EP1166148A1

EP1166148A1 - Vorrichtung und verfahren für die 3d-echtzeitsonographie

Info

Publication number: EP1166148A1
Application number: EP00918814A
Authority: EP
Inventors: Miroslaw Wrobel; Eckard Glaser; Janet Grassmann
Original assignee: Son Em GmbH
Current assignee: Son Em GmbH
Priority date: 1999-04-07
Filing date: 2000-03-20
Publication date: 2002-01-02
Also published as: DE19915583A1; CA2366534A1; WO2000062091A1; JP2002540910A; CN1354834A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für die 3D-Echtzeitsonographie mit einem Ultraschallkopf, einer Signalverarbeitung und einer Anzeigeeinrichtung, bei der der Ultraschallkopf aus mindestens einem Sender und separat dazu mindestens drei Empfängern besteht, deren Positionen zu den Sendern bekannt sind und bei der, eine Signalverarbeitung, die aus einem Signalgenerator zur Erzeugung eines Sendesignals mit einer beliebigen Modulationsfunktion, einem Korrelator an jedem Empfänger, der jeweils mit dem Signalgenerator verbunden ist, einer Berechnungseinheit für die Bestimmung der Wege des Sendesignals über die reflektierende Struktur zu den Empfängern an jedem Korrelator, und einer Berechnungseinheit für die Bestimmung der Raumkoordinaten der reflektierenden Struktur, an die jede Berechnungseinheit für die Bestimmung der Wege des Sendesignals über die reflektierende Struktur zu den Empfängern angeschlossen ist, besteht.

Description

Vorrichtung und Verfahren für die 3D-Echtzeitsonographie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für die 3D-Echtzeitsonographie mit einem Ultraschallkopf, einer Signalverarbeitung und einer Anzeigeeinrichtung, bei der die Geschwindigkeit der Datenerfassung über unbekannte Strukturen nur durch die Physik der Schalleitung im jeweiligen Körper begrenzt ist.

In der Ultraschalldiagnostik wird in der einfachsten

Anwendung ein Ultraschallimpuls in ein Gewebe ausgesendet und die zurückkommenden Echoimpulse werden in bezug auf die Laufzeit ausgewertet, um die Tiefe und den Umfang bzw. den Verlauf einer bestimmten Struktur, an der die Reflexionen entstehen, zu bestimmen. Bei den herkömmlichen Geräten der

Ultraschalldiagnostik werden Ultraschallköpfe eingesetzt, die in den bekanntesten Ausführungen aus einer linearen Anordnung einzelner mechanisch getrennter Piezoelemente bestehen. Die Piezoelemente senden eine Impulsfolge in das Gewebe aus und empfangen dann in einer festgelegten Zeitperiode kontinuierlich die zurückkommenden Echosignale. Dieselben Piezoelemente wirken dann zum Empfang der Echoimpulse als Drucksensoren. Die Zeitperiode wird dabei durch das letzte am Sensor ankommende Echosignal aus der tiefsten Reflexionszone bestimmt. Bei einem derartigen Ultraschallsystem dienen im allgemeinen dieselben Piezoelemente sowohl als Sender als auch als Empfänger. In den entstehenden Abbildungen, die von einem großen Rauschanteil überlagert sind, sind dann eventuell bestimmte Strukturen erkennbar, die in den meisten Fällen nur aufgrund einer großen Erfahrung des Arztes exakt beurteilt werden können.

Die Auflösung (lateral und axial) war bisher ein wesentliches Kriterium für die Güte und Qualität eines Ultraschallgeräts. Üblich ist eine Auflösung von 0,5 mm (= 500μm) . Damit hat die Entwicklung der "Scanning-Impulstechnik" aufgrund der physikalischen Grenzen der verwendeten Technologien ihr Ende gefunden. Nur mit sehr hohem Aufwand ist es durch moderne Computertechnik (Hardware) und moderne

Verfahren aus der Signalverarbeitung (Software) überhaupt möglich, geringe Verbesserungen der Bildqualität zu erzielen. Eine weitere Verbesserung der Bildqualität könnte durch spezielle Kontrastmittel, die dem Patienten verabreicht werden, erzielt werden, jedoch sind diese Mittel häufig mit erheblichen Belastungen für den Patienten verbunden und deren Einsatz ist deshalb umstritten.

Bei herkömmlichen 3D-Ultraschallgeräten wird ebenfalls diese "klassische" Scanning-Technologie eingesetzt, ähnlich den CT- Geräten, bei der Aufnahme von "Schichten" aus dem Körper. Aufgrund der damit verbundenen enormen Datenmenge sind diesen Technologien enge Grenzen in bezug auf eine "Echtzeit"- Datenerfassung gesetzt. In der Regel werden bei Aufnahmen der betroffenen Volumina zwischen 0,3 s und 2 min benötigt, wobei alle störenden Patientenbewegungen (innerlich wie äußerlich) entweder nicht stattfinden dürfen oder als statistische Störung mit eingerechnet werden müssen. Dadurch wird die Genauigkeit stark beeinträchtigt.

In dem US-Patent 5,601,083 wird ein Gerät beschrieben, das die Ellipsoidal-Backprojection benutzt, um die Auflösung zu verbessern. Das Gerät besitzt ein Empfängerarray, bei dem jedes Empfangselement einem Rekonstruktionsbildpunktwinkel entspricht. Die von dem Empfänger aufgenommenen Echos werden in einem Amplitudenfunktionsgenerator als Funktion des Rekonstruktionsbildpunktwinkels gewichtet. In einer nachfolgenden Backprojection-Bildrekonstruktionsverarbeitung wird aus den gewichteten Echos ein Bild rekonstruiert und dargestellt. In der jüngsten Entwicklung der Sonographie hat die dreidimensionale Darstellung eine entscheidende Weiterentwicklung erfahren. Die dreidimensionalen Bilder werden bei den dabei bekannt gewordenen Verfahren aus Einzelbildern berechnet. Hauptproblem war hier bislang der sehr hohe Zeitbedarf für die Berechnung dieser Bilder. Durch die Bereitstellung schneller Rechner lassen sich heute auch größere Bildsequenzen mit über 30 Bildern problemlos innerhalb von ca. 10 - 15 s berechnen. Es handelt sich aber immer noch nicht um eine Echtzeitdarstellung, d.h. die bereits beschriebenen Nachteile bleiben erhalten.

Grundlage jeder dreidimensionalen Ultraschalltechnologie ist die Erfassung mehrerer in ihrer Lage genau bestimmter zweidimensionaler Bildebenen, deren Gesamtheit ein Volumen ergibt. Ein spezieller Schallkopf enthält z.B. einen Motor, der auf Knopfdruck das innere Array-Schallelement je nach Art des Kopfes um 10° bis 95° schwenkt. Dadurch erhält man eine Vielzahl von Schnittebenen, die in gleichem Abstand voneinander stehen. Die aufgenommenen Echos werden nach der Signalverarbeitung und Quantisierung als digitale Signale ortsgetreu in einem Volumenspeicher abgelegt. Die Aufnahme- zeit beträgt je nach Volumengröße, Art des Kopfes und Schwenkgeschwindigkeit des Schallelementes zwischen 0,3 s und 2 min. Aus dem Volumenspeicher können dann sämtliche Schnittebenen innerhalb des jeweiligen Volumens berechnet und dargestellt werden. Die dreidimensionalen Bilder lassen sich dann entweder als Einzelbilder oder in Form einer Rotations- animation nacheinander auf dem Monitor darstellen.

In einem anderen Verfahren werden die Volumendaten extern erfaßt. Die Bewegung des Schallelementes ist dabei mit einem Positionsgeber gekoppelt. Der Schallkopf kann dann auch von Hand bewegt werden. Zusammen mit den Bilddaten muß hier die Bildposition erfaßt und gespeichert werden. Es kann dann zwar ein Standard-Schallkopf verwendet werden, aber das System ist sehr unhandlich und erfordert einen hohen Zeitaufwand für die Erfassung der Bilddaten. Da der Abstand der einzelnen zwei- dimensionalen Bilder nicht identisch ist, kann es zu Überschneidungen der Schnittebenen kommen, die zu schlechten Darstellungen führen.

Die weiteren Nachteile beider Verfahren bestehen darin, daß die Schallköpfe im allgemeinen nur an dem speziell dafür vorgesehenen Gerät betrieben werden können, da sonst die Ortsbestimmung verloren geht. Zum anderen liegt keine Echtzeitdarstellung vor, da die Schnittebenen nacheinander erfaßt werden. Für eine kardiologische Untersuchung kann die Darstellung einer Reaktion des Herzens erst nach 6 bis 7

Sekunden unter bestimmten Bedingungen wertlos sein. In vielen Fällen ist es gerade für den Arzt sehr wichtig, eine Änderung sofort zu erfassen. Es gehen die Bestrebungen in der Diagnostik also unbedingt in Richtung einer Echtzeitdar- Stellung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gerät zu schaffen, das eine hohe Bildqualität und eine schnelle Datenerfassung realisiert und eine 3D-Visualisierung in Echtzeit ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit Hilfe einer Vorrichtung für die 3D- Echtzeitsonographie gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Die Vorrichtung besteht aus einem Ultraschallkopf, einer Signalverarbeitung und einer Anzeigeeinrichtung, bei der der Ultraschallkopf aus mindestens einem Sender und separat dazu mindestens drei Empfängern besteht, deren Positionen zu den Sendern bekannt sind, die Signalverarbeitung aus einem Signalgenerator zur Erzeugung eines Sendesignals mit einer beliebigen Modulationsfunktion, einem Korrelator an jedem Empfänger, der jeweils mit dem Signalgenerator verbunden ist, einer Berechnungseinheit für die Bestimmung der Wege des Sendesignals über die reflektierende Struktur zu den Empfängern an jedem Korrelator, und einer Berechnungseinheit für die Bestimmung der Raumkoordinaten der reflektierenden Struktur, an die jede Berechnungseinheit für die Bestimmung der Wege des Sendesignals über die reflektierende Struktur zu den Empfängern angeschlossen ist, besteht.

Es ist dem Anwender dabei völlig freigestellt, wo er den oder die Sender und Empfänger an dem Medium mit der zu untersuchenden Struktur anordnet. Es ist dadurch möglich, die günstigsten „Betrachtungs- und Beleuchtungswinkel" einer im Innern eines Mediums liegenden Struktur zu ermitteln. Werden mindestens drei Empfänger in einer Ebene angeordnet und diese als die „Sichtfenster" bestimmt, d.h. als die Bezugsebene für alle Sender, kann eine schattenfreie Abbildung einer in einem Medium eingebetteten Struktur erzeugt werden. Es ist dem Anwender auch freigestellt, wieviel Sender und wieviel Empfänger angeordnet werden. Für eine dreidimensionale Darstellung sind aber mindestens ein Sender und drei Empfänger oder drei Sender und ein Empfänger erforderlich.

Die Sender und Empfänger können z.B. auch so angeordnet werden, dass das Sendesignal von der Seite auf die Struktur trifft oder das Medium liegt zwischen den Sendern und den Empfängern. Die Echosignale werden dann im wesentlichen von der Absorptionsgüte des Mediums und der zu untersuchenden Struktur beeinflußt. Sind mehrere Sender vorhanden, können Echosignale empfangen werden, die sowohl die Absorptionsgüte als auch die Reflexionsgüte einer Struktur widerspiegeln.

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung für die 3D- Echtzeitsonographie ist zwischen dem oder den Sendern und dem Korrelator und jedem Empfänger und dem Korrelator ein A/D- Wandler angeordnet. Dadurch werden die Sendesignale und die Empfängersignale digitalisiert und dann digital weiterverarbeitet .

Die Vorrichtung für die 3D-Echtzeitsonographie kann nach dem A/D-Wandler des Sendesignals einen Speicher enthalten, der die digitalisierten Sendesignale speichert, um sie für jeden weiteren Beschallungsvorgang wieder in derselben Form zur Verfügung zu haben. Dazu ist der Speicher direkt oder über eine Ansteuereinheit mit dem Generator verbunden. Die Steuereinheit kann so gestaltet sein, dass sie manuell oder automatisch auslösbar ist.

Die Erfindung enthält außerdem ein Verfahren für die 3D- Echtzeitsonographie, bei dem Ultraschallsignale von einem Ultraschallkopf in ein Medium ausgesendet werden und die Echosignale empfangen und auf einer Bildeinheit angezeigt werden, wobei das Verfahren folgende Schritte enthält: a) Aussenden eines Sendesignals mit einer beliebigen Modulationsfunktion von mindestens einem Sender in ein Medium; b) Empfangen der Echosignale von mindestens drei Empfängern, die separat zu den Sendern angeordnet sind und deren Positionen zu den Sendern bekannt sind; c) Korrelation der Echosignale mit dem Sendesignal zur Bestimmung der Wege des Sendesignals vom Sender über eine reflektierende Struktur im Medium bis zu den jeweiligen Empfängern, indem die Mustermerkmale des Sendesignals in den Echosignalen ermittelt werden; d) Bestimmen der Raumkoordinaten und der Reflektions- und/oder Absorptionsgüte der reflektierenden Struktur aus den Ergebnissen des Schrittes c) mit Hilfe einer Triangulation; und e) Anzeigen der Raumkoordinaten und der Reflektions- und/oder Absorptionsgüte der reflektierenden Struktur auf einem Anzeigegerät .

Werden bei dem Verfahren mehr als ein Sender eingesetzt, die ein Sedendesignal mit der gleichen Modulationsfunktion senden sollen, müssen, damit von den Empfängern die „Beleuchtungsrichtungen" unterschieden werden können, die einzelnen Sender die Sendesignale nacheinander aussenden. Werden Sendesignale mit unterschiedlichen Modulationsfunktionen ausgesendet, können die Sender auch gleichzeitig ihr Sendesignal in das Medium abgeben.

Aufgrund der Trennung der Empfänger von dem Sender besitzt das Sendesignal keine Längenbegrenzung. Seine zeitliche Dauer ist durch die Modulationsfunktion nur nach unten begrenzt.

Enthält die Vorrichtung nach dem Sender und den Empfängern A/D-Wandler, werden das Sendesignal und die Echosignale vor der Korrelation digitalisiert.

Zur Korrelation zwischen Sendesignal und Echosignalen, bei der Reflexionspunkte des Sendesignals ermittelt werden sollen, können alle bekannten Verfahren verwendet werden. Es kann eine einfache Korrelation/Faltung oder ein Impuls- kompressionsverfahren durchgeführt werden, es kann ein

Wavelet-Verfahren eingesetzt werden, oder es können neuronale Netze verwendet werden, mit deren Hilfe die Merkmale des Sendesignals in den Echosignalen gesucht werden.

Auf dem Anzeigegerät werden Intensitätsbilder, also 3D B-

Bilder angezeigt, wobei die Wahl der Koordinaten frei ist. In der Berechnungseinheit können je nach Vorgabe die Reflexionspunkte in kartesischen Koordinaten, zylindrischen Koordinaten, Polarkoordinaten oder dergleichen bestimmt werden. Das Verfahren für die 3D-Echtzeitsonographie wird ebenfalls erweitert, wenn die Sendesignale in einem Speicher abgelegt werden und zur Ansteuerung des Sendegenerators für eine erneute Erzeugung der gleichen Sendesignale verwendet werden. Dieser Verfahrensschritt ist besonders dann sehr günstig, wenn ein Körper zunächst mit einem Sendesignal mit einer frei einstellbaren Modulationsfunktion beschallt wird, bis erkennbare Reflexionen auf dem Anzeigegerät sichtbar werden. Bei Wiederholungen kann dann beliebig oft das Sendesignal mit derselben Modulationsfunktion aus dem Speicher abgerufen werden.

Jedes Echosignal ist eine Überlagerung der Reflexionssignale aus dem Volumen. Die Echosignale werden in jedem Kanal getrennt verarbeitet und mit dem jeweiligen Sendesignal korreliert. Zur Bestimmung der Position der Reflexionspunkte muß zunächst der Weg vom Sender über die Reflexionspunkte zu den einzelnen Empfängern bestimmt werden. Dazu werden die Echosignale mit dem Sendesignal korreliert. Das sich daraus ergebende Signal zeigt zu den Zeitpunkten ein bestimmtes Signalmuster, wenn ein reflektiertes Signal eintrifft. Aus diesen Zeitpunkten werden die Ellipsen bzw. Ellipsoiden ermittelt, die durch den Weg des Sendesignals bis zu den Reflexionspunkten weiter zu den Empfängern bestimmt werden, wobei der Sender und die Empfänger in den Brennpunkten der jeweiligen Ellipsen bzw. Ellipsoiden stehn. Aus den Schnittpunkten der einzelnen zu den Empfängern gehörenden Ellipsoiden ergeben sich die Raumkoordinaten der Reflexions- punkte.

Der entscheidende Unterschied zu den herkömmlichen Verfahren liegt in dem Umstand begründet, dass die einzelnen Ebenen der Reflexionen nicht nacheinander aufgenommen werden, sondern alle Daten gleichzeitig erfaßt werden. Diese Tatsache ist eine wesentliche Voraussetzung für eine Echtzeitsonographie, die bisher nicht realisiert wurde. Dadurch ist es erstmalig möglich, auch bewegte Strukturen in Echtzeit zu verfolgen, z.B. die Bewegung der Herzklappen als 3D Bild in Zeitlupe. Dem Kardiologen und dem Gynäkologen werden dadurch sehr wichtige Instrumente in die Hand gegeben.

Entsprechend den physikalischen Gegebenheiten nimmt die Eindringtiefe mit zunehmender Frequenz ab. Dieser grund- sätzliche Widerspruch haftet der Untersuchung von lebender Materie grundsätzlich an. Der Widerspruch kann verringert werden, wenn die Beschallungsenergie erhöht wird, was jedoch in lebender Materie nur begrenzt möglich ist. Durch die erfinderische Lösung ist die Möglichkeit gegeben, eine sehr hohe Auflösung bei gleichzeitig großer Eindringtiefe zu erzielen. Die Ultraschalldiagnostik kann dadurch mit sehr niedrigen Energien und damit mit der geringstmöglichen Belastung des Patienten vorgenommen werden. Bei den herkömmlichen Verfahren beträgt die maximale Auflösung 1,5 mm bei einer Eindringtiefe von etwa 20 cm. Bei dem erfinderischen Verfahren beträgt z.B. bei einer Eindringtiefe von 30 cm die Auflösung konstant 0,1 mm. Die Auflösung kann bis auf 0,05 mm erhöht werden.

Es wird ein beliebig moduliertes Ultraschallsignal (z.B. auch eine wachsende oder fallende Frequenzfolge - in Anlehnung an die bei Fledermäusen und Delphinen verwendete Methode der Echoortung) ausgesendet. Mit einem einzigen solchen Signal kann die Information für das gesamte Bildvolumen erhalten werden, wobei der Zeitaufwand hierfür je nach Tiefe der

Struktur im Medium im Mikrosekundenbereich liegen kann. Die Echosignale werden "parallel" und dadurch sehr viel zeiteffizienter als bei den herkömmlichen Verfahren erfaßt. Ein weiterer entscheidender Vorteil besteht darin, dass die Darstellung der erfaßten Strukturen wesentlich weniger Rauschanteile enthält. Die Anzeige wird dadurch bedeutend deutlicher, d.h. die Erfahrungen eines Arztes sind nicht mehr ausschlaggebend für die Beurteilung eines Sonogramms. Da in erster Linie eine Signalverarbeitung und keine Bildverarbeitung - wie bei den herkömmlichen Verfahren - stattfindet, bleibt der gesamte Informationsinhalt erhalten. Eine Verfälschung der Darstellung ist damit ausgeschlossen.

Ein weiterer Vorteil insbesondere für die Untersuchung von lebendem Gewebe ist die Möglichkeit der Verwendung sehr geringer Energien, mit denen der Körper beschallt werden muß. Damit ist der entscheidende Nachteil aller bisheriger Verfahren beseitigt, die eine Verbesserung der Auflösung nur durch die Erhöhung der Energie erreichen.

Die Erfindung soll anhand einiger Darstellungen näher erläutert werden. In den einzelnen Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszahlen gleiche oder ähnliche Teile.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung für die 3D-Echtzeitsonographie entsprechend der vorliegenden Erfindung mit analogen Sendesignalen und entsprechender analogen Verarbeitung der Echosignale;

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung für die 3D-Echtzeitsonographie entsprechend der vorliegenden Erfindung mit digitaler Verarbeitung der Echosignale; Fig. 3A und 3B zeigen ein spezielles als „Chirp" bezeichnetes Sendesignal und das ein entsprechendes Echosignal;

Fig. 4 zeigt ein Echosignal des „Chirp" gemäß Fig. 3, der von 3 Punkten reflektiert wurde;

Fig. 5 zeigt das Ergebnis der Korrelation des „Chirp" gemäß Fig. 3 mit dem Echosignalgemäß Fig. 4; Fig. 6 zeigt ein Echosignal mit einem SNR von 0 dB; Fig. 7 zeigt das Ergebnis der Korrelation des Echosignals entsprechend Fig. 6 mit dem Sendesignal gemäß Fig. 3; und Fig. 8 veranschaulicht die Methode der Triangulation mit drei Empfängern zur Bestimmung der Raumkoordinaten eines Reflexionspunktes .

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung für die 3D-Echtzeitsonographie entsprechend der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes dargestellt, bei der ein analoges Sendesignal erzeugt wird und die Echosignale demzufolge analog verarbeitet werden. Der Generator 1 erzeugt einen Träger, der in einem Modulator 2 mit einer beliebigen Funktion moduliert wird. Dieses Sendesignal wird in diesem Ausführungsbeispiel von einem Sender 3 in ein beliebiges Medium oder einen Körper ausgesendet. Die aus den im Medium liegenden Strukturen reflektierten Echoimpulse werden in diesem Ausführungsbeispiel von den drei Empfängern 4 empfangen. Zur Bestimmung von Reflexionen muß deshalb zunächst jedes Echosignal im Korrelator 5 mit dem Sendesignal korreliert werden. Jeder Reflexionspunkt im Medium wird dabei von den einzelnen Empfängern 4 zu einem anderen Zeitpunkt „gesehen". Dazu ist der Modulator 2 mit dem Korrelator 5 jedes einzelnen Empfängers 4 verbunden. Gleiche Merkmale in dem Sendesignal und dem jeweiligen Echosignal bedeuten eine Reflexion. Die Erkennung dieser Merkmale kann also z.B. dadurch erfolgen, dass das Sendesignal auf den Echosignalen verschoben wird, bis eine Übereinstimmung vorhanden ist, die ein Hinweis für eine Reflexion darstellt. Das Ergebnis dieser Korrelation zeigt einen Satz von Reflexionen, die jeweils den Gesamtweg des Sendesignals von dem Sender 3 bis zum Reflexionspunkt und zurück bis zum jeweiligen Empfänger 4 darstellen. D.h. der Sender 3 und der jeweilige Empfänger 4 liegen in den beiden Brennpunkten eines Ellipsoiden. Die Raumkoordinaten dieser Reflexionspunkte werden in der nachfolgenden Berechnungs- einheit 6 durch ein einfaches Triangulationsverfahren bestimmt. Ausgangspunkt ist, dass die Punkte gleicher Entfernung vom Sender 3 zum Reflexionspunkt und zum Empfänger 4 auf einem Ellipsoiden liegen. Der Schnittpunkt der drei Ellipsoiden gibt die Raumkoordinaten an, bei denen die tatsächliche Reflexion erfolgte. Fig. 8 verdeutlicht diesen Sachverhalt. Die Raumkoordinaten werden dann mit der entsprechenden Intensität auf einem Anzeigegerät 7 angezeigt.

In Fig. 2 ist das Blockschaltbild einer Vorrichtung für die 3D-Echtzeitsonographie entsprechend der Erfindung dargestellt, jedoch erfolgt hier eine digitale Verarbeitung der Informationen. Der Generator 1 erzeugt einen Träger, der in einem Modulator 2 mit einer beliebigen Funktion moduliert wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Sendesignal ebenfalls von einem Sender 3 in ein beliebiges Medium ausgesendet. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Modulator 2 und jedem Korrelator 5 und jedem Empfänger 4 und den dazugehörigen Korrelatoren 5 ein A/D- Wandler 8 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist außerdem zwischen dem A/D-Wandler 8 für das modulierte Signal und dem Generator 1 ein Speicher 9 angeordnet, der das ausgesendete Sendesignal für eine spätere Wiederholung speichert. Dazu ist der Speicher 9 mit dem Generator 1 gekoppelt.

In Fig. 3 ist ein Sendesignal mit einer ansteigenden Frequenz dargestellt. Es handelt sich um einen Chirp mit einer Frequenz von f_mιn bis f_max> Die Wellenlänge dieses Signals nimmt von links nach rechts in der Zeichnung ab. Der gesamte Informationsgehalt des interessierenden Bereiches wird gleichzeitig nur mit einem Sendesignal erfaßt und in einem schnellen Rechner parallel verarbeitet. Von jedem Empfänger 4 werden die Echosignale des in Fig. 3 beschriebenen Sendesignals empfangen. In Fig. 4 ist ein solches von einem der Empfänger 4 erfaßte Echosignal, das an drei Punkten reflektiert wurde, dargestellt. In dieser Darstellung ist das Echosignal von keinen Rauschanteilen überlagert. Nur der erste Reflexionspunkt ist in dieser Darstellung zu erkennen. Weitere Reflexionspunkte sind aufgrund der Überlagerungen der Echos in diesem Diagramm nicht mehr erkennbar. Erst nach der Korrelation des Echosignals mit dem Sendesignal werden weitere Reflexionspunkte sichtbar.

Fig. 5 zeigt das Ergebnis der Korrelation des „Chirp" gemäß Fig. 3 mit dem Echosignal gemäß Fig. 4. Es entsteht genau an den Reflexionspunkten ein Mustermerkmal, dessen Amplitude proportional zur Reflexions- bzw. Absorptionsgüte ist.

Fig. 6 zeigt den Verlauf eines stark verrauschten Echosignals, bei dem das SNR 0 dB beträgt. In diesem Echosignal sind keine Reflexionen mehr erkennbar. Nach der Korrelation mit dem Sendesignal ergibt sich der Signalverlauf gemäß Fig. 7. Dieses Signal ist dem Signal gemäß Fig. 5 vergleichbar, es sind also die Reflexionspunkte deutlich erkennbar. Damit wird ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens deutlich gemacht. Selbst bei einem SNR von -20 dB waren die Reflexionspunkte noch eindeutig detektierbar, allerdings blieb ein gewisser Rauschpegel in den Echosignalen erhalten. Erst bei einem sehr schlechten SNR war keine Auswertung mehr möglich.

Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens in der medizinischen Diagnostik sind die Eigenschaften des Mediums von eminenter Bedeutung. Wegen seiner komplizierten Zusammensetzung ist es sehr schwierig, ein einfaches Modell abzuleiten, das die Frequenzabhängigkeit der Abschwächung des Ultraschalls beschreibt. So wird im allgemeinen ein linearer Zusammenhang zwischen der Abschwächung, dem zurückgelegten Weg des Signals und der Frequenz angenommen. Wenn G die Abschwächung (in dB) darstellt, f die Frequenz (in MHz) , z die Tiefe (in cm) im Medium und ß die Abschwächungskonstante (in dB/ [MHz cm]) des Mediums darstellt, dann erhält man:

G = 2 ß f z. Höhere Frequenzen werden also stärker abgeschwächt, als niedrige Frequenzen. In Tabelle 1 sind die Abschwächungs- konstanten für verschiedene Gewebearten dargestellt:

Tabelle 1

Gewebe Abschwächungskonstante (dB/ [MHz cm] )

Leber 0,6 - 0,9

Niere 0,8 - 1,0

Gallenblase 0,5 - 1,0 Fett 1,0 - 2,0

Blut 0,17 - 0,24

Plasma 0,01

Knochen 16,0 - 23,0

In Tabelle 2 ist die Abschwächung (in dB) in Abhängigkeit von der Tiefe im Gewebe und von der Frequenz für Gewebe mit der Abschwächungskonstante von 0.7 dB/ [MHz cm]) angegeben.

Tabelle 2 z (cm) 30 25 20 15 10 5 f (MHz) (dB)

1 42 35 28 21 14 7

2 84 70 56 42 28 14

3 126 105 84 63 42 21

3,5 147 122, 5 98 73,5 49 24,5

5 210 1 75 140 105 70 35

7,5 315 262, 5 210 157, 5 105 52,5

10 420 350 280 210 140 70

Da es, wie in den Fign. 4 bis 7 gezeigt wurde, möglich ist, selbst bei einem sehr schlechten SNR noch die Positionen von Reflexionspunkten zu bestimmen, kann man also auch bei relativ niedrigen Frequenzen und niedrigen Beschallungsenergien trotz der Abschwächung im Gewebe entsprechend den Tabellen 1 und 2 sehr gute Ergebnisse erzielen.

Fig. 8 veranschaulicht die Methode der Triangulation mit drei Empfängern zur Bestimmung der Raumkoordinaten eines

Reflexionspunktes. Es wird veranschaulicht, wie es durch das Aussenden eines beliebig modulierten Signals möglich ist, die Raumkoordinaten von Reflexionspunkten zu bestimmen. Nachdem im Korrelator die Abstände der Reflexionspunkte vom jeweiligen Sender 3 zu den Reflexionspunkten bis zum jeweiligen Empfängern 4 bestimmt worden sind, kann man Ellipsoide definieren, in deren Brennpunkten der Sender 3 bzw. der Empfänger 4 angeordnet sind. Jeder Schnittpunkt aller drei Ellipsoiden kennzeichnet die Raumkoordinaten eines Reflexionspunktes. Sind zu einem Sender und mehr als drei Empfänger vorhanden, sind auch mehr als drei Ellipsoide zu jedem Reflexionspunkt vorhanden, die sich alle in einem Punkt schneiden, der die Raumkoordinaten des jeweiligen Reflexionspunktes bestimmt. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Signalgenerator

2 Modulator

3 Sender

4 Empfänger 5 Korrelator

6 Berechnungseinheit zur Bestimmung der Raumkoordinaten der reflektierenden Struktur

7 Anzeigegerät 8 A/D-Wandler

9 Speicher

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung für die 3D-Echtzeitsonographie mit einem Ultraschallkopf, einer Signalverarbeitung und einer Anzeigeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallkopf aus mindestens einem Sender (3) und separat dazu mindestens drei Empfängern (4) besteht, deren Positionen zu den Sendern (3) bekannt sind, dass die Signalverarbeitung aus einem Signalgenerator (1) zur Erzeugung eines Sendesignals mit einer beliebigen Modulationsfunktion, einem Korrelator (5) an jedem Empfänger (4), der jeweils mit dem Signalgenerator (1) verbunden ist, einer Berechnungseinheit für die Bestimmung der Wege des Sendesignals über die reflektierende Struktur zu den Empfängern (4) an jedem Korrelator (5), und einer Berechnungseinheit für die Bestimmung der Raumkoordinaten der reflektierenden Struktur (6, an die jede Berechnungseinheit für die Bestimmung der Wege des Sendesignals über die reflektierende Struktur zu den Empfängern angeschlossen ist, besteht.

2. Vorrichtung für die 3D-Echtzeitsonographie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (4) in einer Ebene angeordnet sind.

3. Vorrichtung für die 3D-Echtzeitsonographie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Sendern (3) und jedem Korrelator (5) und jedem Empfänger (4) und den entsprechenden Korrelatoren (5) ein A/D-Wandler (8) angeordnet ist.

4. Vorrichtung für die 3D-Echtzeitsonographie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem A/D-Wandler (8) für das Sendesignal ein Speicher (9) nachgeordnet ist, der mit dem Signalgenerator (1) gekoppelt ist.

5. Vorrichtung für die 3D-Echtzeitsonographie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (9) über eine Ansteuereinheit mit dem Signalgenerator (1) verbunden ist, und die Ansteuereinheit manuell oder automatisch auslösbar ist.

6. Verfahren für die 3D-Echtzeitsonographie, bei dem Ultraschallsignale in ein Medium ausgesendet werden und die Echoimpulse nach einer Auswertung angezeigt werden, mit folgenden Schritten: a) Aussenden eines Sendesignals mit einer beliebigen Modulationsfunktion von mindestens einem Sender in ein Medium; b) Empfangen der Echosignale von mindestens drei Empfängern, die separat zu den Sendern angeordnet sind und deren Positionen zu den Sendern bekannt sind; c) Korrelation der Echosignale mit dem Sendesignal zur Bestimmung der Wege des Sendesignals vom Sender über eine reflektierende Struktur im Medium bis zu den jeweiligen Empfängern, indem die Mustermerkmale des Sendesignals in den Echosignalen ermittelt werden; ' d) Bestimmen der Raumkoordinaten und der Reflektions- und/oder Absorptionsgüte der reflektierenden Struktur aus den

Ergebnissen des Schrittes c) mit Hilfe einer Triangulation; und e) Anzeigen der Raumkoordinaten und der Reflektions- und/oder

Absorptionsgüte der reflektierenden Struktur auf einem

Anzeigegerät .

7. Verfahren für die 3D-Echtzeitsonographie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anordnung mit mehr als einem Sender die einzelnen Sender dieselben Sendesignale nacheinander aussenden.

8. Verfahren für die 3D-Echtzeitsonographie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Anordnung mit mehr als einem Sender die einzelnen Sender gleichzeitig jeweils Sendesignale mit unterschiedlichen Modulationsfunktionen senden.