der Geschwindig­ keit, mit der die Schrittpositionier- und Aktiviereinrichtun­ gen betrieben werden, so daß ausreichende Reflexionsdaten er­ zeugt werden, um zu ermöglichen, daß eine Brustabtastung nor­ malerweise in kürzerer Zeit als der Zeit zwischen Herzschlä­ gen einer Patientin ausgeführt wird. Die Bilddaten werden für ein Display verarbeitet.

Es sind Einrichtungen vorgesehen zum Überwachen des Herzens einer Patientin, um eine Anzeige für jeden Herzschlag zu er­ zeugen. Es sind Einrichtungen vorgesehen zum Betätigen der Schrittpositioniereinrichtung, der Aktiviereinrichtung und der Geschwindigkeitssteuereinrichtung, so daß ein Brustvolu­ men abgetastet wird nach einem ermittelten Herzschlag und vor dem nächsten Herzschlag.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung werden Projizieren und Empfangen so angeordnet und betätigt, daß sie eine Strahlbreite anwenden, die das abgetastete Brustvolumen gleich einem Teilvolumen der Brust macht. Ferner sind Ein­ richtungen vorgesehen zum Steuern der Abtastergruppe in auf­ einanderfolgende Positionen, wo die Abtastergruppe betätigt wird, wie definiert, um aufeinanderfolgende Brust-Teilvolu­ menabtastungen zu erzeugen, welche kombiniert werden, um ein Bild des gesamten Brustvolumens zu bilden.

Es versteht sich, daß die vorausgegangene allgemeine Be­ schreibung und die folgende detaillierte Beschreibung bei­ spielhaft und erläuternd sind und eine weitere Erläuterung der Erfindung gemäß den Ansprüchen bieten sollen.

Die begleitende Zeichnung, welche einen Bestandteil dieser Spezifikation bildet, zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und bietet zusammen mit der Beschreibung eine Erläuterung der Ziele, Vorteile und Prinzipien der Erfindung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Schemadiagramm einer synthetischen, quadrati­ schen Grenztransducergruppe mit Elementepaaren, die in dem System von Fig. 2 angewendet wird;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform eines Sonar-Sende-Empfangsgerätes, welches die Transducergruppe in Fig. 1 und ein Herzmonitor enthält, um ein vollständiges Sonarmammografiesy­ stem zu bilden;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Transducerelement-Abtast­ mechanismus, welcher kommerzielle Teile verwendet, um die Erfindung zu verwirklichen und zu prüfen;

Fig. 4A einen in einer Ausführungsform der Erfindung ange­ wendeten elektronischen Liniengruppenabtaster, in welchem Brustteilvolumen der Reihe nach abgetastet werden, um ein volles dreidimensionales Bild der Brust zu liefern;

Fig. 4B und 4C schematische Schaltbilder, die den Schalt­ vorgang der Liniengruppen von Fig. 4A erläutern;

Fig. 4D eine schematische Darstellung der Art und Weise, in welcher die Abtasterpositionierung erzielt wird;

Fig. 5 eine schematische Skizze einer Mill′s-Cross-Trans­ ducer-Gruppe nach dem Stand der Technik; und

Fig. 6 eine schematische Skizze einer quadratischen Grenz­ gruppen-Transducergruppe nach dem Stand der Tech­ nik.

In Fig. 5 ist eine Mill′s-Cross-Abtastergruppe 100 nach dem Stand der Technik gezeigt, welche aus zwei Transducerlinien­ gruppen gebildet wird. Das Mill′s-Cross ist ein Gruppenkon­ zept, das viele Jahre lang in der Sonartechnik angewendet worden ist.

Eine begrenzte Beschreibung der Mill′s-Cross-Gruppe 100 nach dem Stand der Technik wird hier gegeben, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.

Die Abtastergruppe 100 nach dem Stand der Technik umfaßt or­ thogonale Projektor- und Hydrofonachsen 102 und 104. Winzige akustische Projektorelemente (nicht angegeben) sind entlang der Y-Achse 102 positioniert. Winzige Hydrofonempfangsele­ mente (nicht angegeben) sind entlang der X-Achse 104 positio­ niert.

Die Projektorelemente senden einen akustischen Strahl, der auf einem Kreis um die Y-Achse herum fokussiert wird. Die Hy­ drofonelemente empfangen einen akustischen Reflexionsstrahl, der von einem Kreis um die X-Achse herum fokussiert ist. Ein Punkt maximaler Auflösung in der XZ-Ebene sowie der YZ-Ebene ist durch das Bezugszeichen 106 angedeutet.

Das akustische Abtasten eines Volumens zum Lokalisieren von Zielen in drei Dimensionen erfordert eine Abtastergruppe, die wenigstens zwei Dimensionen mit N Elementen entlang jeder Di­ mension aufweist. Im Vergleich zu einer "vollen" zweidimen­ sionalen Gruppe vermindert die Mill′s-Cross-Gruppe 100 nach dem Stand der Technik die benötigte Anzahl von Transducerele­ menten von N² auf 2N. Wie in dem obigen Hintergrundabschnitt angedeutet, sind die physikalische Größen einer realen Mill′s-Cross-Gruppe 100 und die einer gefüllten zweidimensio­ nalen Gruppe gleich. Ferner ist das Problem der Herstellung der realen Mill′s-Cross-Gruppe 100 und seiner Elektronik für Mammografiesystemanwendung schwerwiegend, wenn nicht gar un­ brauchbar.

Ein verbessertes sonografisches System, das eine neue synthe­ tische Mill′s-Cross-Gruppe mit Elementepaaren aufweist, wird mehr im einzelnen beschrieben in der vorerwähnten gleichzei­ tig noch anhängigen US-Anmeldung Nr. 08/072,806.

Eine reale quadratische Grenzabtastergruppe 110 nach dem Stand der Technik ist in Fig. 6 gezeigt. Die Grenzgruppe 10 ist de facto eine Kombination einer L-förmigen Hälfte von zwei nebeneinander angeordneten Mill′s-Cross-Gruppen und kann die Bildauflösung der Mill′s-Cross-Gruppe 100 mit der halben Gruppengröße erzielen.

Wie gezeigt, bilden vier Liniengruppen 112, 114, 116 und 118 "Grenz-"-Seiten für die Grenzabtastergruppe 110 nach dem Stand der Technik. Die gegenüberliegenden Seiten 112 und 114 weisen winzige Projektortransducerelemente (nicht angegeben) auf, und die gegenüberliegenden Seiten 116 und 118 weisen winzige Hydrofontransducerelemente (nicht angegeben) auf.

In der realen quadratischen Grenzgruppe nach dem Stand der Technik ist die Hydrofon- und Projektorelementzählung die gleiche wie die einer realen Mill′s-Cross-Gruppe mit der gleichen Auflösung. Der Projektor ist jedoch zweidimensional. In Ultraschallmammografieanwendungen, in denen die Hochbe­ reichsauflösung eine Verzögerungs-Projektorfokussierung in zwei Dimensionen erfordert, ist die Abtastzeit nahezu das Quadrat der in dem obigen Hintergrundabschnitt diskutierten Abtastzeit der realen Mill′s-Cross-Gruppe. Die reale quadra­ tische Grenzgruppe ist mit ihren großen Gruppen von winzigen dichtgepackten Elementen und der langen Abtastzeit unbrauch­ bar für die Mammografie.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden die Anordnungen von Hydrofon- und Projektorliniengruppen einer Grenzgruppe syn­ thetisch verwirklicht auf eine Art und Weise, welche die Kom­ plexität und die Abtastzeit minimiert. Allgemein schafft die Erfindung ein verbessertes Ultraschallmammografiesystem, wel­ ches eine synthetische Gruppe und Grenzgruppenkonzepte anwen­ det, um eine Ganzbrustabtastung zu erzielen mit einer bedeu­ tenden Verminderung in der Abtastergruppengröße und der Transducerelementzählung.

Ein Beispiel der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung ist in der begleitenden Zeichnung dargestellt und wird nun im einzelnen beschrieben.

Eine gemäß der Erfindung angeordnete Abtastergruppe (scanner array) 130 ist in Fig. 1 dargestellt. Eine synthetische Gruppenstruktur vermindert die Komplexität der Gruppenhard­ ware und löst Projektor-Tiefenschärfenprobleme und weist die Gesamtabmessungen der Grenzgruppe auf. Die physische Element­ zählung ist niedrig, was gestattet, eine weite Auswahl an etablierten Elementherstellungstechniken zu verwenden. Um Bilder mit hohem Kontrast und hoher Auflösung zuverlässig zu erhalten, muß ein abgebildetes Volumen bewegungslos bleiben während der Zeitspanne, in der es abgetastet wird. In dem spezifischen mammografischen Fall muß die Abtastzeit kürzer sein als die Zeit zwischen Herzschlägen, das heißt weniger als etwa 0,8 Sekunden. Wie nachfolgend genauer beschrieben, wendet die Erfindung eine Herzüberwachung an, um ein synchro­ nisiertes Abtasten zu ermöglichen, das zuverlässig zu Brust­ abbildungen hoher Auflösung führt.

Synthesegruppenverfahren haben im allgemeinen die syntheti­ sche Luftradar-Gruppen(array)technik imitiert. Von diesen "traditionellen" Verfahren sind die gerade Linie, die kreis­ förmige Grenze und die quadratische Grenze die gängigsten. Wie in dem obigen Hintergrundabschnitt bemerkt, weisen die Kreis- und Quadratkonfigurationen eine annehmbare Abtastzeit auf, aber nicht akzeptable Nebenzipfelpegel beim Abtasten von Brüsten. Die Abtastzeit von 1,1 Sekunden für die synthetische Elementpaar-Mill′s-Cross-Gruppe ist auch übermäßig. Mit der Aufnahme der Synthesegruppenmethodik in die Erfindung führt die vergrößerte Auflösung zu einer kleineren Gruppe mit an­ nehmbarer Abtastzeit für die Mammografie.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden vier Trans­ ducerelemente H1, P1, H2 und P2 mechanisch entlanggeführt oder abgelenkt entlang gerader Linien in der gleichen Ebene, wie in Fig. 1 gezeigt, um eine vierseitige und vorzugsweise eine quadratische Abtastergruppe 130 zu bilden. Die Element P1 und P2 sind Projektoren und die Elemente H1 und H2 sind Hydrofone. Die Gruppendimensionen sind L × L.

Eine Rechteckgrenzgruppe (nicht gezeigt) kann ebenfalls ge­ bildet werden, wenn die Strahlauflösung entlang der X-Achse verschieden ist von der in der Y-Achse und wenn die Zahl von Elementpunkten entlang den zwei Achsen die gleiche ist.

Um die synthetische Abtastergruppe 130 zu bilden, wird jedes Projektor- oder Hydrofonelement auf einer der Grenzseiten plaziert zur schrittweisen Bewegung von Punkt zu Punkt ent­ lang der Seite. Die jeweiligen Elemente starten an den jewei­ ligen Ecken der Quadratgruppe 130. An dem Starteckpunkt sen­ det der Projektor P1 zuerst ein akustisches Impulssignal, und die rückgestreuten akustischen Daten werden durch die beiden Hydrofone H1 und H2 gesammelt und gespeichert. Der Projektor P2 sendet dann ein akustisches Impulssignal, und seine Rück­ streudaten werden durch die Hydrofone H1 und H2 gesammelt und gespeichert.

Nach dem Sammeln der Rückstreudaten werden die Projektorele­ mente entlang ihrer Linien zu ihren nächsten Positionen vor­ gerückt. Diese Elementpunktpositionen weisen normalerweise gleichförmige Abstände auf, der Abstand kann aber auch varia­ bel sein und die Folge von Positionen braucht die Projektoren nicht gleichförmig von einem Ende zu dem anderen Ende ihrer jeweiligen Linien zu verschieben. Sie müssen jedoch schließ­ lich die ganze Linienlänge abrastern.

Die Hydrofone H1 und H2 werden entlang ihren Linien neu posi­ tioniert, wenn die Projektoren neu positioniert werden. Ihre Positionsfolge kann gleiche Abstände aufweisen oder willkür­ lich sein, und sie können in der gleichen Richtung von einem Ende ihrer Linien zu dem anderen laufen oder sich regellos hin und her bewegen. Sie müssen jedoch schließlich ihre vollen Linienlängen durchlaufen, und jeder Hydrofonelement­ punkt muß mit einem spezifischen Projektorelementpunkt ge­ paart werden.

Die zwei Grundmethoden des Abtastens - gleichförmig oder zu­ fällig (random) - führen zu unterschiedlichen Charakteristi­ ken in dem Gruppenstrahlmuster. Das Verfahren der Verarbei­ tung der gesammelten Daten verändert auch die Strahlmusterge­ stalt. Das Abtast- und Verarbeitungsverfahren wird so ge­ wählt, daß es an die Anwendung angepaßt ist.

Eine maximale Auflösung wird durch Verarbeiten der Daten un­ ter programmierter Computersteuerung folgendermaßen erhalten. Die aufgezeichneten Datenabtastwerte, die gesammelt werden zu der Zeit, welche von dem projizierten Impuls benötigt wird, um von P1 zu dem Fokuspunkt und zurück zu H1 zu laufen, wer­ den für jedes Positionspaar P1/H1 ausgelesen. Diese Abtast­ werte werden in komplexer Form summiert. Dies wird wiederholt für die Kombinationen P1/H2, P2/H1 und P2/H2. Das Ergebnis sind vier komplexe Zahlen. Die Zahlen P1/H1 und P2/H2 werden addiert ebenso wie die Zahlen P1/H2 und P2/H1. Die Größen der zwei resultierenden Zahlen werden multipliziert. Das Ergebnis ist das Echo oder der Strahlansprechwert, der durch Gleichung (1) beschrieben wird. Die zum Liefern dieser Datenverarbei­ tung benötigte Logik ist in einer geeigneten Programmprozedur verkörpert, die durch einen Block 37 ausgeführt wird.

Gleichung 1

Strahlansprechwert der synthetischen Elementpaar-Grenzgruppe

Diese Strahlmusterfunktion weist annähernd die vierfache Auf­ lösung der synthetischen Mill′s-Cross-Gruppe auf. Da sie er­ zeugt wird durch die Multiplikation von zwei Teilgruppenwer­ ten, welche Fächerstrahlwerte aufweisen, ist sie wegen des Kontrastverlustes nicht anwendbar in einem stark nachhallen­ den Volumen wie zum Beispiel einer menschlichen Brust. Sie kann verwendet werden, wo der Nachhall beschränkt ist auf eine benachbarte Fläche oder eine begrenzte Zahl von Streuern in dem Volumen.

Für die Mammogrammanwendung bewirkt das pseudorandomisierte Abtastverfahren, daß der Teilgruppenansprechwert rasch ab­ fällt mit zunehmenden Abstand von dem Fokuspunkt. Gleichung (1) sagt die Strahlauflösung genau voraus, und die Nebenzip­ fel sind ausreichend niedrig zum Erzielen von gutem Kontrast. Eine Strahlauflösung von 100 Mikron kann in einem Bereich von 15 cm (6 Zoll) erreicht werden mit einer Gruppe von 7,6 cm (3 Zoll) im Quadrat, die bei 10 MHz arbeitet. Die Abtastzeit mit Zuschlag (overhead) zum Randomisieren der Abtastung beträgt etwa 0,5 Sekunden. Dies liegt deutlich unter der durch Herz­ schläge auferlegten Grenze, die den Körper bewegen.

Das zweite Verfahren zum Verarbeiten der Daten besteht darin, die vier komplexen Zahlen zu addieren, die aus den vier Kom­ binationen vom Paaren von P1, P2, H1 und H2 resultieren. Die Auflösung ist halb so groß wie die, die durch Multiplizieren der Teilgruppen-Ausgangswerte erzielt wird. Bei gleichförmi­ ger Elementabtastung sind die höchsten Nebenzipfel nur um 6 dB niedriger über erweiterte Abstände. Das Verwenden des Pseudozufall-Abtastverfahrens reduziert den Nebenzipfel auf einen annehmbaren Pegel für die Mammografie.

Ein in Fig. 2 gezeigtes Mammografiesystem 10 umfaßt den syn­ thetischen Grenzgruppenabtaster 100 und andere Systemelemente zum Erzeugen dreidimensionaler Brustabbildungen aus den Abta­ sterdaten gemäß den oben beschriebenen Datenverarbeitungspro­ zeduren der Erfindung. Das Mammografiesystem 10 wird mit der Patientin in Rückenlage durchgeführt.

Ein Zeitgeber- und Steuerblock 11 wird in dem Mammografiesy­ stem 10 angewendet, um Befehlssignale für die Systemschalt­ kreise zu erzeugen. Eine Präzisionsuhr 12, die vorzugsweise mit einer Genauigkeit von 1 zu 10⁷ arbeitet, liefert eine ab­ solute Zeitbasis während der Zeitspanne einer Gruppenabta­ stung. Ein Weglaufen von weniger als 6 Grad über die Spanne eines Sonarimpulses kann erzielt werden, wenn die Uhr 12 als stabiler Quarzkristalloszillator verkörpert ist.

Ein Herzschlagmonitor oder -detektor 13 wird angewendet, um anzuzeigen, wann eine durch einen Herzschlag hervorgerufene Brustbewegung ausreichend abgeklungen ist, damit die Brust abgetastet werden kann. Der Detektor 13 nutzt eine von ver­ schiedenen Standardsensorverfahren wie beispielsweise elek­ trische, akustische oder Beschleunigung zur Feststellung, wann ein Herzschlag auftritt. Nach einer kurzen Verzögerung, die sicherstellt, daß eine Brustbewegung ausreichend abge­ klungen ist, sendet der Detektor 13 ein Signal zu dem Sonar­ zeitgeber- und Steuerblock 11, um eine Grundlage zum Synchro­ nisieren der Brustabtastung mit der Herzschlagtätigkeit zu liefern. Die Verzögerungsdauer hängt ab von dem zur Ermitt­ lung verwendeten Verfahren und kann typisch 0,1 bis 0,2 Se­ kunden betragen.

Jeweilige Translationsmotoren 14 sind für die Transducerele­ mente der Grenzabtastergruppe 100 vorgesehen, das heißt, ein gesonderter Motor 14 ist für jeden Transducer P1, P2, H1 und H2 vorgesehen. Eine Motorantriebselektronik 16 steuert die Aktivierung der Motoren 14 in Reaktion auf Befehlssignale von dem Zeitgeber- und Steuerblock 11.

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, das ein Prüfsystem 140 für einen Elementabtastermechanismus 141 darstellt, der zum Prü­ fen der Erfindung verwendet wird. Das Prüfsystem wird von einem Desktopcomputer 142 gesteuert und verwendet kommerziell erhältliche Komponenten, wie in Fig. 3 angedeutet. Es wird der zum Bewegen eines Elementes 143 erforderliche Mechanismus gezeigt. Auf Befehl von der Systemzeitgeber- und Steuerfunk­ tion gibt der Computer 142 einen Positionsbefehl an ein Ser­ vosystem 144 aus, welches das Element 143 mit einer Präzisi­ onsleitspindel 146 in die korrekte Position steuert. Das Mu­ ster von Positionen für das dargestellte Element 141 und die anderen drei Elemente (nicht gezeigt) wird vorausberechnet und in dem Computer 142 gespeichert. Dieses Prüfsystem ist verwendet worden, um Daten von Zielen zu sammeln und die Da­ ten zu Bildern zu verarbeiten.

Jeweilige Leistungsverstärker 18 und 20 in Fig. 2 sind mit den Projektoren P1 und P2 verbunden, um akustische Signale (Sonarimpulse) an den gewählten Punktorten auf den Gruppen­ seiten zu erzeugen. Nach jeder Brustabtastung stellt der Zeitgeber- und Steuerblock 11 das System für die nächste Ab­ tastung ein und wartet dabei auf das nächste Herzschlagdetek­ torsignal zum Anzeigen, daß die Brust stabil ist. Bei Empfang des stabilen Herzsignals steuert der Steuerblock 11 das zu sendende Sonarsignal, und zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, beispielsweise dem nächsten ins Positive gehenden Nulldurch­ gang, steuert der Steuerblock 11 eine vorbestimmte Anzahl von Sonarsignalzyklen aus, welche den zu sendenden Sonarimpuls bilden. Die maximale Verzögerung für das Senden nach Erhalt des Herzschlagdetektorsignals beträgt wahrscheinlich 0,2 Mi­ krosekunden. Die gesamte Präzisionssystemzeitsteuerung ist bezogen auf den Start des Sendeimpulses, also sind kleine Verzögerungen zwischen dem Empfang des Herzschlagdetektorsi­ gnals und dem Start des Sendeimpulses im wesentlichen irrele­ vant.

Der Zeitgeber- und Steuerblock 11 legt Befehlssignale an je­ weilige Gatter 22 und 24 an, welche ihrerseits die Leistungs­ verstärker 18 und 20 triggern, um die Projektoren P1 und P2 zu aktivieren und die Sonarimpulse von jedem Punktort aus zu generieren. Die Hydrofone H1 und H2 sammeln die akustische Signalrückstreuung der Sendungen (Übertragungen) von P1 und P2.

Vorverstärker 26 und 28 verstärken und filtern in einem Band­ paß die zwei Hydrofonausgangssignale, welche dann durch ent­ sprechende A-D-Wandler 30 und 32 in Digitalform umgewandelt werden. Die Digitalsignale werden in einem Schnellpufferspei­ cher 34 gespeichert, bis der Abtastprozeß vorüber ist. Die Form der gespeicherten Signalabtastwerte kann entweder kom­ plex oder real sein. Die komplexe Form wird vorgezogen, um die nachfolgenden Berechnungen zu vereinfachen.

Die Signale werden in komplexe Form umgewandelt vor Berech­ nungen, die zum Bilden fokussierter Strahlen vorgenommen wer­ den. Dies kann getan werden mit Analogschaltkreisen in den Vorverstärkern 26 und 28, durch Auseinandernehmen sequentiel­ ler Abtastwerte um 90 Grad in den Wandlern 30 und 32, wie hier bevorzugt, unter Verwendung von Koaxialkabeln, Verzöge­ rungsleitungen oder durch anschließende digitale Filterungen.

In einem Abtastvorgang wird das Gatter 22 zunächst durch den Zeitgeber- und Steuerblock 11 eingeschaltet, um einen Sende­ impuls über den Leistungsverstärker 18 zu dem Projektor P1 zu richten. Da die Zeiteinstellungspräzision bestimmt worden ist unter Verwendung der gleichen Präzisionsuhr zum Erzeugen des Sendeimpulses und zum Steuern anschließender Signalabtastung in dem Empfänger, braucht die Steuerung des Gatters 32 nicht genau zu sein. Das Gatter 22 wird genügend lang eingeschal­ tet, um den Sendeimpuls in seiner Gesamtheit durchzulassen. Der elektrische Impuls von dem Leistungsverstärker 18 wird durch den Projektor P1 in einen akustischen Impuls umgewan­ delt und in den Brustzielbereich (oder anderen Zielbereich) gestrahlt. Reflexionen werden durch die Hydrofone H1 und H2 gesammelt und in elektrische Signale verwandelt. Die elektri­ schen Signale werden ihrerseits durch die Vorverstärker 26 und 28 verstärkt, durch die Wandler in Digitalform umgewan­ delt und in dem Speicher 34 gespeichert.

Sobald die P1-Daten gesammelt sind, wird das P2-Gatter 24 eingeschaltet, und der obige Prozeß wird wiederholt, so daß ein P2-Sonarimpuls gesendet wird mit Reflexionssignalen, die durch die Hydrofone H1 und H2 zur Umwandlung und Speicherung gesammelt werden. Nachdem die P2-Daten gesammelt sind, werden sämtliche Transducer P1, P2, H1 und H2 zu ihren nächsten Punkten auf den Gruppenseiten weitergeschaltet, und die be­ schriebene Prozedur der Sonarimpulse P1 und P2 wird wieder­ holt. Das System wird auf diese Weise schrittweise positio­ niert und gepulst, bis die Abtastung vollendet ist, das heißt, bis die Transducerelemente jede ihrer vorgewählten Po­ sitionen über die gesamten Längen der Grenzgruppenseiten be­ setzt haben.

Die gesamte Abtastung kann in etwa 0,5 Sekunden ausgeführt werden, was bedeutet, daß die gesamte Abtastung zwischen den Herzschlägen einer Patientin ausgeführt werden kann, wodurch das System auf Mammografie anwendbar gemacht wird.

Die aus einer Abtastung gesammelten Reflexionsdaten liefern eine Grundlage zum Abbilden des abgetasteten Brustvolumens, das heißt die Gestalt von Gewebe wird durch Reflexionsvermö­ gen-Charakteristiken festgestellt. Die Natur des Gewebes wird durch die Gestalt und den relativen Kontrast festgestellt.

Mikroverkalkungen neigen dazu, mehr reflektierend zu sein und erscheinen heller in einem Ausgabebild, wogegen Tumoren dazu neigen, weniger reflektierend zu sein als umgebendes Gewebe. Das System 10 besitzt die Fähigkeit, Mikroverkalkungen von nur 100 Mikron oder kleiner zu erkennen, da die Systemauflö­ sung 100 Mikron beträgt.

Nachdem die Gruppenabtastung beendet ist, werden die gespei­ cherten Daten einer Recheneinheit 36 zugeführt, welche den Ansprechwert an jedem Punkt von Interesse in dem Zielbrustvo­ lumen berechnet. Der Ansprechwert an jedem Punkt von Inter­ esse in dem Ziel wird berechnet durch Strahlformung, welche aus dem kohärenten Addieren sämtlicher reflektierten Signale von diesem Punkt besteht. Die Zeitintervalle werden berechnet für den Abstand von jedem Projektionspunkt zu dem Punkt von Interesse in dem Ziel und zurück zu dem Punkt der Sammlung durch ein Hydrofon. Die zu diesen Zeitpunkten aufgezeichneten komplexen Signalwerte werden aus dem Schnellspeicher 34 her­ ausgeholt und kohärent addiert.

Abgestastete Signalwerte existieren gewöhnlich nicht bei den benötigten genauen Zeitpunkten, deshalb werden die gewünsch­ ten Werte berechnet durch Extrapolieren von dem zeitlich nächsten Abtastwert oder durch Interpolieren zwischen den vor und nach der geforderten Abtastzeit aufgezeichneten Abtast­ werten. Das gewählte besondere Verfahren hängt ab von der Si­ gnalabtastrate und der empfangenen Impulsform.

Die durch diese Rechenprozedur geschaffenen strahlgeformten Daten sind ein dreidimensionales Bild der Brust oder eines anderen Zielvolumens. Diese Bilddaten werden in einem Block 38 gespeichert und dann zu einem Displaysystem 40 transfe­ riert in einem Format, das sich zur Betrachtung als dreidi­ mensionales Bild eignet. Dies kann geschehen in der Form einer Sequenz von Bildebenen durch die Brust, oder die Bild­ daten können unter Verwendung eines stereoskopischen Displays betrachtet werden.

Pseudozufallspaarung von Projektor- und Hydrofonpositionen ist ein wichtiges Erfindungsmerkmal, da es leicht einen aus­ reichenden Bildkontrast in Brustabbildungen mit einer wesent­ lich verminderten Datenmenge und Abtastzeit ermöglicht. Me­ chanisches Abtasten mit den vier Elementen P1, P2, H1 und H2 der Ausführungsform von Fig. 1 in einer Pseudozufallsart re­ sultiert in relativ langen Elementbewegungen, welche zu ange­ messen kurzer Abtastzeit führen, aber trotzdem bewirken, daß die Abtastzeit mehr ist als sie anderenfalls wäre. Mechani­ sches Abtasten beschränkt auch die Auswahl, wie Elementanord­ nungen während der Abtastausführung zu paaren sind.

Obzwar mechanisches Abtasten mit vier Transducerelementen zu einer minimalen Komplexität für die Abtastergruppe führt, be­ schränkt also mechanische Abtastung die Vorzüge, welche ande­ renfalls erhalten werden können durch zufälliges (random) Paaren von Projektor- und Hydrofonpositionen wegen der Größe der Elementanordnungen. Diese Beschränkung kann eliminiert werden durch Besetzen der Seiten der Gruppe mit realen Ele­ menten, um Liniengruppen zu bilden. Jede Liniengruppen-Ele­ mentfläche ist zu dem gewünschten Teilvolumen oder Unterbe­ reich der Brust hin gerichtet, und ihre Abmessungen werden so gewählt, daß sie den Teilvolumen-Rückstreubereich beschrän­ ken. Nichtsdestoweniger ist die zu verarbeitende Datenmenge im wesentlichen die gleiche wie für die mechanischen Abta­ sterausführungen mit vier Elementen.

Eine in den Fig. 4A bis 4D gezeigte Ausführungsform der Erfindung erzielt einen verbesserten Kontrast und löst Pro­ bleme, welche die Wirksamkeit der mechanischen Abtastausfüh­ rungsform der Erfindung beschränken. In dieser Ausführungs­ form werden Liniengruppen von realen Elementen entlang jeder Seite einer quadratischen Gruppe verwendet. Die Gruppenabra­ sterung wird elektronisch durchgeführt, wird aber konzeptuell auf die gleiche Art durchgeführt wie die für die mechanische Abtastausführungsform mit vier Elementen beschriebene. Das heißt, eine Projektion findet vorzugsweise von einer Projek­ torposition zu einem Zeitpunkt statt, und die Rückstreuung wird vorzugsweise an zwei Hydrofonelementpositionen zu einem Zeitpunkt gesammelt.

Der Bildkontrast ist eine Funktion des Verhältnisses der in dem Transducerhauptstrahl gesammelten Energie zu dem in den umgebenden Nebenzipfeln gesammelten Energien. Wenn einer zweiten Dimension des Gruppenstrahles eine hohe Auflösung zu­ gefügt wird, wird die Nebenzipfelenergie relativ zu der Hauptzipfelenergie quadriert. Dies kann gehandhabt werden durch weitgehendes Reduzieren der Nebenzipfel und durch Be­ grenzen des Bereichs von Nebenzipfeln, welche Energie sam­ meln. Also können die Gruppenelement-Strahlmusterbereiche be­ schränkt werden, um Teilvolumenabtastung vorzusehen. Infolge­ dessen wird eine Brust erfindungsgemäß abgetastet als eine Folge kleiner Teilvolumen. Der Oberflächendurchmesser jedes Teilvolumens beträgt annähernd 60 Hauptzipfeldurchmesser in der Ausführungsform der Fig. 4A bis 4D.

Fig. 4A ist eine allgemeine Darstellung, die einen Abtaster 200 mit realen Projektor- und Hydrofonliniengruppen 202, 204, 206 und 208 von Transducerelementen zeigt, welche zu einem kleinen Teilvolumen 212 einer Brust geneigt sind. Die Projek­ tor- und Hydrofonliniengruppen 202 bis 208 können physisch so gekippt werden, daß jede zu dem Brustteilvolumen 212 hin­ weist.

Wenn vier Elemente mechanisch gerastert werden zum Teilvolu­ menabtasten einer Brust, weist die Abtastergruppe zwei mecha­ nische Abtastersysteme auf. Ein erster Abtaster 235 ver­ schiebt die vier Elemente entlang den Gruppenseiten in der Gruppen-XY-Ebene, wie vorher beschrieben. Dieser Element Ab­ tastermechanismus ist angefügt an einen zweiten mechanischen Abtaster 237, welcher die Gruppe in drei Dimensionen über den verschiedenen Teilvolumenpositionen zentriert. Die Teilvolu­ men erstrecken sich gewöhnlich durch die Brust zu der Brust­ korbwand. Der Abstand der Gruppe von der Brustkorbwand wird für unterschiedliche Gestalten von Frauen eingestellt.

Beide Abtasteranordnungen weisen Encoder auf, welche die Ele­ ment- und Gruppenpositionen rückkoppeln zu den Untersystemen der Antriebssteuerelektronik, welche ein innerer Bestandteil der Motorantriebselektronik sind. Die Elemente werden für jede Elektronikfunktion und für jede Teilvolumenabtastung über das gleiche vorbestimmte Muster bewegt. In einer einfa­ chen Version wird die Gruppe ferner über dem gleichen Teilvo­ lumenpositionsmuster für jede Brust positioniert. Anderen­ falls spezifiziert die Bedienungsperson über einen Steuer­ punkt, beispielsweise einen Desktopcomputer, den Abtastbe­ reich hinsichtlich Zeitsteuerung und Steuerung.

Jede Teilvolumenposition ist mit der Genauigkeit des Gruppen­ abtasters bekannt, welche typisch 0,025 mm (0,001 Zoll) be­ trägt. Die Teilvolumenpositionen werden so gewählt, daß sie sich ausreichend überlappen, um eine 100% Überdeckung mit kleinen Körperbewegungen während einer Brustabtastung vorzu­ sehen. Es ist im allgemeinen nicht notwendig, die Teilvolumen genau zusammenzusetzen, um einen Tumor zu erkennen. Wenn aus einem Grund ein Verknüpfen der Teilvolumen benötigt wird, kann das getan werden mit einem spezialisierten Prozessor un­ ter Verwendung eines Standard-Bildabgleichverfahrens.

Wenn die Gruppenseiten elektronisch gerastert werden, wird der mechanische Elementabtaster ersetzt durch den elektroni­ schen Abtaster und der zweite mechanische Gruppenabtaster wird verwendet, wie oben beschrieben.

Fig. 4B zeigt ein Untersystem 219, das Schaltkreise 221, 223, 225 und 227 umfaßt, die dazu dienen, Liniengruppen- Transducerelemente 214 bzw. 216 zur Projektion und zum Emp­ fang einzeln zu wählen. Konzeptuell ist der elektronische Ab­ tastvorgang des Liniengruppen-Transducerelementes 214 und 216 im wesentlichen der gleiche wie der für die mechanisch ge­ rasterten Elemente von Fig. 6 beschriebene. Ein Endelement 218 der Projektorlinie 202 wird gewählt, um eine Sendung zu starten. Der Leistungsverstärker 18 (Fig. 2) steuert das En­ delement 218 über den Wählschalter 220. Ein Hydrofonelement 222 oder 224 wird aus jeder Hydrofonliniengruppen 206 und 208 gewählt, um die rückgestreute Energie von dem Brustteilvolu­ men 212 zu empfangen. Die zwei Hydrofonelementausgangswerte werden zu den Vorverstärkern 28 (Fig. 2) zurückgeführt. Nachdem die Rückstreuenergie gesammelt worden ist, wird ein Endelement 226 in der Projektorliniengruppe 204 zur Übertra­ gung gewählt, und zwei verschiedene Hydrofonelemente werden zum Sammeln der Rückstreuenergie gewählt.

Der nächste Schritt besteht darin, das nächste Element in der Projektorliniengruppe 202 zu wählen, zwei neue Hydrofonele­ mente in den Hydrofonliniengruppen 206 und 208 zu wählen und den Sende- und Empfangsvorgang zu wiederholen. Dieser Prozeß des Wählens aufeinanderfolgender Projektorelemente 214, ab­ wechselnd in den Projektorliniengruppen 202 und 204, und das Paaren jedes mit zwei Hydrofonelementen 216 in den Hydrofon­ liniengruppen 206 und 208 geht weiter, bis alle Projektorele­ mente 214 in einer Abtastung verwendet worden sind. Vorzugs­ weise wird die Paarungsanordnung zwischen Projektor- und Hy­ drofonelementen 214 und 216 so gewählt, daß die Strahlneben­ zipfel minimiert werden.

Die Abmessungen des Brustteilvolumens sind beschränkt durch eine ausreichende Verminderung, der Transducerelementstrahl­ breiten. Die Nebenzipfelpegel werden vermindert durch Erhö­ hung der Elementpunktzählung. Diese zwei Erfordernisse sind allgemein inkompatibel, da eine Vergrößerung der Elementzäh­ lung die Elementbreite entlang der Liniengruppe vermindert mit einer resultierenden übermäßig vergrößerten Element­ strahlbreite in einer Dimension.

Fig. 4C stellt das bevorzugte Vorgehen dar, das zur Vermei­ dung dieses Problems angewendet wird. Die Hydrofon- oder Pro­ jektorelementwählschalter 221, 223, 225 und 227 wählen ver­ schiedene benachbarte Elemente zu einem Zeitpunkt. Ausgangs­ signale dieser benachbarten Elemente werden kombiniert durch ein Verzögerungsnetzwerk 223, welches einen fokussierten Strahl bildet, der auf das Brustteilvolumen 212 gerichtet ist. Wenn dieser Verbundelementschritt fertig ist, wählen die Wählschalter den nächsten Elementesatz.

Fig. 4D zeigt ein Untersystem 230 mit einem elektronischen Antrieb 231 und Translationsmotoren 232, die zur Abtasterpo­ sitionierung angewendet werden. Eine Abtaster- oder Transdu­ ceranordnung 234 kann entweder den mechanischen Vierelemen­ tabtaster von Fig. 6 oder die elektronische Zweiabtasteran­ ordnung der Fig. 4A bis 4C umfassen.

Die Abtastergruppe 234 umfaßt einen ersten Abtaster 235 und einen zweiten Abtaster 237 und wird über der Brust mechanisch positioniert in einer Sequenz von Positionen, die für eine Abtastung aller Teilvolumen sorgt, welche zusammen das ge­ samte Brustvolumen bilden. Das positionierende Untersystem wird bei dieser Operation durch den Steuerblock 11 gesteuert. Die Brustabtastzeit wird primär bestimmt durch das Produkt aus der Zählung von Brustteilvolumen und der für das neue Po­ sitionieren der Transducergruppe benötigte Zeit. Unter der Annahme, daß der Gruppentranslationsmechanismus mit der maxi­ mal akzeptablen Geschwindigkeit arbeitet, kann die Abtastrate verbessert werden durch Vergrößern des Verhältnisses der Hauptzipfelenergie zur Nebenzipfelenergie. Dieses vergrößert den Teilvolumendurchmesser.

Bei der Operation liegt die Patientin auf ihrem Rücken, wobei ein muldenförmiger Sack von Wasser oder einem anderen ge­ eigneten akustischen Mediumfluid auf ihrer Brust ruht. Der Abtaster wird in dem Wasser über ihr angeordnet und weist nach unten auf ihre Brust. Der erste Abtaster besteht aus dem Vierelementabtaster von Fig. 1 oder dem in Fig. 4A gezeig­ ten Vierelement-Liniengruppenabtaster. Ein Teilvolumen der Brust wird entsprechend der Position des ersten Abtasters ab­ getastet. Der zweite Abtaster bewegt die gesamte erste Abta­ steranordnung zu verschiedenen Positionen über der Brust, so daß die erste Abtasteranordnung Teilvolumen an unterschiedli­ chen Orten abtasten kann. Die Rückkopplungsleitung in Fig. 2, benannt "Transducergruppenposition", gibt dem Bilddaten­ verarbeitungs- und -speichersystem den Ort des ersten Abta­ sters auf der Brust an, um dadurch zu ermöglichen, Reflexi­ onsdaten dem zutreffenden Brustteilvolumen zuzuordnen. Wenn alle Teilvolumen abgetastet worden sind, können die resultie­ renden gespeicherten Daten verarbeitet werden für das dreidi­ mensionale oder abschnittsweise Display der ganzen Brust oder von Abschnitten davon.

Eine primäre Quelle für Kontrastverschlechterung ergibt sich aus den heterogenen akustischen Charakteristiken der Brust. Der maximale Hauptzipfelansprechwert wird erzielt, wenn alle Energie, die von verschiedenen Punkten in der Transducer­ gruppe gesendet worden ist, von einem Punkt in der Brust re­ flektiert worden ist und durch die Gruppe gesammelt worden ist in perfekter Zeitkoinzidenz addiert wird. Dies tritt auf, wenn die Gruppe relativ klein ist, da alle akustischen Wege die gleichen sind. Die Erzielung einer Auflösung von 100 Mi­ kron oder besser erfordert jedoch eine relativ große Transdu­ cergruppe. Eine reale Quadratgruppe, die bei 10 MHz 15,2 cm (6 Zoll) über der Brustkorbwand arbeitet, würde 20,3 cm (8 Zoll) überspannen. Der gegenüberliegende Winkel von einem Punkt auf der Brustkorbwand und den maximalen Gruppenabmes­ sungen beträgt 87 Grad.

Unterschiede in der Durchschnittsgeschwindigkeit von Schall und die Dämpfung über solche divergierenden Wege reduzieren den Spitzenansprechwert des Hauptzipfels, ohne die Nebenzip­ felenergie zu vermindern.

Verfahren zum Korrigieren dieser Art von Verschlechterung er­ fordern eine geeignete Korrektur der Daten von jedem akusti­ schen Weg, nachdem sie gesammelt worden sind. Im allgemeinen weisen synthetische Gruppen die Hälfte des überspannten Win­ kels realer Gruppen bei gleicher Auflösung und Frequenz auf. Daten der Realgruppe werden auch nach der Sammlung verarbei­ tet und stehen daher zur Verfügung zur Beseitigung akusti­ scher Wegverzerrung.

Um eine synthetische Gruppe zu verwirklichen, muß der Sende­ punkt über den Bereich der Gruppe bewegt werden. Bei jeder Position sendet er, und die Rückstreudaten werden durch die Hydrofone gesammelt. Während dieses Abtastprozesses muß die Brust still stehen, oder es tritt eine Verzerrung auf, welche das Verhältnis von Hauptzipfel zu Nebenzipfel reduziert, und daher besteht das Erfordernis, die Abtastung zwischen Herz­ schlägen des Patienten fertigzustellen. Dies wird erzielt, wie vorher beschrieben, indem der Herzmonitor 13 (Fig. 2) angewendet wird, um zu fühlen, wann das Herz schlägt, und in­ dem die resultierenden Sensordatensignale an das Sensorsteu­ ersystem 11 angelegt werden.

Eine gefüllte Gruppe wie beispielsweise die Gruppe von 15 cm (8 Zoll) im Quadrat könnte mit zwischen 2,6 × 10⁴ und 3 × 10⁶ Transducerelementen gemacht werden. Die größere Zahl gilt für eine praktische ebene Gruppe, die etablierte Herstel­ lungsprozeduren verwendet. Die niedrigere Zahl beruht auf einer Optimierung der Abmessungen und des Betrachtungswinkels jedes Elementes. Beide Ansätze gehen jedoch über den derzei­ tigen Stand der Technik hinaus.

Verbesserte Kontrastergebnisse und eine verminderte Abtast­ zeit werden durch die Erfindung erzielt mit Verwendung einer kommerziellen realisierbaren Konstruktion zu annehmbaren Ko­ sten.

Zusammengefaßt wendet die Erfindung eine Datenabtastung und -verarbeitung an, die es ermöglicht, dreidimensionales Ultra­ schallabtasten mit sehr hoher Auflösung zu erzielen im Gegen­ satz zu Ultraschallabbildungssystemen nach dem Stand der Technik, welche bestenfalls auf eine Auflösung von annähernd 1 mm beschränkt waren. In einem Mammografiesystem ermöglicht die Erfindung, eine Brustabbildung zuverlässig zu erzielen mit einer Auflösung von besser als 100 Mikron, und tut dies sicher ohne Strahlungsgefährdung und ohne Schmerz für die Pa­ tientin. Die Auflösung des Systems 10 resultiert aus einer engen Strahlstreuung an dem Fokuspunkt von 0,035 Grad oder weniger. Die Erfindung schafft also ein sicheres Mammografie­ system, das zu betreiben ist, um auf Brustmikroverkalkungen und -tumoren hin effektiv zu untersuchen, und also als ein Brustkrebsuntersuchungssystem zu fungieren.

Bei dem Betrieb der Erfindung sind Projektor- und Hydrofonpo­ sitionen gepaart, um synthetische orthogonale Teilgruppen zu bilden. Orthogonale Fächerstrahlen werden geschaffen mit Ori­ entierungen, welche bestimmt werden durch die Art, in der die Elemente gepaart werden, um die orthogonalen synthetischen Teilgruppen zu bilden. Eine quadratische oder rechteckige synthetische Grenzgruppe wird verwirklicht durch Multiplizie­ ren der Ausgangssignale der zwei orthogonalen synthetischen Teilgruppensignale, wo die Teilgruppen-Fächerstrahlen ortho­ gonal oder im Fall der rechteckigen Gruppe nahezu orthogonal sind. Eine quadratische oder rechteckige synthetische Grenz­ gruppe wird auch verwirklicht durch Addieren der Ausgangssi­ gnale der zwei orthogonalen synthetischen Teilgruppensignale, wo die Teilgruppenstrahlen orthogonal oder im Fall der recht­ eckigen Gruppe nahezu orthogonal sind. Das Hydrofon- oder das Projektorelement-Abtastmuster kann pseudorandomisiert sein, um den Teilgruppen-Fächerstrahl zu verändern zu einer Strahl­ gestalt mit hoher Auflösung in allen Richtungen, womit ein hohes Signal-zu-Nachhall-Verhältnis oder hoher Kontrast in stark nachhallenden Umgebungen erzielt wird. Es wird eine höhere Strahlauflösung erzielt für einen gegebenen Nebenzip­ felpegel, Gruppenabmessungen und Elementpunktzählung als mit irgendeiner anderen Transducergruppentechnik.

In einer Ausführungsform kann das Abtasten ausgeführt werden, indem Transducerelemente mechanisch entlang Grenzseiten der Grenzabtastergruppe bewegt werden, oder in einer anderen Aus­ führungsform, indem elektronisch umgeschaltet wird zwischen feststehenden Transducerelementen in Liniengruppen entlang den Grenzseiten der Grenzabtastergruppe.

Die Verwendung pseudorandomisierter Abtastung für die mecha­ nischen Abtastelemente oder die elektronischen Linienabtaste­ lemente ist wichtig, da sie die doppelte Auflösung einer re­ alen Gruppe der gleichen Abmessungen schafft und niedrige Ne­ benzipfel aufweist. Sie stützt auch einen anderen der Vor­ teile der Erfindung, das heißt den Vorteil, daß eine kleine Datenmenge zu sammeln und zu verarbeiten ist.

Zusätzlich erzielt das Mammografiesystem 10 eine verbesserte Brustabbildungsleistung mit einer Abtastergruppe, die prak­ tisch herzustellen ist, und mit einem EDV-System, das reali­ sierbar ist. Das Volumen von Datenabtastwerten je Brust be­ trägt weniger als 32 MBytes. Die reale Multiplikationsrate beträgt etwa 3 × 10⁷/Sekunde, um 100 Brüste pro Tag abzu­ tasten. Dies kann gehandhabt werden durch zwei Digitalsignal­ prozessorkarten nach dem Stand der Technik in einem Desktop­ hauptcomputer. Die Herzüberwachung ermöglicht es, alle Ab­ tastungen ohne Verzerrung durch Brustbewegungen vorzunehmen, die durch Herzschläge verursacht werden.

Als weiterer Vorteil wird ein dreidimensionales Bild der Brust erzeugt, wodurch eine dreidimensionale Betrachtung er­ leichtert wird im Vergleich zur Röntgenstrahlmammografie. Die Bildverarbeitungssoftware kann also die Daten entlang einer gewünschten Ebene zerschneiden, um die Brust entlang dieser Ebene abzubilden. Dies hilft bei der Klassifizierung von Bildmerkmalen.

Ein besserer Bildkontrast wird erzielt mit der Verwendung me­ chanischer oder elektronischer Abtastung durch Betreiben des Mammografiesystems in der Weise, daß eine Brust in aufeinan­ derfolgenden Teilvolumen abgetastet wird, bis die gesamte Brust abgetastet ist.

Allgemein kann die Erfindung verwirklicht werden mit quadra­ tischen Abtastergruppen oder mit rechteckigen Abtastergrup­ pen, solange die Transducerelementpunktzählung für jede Seite der Grenzgruppe die gleiche ist. Es ist auch beachtenswert, daß die Erfindung in anderen Anwendungen als der Mammografie verkörpert werden kann. Die Erfindung kann also verwendet werden in einer Anwendung, wo eine relative Bewegung zwischen der Gruppe und Objekten in dem abgetasteten Volumen während der Abtastzeitspanne nicht übermäßig ist. Zum Beispiel kann eine Gruppe von 30 Zoll im Quadrat eine Auflösung von 0,5 Zoll × 0,5 Zoll × 0,5 Zoll erzielen bei 30 m (100 Fuß) über einem Winkelsektor von 60 Grad. Die Abtastzeit beträgt 90 Se­ kunden.

Die vorausgegangene Beschreibung der bevorzugten Ausführungs­ form ist vorgelegt worden, um die Erfindung darzustellen. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offen­ barte Form beschränken. Bei Anwendung der Erfindung können Modifikationen und Veränderungen vom Fachmann vorgenommen werden, ohne von dem Rahmen und Gedanken der Erfindung abzu­ weichen. Der Rahmen der Erfindung soll definiert werden durch die Ansprüche und ihre Äquivalente.

Erforderliche Eintragungen in den Fig. 2, 3, 4B, 4C, 4D Fig. 2

11 Zeitgeber und Steuerung
12 Programmuhr
14 Transducerelement-Translationsmotore
16 Motorantriebselektronik
18 Leistungsverstärker
20 Leistungsverstärker
22 Gatter
24 Gatter
26 Vorverstärker
28 Vorverstärker
30 A-D-Wandler
32 A-D-Wandler
34 Schnellpufferspeicher
36 Recheneinheit
37 programmierte Steuerung
38 Bilddatenverarbeitung und -speicherung
40 Displaysystem

Fig. 3

139 Servoverstärker
142 Desktopcomputer
CDM-Laufwerk-Software
Positionsbefehlsgenerator (Typ in Klammer unverändert)
143 Transducerelement-Schlitten (Typ in Klammer unveränd.)
145 Motor (Typ in Klammer unverändert)
146 Leitspindel (Typ in Klammer unverändert)
146A Steuerungsschieber (Typ in Klammer unverändert)
147 Wellenkoppler (Typ in Klammer unverändert)
149 optischer Wellenencoder (Typ in Klammer unverändert)

Fig. 4B

11 Zeitgeber und Steuerung
221 Elementwählschalter
222 (Eintragungen im Quadrat bleiben erhalten)
223 Elementwählschalter
225 Elementwählschalter
227 Elementwählschalter

Fig. 4C

28 oder 18 Vorverstärker oder Leistungsverstärker
219 Wählschalter
228 Verzögerungsnetzwerk

Fig. 4D

231 Motorantriebselektronik
232 Transduceranordnungs-Translationsmotoren
234 Transduceranordnung mit Abtastergruppe
(darunter): zweiter Abtaster
(darunter): erster Abtaster

Bezugszeichenliste

10 Mammografiesystem
11 Zeitgeber- und Steuerblock
12 Präzisionsuhr
13 Herzschlagmonitor oder -detektor
14 Translationsmotore
16 Motorantriebselektronik
18, 20 Leistungsverstärker
22, 24 Gatter
26, 28 Vorverstärker
30, 32 Analog-Digital-Wandler
34 Pufferspeicher
36 Recheneinheit
38 Block
40 Displaysystem
100 Mill′s-Cross-Abtastergruppe
102 Projektorachse
104 Hydrofonachse
106 Punkt maximaler Auflösung
110 Grenzabtastergruppe (boundary scanner array)
112, 114, 116, 118 Liniengruppen
130 Abtastergruppe
140 Prüfsystem
141 Elementabtastermechanismus
142 Desktopcomputer
143 Transducerelement
144 Servosystem
136 Leitspindel
200, 202, 204, 206, 208 Projektor- und Hydrofonliniengruppen
212 Teilvolumen
214, 218, 226 Projektorelement
216, 222, 224 Hydrofonelement
220 Wählschalter
221, 223, 225, 227 Hydrofon-Projektor-Schalter
231 Untersystem
231 Elektronischer Antrieb
232 Translationsmotore
234 Transduceranordnung
235 erster mechanischer Abtaster
237 zweiter mechanischer Abtaster
H1, H2 Hydrofone
P1, P2 Projektoren
H3, H4 Hydrofone in Fig. 4A, 4B
P3, P4 Projektoren in Fig. 4A, 4B.

Claims (23)

1. Ultraschall-Mammografiesystem (10) mit einer syntheti­ schen Abtastergruppe, die eine durch vorbestimmte Seiten ge­ bildete Grenze aufweist, von denen jede (234) aufeinanderfol­ gende Positionspunkte mit einem vorbestimmten Abstand dazwi­ schen aufweist, ferner Einrichtungen (P1, P2; oder 214) zum Projizieren akustischer Signale in ein abzutastendes Brustvo­ lumen, Einrichtungen (H1, H2; oder 216) zum Empfangen reflek­ tierter Signale aus dem Inneren des abzutastenden Brustvolu­ mens, wobei die Projektionseinrichtung und die Empfangsein­ richtung an vorbestimmten Orten entlang den Abtastergruppen­ seiten angeordnet sind, Einrichtungen (14, 16, 11; oder 219) zum schrittweisen Positionieren der Projektionseinrichtung und der Empfangseinrichtung von Punkt zu Punkt entlang den Gruppenseiten, um das Ausführen einer Brustvolumenabtastung zu ermöglichen, Einrichtungen (18, 20) zum Aktivieren der Pro­ jektionseinrichtung zum Senden eines akustischen Signals in das Brustvolumen von jedem Punkt, zu dem die Projektionsein­ richtung schrittweise positioniert wird, und Einrichtungen (26, 28, 30, 32, 34, 36) zum Verarbeiten elektrischer Signale, die durch die Empfangseinrichtung in Reaktion auf die reflektier­ ten akustischen Signale erzeugt werden, welche an jedem Punkt empfangen werden, zu dem die Empfangseinrichtung schrittweise positioniert wird, um dadurch Bilddaten für das abgetastete Brustvolumen zu liefern,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (11) zum Steuern der Geschwindigkeit, mit der die Schrittpositionier- und Aktiviereinrichtungen betä­ tigt werden, so daß genügend Reflexionsdaten erzeugt werden, um zu ermöglichen, daß eine Brustabtastung in kürzerer Zeit als der Zeit zwischen Herzschlägen einer Patientin durchge­ führt wird,
eine Einrichtung (13) rum Überwachen eines Patientenher­ zens, um eine Anzeige für jeden Schlag des Patientenherzens zu erzeugen,
eine Einrichtung (11) zum Betätigen der Schrittpositio­ niereinrichtung, der Aktiviereinrichtung und der Geschwindig­ keitssteuereinrichtung, so daß das Brustvolumen nach einem ermittelten Herzschlag und vor dem nächsten Herzschlag abge­ tastet wird, und Einrichtungen (38, 40) zum Verarbeiten der Bilddaten zum Display.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ent­ weder die Projektionseinrichtung oder die Empfangseinrichtung oder die Projektionseinrichtung sowie die Empfangseinrichtung von Punkt zu Punkt in einer zufälligen Art derart bewegt wer­ den, daß jede Empfangseinrichtungsposition gepaart wird mit wenigstens einer Projektionseinrichtungsposition, wobei jede Grenzseite vollständig abgerastert wird.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signale jeweilige Ausgangssignale der Gruppen­ seiten umfassen, und daß die Verarbeitungseinrichtung der elektrischen Signale die Grenzseiten-Ausgangssignale multi­ pliziert.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signale jeweilige Ausgangssignale der Gruppen­ seiten umfassen, und daß die Verarbeitungseinrichtung der elektrischen Signale die Grenzseiten-Ausgangssignale addiert.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grenzgruppe eine vierseitige Gruppe ist,
daß die Projektionseinrichtung erste und zweite Projekto­ ren umfaßt,
daß die Empfangseinrichtung erste und zweite Hydrofone um­ faßt,
daß die Projektoren und die Hydrofone abwechselnd auf den entsprechenden Gruppenseiten angeordnet sind,
daß die Schrittpositioniereinrichtung die jeweiligen Pro­ jektoren und Hydrofone in Übereinstimmung miteinander von Punkt zu Punkt schrittweise positioniert,
daß die Aktiviereinrichtung die ersten und die zweiten Projektoren nacheinander aktiviert, um jedes erste und zweite akustische Signal von jeweiligen Projektorpunkten in aufein­ anderfolgenden Arbeitsschritten zu senden, und
daß die Verarbeitungseinrichtung die elektrischen Signale verarbeitet, die durch die ersten und die zweiten Hydrofone in jedem Arbeitsschritt erzeugt werden.

6. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grenzgruppe eine vierseitige Gruppe ist,
daß die Projektionseinrichtung erste und zweite Projekto­ ren umfaßt,
daß die Empfangseinrichtung erste und zweite Hydrofone um­ faßt,
daß die Projektoren und die Hydrofone abwechselnd auf den entsprechenden Gruppenseiten angeordnet sind,
daß die Schrittpositioniereinrichtung die jeweiligen Pro­ jektoren und Hydrofone in Übereinstimmung miteinander von Punkt zu Punkt schrittweise positioniert,
daß die Aktiviereinrichtung die ersten und die zweiten Projektoren nacheinander aktiviert, um jedes erste und zweite akustische Signal von jeweiligen Projektorpunkten in aufein­ anderfolgenden Arbeitsschritten zu senden, und
daß die Verarbeitungseinrichtung die elektrischen Signale verarbeitet, die durch die ersten und die zweiten Hydrofone in jedem Arbeitsschritt erzeugt werden.

7. Ultraschall-Mammografiesystem (10) mit einer syntheti­ schen Abtastergruppe (234), die eine durch vorbestimmte Sei­ ten gebildete Grenze aufweist, von denen jede aufeinanderfol­ gende Positionspunkte mit einem vorbestimmten Abstand dazwi­ schen aufweist, ferner Einrichtungen (P1, P2; oder 214) zum Projizieren akustischer Signale in ein abzutastendes Brustvo­ lumen, Einrichtungen (H1, H2; oder 216) zum Empfangen reflek­ tierter Signale aus dem Inneren des abzutastenden Brustvolu­ mens, wobei die Projektionseinrichtung und die Empfangsein­ richtung an vorbestimmten Orten entlang den Abtastergruppen­ seiten angeordnet sind, und Einrichtungen (14, 16, 11; oder 219) zum schrittweisen Positionieren der Projektionseinrich­ tung und der Empfangseinrichtung von Punkt zu Punkt entlang den Gruppenseiten, um das Ausführen einer Brustvolumenabta­ stung zu ermöglichen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Projektionseinrichtung und die Empfangseinrichtung so angeordnet und betätigt werden, daß sie eine Strahlbreite anwenden, die das abgetastete Brustvolumen gleich einem Teil­ volumen einer Brust macht,
und gekennzeichnet durch
Einrichtungen (18, 20) zum Aktivieren der Projektionsein­ richtung zum Senden eines akustischen Signals in das Brust­ teilvolumen von jedem Punkt, zu dem die Projektionseinrich­ tung schrittweise positioniert wird,
Einrichtungen (26, 28, 30, 32, 34, 36) zum Verarbeiten elektri­ scher Signale, die durch die Empfangseinrichtung in Reaktion auf reflektierte akustische Signale erzeugt werden, welche an jedem Punkt empfangen werden, zu dem die Empfangseinrichtung schrittweise positioniert wird, um dadurch Bilddaten für das abgetastete Brustteilvolumen zu liefern,
eine Einrichtung (11) zum Steuern der Geschwindigkeit, mit der die Schrittpositionier- und Aktiviereinrichtungen be­ tätigt werden, so daß genügend Reflexionsdaten erzeugt wer­ den, um zu ermöglichen, daß eine Brustteilvolumen-Abtastung in kürzerer Zeit als der Zeit zwischen Herzschlägen einer Patientin durchgeführt wird,
eine Einrichtung (234) zum Steuern der Abtastergruppe zu aufeinanderfolgenden Positionen, wo die Abtastergruppe betä­ tigt wird, wie definiert, um aufeinanderfolgende Brustteilvo­ lumen-Abtastungen zu erzeugen, welche kombiniert werden, um ein Bild des gesamten Brustvolumens zu bilden, und
Einrichtungen (38, 40) zum Verarbeiten der Bilddaten zum Display.

8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Projektionseinrichtung und die Empfangseinrichtung so angeordnet und betätigt werden, daß sie eine Strahlbreite anwenden, die das abgetastete Brustvolumen gleich einem Teil­ volumen einer Brust macht, und
daß eine Einrichtung (234) vorgesehen ist zum Steuern der Abtastergruppe zu aufeinanderfolgenden Positionen, wo die Ab­ tastergruppe betätigt wird, wie definiert, um aufeinanderfol­ gende Brustteilvolumen-Abtastungen zu erzeugen, welche kombi­ niert werden, um ein Bild des gesamten Brustvolumens zu bil­ den.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ent­ weder die Projektionseinrichtung oder die Empfangseinrichtung oder die Projektionseinrichtung sowie die Empfangseinrichtung von Punkt zu Punkt in einer zufälligen Art derart bewegt wer­ den, daß jede Empfangseinrichtungsposition gepaart wird mit wenigstens einer Projektionseinrichtungsposition, wobei jede Grenzseite vollständig abgerastert wird.

10. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grenzgruppe eine vierseitige Gruppe ist,
daß die Projektionseinrichtung erste und zweite Projekto­ ren umfaßt,
daß die Empfangseinrichtung erste und zweite Hydrofone um­ faßt,
daß die Projektoren und die Hydrofone abwechselnd auf den entsprechenden Gruppenseiten angeordnet sind,
daß die Schrittpositioniereinrichtung die jeweiligen Pro­ jektoren und Hydrofone in Übereinstimmung miteinander von Punkt zu Punkt schrittweise positioniert,
daß die Aktiviereinrichtung die ersten und die zweiten Projektoren nacheinander aktiviert, um jedes erste und zweite akustische Signal von jeweiligen Projektorpunkten in aufein­ anderfolgenden Arbeitsschritten zu senden, und
daß die Verarbeitungseinrichtung die elektrischen Signale verarbeitet, die durch die ersten und die zweiten Hydrofone in jedem Arbeitsschritt erzeugt werden.

11. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grenzgruppe eine vierseitige Gruppe ist,
daß die Projektionseinrichtung erste und zweite Projekto­ ren umfaßt,
daß die Empfangseinrichtung erste und zweite Hydrofone um­ faßt,
daß die Projektoren und die Hydrofone abwechselnd auf den entsprechenden Gruppenseiten angeordnet sind,
daß die Schrittpositioniereinrichtung die jeweiligen Pro­ jektoren und Hydrofone in Übereinstimmung miteinander von Punkt zu Punkt schrittweise positioniert,
daß die Aktiviereinrichtung die ersten und die zweiten Projektoren nacheinander aktiviert, um jedes erste und zweite akustische Signal von jeweiligen Projektorpunkten in aufein­ anderfolgenden Arbeitsschritten zu senden, und
daß die Verarbeitungseinrichtung die elektrischen Signale verarbeitet, die durch die ersten und die zweiten Hydrofone in jedem Arbeitsschritt erzeugt werden.

12. Ultraschall-Mammografiesystem mit einer Abtastergruppe, die eine durch vorbestimmte Seiten gebildete Grenze aufweist, von denen jede aufeinanderfolgende Positionspunkte mit vorbe­ stimmten Abständen dazwischen aufweist, ferner Einrichtungen zum Projizieren akustischer Signale in ein abzutastendes Brustvolumen, Einrichtungen zum Empfangen reflektierter Si­ gnale aus dem Inneren des abzutastenden Brustvolumens, dadurch gekennzeichnet,
daß die Projektionseinrichtung erste und zweite Linien­ gruppen (214) von Projektorelementen umfaßt, die auf den er­ sten und zweiten Projektorliniengruppen mit einem Punktab­ stand zwischen Elementen angeordnet sind,
daß die Empfangseinrichtung erste und zweite Liniengruppen (216) von Empfangselementen umfaßt, die auf den ersten und zweiten Empfangsliniengruppen mit einem Punktabstand zwischen Elementen angeordnet sind,
daß die Projektor- und Empfangsliniengruppen abwechselnd auf den jeweiligen Gruppenseiten angeordnet sind,
ferner gekennzeichnet durch
Einrichtungen (219) zum schrittweisen Positionieren der Tätigkeit der Projektorelemente und der Empfangselemente von Punkt zu Punkt entlang den Elementliniengruppen, um das Aus­ führen einer Brustvolumenabtastung zu ermöglichen,
Einrichtungen (18, 20) zum Aktivieren jedes Projektorele­ mentes zum Senden eines akustischen Signals in das Brustvolu­ men von jedem Projektionspunkt aus, wenn jedes Projektorele­ ment zur Tätigkeit freigegeben wird durch die Schrittpositio­ niereinrichtung,
Einrichtungen (21, 23, 30, 32, 34, 36) zum Verarbeiten elektri­ scher Signale, die durch jedes Empfangssignal erzeugt werden in Reaktion auf reflektierte akustische Signale von jedem Empfangspunkt, wenn jedes Empfangselement zur Tätigkeit frei­ gegeben wird durch die Schrittpositioniereinrichtung,
eine Einrichtung (11) zum Steuern der Geschwindigkeit, mit der die Schrittpositionier- und Aktiviereinrichtungen betä­ tigt werden, so daß genügend Reflexionsdaten erzeugt werden, um zu ermöglichen, daß eine Brustabtastung in kürzerer Zeit als der Zeit zwischen Herzschlägen einer Patientin durchge­ führt wird, und
eine Einrichtung (38, 40) zum Verarbeiten der Bilddaten zum Display.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittpositioniereinrichtung eine Schalteinrichtung (219) umfaßt zum Aktivieren der Projektorelemente zur Akustiksi­ gnalerzeugung und zum Aktivieren der Empfangselemente zum Er­ zeugen von Ausgangssignalen entsprechend reflektierten aku­ stischen Signalen in Übereinstimmung mit der Tätigkeit der Steuereinrichtung und der Verarbeitungseinrichtung.

14. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß je­ des Projektorelement gepaart ist mit einem Paar von Empfangs­ elementen, und daß die Steuereinrichtung und die Schrittposi­ tioniereinrichtung betätigt werden, um jeden gepaarten Satz von Projektor- und Empfangselementen von Projektionspunkt zu Projektionspunkt auf Zufallsart zu aktivieren, wobei jede Grenzseite vollständig abgerastert wird.

15. System nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (13) zum Überwachen eines Patientenher­ zens, um eine Anzeige für jeden Schlag des Patientenherzens zu erzeugen,
und eine Einrichtung (11) zum Betätigen der Schrittposi­ tioniereinrichtung, der Aktiviereinrichtung und der Geschwin­ digkeitssteuereinrichtung, so daß das Brustvolumen nach einem ermittelten Herzschlag und vor dem nächsten Herzschlag abge­ tastet wird.

16. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Projektionseinrichtung und die Empfangseinrichtung so angeordnet und betätigt werden, daß sie eine Strahlbreite anwenden, die das abgetastete Brustvolumen gleich einem Teil­ volumen einer Brust macht, und
daß eine Einrichtung (234) vorgesehen ist zum Steuern der Abtastergruppe zu aufeinanderfolgenden Positionen, wo die Ab­ tastergruppe betätigt wird, wie definiert, um aufeinanderfol­ gende Brustteilvolumen-Abtastungen zu erzeugen, welche kombi­ niert werden, um ein Bild des gesamten Brustvolumens zu bil­ den.

17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß je­ des Projektorelement gepaart ist mit einem Paar von Empfangs­ elementen, und daß die Schrittpositioniereinrichtung betätigt wird, um jeden gepaarten Satz von Projektor- und Empfangsele­ menten von Projektionspunkt zu Projektionspunkt auf Zufalls­ art zu aktivieren, wobei jede Grenzseite vollständig abge­ rastert wird.

18. System nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (13) zum Überwachen eines Patientenher­ zens, um eine Anzeige für jeden Schlag des Patientenherzens zu erzeugen,
und eine Einrichtung (11) zum Betätigen der Schrittposi­ tioniereinrichtung, der Aktiviereinrichtung und der Geschwin­ digkeitssteuereinrichtung in der Art, daß das Brustvolumen nach einem ermittelten Herzschlag und vor dem nächsten Herz­ schlag abgetastet wird.

19. System nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (13) zum Überwachen eines Patientenher­ zens, um eine Anzeige für jeden Schlag des Patientenherzens zu erzeugen,
und eine Einrichtung (11) zum Betätigen der Schrittposi­ tioniereinrichtung, der Aktiviereinrichtung und der Geschwin­ digkeitssteuereinrichtung in der Art, daß das Brustvolumen nach einem ermittelten Herzschlag und vor dem nächsten Herz­ schlag abgetastet wird.

20. System nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (13) zum Überwachen eines Patientenher­ zens, um eine Anzeige für jeden Schlag des Patientenherzens zu erzeugen,
und eine Einrichtung (11) zum Betätigen der Schrittposi­ tioniereinrichtung, der Aktiviereinrichtung und der Geschwin­ digkeitssteuereinrichtung in der Art, daß das Brustvolumen nach einem ermittelten Herzschlag und vor dem nächsten Herz­ schlag abgetastet wird.

21. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Projektionseinrichtungsposition mit zwei Empfangseinrich­ tungspositionen gepaart wird.

22. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Projektionseinrichtungsposition mit zwei Empfangseinrich­ tungspositionen gepaart wird.

23. System nach Anspruch 12, worin der Aufbau der abgetaste­ ten Gruppe gekennzeichnet ist durch
eine erste Gruppenanordnung, die arbeitet, um Projektion und Empfang akustischer Signale auszuführen, wie beschrieben, und
eine zweite Gruppenanordnung, die mit der ersten Gruppen­ anordnung verbunden ist.