DE4439796C1

DE4439796C1 - Verfahren zur optischen Darstellung von Strukturen

Info

Publication number: DE4439796C1
Application number: DE19944439796
Authority: DE
Inventors: Roland Linder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-08
Filing date: 1994-11-08
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2014-11-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Dar stellung von Strukturen, insbesondere von Körperstruk turen, auf der Grundlage von Ultraschallsignalen sowie eine Vorrichtung dazu und eine Verstärkerschaltung zur Verarbeitung von Echosignalen in einer Ultraschall-Un tersuchungsvorrichtung.

Das obengenannte Verfahren wird auch als Ultraschall untersuchung bezeichnet und insbesondere in der Medizin eingesetzt. Bei solchen Untersuchungen werden mittels einer Ultraschallsonde Ultraschallsignale in den Körper eingestrahlt. Bei ihrem Durchgang durch den Körper wer den die Ultraschallsignale vom Körpergewebe, von Kno chen oder von anderen im Körper befindlichen Struktu ren, beispielsweise Gallensteinen, reflektiert. Die reflektierten Schallsignale, die auch als Echosignale bezeichnet werden können, werden von einem Empfänger in der Ultraschallsonde aufgenommen und nach Verstärkung an einem Bildschirm graphisch dargestellt. Die an ein zelnen Punkten des Laufweges der Ultraschallsignale (Meßpunkten) gemessene Laufzeit des Ultraschallsignals läßt Rückschlüsse auf die Tiefe der echobildenden Struktur zu.

Da unterschiedliche Strukturen ein unterschiedliches Echosignal hervorrufen, kann von dem Echosignal auf die Struktur selbst geschlossen werden. So ist z. B. be kannt, daß Knochen oder auch Gallensteine verhältnis mäßig schallundurchlässig sind und daher ein starkes Echosignal hervorrufen.

Da jedoch auch Strukturen, wie z. B. Körpergewebe, das Schallsignal schwächen, ohne ein starkes Echosignal hervorzurufen, vermindert sich die Schallintensität des Schallsignals mit zunehmender Eindringtiefe. Dies führt dazu, daß tiefliegende Strukturen, auch wenn sie Schallsignale stark reflektieren, nur ein schwaches Echosignal hervorrufen.

Um diesen Effekt zu kompensie ren, ist bereits bekannt, das Echosignal zu verstärken, wobei Echosignale, die von tieferliegenden Strukturen reflektiert wurden, stärker verstärkt werden als die Echosignale von Strukturen in geringen Tiefen. Diese Art der Aufbereitung wird auch als "time-compensated gain" TCG bezeichnet (vergleiche EP 0 484 646 A1).

Bei Untersuchungen tritt jedoch häufig die Situation auf, daß mehrere stark reflektierende Strukturen ein ander in Ausbreitungsrichtung des Schallstrahls über decken. Zwei Gallensteine können z. B. derart angeordnet sein, daß der eine vollständig im Schallschatten des anderen liegt. In diesem Fall erzeugt der zweite Gal lenstein, unabhängig von der Tiefe, nur ein extrem schwaches Echosignal, da der erste Gallenstein die Schallintensität des Schallstrahls stark vermindert. Mehrere einander überlagernde, stark schallreflektie rende Strukturen sind daher normalerweise nicht dar stellbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Vorrichtung, sowie eine Verstärkerschaltung zur Verfügung zu stellen, mit de nen die optische Darstellung der Strukturen verbessert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 6 und 7.

Die Erfindung beruht darauf, daß über den Laufweg des jeweiligen Schallsignals für aufeinanderfolgende Meß punkte, d. h. Eindringtiefen, die noch vorhandene Rest intensität des Schallsignals bestimmt wird. Für jeden Meßpunkt wird die Änderung der Schallintensität gegen über dem im Laufweg vorhergehenden Meßpunkt ermittelt und diese Änderung wird auf der Basis der Restintensi tät des Meßpunktes oder des vorherigen Meßpunktes nor miert. Wenn eine im Schatten einer stark reflektieren den Struktur liegende weitere Struktur, beispielsweise ein zweiter Stein, das Schallsignal noch einmal schwächt, so wird diese Schwächung nicht auf die Sendeintensität der Ultraschallsonde bezogen, sondern auf die Restintensität des Schallsignals unmittelbar vor der echobildenden Struktur. Dadurch wird sicherge stellt, daß ein Schallsignal geringer Intensität nicht zu Fehlinterpretationen der echobildenden Struktur führt. Indem die Restintensität des Schallsignals ent lang des Laufwegs bestimmt wird, kann jeder Meßpunkt so behandelt werden, als läge er unmittelbar unterhalb der Ultraschallsonde. Auf diese Weise können die Schallsi gnal-Schwächungseigenschaften einer echobildenden Struktur wirklichkeitsnah dargestellt werden.

Bei dem Verfahren werden in vorbestimmten Zeitabständen (Meßpunkten) nach Aussendung des Schallsignals dessen Echosignale aufgenommen. Die Zeitabstände nach der Aus sendung des Schallsignals repräsentieren die Abstände der echobildenden Strukturteile zur Ultraschallsonde und die Intensität des Echosignals dessen Struktur. Die normierte Änderung der Intensität des Echosignals wird in Übereinstimmung mit dem zugehörigen Zeitabstand op tisch angezeigt. Dabei wird von den Echosignalen, die die Schwächung repräsentieren, auf die Restintensität des Schallsignals geschlossen.

Gemäß Anspruch 2 wird die Restintensität des Schallsi gnals dadurch ermittelt, daß von der Intensität des ausgesendeten Schallsignals an der Ultraschallsonde die Intensitäten der Echosignale abgezogen werden. Dabei wird von der Annahme ausgegangen, daß die Schwächung der Intensität des Schallsignals in erster Linie auf Reflexionen beruht. Wenn ein Schallstrahl eine Körper struktur durchdringt, werden an verschiedenen Struktur teilen Echosignale erzeugt. Diese Echosignale werden nacheinander, entsprechend der Tiefe der echobildenden Struktur, von der Ultraschallsonde empfangen. Wenn die Intensitäten der Echosignale von der Intensität des ursprünglich ausgesendeten Schallsignals abgezogen wer den, erhält man die Restintensität des Schallsignals entlang des Ausbreitungsweges des Schallsignals. Mit dem jeweils individuell für jedes Schallsignal ermit telten Intensitätsverlauf kann dann die Änderung der Intensität des Echosignals und dessen Normierung beson ders einfach durchgeführt werden.

Der durch die Annahme, eine Schwächung der Intensität des Schallsignals erfolge nur aufgrund von Reflexionen, verursachte Fehler kann dadurch ausgeglichen werden, daß für eine Intensitätsabnahme des Schallsignals ent lang seines Ausbreitungsweges aufgrund von Streuungen oder Absorptionen eine Korrekturberechnung durchgeführt wird. In dieser Korrekturberechnung können Korrektur werte berücksichtigt werden, die aufgrund des ermittel ten Reflexionsverhaltens ein damit üblicherweise ver bundenes Streuungs- oder Absorptionsverhalten repräsen tieren.

Um ein zweidimensionales Bild zu erhalten, können die Schallsignale entlang benachbarter, unterschiedlicher Wege ausgesendet und nach Aufbereitung gemeinsam darge stellt werden. Die Schallsignale tasten bei diesem Ver fahren einen kompletten Sektor oder als parallele Strahlen ein Fenster ab und erlauben somit die Darstel lung eines Schnitts durch die untersuchten Strukturen. Wenn die Abtastung mehrfach erfolgt, ist es möglich, den Schnitt durch die Körperstruktur als Echtzeit-Scan darzustellen. Durch eine solche Darstellung können auch Bewegungen innerhalb der untersuchten Struktur sichtbar gemacht werden.

Die Vorrichtung zur optischen Darstellung von Struktu ren, insbesondere von Körperstrukturen, auf der Grund lage von Ultraschallsignalen zeichnet sich insbesondere durch ihre Verstärkerschaltung aus, die eine Signalver folgungseinrichtung umfaßt. In der Signalverfolgungs einrichtung wird aufgrund von Rechenoperationen die Restintensität des Schallsignals entlang seines Aus breitungsweges ermittelt. Auf der Grundlage dieser Er mittlungen werden die Echosignale von der Verstärker schaltung in bewertete Echosignale umgewandelt, die eine Änderung der Schallintensität zwischen zwei Meß punkten, bezogen auf die Restintensität an einem der Meßpunkte, repräsentieren.

Die Vorteile der Erfindung lassen sich auch erreichen, wenn eine Ultraschall-Untersuchungsvorrichtung nach dem Stand der Technik mit einer Verstärkerschaltung nach Anspruch 8 ausgerüstet wird. Dieser Verstärkerschaltung werden die von der Ultraschallsonde empfangenen Echosi gnale über einen Eingang zugeleitet. Die Verstärker schaltung weist außerdem einen Eingang für ein Zeitsi gnal auf. In einer Signalverfolgungseinrichtung werden die Restintensitäten des Schallsignals entlang seines Ausbreitungsweges ermittelt. Eingehende Echosignale werden dann in der Verstärkerschaltung in bewertete Echosignale umgewandelt, indem die Änderung der Schall intensität zwischen zwei Meßpunkten auf die Restinten sität an einem der Meßpunkte bezogen wird. Die solcher maßen verarbeiteten Echosignale werden an einen Ausgang weitergeleitet und dann von der Ultraschall-Untersu chungsvorrichtung dargestellt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun gen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Zeichnung im Zusammenhang mit der Beschreibung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur optischen Darstellung von Strukturen, insbesondere von Körperstrukturen auf der Grundlage von Ultraschallsignalen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Schallsignal verlaufs und der Verarbeitung der Schallsigna le,

Fig. 3 ein illustriertes Rechenbeispiel zur Verdeutli chung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 eine graphische Veranschaulichung der Intensi tät des von der Ultraschallsonde aufgenommenen Echosignals,

Fig. 5 eine Veranschaulichung des Intensitätsverlaufs des Schallsignals entlang seines Laufweges,

Fig. 6 eine Veranschaulichung der gemäß dem erfin dungsgemäßen Verfahren aufbereiteten Echosigna le und

Fig. 7 eine Veranschaulichung der mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik ermittelten Echosig nale.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 10 dient zur opti schen Darstellung von Strukturen, insbesondere von Kör perstrukturen, z. B. an Patienten, um die Struktur eines erkrankten Organs sichtbar zu machen. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist eine Schallsignale aussen dende und deren Echosignale aufnehmende Ultraschallson de 12 sowie eine Signalerzeugungs- und Datenverarbei tungsvorrichtung 14 auf, die mit einer Tastatur als Dateneingabevorrichtung 16 und einem Bildschirm als Anzeigeeinrichtung 18 verbunden ist.

Der Signalfluß erfolgt, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Von einem Zeitsignalgeber 20 wird ein Zeitsignal an eine Signalquelle 22 übertragen. Die Signalquelle 22 regt den Sender 24 einer Ultraschallsonde 12 an, der daraufhin ein Schallsignal in die zu untersuchende Struktur einstrahlt. Ein von verschiedenen Strukturtei len zurückgeworfenes Echosignal wird von dem ebenfalls in der Ultraschallsonde angeordneten Empfänger 28 auf genommen und zu der Verstärkerschaltung 30 weitergelei tet. In der Verstärkerschaltung 30 ist eine Signalver folgungseinrichtung 26 vorgesehen, in der aufgrund von Rechenoperationen der Intensitätsverlauf des Schallsi gnals entlang seines Ausbreitungsweges ermittelt wird. Um die Signalverfolgung durchführen zu können, ist die Signalverfolgungseinrichtung 26 mit der Signalquelle 22 verbunden, so daß die Intensität der ursprünglich aus gesendeten Schallsignale zur Auswertung zur Verfügung steht. Darüber hinaus steht die Verstärkerschaltung 30 mit dem Zeitsignalgeber 20 in Verbindung, um an eine der Verstärkerschaltung 30 nachgeschaltete Grafikschal tung 32 Wertepaare aus aufbereiteten Echosignalen und Zeitsignalen übergeben zu können. Die von der Grafik schaltung 32 aus gegebenen Grafiksignale werden von ei ner Anzeigeeinrichtung 34, die im vorliegenden Fall ein Bildschirm ist, als Bild 36 ausgegeben.

Fig. 3 verdeutlicht die Verarbeitung der Echosignale, die entstehen, wenn ein Ultraschallsignal beim Menschen zur Untersuchung der Gallenblase 38 herangezogen wird. Im vorliegenden Fall geht der von der Ultraschallsonde 26 ausgehende Ultraschallstrahl 50 durch die vordere Gallenblasenwand hindurch und trifft in der Gallenblase 38 auf einen ersten Stein 40 und einen zweiten Stein 42. In Spalte A sind die Intensitäten der Echosignale in bezug auf die Ausgangsintensität des Schallsignals, in Spalte B die daraus errechneten Intensitäten des Schallstrahls zum zugehörigen Zeitpunkt - ebenfalls in bezug auf die Ausgangsintensität des Schallsignals - und in Spalte C die bewerteten Echosignale wiedergege ben. Wenn die Intensität des Echosignals zum Zeitpunkt t₀ 0 ist, ist die Intensität des Schallstrahls vergli chen mit der Intensität des ursprünglich ausgesendeten Schallstrahls 100%. Wenn im Zeitpunkt t₃ die kumulier te Intensität der Echosignale 3% + 3% + 85% = 91% der ursprünglich eingestrahlten Schallintensität be trägt, ist die Intensität des noch in der Struktur wirksamen Schallsignals 9% der ursprünglichen Schall intensität. Das bewertete Echosignal, das in Spalte C verzeichnet ist, ergibt sich entsprechend der Formel

Dabei bezeichnet I_t die in Spalte B verzeichnete Inten sität im Zeitpunkt t und I_t-1 die Intensität des vorher gehenden Zeitpunkts t-1.

Die in den Spalten A, B und C in Fig. 3 gezeigten In tensitäten können auch graphisch verdeutlicht werden. Dazu dienen die Fig. 4-6. Dabei entspricht der Kurven verlauf in Fig. 4 den Intensitätswerten des Echosignals in Spalte A, der Kurvenverlauf in Fig. 5 den berechne ten Restintensitäten des Schallstrahls entlang seines Weges durch die Struktur entsprechend Spalte B in Fig. 3 und der Kurvenverlauf in Fig. 6 dem Verlauf der Werte für das normierte Echosignal gemäß Spalte C in Fig. 3. Es ist deutlich zu erkennen, daß das normierte Echosi gnal des zweiten Steins zum Zeitpunkt t₅ entsprechend der Größe des zweiten Steins 42 genauso stark ausgebil det ist wie das bewertete Echo des ersten Steins 40 zum Zeitpunkt t₃ so daß bei Verwendung des erfindungsgemä ßen Verfahrens gleiche Strukturen auch in gleicher Wei se optisch dargestellt werden.

Der zum Vergleich in Fig. 7 gezeigte Kurvenverlauf zeigt einen linearen Verstärkungsfaktor TCG und ein mit diesem Verstärkungsfaktor verstärktes Echosignal bei einer Ultraschall-Untersuchungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik. Es ist leicht erkennbar, daß dem intensitätsverlauf des Echosignals nicht ohne weiteres entnommen werden kann, daß der erste und der zweite Stein 40, 42 von gleicher Echogenität sind.

Claims

1. Verfahren zur optischen Darstellung von Struktu ren, insbesondere von Körperstrukturen, auf der Grundlage von Ultraschallsignalen, bei dem
von einer Ultraschallsonde an der Oberfläche der zu untersuchenden Struktur in vorbestimmten Zeit intervallen ein Schallsignal bekannter Intensität ausgesendet wird,
über den Laufweg des jeweiligen Schallsignals für aufeinanderfolgende Meßpunkte die noch vorhandene Restintensität des Schallsignals bestimmt wird,
für jeden Meßpunkt die Änderung der Schallintensi tät gegenüber einem früheren Meßpunkt ermittelt wird,
und die Änderung der Schallintensität auf der Ba sis der Restintensität dieses Meßpunktes oder des vorherigen Meßpunktes normiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restintensität des Schallsignals ermittelt wird, indem von der Intensität des ausgesendeten Schallsignals an der Ultraschallsonde die Intensi täten der Echosignale abgezogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Intensitätsabnahme des Schallsignals ent lang seines Ausbreitungsweges aufgrund von Streu ungen oder Absorptionen durch eine Korrekturbe rechnung ausgeglichen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schallsignale nachein ander entlang unterschiedlicher Wege ausgesendet und nach Aufbereitung gemeinsam als Scan durch die untersuchte Struktur dargestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung als Echtzeit-Scan erfolgt.

6. Vorrichtung zur optischen Darstellung von Struktu ren, insbesondere von Körperstrukturen, auf der Grundlage von Ultraschallsignalen mit
einer Schallsignale aussendenden und deren Echosi gnale aufnehmenden Ultraschallsonde (12),
einem die Zeit zwischen Aussendung des Schallsig nals und dem Empfang des Echosignals bestimmenden, ein Zeitsignal ausgebenden Zeitsignalgeber (20),
einer das Echosignal verarbeitenden Verstärker schaltung (30),
einer Grafikschaltung (32), in der die Zeitsignale und die verarbeiteten Echosignale koordiniert und in Grafiksignale umgewandelt werden, und
einer Anzeigeeinrichtung (34), die auf der Grund lage der erzeugten Grafiksignale ein Bild der un tersuchten Struktur ausgibt,
wobei die Verstärkerschaltung (30) eine Signalver folgungseinrichtung (26) umfaßt, in der aufgrund von Rechenoperationen der Intensitätsverlauf des Schallsignals entlang seines Ausbreitungsweges ermittelt wird,
wobei die Verstärkerschaltung (30) die Echosignale in bewertete Echosignale umwandelt, die eine Ände rung der Schallintensität zwischen zwei Meßpunk ten, bezogen auf die Restintensität an einem der zur Bestimmung der Änderung herangezogenen Meß punkte, repräsentieren.

7. Verstärkerschaltung zur Verarbeitung von Echosi gnalen in einer Ultraschalluntersuchungsvorrich tung mit
einem Eingang für die von der Ultraschallsonde empfangenen Echosignale,
einem Eingang für ein Zeitsignal,
einer Signalverfolgungseinrichtung (26), in der aufgrund von Rechenoperationen die Restintensitä ten des Schallsignals entlang seines Ausbreitungs weges ermittelt wird,
wobei die Verstärkerschaltung (30) die Echosignale in bewertete Echosignale umwandelt, die eine Ände rung der Schallintensität zwischen zwei Meßpunk ten, bezogen auf die Restintensität an einem der zur Bestimmung der Änderung herangezogenen Meß punkte, repräsentieren, und
mit einem Ausgang zur Ausgabe des verarbeiteten Echosignals.