NL8820789A - Werkwijze en inrichting voor het met ultrageluid onderzoeken van in het bijzonder ondoordringbare weefsels. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het met ultrageluid onderzoeken van in het bijzonder ondoordringbare weefsels.

De onderhavige uitvinding betreft een meetwerkwijze volgens de kop van conclusie 1 voor het onderzoeken van ondoordringbaar weefsel met behulp van ultrageluid.

De uitvinding betreft tevens een meetinrichting voor het toepassen van de werkwijze.

Bij conventionele werkwijzen vindt het onderzoek van ondoordringbaar weefsel plaats met behulp van röntgenapparatuur. Ook zijn inrichtingen voor het meten van dicht weefsel door middel van ultrageluid bekend. De publicatie JOURNAL OF CLINICAL ULTRASOUND (No. 13, oktober 1985, blz. 597-600, artikel "Development and Application of an Ultrasonic Imaging System for Dental Diagnosis") beschrijft een met ultrageluid werkende meetmethode voor het onderzoeken van tanden.

Vanwege de gezondheidsrisico's die gepaard gaan met röntgenstraling, is het onmogelijk om informatie in echte tijd omtrent de behandeling te verkrijgen; in plaats daarvan moet men zich tevreden stellen met enkele beelden. Gewoonlijk neemt het belichten en ontwikkelen van een röntgenfoto een relatief lange tijd in beslag van ongeveer 7-10 min. De ultrageluid-apparatuur, die momenteel op medisch gebied worden toegepast, vereisen voorts een computer, die relatief ingewikkelde berekeningen moet kunnen uitvoeren en zelfs met een krachtige computer is het bijvoorbeeld onmogelijk om betrouwbaar de vorm van het wortelkanaal van een tand of de positie van een brootsnaald in het kanaal te bepalen.

Het doel van de onderhavige uitvinding is het ondervangen van de nadelen van de bovengenoemde bekende technologie en een volledig nieuwe op ultrageluid gebaseerde meetwerkwijze en inrichting voor het onderzoeken van dicht weefsel te verschaffen.

De uitvinding berust op het blootstellen van het te onderzoeken weefsel aan laagfrequente trilling. Een hoogfrequent ultrageluid, dat naar het weefsel wordt gezonden, wordt door de laagfrequente trilling gemoduleerd.

Het gereflecteerde ultrageluidsignaal wordt verwerkt door in % de tijd bepaald poorten en de trillingssignaalcomponent wordt door een banddoorlaatfilter gevoerd voor verdere bewerking. Grensvlakken van het dichte weefsel worden onthuld door de amplitudemaxima van het bewerkte signaal.

De werkwijze volgens de uitvinding wordt in het bijzonder gekenmerkt door het kenmerk van conclusie 1.

Voorts wordt de inrichting volgens de uitvinding gekenmerkt door het kenmerkende deel van conclusie 6.

De uitvinding verschaft aanmerkelijke voordelen.

De werkwijze volgens de uitvinding verschaft bijgevolg een plaatsbepaling van het profiel van weefselgrens-vlakken in echte tijd alsmede van behandelingsinstrumenten gedurende de behandeling. De inrichting is gemakkelijk in gebruik en is onschadelijk voor de patiënt. Voorts is de inrichting uit kostenoogpunt doelmatig in termen van verkregen resolutie en gebruiksgemak.

Hierna zal de uitvinding meer in detail worden onderzocht aan de hand van de als toelichting dienende uitvoeringen volgens de bijgaande tekening.

Fig. 1 toont een meetsysteem volgens de uitvinding.

Fig. 2 toont een door een computer bewerkt beeld, dat is verkregen door middel van het systeem volgens de uitvinding.

Fig. 3 toont een blokschema van het meetsysteem volgens de uitvinding.

Fig. 4 toont een blokschema van een meetkanaal in het systeem volgens fig. 3.

Fig. 5 toont een tijddiagram van de signalen over één trillingscyclus in het meetsysteem volgens fig. 4.

Fig. 6 toont in perspectief een ander meetsysteem volgens de uitvinding.

Fig. 7 toont in een deels schematisch bovenaanzicht de werking van het systeem volgens fig. 6.

Het behulp van een laboratoriumopstelling volgens fig. 1 werd de te onderzoeken tand afgetast door middel van een X-Y-tafel 1 onder een omzetter 3, die is gemonteerd aan een boorarm 2. De X-Y-tafel werd bestuurd door een computer 4 via stappenmotoren 5, die zijn gekoppeld met micrometer- schroefspillen van de tafel. Tussen de stappenmotoren 5 en de computer 4 bevond zich een afzonderlijke besturingseenheid 6, welke als bufferversterker voor de stappenmotoren 5 diende. De omzetter 3 was uitgevoerd als een gefocusseerde ultrageluid-omzetter op 5 MHz. Gewoonlijk omvat de ultrageluidomzetter 3 zowel een zender- als een ontvangersectie. Momenteel zijn de meeste omzetters vervaardigd uit een keramisch piëzo-elektrisch materiaal. Een naaldsonde 7 was bevestigd aan de metalen folie van een miniatuurzoemer 8 met behulp van contactlijm. De miniatuurzoemer 8 werd aangedreven door een oscillator 9, waarvan de oscillatiefrequentie instelbaar is in het gebied van 200-600 Hz. Het ingangsvermogen van de oscillator 9 was ongeveer 4 Wf doch het geproduceerde uitgangs-vermogensniveau bleef aanmerkelijk lager dan bij commercieel verkrijgbare vibrators. Een conventionele laboratoriumvoeding werd gebruikt als voeding 10. De vereiste energiepulsen voor de omzetter werden opgewekt door een pulseenheid 11, welke ook diende als ontvanger en versterker voor de ontvangen echo-signalen. De ontvangen echopuls werd gepoort door een poort-eenheid 12 met een zodanige tijdbepaling, dat alleen de echo van het onderzochte gebied de poort kon passeren. Een filter 13 werd benut voor het selecteren van de trillingsfrequentie van de naald 7 door de echopuls aan een banddoorlaatfilter-bewerking te onderwerpen, waarbij een gelijkrichter 14 door gelijkrichten het vibratieniveausignaal leverde. Het gedetecteerde signaalniveau werd gemeten door een spanningsmeter 15, geïntegreerd naar het systeem en geregeld door de computer 4. De golfvormen werden bewaakt door een oscilloscoop 16. Voorts hield de computer 4 toezicht op de gehele meethandeling en verzamelde meetgegevens op een diskette. Het aftestpatroon van de onderzochte tand was verdeeld in een matrix van 25 bij 40 cellen, waarbij de celafmeting 0,5x0,5 mm2 bedroeg. De geregistreerde spanningsniveaus werden vastgelegd op diskettes. Elke meting van een onderzoekgebied nam ongeveer 45 min. in beslag. Het onderzochte voorwerp was een kaak van een zwijn.

De metingen werden verricht met de volgende basisinstellingen: de afstand van de omzetter 3 tot de naaldsonde 7 bedroeg ongeveer 20 mm, de frequentie van het omzetterstuur-signaal was 5 MHz, de vertraging van de naaldecho in water bedroeg ongeveer 25 ms en de naaldtrillingsfrequentie was * ongeveer 500 Hz.

De onderzochte tand was ondergedompeld in water en de achterste tanden (molaren) werden voor onderzoek gekozen. De badtemperatuur was ongeveer 20° C. De op een diskette vastgelegde gegevens werden geanaliseerd met behulp van een programma in Basic. Invoergegevens voor het programma werden genomen uit de hoge niveaus van signaalspanningswaarden, die werden veroorzaakt door de naaldvibratie alsmede de spanningsniveaus, die werden veroorzaakt door de tandvibratie waar detecteerbaar uit de ruis. Het opwekken van een beeld op het scherm duurde ongeveer 1 min. De traagheid van de programma-uitvoering hing in hoofdzaak samen met de gebruikte programmeertaal. Succesvolle resultaten bij het onderzoek werden ook verkregen door de onderzochte tand nat te maken en een rubber blaas tussen de tand en de omzetter te plaatsen.

Fig. 2 toont de gemeten matrix in een ongeveer twaalfvoudige vergroting. De matrix-cel in de figuur heeft derhalve afmetingen van ongeveer 6x6 mm2. De matrix geeft één in langsrichting doorgesneden plak van de tand weer. Elke matrix-cel komt overeen met één meetresultaat, dat in de praktijk samenhangt met één gemeten gelijkspanningswaarde. De naaldsonde 7 is in het midden van de figuur zichtbaar als een horizontaal staafvormig gebied met het donkerste raster. De kaak kan aan de rechterzijde van de figuur worden gevonden. De plaats van de naaldsonde kan derhalve gemakkelijk worden bepaald met behulp van de inrichting volgens de uitvinding.

Voorts is de identificatie van het tandprofiel tegen de achtergrond mogelijk door het middelen van verschillende opeenvolgend gemaakte beelden. De afbeelding is aangevuld met grenslijnen, die de tandzenuwholte 30 bepalen en het buitenoppervlak van de tand 17.

De kwaliteit van de meetresultaten werd niet wezenlijk beïnvloed door de werkfrequentie van de modulerende naald. Daarentegen had de naaldwerkfrequentie een aanmerkelijke invloed op de meetsnelheid. Een hogere frequentie resulteerde in een dienovereenkomstig snellere meting.

Voorts hing het storingsniveau samen met de naaldwerkfrequentie. Problemen ontstonden namelijk bij het vinden van een zodanige trillingsfrequentie, waarbij de wisselwerking van de pulssnelheid van de pulseenheid (ongeveer 5,5 kHz) en de netfrequentie (50 Hz) minimaal zijn. Een geschikt frequen-tiebereik werd gevonden bij 200-800 Hz. Bij commerciële toepassingen dient de pulssnelheid te worden verhoogd tot ongeveer 20 Kz, zodat de naaldtrillingsfrequentie ongeveer 1 kHz zou kunnen zijn. Op deze wijze zou de meetsnelheid voldoende hoog zijn en zou voorts het filteren van het nuttige signaal gemakkelijk kunnen worden gerealiseerd.

Volgens fig. 3 is een commercieel vervaardigde meet-inrichting voorzien van een omzettereenheid 18 en een analyse-eenheid 19, die een analoge sectie 20, een gegevensopzoeksec-tie 21, een gegevensverwerkingssectie 22 en een beeldverwer-kingssectie 23 omvat. Voorts is het systeem voorzien van een vibrator (niet weergegeven), welke wordt gevormd door een door samengeperste lucht bediende tandzenuw-behandelingsinrichting, welke gewoonlijk door tandartsen wordt gebruikt. De omzettereenheid 18 omvat een met een lineaire reeks uitgevoerde ultra-geluidomzetter alsmede een bedieningsmechanisme voor het bewegen van de omzetter. Dit samenstel vervangt de X-Y-tafel, die werd gebruikt in het systeem bij de laboratoriumexperimenten. De omzettereenheid 18 omvat tevens de elektronische circuits, die nodig zijn voor het versterken van de omzetter-signalen en de besturing van het bedieningsmechanisme. Het ontwerp van de omzettereenheid 18 lijkt op een elektrische tandenborstel, welke tijdens het onderzoek tegen de tand wordt gedrukt. De omzettereenheid 18 is door een kabel met de analyse-eenheid 18 verbonden. Het doel van de gegevensopzoek-sectie 21 is het besturen van de meting en het verzamelen van meetresultaten van de analoge sectie 20 en doorgeven daarvan aan het RAM-geheugen. De gegevensverwerkingssectie 22 haalt meetresultaten uit het geheugen van de gegevensopzoeksectie 21 en voert de vereiste bewerkingen uit voor patroonherkenning.

De beeldverwerkingssectie 23 vormt beeldbestanden en bestuurt een kathodestraalbuis of andere dergelijke uitvoerinrichting. Het systeem kan een beeldopwek- en bijwerksnelheid van tenminste één beeld/10 s bereiken.

In fig. 4 is één meetkanaal van de analyse-eenheid 19 voor één omzetter weergegeven. Het totale aantal kanalen is gelijk aan het aantal transducers in de lineaire reeks. De * gegevensopzoeksectie 21 bestuurt de werking van de feitelijke omzettereenheid 18 en de analoge sectie 20. De gegevensopzoeksectie 21 geeft vereiste besturingsinformatie aan de tijdeenheid 22 en bestuurt de versterking van de voorversterker A2 alsmede de lengte van de venstervertragingen. De tijdeenheid 22 levert besturingspulsen UQ aan een pulseenheid 24 en geeft het startmoment aan van de venstervertraging aan een vertra-gingssectie 25. De programmeerbare vertragingssectie 25 wekt een vereist besturingssignaal üg van het poortvenster aan een analoge schakelaar 26. De pulseenheid 24 levert besturingspulsen üj aan de omzetter 27 op een aan de ultrageluidomzetter aangepast niveau. De ultrageluidomzetter 27 is van het puls-echotype. De versterker A2 versterkt het echosignaal U2 met ongeveer 20 dB, teneinde een voldoend sterk signaal U2 te verkrijgen dat kan worden overgedragen via de kabel aan de analyse-eenheid 19. Het spanningsniveau van het echosignaal U2, dat is versterkt door een regelbare versterker A2, wordt op een passend niveau voor AM-detectie ingesteld. Een AM-detector 28 wekt een signaal U4 op, dat het omhullende signaal van een versterkt echosignaal U3 is. Een analoge schakelaar 26 laat voor verdere verwerking een echosignaal U5 door, dat de echo is, welke is ontvangen van de gewenste te onderzoeken diepte. Een banddoorlaatfilter 29 wordt benut om een modulerende trillingsfrequentie U6 van het echosignaal U5 te scheiden. Een amplitudesignaal ü? van de trillingsfrequentie wordt gedetecteerd door gelijkrichten van het gefilterde trillings- frequentiesignaal U5 door een gelijkrichter 31. Het gelijk- gerichte signaal ü? wordt door een A/D-convertor 32 omgezet in een voor digitale verwerking geschikte vorm.

In fig. 5 zijn de golf vormen op verschillende punten van het blokschema volgens fig. 4 voor één trillingscyclus weergegeven. Voorafgaande aan de weergegeven cyclus, is een toereikend aantal trillingscycli gemeten, 2odat het spanningsniveau van het signaal U7 reeds zijn eindwaarde heeft bereik.

Eén deel van het diagram komt ongeveer overeen met 10 ms, zodat de modulatiefrequentie ongeveer 2 kHz is.

Volgens fig. 6 wordt een naald 7 van een wortel- kanaalbroots 33 in tandzenuw van een tand 17 gestoken. De brootsnaald 33 wordt bediend door samengeperste lucht, welke via slangen 34 wordt toegevoerd aan het brootsinstrument 33.

De ultrageluidomzettereenheid 35 bestaat uit een met een lineaire reeks uitgevoerde omzetter 36, die bijvoorbeeld acht afzonderlijke omzetters omvat. De omzetter 36 met lineaire reeks is gemonteerd in een reekslichaam 37, waarvan de afmetingen zijn: diepte a ongeveer 16 mm, lengte b ongeveer 20 mm en hoogte c ongeveer 20 mm. De reeksomzetter 36 is beweegbaar binnen het lichaam 37 om zijn langsas met behulp van een motor 39, die is gemonteerd in de draagarm van de ultrageluidomzettereenheid 35 en een bedieningsmechanisme 38, dat als één geheel met het omzetterlichaam 37 is gemonteerd. Tussen het omzetterlichaam 37 en de tand 17 is een blaas 32 gevuld met bijvoorbeeld water, aangebracht. Dicht bij de bedieningsmotor 39 in het handgreepdeel van de ultrageluideenheid 35 is een elektronische eenheid 40 gemonteerd, die dient voor de besturing van de motor 39 en het bewerken van de signalen. De meetsignalen worden via een kabel 41 doorgegeven voor verdere verwerking.

Volgens fig. 7 wordt de dikte w van de gedetecteerde weefsellaag bepaald door de afmeting van het poortvenster. Met een smaller venster wordt een dunnere laag geanalyseerd, hetgeen bijgevolg een verbeterde diepteresolutie verschaft door vernauwen van het poortvenster. Bijgevolg wordt de diepte-locatie van de laag bepaald door het in de tijd bepaald verschuiven van het venster. Derhalve wordt naarmate het poortvenster op de tijdschaal wordt verschoven vanaf het zendmoment van de puls, de onderzochte laag dieper langs de diepte-as verschoven. Door de modulatie, die wordt opgewekt door het trillen van de naald 7, vertonen de echosignalen, die worden verkregen van de reeksomzetter 36, dat wil zeggen de van de naald en andere trillende voorwerpen verkregen echo's, een signaalniveau, dat aanmerkelijk hoger is dan enig ander signaal, dat wordt ontvangen van andere gebieden binnen het signaalvenster.

De bedrijfsparameters van een inrichting volgens de uitvinding kunnen als volgt worden gevarieerd: trillings-frequentie van de vibrator ongeveer 100-1000 Hz, geschikte ultrageluidfrequentie ongeveer 3-15 MHz en echosignaalver-sterking ongeveer 20-60 dB.

De werkwijze volgens de uitvinding kan worden gebruikt als aanvulling op de medische toepassingen, ook voor het onderzoeken van fysisch samengestelde strukturen, waarbij hard materiaal met buigzaam materiaal is gecombineerd.

Als vervanging van het trillen van het te meten voorwerp, kan als alternatief de omzetter zelf op een lage frequentie worden getrild. Een wezenlijk kenmerk van een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding is de relatieve beweging tussen het gemeten voorwerp en de omzetter bij een lage frequentie.

Claims (9)

1. Op ultrageluid gebaseerde meetwerkwijze voor het onderzoeken van in het bijzonder ondoordringbaar weefsel, volgens welke werkwijze met een herhalingssnelheid het volgende periodiek wordt uitgevoerd: - een hoogfrequente ultrageluidpuls wordt opgewekt door middel van een ultrageluidbron (36), - de ultrageluidpuls wordt gericht op een onderzocht voorwerp (17), - van het voorwerp (17) terugkerende echo's worden omgezet in elektrische signalen, - de intensiteit en vertraging van terugkerende echosignalen worden onderzocht in samenhang met de gezonden puls en - een model van het gemeten onderzochte voorwerp (17) wordt opgewekt uit de vertragings- en intensiteits-gegevens, met het kenmerk, dat - het gemeten voorwerp (17) of de ultrageluidbron (36) op een lage frequentie wordt getrild en - het signaalniveau van het laagfrequente trillings-signaal wordt gedetecteerd uit het echosignaal, waardoor de plaats van grensvlakken van het trillende voorwerp (17) wordt afgeleid uit de vertragingen, die behoren bij de maximumwaarden van het gedetecteerde laagfrequente signaal in samenhang met de gezonden hoogfrequente puls.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het gemeten voorwerp (17) wordt getrild met een frequentie, waarvan de verhouding tot het hoogfrequente ultrageluidsignaal l/7xl04 tot l/3xl03, bij voorkeur ongeveer 8/105 bedraagt.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het gemeten voorwerp (17) wordt getrild met een frequentie van 200-1000 Hz, bij voorkeur 800 Hz.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de onderzochte tand (17) wordt getrild door een met samengeperste lucht bediende naald (17), die in het wortelkanaal (13) is gestoken.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, ' met het kenmerk, dat het niveau van het laagfre-quente trillingssignaal wordt gedetecteerd door AM-detectie van het hoogfrequente echosignaal, waarbij het door AM-detectie gedetecteerde echosignaal in de tijd wordt gepoort, het gepoorte signaal wordt gefilterd en het gefilterde signaal wordt gelijkgericht, waardoor de grensvlakplaatsen van het trillende voorwerp (17) kunnen worden bepaald uit de tijd-relatie van de gelijkgerichte signaalmaximumwaarde tot de gezonden ultrageluidpuls.

6. Een op ultrageluid gebaseerde meetinrichting voor in het bijzonder het onderzoeken van ondoordringbare weefsels, welke inrichting is voorzien van - een pulsgenerator (24), die een hoogfrequent signaal kan opwekken, - een met de pulsgenerator (24) verbonden ultra-geluidomzetter (36), waarin het hoogfrequente stuursignaal kan worden omgezet in een ultrageluid-emissie, die naar een onderzocht voorwerp (17) kan worden gericht, - een ultrageluidontvanger (36), waarin het akoestische signaal in een elektrisch signaal kan worden omgezet, en - een meet- en analysesysteem (19), dat is aangesloten op de ultrageluidontvanger (36), in welk systeem de intensiteit en de vertraging van het ontvangen signaal van de ultrageluidontvanger (36) kunnen worden bepaald in relatie tot het gezonden signaal, waardoor het mogelijk is een model van het gemeten voorwerp te maken, gekenmerkt door - een vibrator (33), waarmee het gemeten voorwerp (17) of de ultrageluidzender (36) kan worden getrild op een lage frequentie, - een detectie-apparaat (20) die bij de ultrageluidontvanger (36) is aangebracht, met welke detector het niveau van het laagfrequente trillingssignaal kan worden gedetecteerd uit het echosignaal, teneinde de bepaling van grensvlakplaatsen van het trillende voorwerp (17) te kunnen bepalen uit de vertragingen, die overeenkomen met de maximumwaarden van het laag-frequente signaal ten opzichte van de hoogfrequente puls.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de vibrator (33) een door samengeperste lucht bediende naald (7) is, die in een wortelkanaal van een onderzochte tand (17) is gestoken.

8. Inrichting volgens conclusie 6 of 7, gekenmerkt door een AM-detector (28), waarmee het laag-frequente trillingssignaalniveau door AM-detectie uit het echosignaal kan worden gedetecteerd; een vensterpoort (26, 25) waarmee het AM-gedetecteerde echosignaal in de tijd kan worden gepoort; een filter (29), waarmede het door het venster gevoerde signaal kan worden gefilterd; en een gelijkrichter (31), waarmee het gefilterde signaal kan worden gelijkgericht, zodat de grensvlakplaatsen van het trillende voorwerp kunnen worden bepaald uit de tijdrelatie van de gelijkgerichte signaalmaximumwaarde tot de gezonden ultrageluidpuls.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het filter (29) een banddoorlaatfilter is, waarvan de middenfrequentie op de trillingsfrequentie is afgestemd.