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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine akustische Bildgebung
und insbesondere auf ein akustisch erzeugtes Bild, das durch ausgewählte Signalkomponenten
gebildet wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Verbesserung der Bildgebung feiner Strukturen, wie zum Beispiel
Tumorgewebe in einer Weichgewebematrix, bereit. Insbesondere stellen
das Verfahren und die Vorrichtung ein System zur Bildgebung mittels übertragbarer
Ultraschall-Holografie bereit, bei dem ein kleines akustisch opakes
Element verstellbar platziert wird, so dass es den Bildbeitrag von
Schallenergie, die durch das Objekt gesendet aber nicht durch das
abzubildende Objekt gestreut wird, blockiert. Die vorliegende Erfindung
stellt darüber
hinaus ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein System zur Bildgebung
mittels übertragbarer
Ultraschall-Holografie bereit, das ein akustisch opakes ebenes Element
mit einer Öffnung
aufweist, um ungestreute Ultraschallenergie (d. h. Schall) durchzulassen,
aber den Bildbeitrag von Ultraschallenergie, die durch das Objekt
gesendet und durch das Objekt gestreut wird, zu blockieren. Die
vorliegende Erfindung stellt darüber
hinaus ein alternatives Verfahren und eine Vorrichtung bereit, die
ein akustisches ebenes Element vorsieht, das verstellbar platziert
wird, um die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Ultraschallenergie,
die durch das Objekt gesendet wird, bis auf den Teil, der von einem
ausgewählten
Volumen innerhalb des abzubildenden Objekts und unter ausgewählten Vorwärtsstreuwinkeln
gestreut wird, zu blockieren. Es ist anerkannt, dass die Charakteristik
des Streuwinkels mit der Beschaffenheit des abzubildenden Objekts zusammenhängt. Somit
bezieht sich in dieser Erfindung die Bildgebung mit ausgewählten Komponenten
auf eine Bildgebung mit nur einem ausgewählten Teil des Ultraschalls,
der durch ein Objekt gesendet wird oder der von einer Struktur innerhalb
eines Objekts vorwärtsgestreut
(gebeugt) wird. Das Verfahren und die Vorrichtung gewährleisten
es, in der Lage zu sein, ein Bild nur mit Ultraschall zu erzeugen,
der entweder unter großen
Streuwinkeln gestreut wird, oder der unter mittleren Vorwärtsstreuwinkeln
gestreut wird, oder der bei geringen Vorwärtsstreuwinkeln oder einem
Vorwärtsstreuwinkel
gleich Null gestreut wird. Weil unterschiedliche Eigenschaften eines
Objekts (z. B. Läsionen
in der menschlichen Brust) Ultraschallenergie unter unterschiedlichen
Winkeln vorwärtsstreuen,
können
dadurch, dass man in der Lage ist, ein Bild nur mit Ultraschall
zu erzeugen, der unter ausgewählten
Winkeln gestreut wird, mehr und genauere Informationen über feine
Strukturen innerhalb des Objekts bestimmt werden.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung sehen darüber hinaus vor, dass diese
zwei unabhängigen Bildbeiträge unabhängig von
einander verwendet und analysiert oder für eine verbesserte Diagnose feiner
Strukturen kombiniert werden. Ein Ergebnis der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sorgt
für eine
verbesserte Bildvisualisierung feiner Objekte, indem ein Mittel
zur Bildgebung nur mit Streuschall von feinen Objekten bereitgestellt
wird, weil nur Ultraschall, der mit dem Objekt interferiert, zu einem
holografischen Detektor übertragen
wird und in dem Detektor rekonstruiert wird. Genauer gesagt stellt
die Erfindung ein Verfahren bereit, um nur bestimmte Teile des gesendeten
Schalls unabhängig voneinander
zu verwenden, um damit unabhängige Bilder
des Objekts zu erzeugen, und um eine Kombination solcher Bilder
zu verwenden, um detailliertere Informationen über feine Strukturen innerhalb
des Objekts zu bereitzustellen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Holografie
erfordert ein Kombinieren oder zur Interferenz bringen einer Objektwelle
oder -energie mit einer Referenzwelle oder -energie, um ein Referenzmuster,
das als Hologramm bezeichnet wird, zu bilden. Eine grundlegende
Voraussetzung für
die Bildung des Hologramms und für
die Anwendung von Holografie ist, dass die anfänglichen Quellen der Objektwelle
und der Referenzwelle oder -energie kohärent im Bezug auf die andere
Welle sind. Das heißt, dass
alle Teile sowohl der Objektwelle als auch der Referenzwelle die
gleiche Frequenz und eine definierte Orientierung aufweisen (eine
feste Raumposition und ein fester Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung
der beiden Wellen). Beim Anwenden von Holografie wird die Objektwelle
durch Interferenz mit einer Struktur innerhalb des interessierenden
Objekts modifiziert. Da diese Objektwelle mit allen Punkten des
Objekts, die in dem Pfad der Welle liegen, interagiert, übertragen
die dreidimensionalen Merkmale des Objekts identifizierende Phasen-
und Amplitudenänderungen
auf die Objektwelle. Weil die Referenzwelle eine ungestörte (reine)
kohärente
Welle ist, resultiert ihre Interferenz mit der Objektwelle in einem Interferenzmuster,
das die 3D-Anordnung und die Eigenschaften (Ultraschallabsorption,
Beugung, Reflektion und Brechung) der Streuungspunkte des Objekts
identifiziert.
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Ein
zweiter Prozess (die Rekonstruktion des Hologramms) wird dann ausgeführt, wenn
eine kohärente
Betrachtungsquelle (üblicherweise
Licht von einem Laser) durch das Hologramm gesendet oder von diesem
reflektiert wird. Das Hologramm-Muster beugt Licht von dieser kohärenten Betrachtungs- oder
Rekonstruktionsquelle auf eine Weise, dass das Licht die 3D-Beschaffenheit
des Objekts, wie von der Ultraschallobjektwelle gesehen, getreu
wiedergibt.
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Zur
Wiederholung sei gesagt, dass zum Ausführen von Holografie kohärente Wellenquellen
erforderlich sind. Diese Anforderung beschränkt praktische Applikationen
der Anwendung von Holografie zurzeit auf den Bereich des Lichts
(z. B. ein Laserlicht) oder den Bereich der Akustik (manchmal auch als
Ultraschall bezeichnet aufgrund der praktischen Anwendung bei Ultraschallfrequenzen),
da diese beiden Quellen zurzeit die einzigen zur Verfügung stehenden
kohärenten
Energiequellen sind. Deshalb werden sich weitere Bezüge zur Holografie
oder zu bildgebenden Systemen auf das bildgebende Verfahren mittels
durchsendender Holografie beziehen, das akustische Energien, gewöhnlich im
Bereich der Ultraschallfrequenzen und insbesondere im Bereich von
1 bis 10 MHz, verwendet.
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In
der Anwendung von Ultraschall-Holografie ist ein Schlüsselprozess
die Erzeugung des Ultraschalls, wie zum Beispiel durch einen großflächigen, kohärenten Ultraschallwandler.
Ein zweiter Schlüsselprozess
ist die Projektion der Objektwelleninformation aus einem bestimmten
Volumen innerhalb des Objekts in die Hologramm-Detektionsebene mit Hilfe
des Ultraschalllinsen-Projektionssystems. Ein dritter Schlüsselprozess
ist die Detektion und die Rekonstruktion des Ultraschall-Hologramms in ein
sichtbares oder anderweitig brauchbares Format.
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Das
Dokument
EP 0 380 268
A1 offenbart ein System mit einer Signalverarbeitung für niederfrequentes
Rauschen, wobei das System einen digitalen Verarbeitungsfilter aufweist.
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Obwohl
andere Konfiguration verwendet werden können, ist es eine übliche Anforderung
an die Quellenwandler sowohl für
die Objektwelle als auch für
die Referenzwelle, dass diese eine großflächige ebene Welle mit einer über die
Wellenfront konstanten Amplitude und mit einer konstanten Frequenz
für eine
ausreichende Anzahl von Schwingungen erzeugen. Solche Wandler werden
diese gewünschte
Welle erzeugen, wenn die Amplitude des abgegebenen Ultraschalls
bei Annäherung
an die Kante des großflächigen Wandlers
in der Form eines Gauss'schen
Verteilungsprofils abfällt.
Dieser Amplitudenabfall bei Annäherung
an die Kante reduziert oder unterdrückt den "Kanteneffekt" von der Kante des Wandlers, der ansonsten
eine über
die Wellenfront veränderliche
Amplitude als Funktion des Abstands von dem Wandler erzeugen würde.
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Bei
dem Verfahren der holografischen Bildgebung mittels durchgesendetem
Ultraschall läuft der
Impuls von dem Objektwandler durch das Objekt, dann durch ein fokussierendes
Linsensystem, und zur geeigneten Zeit wird ein Ultraschallimpuls
von dem Referenzwandler erzeugt, so dass die Objektwelle und die
Referenzwelle zur gleichen Zeit bei dem Detektor eintreffen, um
ein Interferenzmuster (d. h. ein Hologramm) zu erzeugen. Für breit
angelegte Applikationen müssen
die Wandler geeignet sein, bei einem Spektrum oder einer Bandbreite
von diskreten Frequenzen zu arbeiten. Mehrere Frequenzen ermöglichen
Vergleiche und eine Integration von Hologrammen, die bei bestimmten
Frequenzen gemacht wurden, um ein verbessertes Bild der feinen Strukturen
innerhalb eines Objekts bereitzustellen.
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Ein
Hologramm kann auch dadurch gebildet werden, dass die Objektwelle
unter unterschiedlichen Winkeln zu der Mittelachse des Linsensystems durch
das Objekt geleitet wird. Dies wird entweder durch Anordnung oder
Rotation des Objektwandlers um die Mittelachse des Linsensystems
herum erreicht, oder indem mehrere Wandler verwendet werden, die
so angeordnet werden, dass der Übertragungspfad
des Schalls unter einem Winkel im Bezug auf die Mittelachse des
Linsensystems liegt.
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Bei
einem durchsendenden bildgebenden System ist es wichtig, das Maß an Auflösung in
der "z"-Richtung zu bestimmen,
das wünschenswert
und erreichbar ist. Weil der holografische Prozess ohne Grenzen
mechanischer oder elektronischer Geräte arbeitet, um das Bild zu
detektieren und zu erzeugen, sondern stattdessen Bilder aus Welleninteraktionen rekonstruiert,
kann die Auflösung
die theoretische Grenze von der halben Wellenlänge des Ultraschalls erreichen.
Allerdings kann die Informationsmenge, die in dieser Situation für den Benutzer
dargestellt wird, zu groß sein.
Es kann wünschenswert
sein, das Bildvolumen in der "z" Richtung zu begrenzen,
damit man auf eine dünne
Scheibe des Volumens "fokussieren" kann, und dadurch
die Datenmenge zu reduzieren. Somit ist es von Wert, Mittel zum
Projizieren einer planaren Scheibe innerhalb des Volumens in die
Detektorebene zu entwickeln. Ein solches Mittel ist ein Ultraschalllinsensystern
mit einer großen Öffnung,
das es dem bildgebenden System ermöglicht, auf eine Ebene innerhalb
des Objekts zu "fokussieren". Zusätzlich ermöglicht einem
dieses Linsensystem und der entsprechende Computer-gesteuerte Linsenantrieb,
die Brennebene einzustellen, und bei jeder gegebenen Brennebene
in der Lage zu sein, bei einer ausgewählten Position in z-Richtung
zu vergrößern oder
zu verkleinern (d. h. eine Zoom-Linse).
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Das
Bild wird an dem Detektor detektiert und rekonstruiert. Gewöhnlicher
fotografischer Film kann für
die Aufzeichnung von Licht-Hologrammen verwendet werden und das
3-D Bild wird rekonstruiert, indem Laserlicht durch den Film geleitet
oder indem das Licht von dem Hologramm-Muster, das auf der Oberfläche einer
optisch reflektierenden Oberfläche eingeprägt ist,
reflektiert wird. Hingegen gibt es kein äquivalentes "Film"-Material zum Aufzeichnen
der komplexen Phasen- und
Amplituden-Muster einer komplexen Ultraschallwelle. Einer der gebräuchlichsten
Detektoren verwendet eine Flüssigkeit-Luft-Oberfläche oder
Grenzfläche,
um das erzeugte Hologramm auf dynamische Weise aufzuzeichnen. Die Schallenergie
bei der Frequenz von Ultraschall (oberhalb des menschlichen Hörbereichs)
wird sich mit geringer Abschwächung
durch eine Flüssigkeit (wie
zum Beispiel Wasser) ausbreiten, sie kann sich aber nicht durch
Luft ausbreiten. Bei diesen höheren Frequenzen
(z. B. oberhalb von 1 MHz) wird sich Ultraschall nicht durch Luft
ausbreiten, da die Wellenlänge
der Schallenergie so kurz ist [λ(Wellenlänge) = v(Geschwindigkeit)/f(Frequenz)].
Die Dichte von Luft (ungefähr
0.00116 g/cm3) ist nicht ausreichend, um diese
kurzen Wellenlängen
anzu koppeln und ihnen zu ermöglichen,
sich auszubreiten. Auf der anderen Seite ist die Dichte einer Flüssigkeit
(z. B. Wasser) ein vorteilhaftes Medium, um solche Wellenlängen anzukoppeln
und zu verbreiten. Beispielsweise ist die Geschwindigkeit von Schall
in Luft ungefähr
346 Meter/Sekunde, wohingegen sie in Wasser ungefähr 1497
Meter/Sekunde beträgt.
Somit sind für
Wasser sowohl die Dichte (1 g/cm3) als auch
die Wellenlänge (~1.5
mm bei 1 MHz) ausreihend groß,
so dass sich Ultraschall mit geringer Abschwächung ausbreiten kann. Im Gegensatz
dazu sind für
Luft sowohl die Dichte (0.00116 g/cm3) als
auch die Wellenlänge (0.346
mm bei 1 MHz) ausreichend klein, so dass sich die Energie bei diesen
Ultraschallfrequenzen sich ausbreitet.
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Daraus
folgt, dass wenn Ultraschall, der sich in einer Flüssigkeit
ausbreitet, auf eine Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche trifft,
die gesamte Menge der Energie zurück in die Flüssigkeit
reflektiert wird. Weil Ultraschall (oder Schall) sich als mechanischer
Druck ausbreitet, ist es ersichtlich, dass die Reflektion (oder das Ändern der
Ausbreitungsrichtung) eine Schließkraft auf die Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche übermittelt. Diese
Kraft deformiert wiederum die Oberfläche der Flüssigkeit. Die Größe der Oberflächendeformation hängt von
der Amplitude der Ultraschallwelle an jedem reflektierten Punkt
sowie von der Oberflächenspannung
der Flüssigkeit
ab. Somit ist das Muster der Deformation das Muster der Phase und
Amplitude der Ultraschallwelle.
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Auf
diese Weise kann die Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche verwendet
werden, um einen Echtzeit-nahen Aufzeichner ("Film-Äquivalent") für ein
Ultraschall-Hologramm
bereitzustellen. Die Form der Oberflächendeformation auf diesem
Flüssigkeit-Luft-Detektor
ist die Repräsentation
der Phase und Amplitude des Ultraschall-Hologramms, das durch die
Interferenz der Objekt- und der Referenz-Ultraschallwellen erzeugt wird.
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Der
größte Wert
des Ultraschall-Holografie-Verfahrens wird durch das Rekonstruieren
des Hologramms in einer brauchbaren Weise, gewöhnlich in Licht, erreicht,
um die strukturelle Beschaffenheit des Eingangsobjekts sichtbar
zu machen. In dem Fall einer Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche wird
die Rekonstruktion zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes erreicht,
indem ein kohärentes
Licht von dieser Flüssigkeit-Luft-Oberfläche reflektiert
wird. Dies ist der äquivalente
Prozess zum Reflektieren von Laser-Licht von einem optisch erzeugten
Hologramm, das auf der Oberfläche
eines reflektierenden Materials (z. B. dünner Aluminiumfilm) eingeprägt ist.
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Das
reflektierte Licht wird durch das Hologramm in gebeugte Ordnungen
gebeugt (gestreut), von denen jede Bildinformationen über das
Objekt beinhaltet. Diese gebeugten Ordnungen werden als ±n-te Ordnungen
bezeichnet. Der Teil des rekonstruierenden Lichts, der nicht mit
dem Hologramm reagiert, wird als nullte Ordnung bezeichnet und wird
gewöhnlich
blockiert, so dass die schwächeren
gebeugten Ordnungen abgebildet werden können. Je höher die gebeugte Ordnung ist,
desto größer ist
der Winkel gegenüber
der nullten Ordnung des reflektierten Lichts. Wenn das Bild erst
einmal rekonstruiert ist, kann es direkt, mittels einer Videokamera
oder durch Nachverarbeitungsprozesse betrachtet werden.
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Ultraschall-Holografie,
wie sie typischerweise verwendet wird, ist in
1 dargestellt.
Eine ebene Schallwelle
1a (d. h. Ultraschall) wird durch
einen großflächigen Objektwandler
1 erzeugt.
Ein solcher Wandler ist in dem
US-Patent
Nr. 5,329,202 beschrieben. Der Schall wird durch strukturelle
Punkte innerhalb des Objekts gestreut (d. h. gebeugt). Der gestreute
Schall
2a von denjenigen inneren Objektpunkten, die in
der Brennebene
2 liegen, wird in eine Hologramm-Detektorebene
6 eines
Hologramm-Detektors
7 fokussiert (d. h. projiziert). Das
Fokussieren wird durch ein Ultraschall-Linsensystem
3 erreicht, das
den gestreuten Schall in die Hologramm-Detektorebene
6 und
den ungestreuten Schall in einen Brennpunkt
4 fokussiert.
Das
US-Patent Nr. 5,235,553 beschreibt
eine Ultraschall-Linse, die in zufriedenstellender Weise für die Ultraschall-Linsen, die
als das Linsensystem
3 in
1 gezeigt
sind, verwendet werden könnte.
Das Ultraschall-Linsensystem ermöglicht
dem bildgebenden Prozess auch, das Bild zu vergrößern (d. h. Zoom) oder die
Fokusposition zu verändern.
Das
US-Patent Nr. 5,212,571 illustriert
ein Linsensystem, das das Bild vergrößern und die Fokusposition
verändern
kann und das in zufriedenstellender Weise für das Linsensystem
3 verwendet
werden könnte.
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Weil
der Brennpunkt 4 des ungestreuten Schalls vor der Hologramm-Detektorebene 6 liegt, weitet
sich dieser Teil des Schalls wieder auf, um den transparenten Bildbeitrag
(den Teil des Schalls, der das Objekt so durchläuft, als wenn es transparent oder
halbtransparent wäre)
zu bilden. In einer solchen Applikation wird gewöhnlich ein Ultraschall-Reflektor 5 verwendet,
um den Objektschall unter einem anderen Winkel auszurichten, so
das dieser auf die Hologramm-Detektorebene 6, die üblicherweise
eine Flüssigkeit
enthält,
die durch den von der Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche reflektierten
Ultraschall deformiert wird, auftrifft. In einer beispielhaften
Ausführungsform
ist die Grundfläche
des Hologramm-Detektors 7 parallel zu dem Boden ausgerichtet,
so dass die Dicke der Flüssigkeit
unterhalb der Hologramm-Ebene 6 bei einem konstanten Wert
bleibt.
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Wenn
eine Referenzwelle 8 und die Objektwelle gleichzeitig von
dem Hologramm-Detektor 7 reflektiert werden, entspricht
die Deformation der Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche dem
genauen Muster des Ultraschall-Hologramms, das durch die Objektwelle (1a kombiniert
mit 2a) und die "außerhalb
der Achse" liegende
Referenzwelle 8 gebildet wird.
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Dieses
Ultraschall-Hologramm, das auf der Detektorebene 6 gebildet
wird, wird nachfolgend zur Betrachtung rekonstruiert, indem eine
kohärente Lichtquelle 9 verwendet
wird, deren Licht möglicherweise
durch eine optische Linse 10 geleitet wird und von der
holografischen Detektorebene 6 reflektiert wird. Die US-Patentanmeldung
Nr. 09/589,863 beschreibt einen Hologramm-Detektor, der geeignet
ist, als der in 1 gezeigte Hologramm-Detektor 7 verwendet
zu werden.
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Das
reflektierte kohärente
Licht beinhaltet zwei Komponenten. Die erste Komponente ist Licht, das
von dem Ultraschall-Hologramm reflektiert wird und das nicht durch
das Ultraschall-Holografie-Muster gebeugt wurde, wobei das Licht
auf die Stelle 11 fokussiert ist und als ungebeugtes Licht
oder als Licht nullter Ordnung bezeichnet wird. Die zweite Komponente
ist Licht, das von dem/durch das Ultraschall-Hologramm gebeugt wird
und das unter einem Winkel "außerhalb
der Achse" von der
nullten Ordnung an der Stelle 12 reflektiert wird und das
als die Bildansicht "erster
Ordnung" bezeichnet
wird, wenn es durch den Raumfilter 13 durchgelassen wird.
Es sei angemerkt, dass dieses Rekonstruktionsverfahren mehrere gebeugte
Ordnungen erzeugt, von denen jede die Ultraschall-Objektinformationen
beinhaltet. Es sei ferner angemerkt, dass sowohl mehrere + als auch – Ordnungen
des gebeugten Bildes vorkommen, und dass diese unabhängig voneinander
oder in Kombinationen verwendet werden können, um das optisch rekonstruierte
Bild von dem mit Ultraschall erzeugten Hologramm zu betrachten,
indem der Raumfilter 13 entsprechend modifiziert wird.
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Der
Teil der Ultraschallwelle, der das abgebildete Objekt ohne Interferenz
mit dem Objekt durchläuft,
kann einen bedeutenden Beitrag bei "halbtransparenten" Objekten (d. h. ein Objekt, das einen
kleinen Teil der Schallwellen, die durch das Objekt gesendet werden,
streut) liefern. Weil viele interessierende Objekte ziemlich transparent
für Schall
sein können
(z. B. menschliches Weichgewebe normaler Strukturen und Tumorgewebe
solider Tumore) durchläuft
ein bedeutender Teil der Schallquelle das Objekt und bildet ein
Hintergrund-Hologramm, das Licht beugt, um einen hellen und starken
weißen
Lichtbeitrag zu bilden. Wenn man feine Änderungen in einem Objekt detektieren
und die Eigenschaften dieser Änderungen
bestimmen will (z. B. zum Bestimmen von Gewebeeigenschaften), dann
kann dieser helle Hintergrund-Bildbeitrag die Auflösung von
kleinen und feinen Beiträgen
von Gewebeänderungen überstrahlen.
Daher besteht ein Bedürfnis,
die Auflösungseigenschaften
einer Bildgebung mittels übertragbarem Ultraschall
zu verbessern, so dass man in der Lage ist, feine Unterschiede innerhalb
des Objekts zu unterscheiden (d. h. so dass man in der Lage ist,
Tumorgewebe in umliegendem Brustweichgewebe abzubilden).
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Darüberhinaus
gibt es ein Bedürfnis,
die Bildqualität
durch Ausnutzung der Beugungseffekte, die durch innere Strukturen
innerhalb des Objekts erzeugt werden, zu verbessern. Dieses Bedürfnis ist besonders
stark für
Methoden zur Untersuchung von Brustkrebs, die zurzeit invasive Mammografie
verwenden (diese setzen den Patienten der Strahlung von Röntgenstrahlgeräten aus)
und die noch keine ausreichende Empfindlichkeit für bestimmte
Arten von krebsartigen Umständen
haben, z. B. für
Krebs, der keine Verkalkung aufweist oder in radiografisch dichten
Brüsten
von jungen Frauen. Die vorliegende Erfindung stellt diese und andere
Vorteile bereit, wie aus der folgenden detailierten Beschreibung
und den beigefügten
Figuren ersichtlich werden wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf akustisch erzeugte Bilder
eines abgebildeten Objekts. Ein typisches akustisch erzeugtes Bild
wird erzeugt unter Verwendung einer oder mehrerer der Komponenten,
die sich aus der Vorwärtsstreuung
einer durch ein Objekt gesendeten Ultraschallwelle an der Struktur
innerhalb des abgebildeten Objekts ergeben. Die Erfindung ist wie
in den beigefügten
Ansprüchen
definiert.
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Das
akustische Signal, das von Wandlern erzeugt wird, durchläuft ein
Objekt und interagiert mit diesem, um ein akustisches Signal mit
einer gebeugten Komponente und einer nicht-gebeugten Komponente
zu erzeugen. Das akustische Bild gemäß der vorliegenden Erfindung
wird durch ausgewählte
Teile des Schalls, die entweder von dem abgebildeten Objekt gestreut
worden sind oder die das abgebildete. Objekt durchlaufen haben,
gebildet. Bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung werden Bilder
erzeugt, indem entweder nur die gestreute Ultraschall-Komponente
verwendet wird, oder indem nur die nicht-gestreute Ultraschall-Komponente
verwendet wird, oder indem eine Kombination dieser beiden Komponenten
verwendet wird, oder indem Ultraschall, der von Strukturen innerhalb
des Objekts unter einem ausgewählten
Winkel, der als bei einer ausgewählten
Raumfrequenz liegend bezeichnet werden kann, vorwärtsgestreut
wird, verwendet wird. in einer Ausführungsform können die
akustischen Signale akustische Ultraschall-Signale sein. In einer Ausführungsform
kann das akustisch erzeugte Bild ein holografisches Bild sein. Das
holografische Bild kann durch eine Interaktion von Licht (wie zum
Beispiel ein Laserlicht) mit dem Ultraschall-Hologramm betrachtet werden. Das holografische
Bild wird durch die Interaktion von Licht und einem akustischen
Interferenzmuster erzeugt. Das akustische Interferenzmuster kann
an einer Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche, auf
die das Licht gesendet wird, gebildet werden.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
werden die akustisch erzeugten Bildinformationen durch Ultraschall
erzeugt, der durch innere Strukturen des Objekts gestreut wird und
der bei einem ausgewählten
Winkel, d. h. bei einer ausgewählten
Raumfrequenz, liegt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt
eine konventionelle Vorrichtung zum Erzeugen eines holografischen
Ultraschallbildes.
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2 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
eines Geräts,
das zum Erzeugen akustischer Bilder gemäß der Erfindung verwendet wird.
(Es sei angemerkt, dass diese Konfiguration den gesamten gestreuten
Ultraschall, der so gerichtet ist, dass er die Öffnung 3a der Linse 3 durchläuft, akzeptiert, aber
dass diese Konfiguration keinen Bildbeitrag von Ultraschall zulässt, der
das Objekt durchläuft
ohne gestreut zu werden und der durch 4a blockiert wird.)
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3 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines Geräts,
das zum Erzeugen akustischer Bilder gemäß der Erfindung verwendet wird.
(Es sei angemerkt, dass diese Konfiguration nur den Ultraschall
akzeptiert und verwendet, der das Objekt durchläuft aber nicht durch das Objekt
gestreut wird, da der gesamte gestreute Ultraschall von 4a blockiert wird
aber der gesamte ungestreute Ultraschall von 4b durchgelassen
wird.)
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4A zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform
eines Geräts,
das zum Erzeugen akustischer Bilder gemäß der Erfindung verwendet wird, wobei
nur Schall verwendet wird, der unter ausgewählten Winkeln vorwärtsgestreut
wird. (Es sei angemerkt, dass diese Konfiguration das Durchlassen und
damit einen Bildbeitrag von Ultraschall erlaubt, der unter ausgewählten Winkeln
von Streupunkten innerhalb des Objekts 2 kommt, da nur
der unter den ausgewählten
Winkeln gestreute Ultraschall durch die Öffnungen 2a und 2b in
dem für
Ultraschall opaken Element 2c durchgelassen wird.)
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4B zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform
eines Geräts,
das zum Erzeugen akustischer Bilder gemäß der Erfindung verwendet wird, wobei
nur Schall verwendet wird, der sowohl unter einem ausgewählten Winkel
als auch von einer ausgewählten
Stelle innerhalb des Ob jekts vorwärtsgestreut wird. (Es sei angemerkt,
dass diese Konfiguration das Durchlassen und damit einen Bildbeitrag
von Ultraschall unter ausgewählten
Winkeln erlaubt, wobei der gestreute Schall nur von einem gegebenen Punkt
innerhalb des Objekts kommen könnte.)
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5 zeigt
Details eines akustisch opaken ebenen Elements, das beispielhaft
in der Vorrichtung aus den 4A bis 4B verwendet
wird. (Es sei angemerkt, dass die Kanten aller für Ultraschall opaken Elemente
bei Annäherung
an die Kante des Elements einen veränderlichen Grad an Durchlässigkeit aufweisen.)
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6 zeigt
noch eine weitere alternative Ausführungsform eines Geräts, das
zum Erzeugen akustischer Bilder gemäß der Erfindung verwendet wird.
(Es sei angemerkt, dass diese Konfiguration die Anordnung von zwei
für Ultraschall
opaken Objekten zeigt, um das ungestreute Ultraschallsignal von
mehreren Wandlern 1 (blockiert von 4a1) und 1a (blockiert
von 4a2) zu blockieren.)
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7A bis 7C zeigen
jeweils Null-, niedrige und hohe Raumfrequenzkomponenten vorwärtsgestreuter
Informationen von Strukturen innerhalb eines Objekts.
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8A bis 8C zeigen
Details von akustisch opaken Elementen, die zur Erzeugung von Bildern
mit ausgewählten
Komponenten von Ultraschall, der von Strukturen innerhalb eines
Objekts vorwärtsgestreut
wird, eingesetzt werden.
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9A bis 9D zeigen
eine Reihe von Vergleichsbildern von konventionellen Bildern und den
akustisch erzeugten Bildern, für
die nur die ausgewählten
Komponenten von vorwärtsgestreutem Ultraschall
verwendet wurden.
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10A bis 10B zeigen
die Anordnung akustisch opaker Elemente, um die gewünschten akustischen
Bilder unter Verwendung unterschiedlicher Arten von Quellenwandlern
zu erzeugen.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet akustisch erzeugte Bilder, in denen
der Benutzer ausgewählt
hat, welche Komponenten des abbildenden Signals, das ein Objekt
durchlaufen hat, zur Erzeugung des Bildes verwendet werden. Bei
Verwendung der hierin gezeigten Vorrichtung kann der Benutzer akustische
Bilder erzeugen, die beispielshalber nur eine unter ausgewählten Winkeln
gebeugte Komponente aufweisen oder die beispielshalber nur die ungebeugte
Komponente aufweisen. Wie im Folgenden in größerem Detail beschrieben werden
wird, sind die akustischen Bilder gemäß der Erfindung geeignet zum
Visualisieren eines Bildes aus ausgewählten Teilen akustischer Energie,
die das Objekt durchläuft, zusammen
mit dem Teil, der nicht mit der Objektstruktur interferiert. Dies
ermöglicht,
das Bild nur aus ausgewählten
Teilen von Schall oder Ultraschall oder Ultraschallenergie zu erzeugen,
die durch Strukturen innerhalb des Objekts gebeugt oder gebrochen
werden oder die anderweitig mit diesen Strukturen interferieren
(hier kollektiv als gestreute Ultraschallenergie bezeichnet). Auf
diese Weise bieten die erfindungsgemäßen akustisch erzeugten Bilder
eine Verbesserung feiner Strukturen verglichen mit dem konventionalen
Verfahren zur Bildgebung mit akustischer Holografie. Zur Veranschaulichung
sei gesagt, dass es bekannt ist, dass unterschiedliche Grenzen oder
Strukturen von Läsionen
innerhalb des menschlichen Körpers
unterschiedliche Vorwärtsstreuwinkel aufweisen,
wenn sie mit Ultraschallenergie bestrahlt werden. Durch Verwendung
der Vorschriften dieser Erfindung und durch eine selektive Erzeugung
von Bildern mit Energie, die unter ausgewählten Winkeln vorwärtsgestreut
wird, kann man die Präsenz
oder die Details bestimmter Kanten oder Charakteristika verbessern.
Somit bieten die Vorschriften dieser Erfindung die zusätzliche
Möglichkeit,
solche Strukturen nicht nur zu detektieren, sondern die Läsion auch zu
identifizieren und zu charakterisieren. Solche Möglichkeiten sind von großem Wert
bei der Diagnose und der Behandlung von krebsartigen Tumoren gegenüber gutartigen
Zysten.
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Des
Weiteren bietet die Fähigkeit
dieser Erfindung, die ungebeugten Signalbeiträge aus dem Bild zu beseitigen,
ein helles Bild auf einem schwarzen Hintergrund verglichen mit einem
schwarzen Bild (die Abwesenheit des starken gebeugten Lichts), wie es
bei konventionellen Verfahren auftritt. Dieses Verfahren hat den
zusätzlichen
Vorteil, dass der holografische Detektor nur einer kleinen Amplitude
von Bildinformationen (möglicherweise
weniger als 10% des ungestreuten Schalls) ausgesetzt ist, so dass
das Verhältnis
von Bildsignalamplitude zum Hintergrundsignal stark verbessert wird.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung, die hierin beschrieben sind, werden
den Punkt und Ort nachverfolgen, in dem die übertragene ungebeugte akustische
Energie blockiert werden soll. Eine solche Vorrichtung ist im Detail
in der US-Patentanmeldung
Nr. 09/590,148, die am 8. Juni 2000 eingereicht wurde, beschrieben.
Diese Blockierung wird dann durch einen Computer-gesteuerten Satz
von Antriebsquellen so angeordnet (siehe 2), dass
die ungestreute akustische Energie, unabhängig von den Fokus- oder Vergrößerungseinstellungen
der verwendeten Linse, kontinuierlich von einer Ausbreitung blockiert wird.
Die 10A und 10B stellen
die Gleichungen bereit, die die Anordnung für die Blockierung des akustischen
Signals als eine Funktion von Linseneinstellungen und der Brennweite
der Linse beschreiben.
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In
der Vorrichtung aus 1 beinhaltet das durch die Objektwelle
gebildete Ultraschall-Hologramm die gebeugte Signalkomponente und
die ungebeugte Signalkomponente. Das Bild, das von der Vorrichtung
aus 1 erzeugt wird, ist, wenn kein Objekt vorliegt,
ein vollständig
weißes
Bild. Wenn es ein akustisch vollständig opakes Objekt gibt, ist
das Bild schwarz. Für
halbtransparente Objekte erzeugt die Einbeziehung der ungebeugten
Signale einen solch starken weißen
Hintergrund, dass feine Details der inneren Struktur des Objekts
schwierig zu sehen sind.
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Bei
der Anwendung der Systemkonfiguration aus 1 wird eine
Schallwelle, wie zum Beispiel eine ebene Weile, durch einen Ultraschallwandler
(d. h. die Objektquelle) erzeugt und auf und durch das abgebildete
Objekt gesendet. An jeden Punkt innerhalb des Objekts (oder jeder
inneren Struktur innerhalb des Objekts, wie zum Beispiel Tumormasse
in Brustgewebe) hat die Schallwelle die folgenden charakteristischen
Interaktionen:
- (1) Das Objekt reflektiert Schallwellen,
die nicht weiter zu dem Bilddetektor verlaufen;
- (2) Das Objekt absorbiert Schallwellen, die nicht weiter zu
dem Bilddetektor verlaufen;
- (3) Das Objekt beugt Schallwellen und die gebeugten Wellen setzen
sich weiter zum dem Bilddetektor fort;
- (4) Das Objekt bricht Schallwellen und die gebrochenen Wellen
setzen sich weiter zu dem Bilddetektor fort.
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Die
erfindungsgemäßen akustischen
Bilder ergeben sich aus der Trennung von beitragenden Teilen der
Interaktion der Ultraschallwellenenergie mit der Struktur des abgebildeten
Objekts. In anderen Worten gesagt können die akustisch erzeugten
Bilder gemäß der vorliegenden
Erfindung nur den Beugungsteil einer Ultraschallwellen-Interaktion
mit dem menschlichen Körper
beinhalten und insbesondere nur Teile beinhalten, die unter ausgewählten Winkeln innerhalb
des Objekts gestreut wurden. Alternativ können die akustisch erzeugten
Bilder nur ungebeugte Teile der Ultraschallwellen-Interaktion beinhalten,
und somit Informationen über
die Absorptions- und Reflektionseigenschaften des Objekts bieten.
In noch einer weiteren Alternative beinhaltet das akustische Bild
gemäß der vorliegenden
Erfindung nur den Teil des Schalls, der unter ausgewählten Winkeln
gestreut wurde. Diese einzelnen Bilder liefern überraschend neue und detailierte
Informationen über
die feinen Strukturen innerhalb eines Objekts (z. B. krebsartiges
Gewebe in der menschlichen Brust). Die Trennung dieser verschiedenen
beitragenden Teile der Ultraschallwellen-Interaktion mit Strukturen innerhalb
des abgebildeten Objekts wird durch speziell gestaltete und selektiv
angeordnete akustisch opake Elemente (entweder von kleiner Größe oder eben)
erreicht, um Teile der zusammengesetzten Ultraschallwelle entweder
zu blockieren oder durchzulassen (d. h. Beugungswellenteil).
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Bei
den Verfahren aus dem Stand der Technik wurden die verschiedenen
Beiträge
der Ultraschallwellen-Interaktion mit dem Objekt sämtlich in ein
weißes
Hintergrundbild überlagert,
wobei jede Struktur innerhalb des Objekts als ein schwarzer Umriss
in diesem starken weißen
Hintergrundbild abgebildet wurde. Das Nettoergebnis dieser Verfahren
ist, dass das intensive weiße
Hintergrundbild die feinen inneren Strukturen innerhalb des Objekts überschattet.
Darüberhinaus sind
die Kanten von inneren Strukturen nicht so klar definiert wie mit
dem neuen Verfahren. Dies ist wichtig, da man genaue Messungen von
Größen, wie
zum Beispiel dem genauen Ort und der Ausdehnung einer Tumorläsion in
Brustgewebe, machen möchte.
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Die
Zufügung
zu der Konfiguration aus 1 fügt ein akustisch opakes Element 4a,
das in 2 gezeigt ist, zu dem akustischen Linsensystem 3 an dem
Brennpunkt 4 des ungestreuten Schalls hinzu. In einer beispielhaften
Ausführungsform
ist das ebene Element 4a ein rundes ebenes Element mit
einem Durchmesser von weniger als 1 cm und es ist an dem Brennpunkt 4 angeordnet,
um eine Übertragung
von Ultraschallenergie, die auf den Brennpunkt gerichtet ist, zu
verhindern. Diese Verbesserung resultiert in wichtigen und überraschenden
Folgen für
die Bildqualität,
wobei diese Folgen das Vorsehen eines schwarzen Hintergrunds umfassen,
der die Abbildung der Ausdehnung von Läsionen und Kanten begünstigt und
der hilft, innere Strukturen mit Hilfe von standardmäßigen Bildverbesserungsverfahren
zu identifizieren. Wie vorher angemerkt wurde, erzeugt ein konventionelles
Ultraschallgerät
einen starken Hintergrund, der als ein weißer Hintergrund erscheint und
es schwierig macht, Bilddetails zu unterscheiden.
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Wird
der ungebeugte Schall durch das ebene Element 4a am Brennpunkt 4 des
ungestreuten Schalls blockiert, wird nur der gebeugte Schall, der aus
der Interferenz (Streuung) mit einer inneren Struktur des Objekts
resultiert, zu der Hologramm-Detektorebene durchgelassen. Das Ergebnis ist
ein klareres Bild, aber mit einem weißen Bild auf einem dunklen
oder schwarzen Hintergrund, in dem nur die gestreuten Schallinformationen über einem Null-Hintergrund,
d. h. einem schwarzen Hintergrund, bereitgestellt werden. Das schwarze
Hintergrundbild beinhaltet viel mehr detailierte und sensitive Informationen
im Bezug auf die innere Struktur des Objekts, die ansonsten in dem
aus dem Stand der Technik bekannten starken weißen Bild verloren gehen würden. Es
sei angemerkt, dass das von der Vorrichtung aus 2 erzeugte
akustische Bild ein vollständig
schwarzes Bild ist, wenn keine Objekte innerhalb des gemessenen
Volumens vorliegen. Somit werden die feinen inneren Strukturen über einem schwarzen
oder leeren Hintergrund abgebildet. Ein solches bildgebendes Verfahren
bietet eine sensiti vere Reproduktion von Kanten und Details und
es zeigt feine Charakteristika des Objekts.
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Mit
Bezug auf 3 wird ein akustisch opakes
ebenes Element 4b an dem Brennpunkt 4 des ungestreuten
Schalls platziert. Das ebene Element 4b weist eine mittig
angeordnete Öffnung
auf, durch die sich die fokussierte ungestreute Schallwelle ausbreitet.
Der restliche Teil des ebenen Elements 4b hat eine Größe und ist
so angeordnet, dass er ein Durchlaufen von Schall, der nicht auf
diesen Brennpunkt gerichtet ist, blockiert, so dass der gebeugte
und gestreute Schall blockiert wird. Das von der Vorrichtung aus 3 erzeugte
akustische Bild hat ein dunkles Bild auf einem weißen Hintergrund,
wohingegen die von der Vorrichtung aus 2 erzeugten
akustischen Bilder ein weißes
Bild auf einem schwarzen Hintergrund bieten. Somit beinhaltet ein
akustisch erzeugtes Bild mit einem weißen Hintergrund Informationen über die
Absorptions- und Reflektionseigenschaften des abgebildeten Objekts
und es kann daher mit den Schatten-Abbildungs-Eigenschaften eines konventionellen
Röntgenstrahlbildes
verglichen werden. Das akustische Bild, das von der Vorrichtung aus 3 erzeugt
wird, wäre
ein vollständig
weißes Bild,
wenn kein Objekt vorliegt.
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Der
Zweck dieses neuen Verfahrens und dieser neuen Vorrichtung ist es,
ein Mittel bereitzustellen, um nur die Abschwächungs- und Reflektionseigenschaften
der Strukturen des abgebildeten Objekts zu sehen. Dies ist besonders
wichtig, da das Röntgenstrahlverfahren,
das üblicherweise
in der medizinischen Diagnostik verwendet wird, ein ähnliches
Verfahren in der Hinsicht ist, dass der Bildkontrast durch Aufzeichnung
der Strahlungsmenge, die innerhalb des Objekts (z. B. der menschliche
Körper) absorbiert
wird, gebildet wird. Somit erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren
zum Erzeugen des akustisch erzeugten Bildes einen direkten und informativen
Vergleich von Absorptionsbildern mit Röntgenstrahlkontrast verglichen
mit dem Absorptionskontrast von Ultraschall. Dieser Vergleich ist
hilfreich bei der Durchführung
einer diagnostischen Bildgebung, wie zum Beispiel ein Vergleichen
des Bildes dieses neuen Verfahrens mit dem Bild des standardmäßigen Mammografiebildes
bei der Untersuchung von Brustkrebs.
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In
noch einer weiteren alternativen Ausführungsform, die in 4A gezeigt
ist, resultiert das akustisch erzeugte Bild aus der Vorwärtsstreuung von
Bildinforma tionen unter ausgewählten
Winkeln. Ein akustisch opakes ebenes Element 2a mit Öffnungen 2b kann
so platziert werden, dass es ermöglicht, Ultraschallenergie,
die unter vorausgewählten
Winkeln für
ein beliebiges ausgewähltes
Volumen innerhalb des Objekts gestreut wird, selektiv zu der Hologramm-Detektorebene 6 durchzulassen.
Somit kann das opake Element 2a als "Raumfilter" bezeichnet werden, da es basierend
auf dem Ort eines Objekts innerhalb der Bildebene 2 filtert.
In einer beispielhaften Ausführungsform
sind die Öffnungen 2b des
inneren Elements 2a symmetrisch um das Zentrum des ebenen
Elements und selektiv zwischen dem Objekt und dem Linsensystem 3 angeordnet,
so dass sie nur Ultraschallenergie durchlassen, die unter bevorzugten
Winkeln von Objekten gestreut wird, die innerhalb eines ausgewählten Volumens
in der Bildebene 2 angeordnet sind. Dies wird die Bildinformationen
feiner Strukturen innerhalb des abgebildeten Objekts verbessern,
indem ein Bildbeitrag von Strukturen außerhalb eines vorausgewählten Volumenbereichs
innerhalb des Objekts verringert oder unterdrückt wird.
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Zusätzlich zur
Steigerung der Sensitivität
für feine
Details von Strukturen innerhalb des Objekts verbessert das gezeigte
Verfahren auch die "z"-Dimension oder Tiefenauflösung des
bildgebenden Verfahrens. Es sollte angemerkt werden, dass bei einer
Verwendung von mehreren Objektwandlern, die auf jede Ansicht angewandt
werden können,
die Sensitivität
für ein
gegebenes Volumen innerhalb des Objekts weiter erhöht werden
kann. Dieses Verfahren wird vorteilhafterweise ausgeführt und
verwendet, wenn die ungestreute Ultraschallenergie durch akustisch
opake Elemente, wie zum Beispiel die opaken ebenen Elemente 4a und 4b,
die jeweils in 2 und 4 gezeigt
sind, blockiert wird. Das akustisch opake Raumfilterelement 2a kann
alternativ zwischen dem Objekt in der Objektbildebene 2 und
dem Linsensystem 3 oder zwischen dem Linsensystem und dem
Hologramm-Detektor angebracht sein, indem die Öffnungen 2b in dem
opaken ebenen Element so umpositioniert werden, dass sie mit dem
Pfad der bevorzugten vorwärtsgestreuten
Energie zusammenpassen.
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In
noch einer weiteren alternativen Ausführungsform, die in 4B gezeigt
ist, wird ein Gerät verwendet,
um akustische Bilder nur aus Schall zu erzeugen, der sowohl unter
einem ausgewählten Winkel
als auch von einer ausgewählten
Position innerhalb des Objekts vorwärtsgestreut wird. Die Hinzufügung dieser
Konfi guration ist es, die winkelmäßige Einschränkung des
Schalls, der von dem Objekt gestreut (gebeugt) wird, hinzuzufügen. Das
Ergebnis ist, dass diese Konfiguration eine Bildgebung von nur einem
bestimmten interessierenden Volumen innerhalb eines Objekts (z.
B. ein krebsartiger Zustand innerhalb der Brust) bieten kann. Die
Konfiguration wird die detailierte Untersuchung eines bestimmten Volumens
innerhalb des Objekts und unter einem bestimmten Streuwinkel ermöglichen.
In anderen Worten, ein ausgewähltes
interessierendes Volumen kann unter einem bestimmten Beugungswinkel
abgebildet werden. Dies wird die Untersuchung bestimmter Eigenschaften
des interessierenden Volumens ermöglichen, da wir festgestellt
haben, dass der Streuwinkel (Beugungswinkel) innerhalb eines Objekts
auf die Beschaffenheit des Objekts hinweist. Somit kann man durch
ein Zulassen von Ultraschall, der unter ausgewählten Winkeln (eingestellt
durch den Winkel, in dem Schall den Raumfilter durchlaufen darf)
von einem bestimmten Volumen innerhalb des Objekts gestreut wird,
Informationen bereitstellen, um die feine Beschaffenheit der Struktur
in dem interessierenden Volumen innerhalb des Objekts zu untersuchen. Wie
der Fachmann einsehen wird, sind Wellen, die sich ausbreiten, in
der Nähe
von scharfen Kanten, wie zum Beispiel der Öffnung 2b des Raumfilterelements 2a,
anders. Wenn man ein akustisch opakes Raumfilterelement verwendet,
um den Beugungsbildbeitrag von Punkten in der Brennebene zu verbessern,
aber dann eine zusätzliche
neue Beugung aufgrund des akustisch opaken Elements selbst erzeugt,
so stört
dies den vorgesehenen Zweck. Daher ist es wichtig, eine Verbesserung
zu dem akustisch opaken Element 2a zu erreichen, so dass
eine Beugung durch das Element selbst verringert oder unterdrückt wird. 5 zeigt
eine Methode, um die Beugung der sich ausbreitenden Schallwelle
durch die Kante des akustisch opaken Raumfilterelements 2a aus 4 zu überwinden.
Wie in 5 gezeigt ist, sind die Kanten des akustisch opaken
Elements 2a akustisch verjüngt, so dass die Abschwächung bei Null
oder bei annähern
Null an der Kante der Öffnung 2b beginnt
und über
eine Distanz von wenigstens 10 Wellenlängen der durch den Wandler 1 erzeugten
Ultraschallenergie ansteigt. Auf diese Art und Weise steigt die
Abschwächung
des Ultraschalls mit zunehmender Distanz von der Öffnung 2b graduell
an, so dass eine Beugung, die durch die Öffnung 2b hervorgerufen
wird, reduziert oder praktisch unterdrückt wird. Dieser Aufbau kann
auf Kanten des akustisch opaken Elements in jedem Schallfeld anwendbar sein,
wie zum Beispiel die ebenen Elemente 4a und 4b,
die jeweils in den 2 und 4 gezeigt
sind.
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Akustisch
erzeugte Bilder, die nur von der Beugungskomponente abgeleitet werden,
können von
der in
2 gezeigten Vorrichtung erzeugt werden. Wie erwähnt, wird
die Objektultraschallwelle von einem einzigen Ultraschallwandler
1 erzeugt.
Allerdings ist es aus dem Stand der Technik bekannt, mehrere Objektultraschallwandler
zu verwenden, wobei jeder der Objektwandler zu der optischen Achse
des Linsensystems
3 versetzt angeordnet ist. Ein solches
System wird in dem
US-Patent
Nr. 5,329,817 diskutiert.
6 zeigt
eine Vorrichtung, die ausgestaltet ist, um akustisch erzeugte Bilder
bereitzustellen, die nur eine Beugungskomponente beinhalten, wobei
das Objektultraschallsignal von mehreren versetzten Wandlern erzeugt
wird. Die ungestreute Ultraschallenergie wird nicht auf der Mittelachse
des Linsensystems
3 sein, wenn der, bzw. die Quellenwandler
1 so
ausgerichtet sind, das sie Schall in eine Richtung, die unter einem
Winkel (θ)
im Bezug zu der Mittelachse des Linsensystems
3 liegt,
aussenden. Wenn die Ausbreitungsrichtung des ungestreuten Ultraschallsignals
1a1 unter dem Winkel θ
1 liegt,
dann wird das akustisch opake Element an einem Ort
4a1 angeordnet werden, der nicht auf der
Achse der Mittellinie des Linsensystems
3 liegt und der
mit dem Brennpunkt für
jeden der nicht auf der Achse liegenden Wandler übereinstimmt. In einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
rotieren die Quellenwandler um die Achse des Linsensystems
3. In
dieser Ausführungsform
ist das akustisch opake Element vorzugsweise in der Form eines dünnen Streifens
um die Mittellinie des Linsensystems
3 herum ausgestaltet
und umfasst beide Orte
4a1 und
4a2 .
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7 zeigt
die räumlichen
Frequenzkomponenten, die in der Ultraschallwelle, die durch eine strukturelle
Komponente innerhalb eines Objekts vorwärtsgestreut wird, vorhanden
sind. Das heißt,
dass wenn eine Schallwelle mit einem Strukturpunkt innerhalb eines
Objekts interagiert, dann kann die Vorwärtsstreuung als verschiedene "Raumfrequenzen" aufweisend bezeichnet
werden. Eine solche Bezeichnung ist konsistent mit der Bezeichnung
einer Beugung, in dem Sinne, dass gilt: Je höher die Raumfrequenz, desto
höher auch
der Beugungswinkel. Umgekehrt gilt: Je niedriger die Raumfrequenz der
Streuung, desto niedriger der Streuungswinkel. Somit kann Schall,
der nur absorbiert oder reflektiert wird, als Schall mit einer Null-Raumfrequenz
bezeichnet werden.
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8 zeigt
die Vorrichtung, die verwendet wird, um ein Bild mit den in 7 beschriebenen, ausgewählten Komponenten
zu erzeugen. Hier ermöglicht
ein für
Ultraschall opaker Filter mit einer Öffnung in der Mitte, die Auswahl
von Ultraschall mit ausschließlich
Null-Raumfrequenz durchzulassen und abzubilden (7A).
Durch die Verwendung eines für
Ultraschall opaken Filters, der in der Mitte und an der Außenfläche opak,
dazwischen aber offen ist, wird das Bild durch ausgewähltes Durchlassen
von nur den niedrigen Frequenzkomponenten der vorwärtsgestreuten
Welle gebildet (7B). Durch ein Blockieren des
gesamten Schalls, der sich unter kleinen Winkeln zur Mittelachse
ausbreitet, aber ein Durchlassen des gesamten Schalls der unter
größeren Winkeln
zu der Achse liegt, werden nur höhere Raumfrequenzkomponenten
zur Erzeugung des Bildes verwendet (7C). Eine
solche Möglichkeit
zur selektiven Bildgebung mit ausgewählten Komponenten der vorwärtsgestreuten
Welle ist wichtig dahingehend, dass unterschiedliche Strukturen
in einem Objekt unterschiedliche Eigenschaften im Bezug auf die Streuungsfrequenz
haben werden. Somit wird es die Verwendung dieser Erfindung ermöglichen,
den relativen Anteil von niedrigen oder hohen Raumfrequenzkomponenten
aus einem gegebenen Volumen zu bestimmen. Dies könnte zu einer Charakterisierung
von Strukturen innerhalb eines Volumens, z. B. die Differenzierung
von krebsartigen Strukturen innerhalb der menschlichen Brust, führen.
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Die 9A bis 9D zeigen
vergleichende Bilder, die mit der vollen Ultraschallenergie (weißes Hintergrundbild)
gemacht wurden, und ein akustisch erzeugtes Bild gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei dem nur die gestreute Komponente des Ultraschallsignals
in dem Bild enthalten ist. Wie oben diskutiert, ist das Ergebnis
ein dunkles Hintergrundbild, das erzeugt wurde, indem die ungestreute
Ultraschallenergie auf ihrem Weg zum Detektor oder zur Bildebene
blockiert wurde. Insbesondere ist 9A ein
konventionelles akustisches Hologramm, in dem sowohl der gebeugte
als auch der ungebeugte Schall auf die Hologramm-Detektorebene 6 (siehe 1) gerichtet
sind. 9B ist ein akustisches Bild
gemäß der vorliegenden
Erfindung, das nur das gebeugte Ultraschallsignal (d. h. das von
einem Objekt in der Objektebene 2 gestreute Signal) beinhaltet.
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Die 9A und 9B sind
Bilder eines synthetischen Targets, das konzipiert wurde, um die Auflösung akustischer
Bilder zu zeigen. Im Gegensatz dazu sind die akustischen Bilder
aus den 9C und 9D akustische
Bilder einer anatomischen Komponente eines Huhns. Insbesondere ist 9C ein
Bild eines Huhns mit Fett auf der Oberfläche, das mit einer konventionellen
Methode, wie zum Beispiel in 1 gezeigt,
erzeugt wurde. Im Gegensatz dazu ist das Ultraschallbild gemäß der Erfindung,
das in 9D gezeigt ist, ein Bild, das
beispielsweise mit der Vorrichtung aus den 2 oder 6 erzeugt
wurde und das nur die Beugungskomponente des Ultraschallsignals
beinhaltet. Es sollte erwähnt
werden, dass die feinen Details der kleinen Löcher oder des Fettanteils des
Stücks
Hühnerfleisch
in den aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallbildern (9A und 9C),
die mit der vollen Ultraschallenergie (d. h. weißer Hintergrund) erzeugt wurden,
nicht dargestellt sind, diese Details aber in den akustischen Bildern
gemäß der vorliegenden
Erfindung (9B und 9D), die
nur aus der gebeugten Komponente des Ultraschalls erzeugt wurden
(d. h. schwarzer Hintergrund), zu sehen sind. Dies zeigt die verbesserte
Sensitivität
und die detailliertere Informationen, die mit den erfindungsgemäßen akustischen
Bildern möglich
sind.
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Mit
Bezug auf die 10A und 10B sind die
Formeln für
die Computer-Steuerung
der Anordnung der akustisch opaken Elemente für unterschiedliche Formkonfigurationen
der anfänglichen Objekt-
oder Quellenenergiewellen gezeigt. Die 2 bis 4 zeigen die Verwendung eines ebenen Objektwandlers 1.
Allerdings kann die Objektwelle durch unterschiedliche Formen von
Quellenwandlern erzeugt werden, wie zum Beispiel sphärische oder zylindrische
Objektwandler. Wie von einem Fachmann eingesehen werden kann, beeinflussen
das Profil des Wandlers und das dadurch erzeugte akustische Signal
den Ort und den Typ des akustisch opaken Elements, das zum selektiven
Blockieren von Teilen des akustischen Signals verwendet wird. Insbesondere
zeigt 10A den Objektwandler 1 als
einen ebenen Wandler, der eine ebene Welle von Ultraschallenergie
erzeugt. 10B zeigt die Verwendung eines
sphärischgeformten
Objektwandlers 1 und die resultierende sphärische Welle
von Ultraschallenergie. Wie zuvor diskutiert und wie in 2 gezeigt
wurde, kann ein Positionierungsmotor verwendet werden, um das akustisch
opake Element richtig anzuordnen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt
ist, kann eine der beiden Linsen oder beide Linsen in dem Linsensystem 3 verschoben
werden, um die Position der Bildebene 2 zu verändern und/oder
die Vergrößerung einer
bereits ausgewählten
Bildebene (d. h. Zoom) zu verändern.
Indem die Position der Linsen in dem Linsensystem verändert wird,
verschiebt sich auch der Ort des Brennpunkts 4. Der in 2 gezeigte
Positionierungsmotor wird verwendet, um das akustisch opake Element
(d. h. das Element 4a) automatisch zu repositionieren,
so dass das akustisch opake Element an der gewünschten Stelle (z. B. dem Brennpunkt 4)
bleibt.
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In
der gezeigten Ausführungsform
aus 10A erscheint die ebene Welle
von ungestreuter Ultraschallenergie für die Linse (L1) so, als käme sie aus
einer unendlichen Entfernung. Somit wird die Linse die ebene Welle
von ungestreuter Ultraschallenergie auf einen Punkt in einer Entfernung
von der Linse fokussieren, die gleich der Brennweite der Linse (fL1) ist.
Diese selbe Linse bedeutet, richtig angeordnet, dass sie (in allen
Fällen)
gestreute Ultraschallenergie von Strukturen innerhalb des Objekts
in die Ebene eines Detektors, wie zum Beispiel der in den 2 bis 4, 6 und 7 gezeigte
Hologramm-Detektor 7, fokussieren wird. Die vorigen Figuren
(z. B. 1 bis 4) zeigen die
Hologramm-Detektorebene 6 unter einem anderen Winkel zu
der optischen Achse. Allerdings zeigen die 10A und 10B, der Einfachheit bei der Illustration der
unterschiedlichen Brennweiten von Linsen in dem Linsensystem 3 willen,
die Hologramm-Detektorebene 6 in
einer Ausrichtung mit der optischen Achse der Linsen. Wenn die ungestreute
Ultraschallenergie nicht an dem Brennpunkt 4 blockiert
wird (siehe 2 und 6), läuft die
ungestreute Ultraschallenergie weiter zu dem holografischen Detektor,
um dort das dominante aber wenig sensitive weiße Bild der Objektstruktur
in dem Detektor zu bilden. Dieses aus dem Stand der Technik bekannte
bildgebende Verfahren wird als ein Abdunkeln eines starken weißen Hintergrunds,
der aus der ungestreuten Ultraschallenergie resultiert, wahrgenommen.
Wie oben im Detail diskutiert wurde, wird ein Blockieren der ungestreuten
Ultraschallenergie ein sensitiveres Bild feiner Details und Strukturen
innerhalb des Objekts auf einem schwarzen Hintergrund erzeugen.
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Die 10B zeigt die Verwendung eines sphärisch oder
zylindrisch geformten Objektwandlers und eine resultierende (Seitenansicht)
sphärische Objektschallwellenfront
(von Ultraschallenergie). In diesem Fall scheint die ungestreute
Objektultraschallenergie von einem Punkt (P) hinter dem Wandler, aber
nicht aus dem Unendlichen zu kommen. Somit wird diese ungestreute
Ultraschallenergie auf eine Stelle (4s) fokussiert, die weiter von
den Linsenmitteln entfernt ist als deren Brennweite, die aber vor
der Hologramm-Detektorebene 6 liegt. Es sollte erwähnt werden,
dass die Seitenansicht eines zylindrisch geformten Wandlers der
sphärischen
Form gleichen wird, aber dass in der Draufsicht die Länge des
Zylinders die Länge
des akustisch opaken Elements sein wird. Somit wird in dieser Ausführungsform
das akustisch opake Element in der Form eines Stabes sein, dessen
Länge die
Länge des
zylindrischen Quellenwandlers ist.
-
Indem
die Vergrößerung des
bildgebenden Systems verändert
wird, ändert
sich der Punkt, auf den die ungebeugte Welle fokussiert wird. Die
Gleichungen, die diese Stelle als eine Funktion der Vergrößerung (Linsenposition)
beschreiben, sind unten gezeigt.
-
Für eine ebene
Objektwelle:
- A. Für ein Linsensystem mit einer
einzelnen akustischen Linse: Blockierungsposition
= L – fL
- B. Für
ein Linsensystem mit zwei akustischen Linsen: Blockierungsposition
= L2 – (fL2/(1 – (fL2/(L1 – fL1))))
- Wobei gilt:
Alle Maße
sind von der Hologramm-Detektoroberläche aus gemessen
L ist
der Abstand zu der einzelnen akustischen Linse
fL ist die Brennweite
der einzelnen Linse
L1, L2 sind jeweils die Abstände zu den
Linsen 1 und 2
fL1, fL2 sind jeweils die
Brennweiten der Linsen 1 und 2
-
Die
Blockierungsposition und alle anderen Maße sind von der Detektoroberfläche aus
gemessen.
-
Für eine sphärische oder
zylindrische Objektwelle:
- A. Für ein Linsensystem
mit einer einzelnen akustischen Linse: Blockierungsposition
= L – fL
(R + O)/(R + O – fL)B
- B. Für
ein Linsensystem mit zwei akustischen Linsen: Blockierungsposition
= L2 – ((fL2·O2)/(O2 – fL2))
- Wobei gilt: O2 = L1 – L2 – ((FL1 (D + R)/(D + R – fL1)) R
ist der Radius des zylindrischen oder sphärischen Quellenwandlers
D
ist der Abstand entlang der Mittellinie der Linse von L1 zu der
Oberfläche
des Quellenwandlers
- Und: Alle anderen Maße
sind von der Hologramm-Detektoroberfläche aus
gemessen
L ist der Abstand zu der einzelnen akustischen Linse
fL
ist die Brennweite der einzelnen Linse
L1, L2 sind jeweils
die Abstände
zu den Linsen 1 und 2
fL1, fL2 sind jeweils
die Brennweiten der Linsen 1 und 2
-
Die
Blockierungsposition und alle anderen Maße sind von der Detektoroberfläche aus
gemessen.
-
Vorrichtung
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
bietet eine Verbesserung für
ein bildgebendes Ultraschallsystem, das Holografie zur Bildgewinnung
und zur Verarbeitung verwendet. Das Schlüsselelement der Vorrichtung
ist ein Ultraschallwandler, um die Schallwelten, die in Richtung
des abzubildenden Objekts gesendet werden, zu erzeugen. Ein Ultraschallwandler
wird in dem
US-Patent Nr. 5,329,202 (das '202 Patent) beschrieben.
Kurzgesagt zeigen die
2 bis
10 des '202 Patents eine
Ausführungsform
eines Ultraschallwandlers mit einem dünnen piezoelektrischen polykristallinen
Körper
oder Wafer mit einer großen
Fläche,
der parallel zwischen vorderen und hinteren Oberflächen angeordnet ist.
Der piezoelektrische Wafer besteht aus einem polykristallinen keramischen
Oxid-Material mit piezoelektrischer Aktivität, wie zum Beispiel Blei-Zirkonat-Titanat, das ein
bekanntes piezoelektrisches Material ist, das manchmal auch als
PZT bezeichnet wird. Ein Ultraschallwandler ist ausgestaltet, um
Ultraschallstrahlung bei einer Frequenz zwischen 1 MHz und 10 MHz
zu erzeugen. Der piezoelektrische Wafer hat eine Dicke von ungefähr 2 mm
für eine
Frequenz von 1 MHz, von ungefähr
0.7 mm für
3 MHz und von 0.2 mm für 10
MHz, abhängig
von der Mixtur und dem Typ des verwendeten piezoelektrischen Materials.
Vorzugsweise liegt die Dicke zwischen 1.0 mm und 0.5 mm und am bevorzugtesten
ist eine Dicke von 0.8 mm. Dieser Wandler wird eine Resonanzfrequenz
von ungefähr
2.5 MHz für
PZT bieten.
-
Bei
einer Betriebsweise muss der Ultraschallwandler großflächige ebene
Wellen erzeugen, die zur Abbildung eines Objekts (auf einer ebenen zweidimensionalen
Grundfläche),
das so groß ist
wie eine größere Frauenbrust
bis hinunter zur Brustwand ist, benötigt werden. Daher wird der
keramische piezoelektrische Wandler eine große Vorderseitenoberfläche in dem
Größenbereich
von typischerweise 7.6 cm mal 10.16 cm – 77 cm2 bis
10.16 cm mal 20.32 cm – 309
cm2 in typischerweise einer rechteckigen
Form haben.
-
Der
Ultraschallwandler hat sowohl eine vordere als auch eine hintere
Elektrodenbeschichtung auf den Vorder- und Rückseiten des piezoelektrischen
Wafers angebracht, um zu ermöglichen,
dass eine Schwingungsspannung an den piezoelektrischen Wafer angelegt
wird, und um eine gewünschte große ebene
Ultraschallwelle zu erzeugen. Vorzugsweise überziehen die Elektrodenbeschichtungen vollständig die
jeweiligen Vorder- und Rückseiten
des piezoelektrischen Wafers und haben eine gleichförmige Dicke
von ungefähr
0.0075 mm bis 0.00128 mm. Es kann eine Anschlussnase für die vordere Elektrode
zum Anlegen einer Spannung an die Vorderseite an der vorderen Elektrodenbeschichtung
angebracht sein, aber solche Anschlussnasen können auch an einer Grenzregion
angebracht sein, um so eine Interferenz mit der Erzeugung ebener
Wellen von der Vorderseite zu vermeiden.
-
Es
kann eine Schicht zum Ändern
oder Reduzieren der Spannung zwischen der Rückseite des piezoelektrischen
Kristalls und einer hinteren Elektrodenbe schichtung eingebracht
sein, um die effektive Spannung, die an der Stirnfläche oder
vorderen Oberfläche
des piezoelektrischen Kristalls angelegt ist, bei Annäherung an
die Kante des Kristalls zu reduzieren. Dies wird auch die Erzeugung
interferierender Ultraschallwellen, die durch den Kanteneffekt von einer
Kante des piezoelektrischen Kristalls erzeugt werden, reduzieren.
Die Schicht zum Reduzieren der Spannung ist aus einen Material zusammengesetzt, das
wesentlich weniger leitfähig
ist als das Material der Elektrodenbeschichtung (z. B. synthetisches
Epoxidharz) und das eine elektrische Impedanz zwischen der hinteren
Elektrode und der hinteren Oberfläche, angrenzend an die hintere
Kante, bereitstellt, um die Erregerspannung an der seitlichen Oberfläche auf
weniger als 50% (vorzugsweise weniger als 25%) der Spannung, die
an den mittleren Bereich der hinteren Seite des piezoelektrischen
Kristalls angelegt wird, zu reduzieren. Die Schicht zum Reduzieren der
Spannung hat vorzugsweise eine dielektrische Konstante zwischen
3 und 100 und einen elektrischen Volumenwiderstandswert zwischen
0.1 ohm-cm und 2.5 × 1015 ohm-cm. Am bevorzugtesten beinhaltet die
Schicht zum Reduzieren der Spannung ein synthetisches Epoxidharz
mit einer dielektrischen Konstante zwischen 10 und 20 und einem
elektrischen Volumenwiderstand zwischen (1 × 1015 und
5 × 1015) ohm-cm.
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Der
Ultraschallwandler stellt ebene, sphärische oder zylindrische Schallwellen
bereit (d. h. Ultraschallenergie in der Form von Wellen), die sich
in der Richtung des Objekts ausbreiten. Es ist wichtig, dass die
Ultraschallwellen zu dem Objekt in einem Medium gesendet werden,
das der Ausbreitung solcher Wellen förderlich ist. Somit gibt es
einen akustischen Pfad zu dem Objekt von dem Wandler zu der akustischen
Linse von dem Objekt. Ein solcher akustischer Pfad kann ein Medium
mit geringer akustischer Abschwächung
sein, wie zum Beispiel wässrige
Lösungen
(z. B. Wasser-basiert oder sogar Glykole, wie zum Beispiel Ethylenglykol
und Glycerol), Öllösungen oder
Gummikissen, die einen akustischen Kontakt mit dem Objekt herstellen.
Vorzugsweise wird zur Aufnahme von Brustbildern ein Wasserbad bereitgestellt.
In dem Fall von Objekten, die dazu neigen könnten, in dem Wasserbad zu
schwimmen (nicht wünschenswert),
kann es sein, dass das Objekt leicht komprimiert werden muss, so
dass es besser in dem Schallpfad in dem Wasserbad positioniert ist.
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Nachdem
die Schallwellen das Objekt durchlaufen haben, werden sie durch
ein akustisches Linsensystem
3 auf einen Brennpunkt fokussiert.
Ein solches akustisches Linsensystem ist in dem
US-Patent Nr. 5,235,553 beschrieben.
Kurz gesagt haben die einzelnen Linsen des Linsensystems
3 jede
einen großen
Durchmesser, sie sind Festlinsen, und sie haben eine optische Achse
senkrecht zu der Peripherie und sie sind vorzugsweise auf einer
Stützstruktur
angebracht, um eine laterale Bewegung entlang der z-Achse (in der
Ausbreitungsrichtung der Schallwellen) zu ermöglichen. Vorzugsweise wird
die Festlinse mit einem homogenen steifen Plastikmaterial ausgeformt,
das eine Übertragungsgeschwindigkeit
im Bezug auf Ultraschall (0.5 MHz bis 1 MHz) hat, die ungefähr 1.25
bis 2.5 mal so groß ist
wie die Übertragungsgeschwindigkeit
von Wasser. Die Dichte des steifen Plastikmaterials liegt vorzugsweise
zwischen 1.0 und 1.5 mal der Dichte von Wasser. Bevorzugte Plastikmaterialien
sind vernetztes Polystyrol und Polymethylpenten. Polystyrol hat
eine Ultraschallimpedanz von ungefähr 1.8 oder weniger normalisiert
auf Wasser (gleich 1.0).
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Die
Linse hat vorzugsweise ein Verhältnis von
Brennweite zu Durchmesser (f-Wert)
zwischen eins und vier. Vorzugsweise liegt die Brennweite "L" zwischen 20 und 60 mm und der Durchmesser "D" ist größer als 15 cm, vorzugsweise
größer als
20 cm. Die Linse sollte ein Verhältnis
von Durchmesser zu Dicke haben, das großer als vier ist und das vorzugsweise
zwischen vier und zwölf
liegt. Eine oder beide Oberflächen
sind mit mehreren Krümmungsradien ausgebildet,
so dass der einfallende Ultraschall in der Brennebene fokussiert
wird, um eine Fokussierung der Ultraschallwellen über die
gesamte Oberfläche der
Linse bereitzustellen. Die Linse ist so ausgebildet, dass jedes
kleine Segment oder Inkrement der Linsenoberfläche seinen eigenen Krümmungsradius hat,
so dass sphärische
Aberrationen reduziert werden.
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Eine
alternative Ultraschall-Festlinse stellt symmetrische steife Festlinsenelemente
bereit, von denen jedes als konkav-konvexes Linsenelement klassifiziert
würde.
Die zwei Linsenelemente stellen einen flüssigen Hohlraum bereit, der
eine Flüssiglinse,
die ein flüssiges
Linsenmaterial beinhaltet, definiert. Die steifen Festlinsenelemente
haben jede eine konvexe äußere Oberfläche und
eine konkave innere Oberfläche.
Die konvexe äußere Oberfläche und
die konkave innere Oberfläche
haben unterschiedliche Krümmungsradien,
so dass die Di cke eines jeden der Elemente von der Achse zum Randbereich
hin zunehmend ansteigt.
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Das
akustisch opake Element (z. B. das Element 4a in 2)
ist vorzugsweise geeignet, Schall vollständig zu absorbieren. Es ist
ein Objekt, das an dem Brennpunkt der ungestreuten Ultraschallenergie angeordnet
wird und das eine ungefähre
Größe von zehnmal
Lambda (λ)
mal dem f-Wert der Linsenmittel hat, wobei λ die Wellenlänge der Ultraschallenergie ist,
die in dem Medium (vorzugsweise Wasser) verwendet wird. In einer
beispielhaften Ausführungsform ist
das akustisch opake Element aus einem akustisch isolierenden Material
mit eingeschlossenen Hohlräumen
oder Luft gemacht. Zum Beispiel kann das akustisch isolierende Material
aus der Gruppe bestehend aus Kork, porösen Polymeren, offenen oder
geschlossenen Zellschaumstoffen oder Kombinationen aus diesen Materialien
gewählt
werden.
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Schall
kann dann auf eine Vorrichtung zur Bildgebung gerichtet werden oder
auf eine Vorrichtung zur Bildgebung reflektiert werden, wobei beispielsweise
der Reflektor 5 (siehe 2) verwendet wird.
Vorzugsweise verwendet die bildgebende Vorrichtung Holografie, um
ein sichtbares Bild der Schallwellen, die die bildgebende Vorrichtung
für eine
optische Rekonstruktion erreichen, zu rekonstruieren. Das Linsensystem 3 wird
vorzugsweise unter Verwendung einer Steuerung positioniert, so dass die
Ultraschallenergie, die durch Strukturen innerhalb des Objekts gestreut
wird, auf die bildgebende Vorrichtung fokussiert wird. Vorzugsweise
ist die bildgebende Vorrichtung ein System zur optischen Hologramm-Rekonstruktion,
das in Kombination mit einer Hologramm-Detektionsoberfläche, vorzugsweise einer flüssigen Oberfläche, die
ein Hologramm bildet, verwendet wird. Eine kohärente Lichtquelle, wie zum Beispiel
ein Laser, erzeugt einen kohärenten
Lichtstrahl, der durch eine Sammellinse gerichtet ist, um die Hologramm-Detektionsoberfläche zu bestrahlen. Das
kohärente
Licht, das das Hologramm bestrahlt, wird von der Hologramm-Oberfläche reflektiert
und in eine Anzahl von gebeugten Ordnungsstrahlen gebeugt und auf
einen Raumfilter gerichtet, der das ungebeugte Licht (nullte Ordnung)
herausfiltert. Alle gebeugten Ordnungen beinhalten Bildinformationen und
können
verwendet werden, wobei vorzugsweise nur der gebeugte Strahl erster
Ordnung für
eine Visualisierung zu einer Videokamera durchgelassen wird. Die
Vi deospeisung kann digitalisiert werden, um Pixelsignale für eine Kamera
zu erzeugen. Die Zusammenstellung von Pixeln, die zusammen ein Bild
ausbilden, kann über
die Zeit gemittelt werden, um unscharfe Strukturen, die in den Bildern
auftreten, zu reduzieren oder zu neutralisieren.
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Verfahren
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur verbesserten
Bildgebung innerer Strukturen eines Objekts bereit, wobei das Verfahren folgende
Schritte aufweist:
- (a) Bereitstellen einer
ebenen, zylindrischen oder sphärischen
Schallwelle (Ultraschallenergie in der Form einer Welle) zum Senden
durch ein Objekt, um eine übertragene
Schallwelle zu bilden, die Bildinformationen aufweist, die aus einer
Brechung, Beugung, Absorption, Reflektion und aus dem Schall der
nicht durch das Objekt gestreuten (ungestreute) Schallwellen (Ultraschallenergie
in der Form einer Welle), resultieren;
- (b) Fokussieren der übertragenen
und ungebrochenen Schallwelle auf einen Brennpunkt mit einem akustischen
Linsenmittel mit einer Mittellinie;
- (c) Bereitstellen eines akustisch opaken Elements, das selektiv
an dem Brennpunkt angeordnet wird, um die Übertragung von Ultraschallenergie,
die auf den Brennpunkt gerichtet ist, zu verhindern; oder alternativ
ein akustisch opakes ebenes Element, das selektiv angeordnet ist,
um nur den Schall, der durch eine Struktur in dem Objekt gestreut
wird, durchzulassen; oder alternativ ein akustisch opakes ebenes
Element, das selektiv angeordnet ist, um nur Ultraschallenergie,
die von einem ausgewählten
Volumen innerhalb des abgebildeten Objekts gestreut wird, durchzulassen; und
- (d) Erzeugen eines Bildes der inneren Strukturen des Objekts
mit einem holografischen Detektor mit einer Oberfläche, die
senkrecht zu der Mittellinie der akustischen Linsenmittel ausgerichtet
ist.
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Vorzugsweise,
um den komparativen Vorteil zu demonstrieren, den das erfindungsgemäße Verfahren
mit dem akustisch opaken Element, das selektiv an dem Brennpunkt
der ungestreuten Ultraschallenergie angeordnet wird, hat, weist
das vorhergehende Verfahren weiterhin den folgenden Schritt auf: (e)
Wiederholen des bildgebenden Verfahrens durch ein Platzieren eines
akustisch opaken ebenen Elements mit einer Öffnung, die das Durchlassen
von nur dem gestreuten Schall ermöglicht, wobei das vorhergehende
Verfahren weiterhin die folgenden Schritte aufweist: (f) Wiederholen
des bildgebenden Verfahrens durch ein Platzieren eines akustisch
opaken ebenen Elements mit zirkularen Streifenöffnungen, das das Durchlassen
von nur der Ultraschallenergie, die von einer ausgewählten Stelle
in der Brennebene der Linsenmittel gestreut wurde, ermöglicht, und:
(g) Vergleichen der Eigenschaften des Objekts wie durch die Bildgebung
mit der gestreuten Welle gesehen mit denen des mit der ungestreuten
Welle erzeugten Bildes und schließlich Vergleichen mit dem Bild,
das ohne jegliche Blockierung des übertragenen Schall erzeugt
wurde, um detailliertere Informationen feiner Strukturen des abgebildeten
Objekts zu bestimmen. Vorzugsweise tragen die übertragenen Schallwellen, die
gestreuten Schallwellen und die ungestreuten Schallwellen räumliche
Phasen- und Amplitudeninformationen auf einer ebenen, sphärischen
oder zylindrischen Basis, die sich auf die dreidimensionale Beschaffenheit
der inneren Struktur des Objekts beziehen. Vorzugsweise ist die
von dem Wandler erzeugte Welle eine ebene, zylindrische oder sphärische Schallwelle
in einer Ebene senkrecht zu der Übertragungsrichtung.
Am bevorzugtesten fokussiert das akustische Linsensystem (z. B.
das Linsensystem 3) die Schallwelle auf einen Brennpunkt
und alle erzeugten Beugungswellen, die innerhalb des Objekts erzeugt
werden, auf die Hologramm-Detektoroberfläche. Vorzugsweise wird die übertragende
Schallwelle auf den Brennpunkt fokussiert, indem die akustischen
Linsenmittel entlang einer z-Achse mit Hilfe eines elektro-mechanischen Mittels
justiert werden. Am bevorzugtesten werden das elektro-mechanische
Mittel zum Justieren der Linsenmittel durch einen Computer gesteuert,
der sowohl die akustischen Linsenmittel zum Ausbilden eines Brennpunktes
justiert als auch das akustisch opake Element an dem Brennpunkt
anordnet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
eine verbesserte Bildgebung innerer Strukturen von Objekten, wie
zum Beispiel Tumorgewebe in umliegen dem Brustweichgewebe, wobei
das Verfahren nur Ultraschallenergie verwendet, die mit der Struktur (Tumorgewebe)
interferiert. Die Schallwelle, die das Objekt durchläuft, trägt räumliche
Phasen- und Amplitudeninformationen über die dreidimensionale Beschaffenheit
der inneren Struktur des Objekts mit sich. Zusätzlich stellt das Verfahren
eine verbessertes und sensitiveres bildgebendes Verfahren bereit, das
weiße
Intensitätsinformationen
auf einem schwarzen oder leeren Hintergrund bietet, wenn das Verfahren
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
einem opaken Element, das am Brennpunkt der Linse platziert wird,
kombiniert wird. Das erzeugte schwarze Hintergrundbild gewährleistet
eine verbesserte Objektidentifikation und verbesserte Größenmessungen
verglichen mit ähnlichen
nicht-inversen (d. h. weißen)
Bildern desselben Objekts. Somit können feine Objekte oder Elemente
innerhalb von Objekten visualisiert werden.
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Aus
dem Vorhergehenden wird es verständlich
sein, dass, obwohl bestimmte Ausführungsformen der Erfindung
hierin zum Zwecke der Veranschaulichung beschrieben worden sind,
unterschiedliche Abwandlungen gemacht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung
abzuweichen. Zum Beispiel können
die erfindungsgemäßen akustischen Bilder
von einer Vielzahl von Vorrichtungen erzeugt werden. Unterschiedliche
Beispiele für
Vorrichtungen, die zum Erzeugen der erfindungsgemäßen Bilder
verwendet werden, sind hierin beschrieben worden, andere können aus
dem Stand der Technik bekannt sein. Noch andere Methoden können hergeleitet
und angewendet werden, um die akustisch erzeugten Bilder gemäß der Erfindung
zu erzeugen. Demzufolge ist die Erfindung nicht beschränkt, außer wie
durch die abhängigen
Ansprüche
angegeben.