FI80204B - Maetfoerfarande och -anordning baserade pao ultraljud foer undersoekning av haordvaevnader. - Google Patents

Description

80204

Ultraääneen perustuva mittausmenetelmä ja -laitteisto erityisesti kovakudosten tutkimista varten Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen ultraääneen perustuva mittausmenetelmä erityisesti kovakudosten tutkimista varten.

Keksinnön kohteena on myös mittauslaitteisto menetelmän toteuttamiseksi .

Kovakudosta tutkitaan perinteisesti röntgenlaitteiden avulla. Tunnetaan myös ultraäänilaitteita, jotka on tarkoitettu kovakudoksen mittaamiseen. Julkaisussa JOURNAL OF CLINICAL ULTRASOUND, no. 13 lokakuu 1985, sivut 597-600, artikkelissa "Development and Application of an Ultrasonic Imaging System for Dental Diagnosis" on kuvattu uitraäänmittausmenetelmää hampaiden tutkimista varten.

Röntgensäteilyn terveyshaittojen vuoksi ei reaaliaaikaista informaatiota hoitotoimenpiteestä voida saada, vaan on tyydyttävä yksittäisiin kuviin. Nykyisellään myös yhden kuvauksen valmistelu ja kehitys vievät suhteellisen pitkän ajan, n. 7-10 minuuttia. Nykyiset lääketieteellisissä sovellutuksissa käytettävät ultraäänilaitteet puolestaan vaativat tietokoneen, jolla on runsaasti laskentatehoa, eikä tehokkaan tietokoneenkaan avulla pystytä luotettavasti määrittelemään esimerkiksi hampaan juurikanavan muotoa tai juurikanavassa olevan puhdistusneulan sijaintia.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatussa tekniikassa esiintyvät haitat ja saada aikaan aivan uudentyyppinen ultraääneen perustuva mittausmenetelmä ja laite kovakudosten tutkimista varten.

Keksintö perustuu siihen, että tutkittavaa kovakudosta vä-ristetään pientaajuudella. Kudokseen lähetetään suurtaajuisia ultraäänipulsseja, jotka moduloituvat pientaajuuden mukaisesti. Palaava ultraäänisignaali ikkunoidaan ajallisesti ja värinätaajuus kaistanpäästösuodatetaan jatkokäsittelyä varten. Kovakudoksen rajapinnat näkyvät käsitellyn signaalin maksimiamplitudeina.

2 80204 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle laitteistolle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 6 tunnusmerkkiosassa .

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Niinpä keksinnön mukaisella menetelmällä kudosten rajapinnat sekä hoitovälineiden sijainti kudoksiin nähden voidaan reaaliaikaisesti paikallistaa hoidon aikana. Laitteisto on helppokäyttöinen ja vaaraton potilaalle. Laitteisto on myös edullinen saavutettuun erottelutarkkuuteen ja helppokäyttöisyyteen nähden.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten piirustusten mukaisten sovellutusesimerkkien avulla .

Kuvio 1 esittää yhtä keksinnön mukaista mittauslaitteistoa.

Kuvio 2 esittää yhtä keksinnän mukaisella laitteistolla aikaansaatua tietokonekuvaa.

Kuvio 3 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaisen mittauslaitteiston rakennetta.

Kuvio 4 esittää lohkokaaviona kuvion 3 mukaisen laitteiston yhden kanavan rakennetta.

Kuvio 5 esittää kuvion 4 mukaisen mittauslaitteiston signaaleja yhden värinäjakson aikana.

Kuvio 6 esittää perspektiivikuvantona toista keksinnön mukaista mittauslaitetta.

Kuvio 7 esittää osittain kaaviollisesti yläkuvantona kuvion 6 mukaisen laitteen toimintaa.

3 80204

Kuvion 1 mukaisella laboratoriolaitteistolla tutkittavaa hammasta siirreltiin X-Y-pöydällä 1 poratelineeseen 2 kiinnitetyn anturin 3 alapuolella. X-Y-pöytää ohjasi tietokone 4 mikrometriruuveihin kytkettyjen askelmoottorien 5 avulla. Askelmoottorien 5 ja tietokoneen 4 väliin kytkettiin lisäksi erillinen ohjain 6, joka toimi puskurivahvistimena askel-moottoreille 5. Anturi 3 oli 5 MHz:n fokusoitu ultraäänianturi. Normaalisti ultraäänianturi 3 käsittää sekä lähetin-että vastaanotinosan. Nykyisin useimmat ultraäänianturit ovat rakenteeltaan pietsokeraamisia. Tutkimus neula 7 oli kiinnitetty pienoissummerin 8 metallikalvoon kontaktillimalla . Pienoissummeria 8 ohjattiin oskillaattorilla 9, jonka värinätaajuus oli säädettävissä välillä 200 - 600 Hz. Oskil-lattorin 9 ottama teho oli n. 4 W, mutta saavutettu väri-näintensiteetti jäi huomattavasti alhaisemmaksi kuin kaupallisissa väristimissä. Virtalähteenä 10 käytettiin normaalia laboratoriovirtalähdettä. Tarvittavat energiapulssit annettiin anturille pulserilla 11, jolla myös tulevat kaiut otettiin vastaan ja vahvistettiin. Ikkunoijalla 12 tuleva ultraääni kaikupulssi ikkunoitiin ajallisesti sellaiseksi, että vain tutkittavan kohteen kaikupulssi pääsi eteenpäin. Suodattimena 13 kaistanpäästösuodatettiin neulan 7 värinätaa-juus kaikupulssista ja tasasuuntaajalla 14 värinän taso ta-sasuunnattiin. Ilmaistu jännitetaso mitattiin systeemivolttimittarilla 15, joka toimi tietokoneen 4 ohjaamana. Aaltomuotoja tarkkailtiin oskilloskoopilla 16. Lisäksi tietokone 4 hoiti koko mittauksen valvonnan ja keräsi tulokset levykkeelle. Tutkittavan hampaan yli pyyhkäistiin 25*40 matriisi, jossa rasterin koko oli 0,5*0,5 mm^. Saadut jännitearvot tallennettiin levykkeille. Yhden alueen mittaaminen kesti n. 45 minuuttia. Tutkimuskohteena käytettiin sian leukaluuta.

Mittauksessa käytettiin seuraavia perusasetuksia: anturin 3 etäisyys neulasta 7 oli n. 20 mm, anturin taajuus oli 5 MHz, neulan kaiku vedessä n. 25 jis ja neulan värinä taa juus n. 500 Hz.

4 80204

Tutkittava hammas oli upotettu veteen, ja hampaina käytettiin takahampaita. Lämpötila oli n. 20°C. Levykkeellä olevat tiedot analysoitiin BASIC-kielisellä ohjelmalla. Ohjelma käytti hyväkseen neulan värinän aiheuttamia suuria jännite-arvoja sekä hampaan värinän aiheuttamia pöhjakohinasta erottuvia jännitearvoja. Kuvan muodostus kuvaruutuun kesti noin minuutin. Ohjelman hitauden pääasiallisena syynä oli käytetty ohjelmointikieli. Tutkimus tuntui onnistuvan myös siten, että mitattava hammas kasteltiin ja hampaan ja anturin välin asetettiin kumipussi.

Kuviossa 2 on esitetty mitattu matriisi n. 12-kertaisena suurennoksena. Niinpä kuviossa yksi matriisialkio on suuruudeltaan n. 6*6 mm2. Matriisi esittää hampaan yhtä halkileik-kausviipaletta. Kukin matriisialkio vastaa yhtä mittaustulosta, käytännössä mitattua tasajännitearvoa. Tutkimus neula 7 näkyy vaakasuorana, harmausasteeltaan tummimpana palkki-maisena alueena kuvion keskiosassa. Leukaluu on kuvion oikeassa laidassa. Tutkimusneulan sijainti voidaan siis selvittää keksinnön mukaisella ratkaisulla helposti. Myös hampaan hahmon tunnistaminen ympäristöstä onnistuu keskiarvoistamal-la peräkkäisiä kuvia. Kuvioon on lisätty rajaviivat, jotka määrittelevät juurionkalon 30 ja hampaan 17 ulkopinnan.

Moduloivan neulan taajuus ei vaikuttanut oleellisesti mittaustulosten laatuun. Sen sijaan mittauksen nopeuteen neulan taajudella on suuri merkitys. Mitä suurempi taajuus, sitä nopeampi mittaus. Myös häiriökysymyksillä on merkitystä neulan taajuuteen. Ongelmaksi nimittäin muodostui löytää sellainen värinätaajuus, jolla pulserin pulssitaajuuden (n. 5,5 kHz) ja verkkohäiriöiden (50 Hz) vaikutus olisi mahdollisimman pieni. Sopivaksi taajuusalueeksi löydettiin alue 200 -800 Hz. Kaupallisessa sovelluksessa pulserin taajuus tulee nostaa n. 20 kHz:iin, jolloin neulan taajuus voisi olla n. 1 kHz. Tällöin mittaus olisi riittävän nopea ja myös hyöty-signaalin suodatus olisi tällöin helppo toteuttaa.

Kuvion 3 mukaisesti teollisesti valmistettava mittauslaite 5 80204 käsittää anturiosan 18 sekä tutkimuslaitteen 19, joka puolestaan käsittää analogiaosan 20, tiedonkeruuosan 21, tieto-jenkäsittelyosan 22 sekä kuvankäsittelyosan 23. Lisäksi laitteistoon kuuluu (ei esitetty) väristin, joka on hammaslääkärien yleisesti käyttämä paineilmalla toimiva juurikanavan hoitoväline. Anturiosa 18 sisältää rivianturityyppisen ultraäänianturin sekä anturia liikuttelevan mekanismin. Tällä ratkaisulla korvataan laboratoriolaitteiston X-Y-pöytä. Anturiosassa 18 on myös anturisignaalien vahvistamiseen sekä mekanismin ohjaamiseen tarvittava elektroniikka. Muotoilultaan anturiosa 18 muistuttaa sähköhammasharjaa, joka asetetaan hammasta vasten tutkimuksen ajaksi. Anturiosa 18 on kaapeloitu tutkimuslaitteeseen 19. Tiedonkeruuyksikön 21 tarkoituksena on ohjata mittausta ja kerätä analogiaosasta 20 saatavat mittaustulokset RAM-muistiin. Tietojenkäsittely-osa 22 kerää mittaustulokset tiedonkeruuosan 21 muistista ja suorittaa tarvittavat operaatiot hahmontunnistusta varten. Kuvankäsittelyosa 23 muodostaa kuvatiedostot ja ohjaa kuvaputkea tai jotain muuta tulostuslaitetta. Kuvanmuodostus- ja päivitysnopeudeksi saadaan ainakin 1 kuva/ 10 s.

Kuviossa 4 on esitetty tutkimuslaitteen 19 yhtä anturia vastaava mittauskanava. Kaikkiaan kanavia on yhtä monta kuin rivianturissa on yksittäisiä antureita. Tiedonkeruuyksikkö 21 ohjaa varsinaisen anturiosan 18 ja analogiaosan 20 toimintaa. Tiedonkeruuyksikkö 21 antaa tarvittavat ohjaustiedot ajastimelle 22 sekä säätää etuasteen A2 vahvistusta samoin kuin ikkunointiviiveiden pituutta. Ajastin 22 antaa pulse-rille 24 ohjauspulssit Ug sekä antaa ikkunointiviiveen alku-hetken viivelohkolle 25. Ohjelmoitava viivelohko 25 muodostaa tarvittavan aikaikkunan ohjaussignaalin Ug analogiakyt-kimelle 26. Pulseri 24 antaa ultraäänianturille sovitetut ohjauspulssit Οχ anturille 27. ultraäänianturi 27 on pulse-echo-tyyppiä. Vahvistin Αχ vahvistaa kaikusignaalia ϋχ n. 20 dB, jotta saataisiin tarvittavan hyvä signaali U2 siirrettäväksi kaapelia myöten tutkimuslaitteeseen 19. Säädettävällä vahvistimella A2 vahvistetun kaikusignaalin 6 80204 Ö2 jännitetaso säädetään AM-ilmaisuun sopivaksi. AM-ilmaisimella 28 muodostetaan vahvistetun kaikusignaalin U3 verhokäyrän mukainen signaali 04. Analogiakytkin 26 päästää eteenpäin tutkittavalta syvyydeltä tulevan kaiun 05. Kaistanpäästösuodattimellä 29 erotetaan moduloiva väristys-taajuus Ug kaikusignaalista U5. Väristystaajuuden amplitudi U7 ilmaistaan tasasuuntaamalla suodatettu väristystaajuus U5 tasasuuntaajalla 31. Tasasuunnattu signaali U7 muutetaan A/D-muuntimellä 32 digitaalisesti käsiteltävään muotoon.

Kuviossa 5 on esitetty yhden väristysjakson aaltomuotoja kuvion 4 mukaisen esimerkkilohkokaavion eri kohdissa. Ennen kuvattua jaksoa on mitattu niin monta väristysjaksoa, että U7 on jo asettunut lopulliseen arvoonsa. Yksi ruutu vastaa n. 10 ps:a, joten moduloiva taajuus on n. 2 kHz.

Kuvion 6 mukaisesti juurikanavan avaus työkalun 33 neula 7 on asetettu hampaan 17 juurikanavaan. Avaus työkalu 33 toimii paineilmalla, joka tuodaan työkaluun 33 letkujen 34 kautta. Itse ultraäänilaite 35 koostuu rivianturista 36, joka käsittää esimerkiksi 8 erillistä anturia. Rivianturi 36 on antu-rirungon 37 sisällä, jonka syvyys a on n. 16 mm, pituus b n. 20 mm ja korkeus c n. 20 mm. Rivianturi 36 on liikuteltavissa rungon 37 sisällä pituusakselinsa ympäri ultraäänilaitteen 35 varteen asennetun moottorin 39 ja anturirungon 37 yhteyteen asennetun liikuttelumekanismin 38 avulla. Anturi-rungon 37 ja hampaan 17 väliin on asetettu pussi 42, joka on täytetty esimerkiksi vedellä. Ultraäänilaitteen 35 varren kahvaosaan moottorin 39 läheisyyteen on sijoitettu elektroniikkaosa 40, joka huolehtii moottorin 39 ohjauksesta ja signaalien esikäsittelystä. Mittaustulokset johdetaan kaapelin 41 kautta jatkokäsittelyyn.

Kuvion 7 mukaisesti tutkittavan viipaleen paksuuden w määrää aikaikkunan suuruus. Mitä kapeampi ikkuna, sitä ohuempi viipale on tutkittavana ja näin myös syvyysterävyys kasvaa ikkunan pienentyessä. Tutkintasyvyys puolestaan määrätään ikkunan ajallisella sijainnilla. Siis mitä kauempana aikaikku- ^ 80204 na on ajallisesti pulssin lähetysajankohdasta, sitä kauempana (syvemmällä) olevaa kohdetta tutkitaan. Neulan 7 värinän aiheuttaman modulaation ansiosta rivianturista 36 tulevien signaalien, neulasta ja muista värisevistä kohteista tulevat kaikusignaalit ovat signaalitasoltaan aikaikkunan muita alueita selvästi korkeampia.

Keksinnön mukaisen laitteen toiminta-arvot voivat vaihdella seuraavasti: väristimen värinätaajuus n. 100 - 1000 Hz, sopiva ultraäänitaajuus n. 3-15 MHz ja kaikusignaalin vahvistus n. 20 - 60 dB.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan käyttää lääketieteellisten sovellusten lisäksi myös sellaisten mekaanisten liittorakenteiden tutkimiseen, joissa kovaa materiaalia on yhdistetty joustavaan materiaaliin.

Mitattavan kohteen väristyksen sijasta myös itse anturia voidaan väristää pientaajuudella. Oleellista keksinnön mukaiselle ratkaisulle on siis mittauskohteen ja anturin välinen suhteellinen pientaajuinen liike.

Claims (9)

1. Ultraääneen perustuva mittausmenetelmä erityisesti kova-kudosten tutkimista varten, jossa menetelmässä toistuvan jaksollisesti - muodostetaan suurtaajuinen ultraäänipulssi ult-raäänilähteen (36) avulla, - ultraäänipulssi kohdistetaan mitattavaan kohteeseen (17) , - kohteesta (17) palaavat kaiut muutetaan sähköisiksi signaaleiksi, - määritetään palaavien kaikusignaalien intensiteetti ja viive lähetettyyn pulssiin nähden, ja - muodostetaan viive- ja intensiteettitiedoista mittauskohteen (17) malli, tunnettu siitä, että - mittauskohdetta (17) tai ultraäänilähdettä (36) väristetään pientaajuudella ja - kaikusignaalista ilmaistaan pientaajuisen väri-näsignaalin taso AM-ilmaisulla, jolloin ilmaistun pientaajuisen signaalin maksimiarvoja vastaavat viiveet lähetettyyn suurtaajuuspulssiin nähden määrittelevät värisevän kohteen (17) rajapintojen sijainnin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittauskohdetta (17) väristetään taajuudella, joka on 1/7*104 - 1/3*103, sopivimmin n. 8/105, suurtaajuisesta ultraäänigignaalista. 9 80204

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittauskohdetta (17) väristetään taajuudella 200 - 1000 Hz, sopivimmin taajuudella 800 Hz.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tutkittavaa hammasta (17) väristetään juurikanavaan (30) työnnetyllä paineilmakäyttöi-sellä neulalla (7).

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaikusignaalista ilmaistaan pientaajuisen värinäsignaalin taso AM-ilmaisemalla suurtaajuinen kaikusignaali, ikkunoimalla AM-ilmaistu kaikusignaali ajallisesti, suodattamalla ikkunoitu signaali ja tasasuun-taamalla suodatettu signaali, jolloin tasasuunnatun signaalin maksimiarvon ajallisesta suhteesta lähetettyyn ultraää-nipulssiin voidaan värisevän kohteen (17) rajapintojen sijainnit määritellä.

6. Ultraääneen perustuva mittauslaite erityisesti kovakudos-ten tutkimista varten, joka laite käsittää - pulssigeneraattorin (24), jolla suurtaajuinen signaali on muodostettavissa, - pulssigeneraattoriin (24) kytketyn ultraäänilä-hettimen (36), jolla suurtaajuinen signaali on muutettavissa ultraääneksi, joka on kohdistettavissa mitattavaan kohteeseen (17), - ultraäänivastaanottimen (36), jolla akustinen signaali on muutettavissa sähkösignaaliksi, ja - ultraäänivastaanottimeen (36) kytketyn mittaus-ja laskentalaitteiston (19), jolla ultraäänivastaanottimella (36) vastaanotetun signaalin intensiteetti ja viive lähetettyyn signaaliin nähden on määritettävissä ja näin malli mitattavaan kohteeseen muodostettavissa, 10 80204 tunnettu - väristimestä (33), jolla mittauskohde (17) tai ultraäänilähetin (36) on varistettavissa pientaa-juudella, - ultraäänivastaanottimen (36) yhteyteen sovitetusta ilmaisinlaitteistosta (20), jolla pientaa-juisen värinäsignaalin taso on ilmaistavissa kai-kusignaalista, jolloin ilmaistun pientaajuisen signaalin maksimiarvoja vastaavat viiveet lähetettyyn suurtaajuuspulssiin nähden määrittelevät värisevän kohteen (17) rajapintojen sijainnin.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että väristin (33) on tutkittavan hampaan (17) juuri-kanavaan (30) työnnety paineilmakäyttöinen neula (7).

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen laite, tunnet-t u siitä, se käsittää AM-ilmaisimen (28), jolla kaiku-signaalista on AM-ilmaistavissa pientaajuisen värinäsignaalin taso, ikkunoi jän (26, 25), jolla AM-ilmaistu kaiku-signaali on ajallisesti ikkunoitavissa, suodattimen (29), jolla ikkunoitu signaali on suodatettavissa ja tasasuuntaajan (31), jolla suodatettu signaali on tasasuunnattavissa, jolloin tasasuunnatun signaalin maksimiarvon ajallisesta suhteesta lähetettyyn ultraäänipulssiin voidaan värisevän kohteen (17) rajapintojen sijainnit määritellä.

8 80204

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen mukainen laite, tunnettu siitä, että suodatin (29) on kaistanpäästösuoda-tin, jonka keskitaajuus on värinätaajuus. 11 80204