NO325566B1 - Objektavbildning ved hjelp av ultralyd - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder objektavbildning ved hjelp av ultralyd, og eventuelt undersøkelse av objekters Dopplerspektrum, objekter som har begrenset motstandsdyktighet overfor lydintensitet, og kretser for å utføre avbildningen eller undersøkelse.

Ved hjelp av ultralydteknikk kan man sende ultralydbølger inn i en inspeksjonssone for selektiv avbildning og/eller undersøkelse av det Dopplerspektrum som dannes. I prosesser og apparater for materialprøving og undersøkelse av biologisk vev brukes normalt lydhoder som både har en sender- og en mottakerfunksjon (T/R-hoder). Oscillatorer i lydhodene er gjerne krystallstyrte og sender ut ultralydsignaler ved frekvensen fo, og reflekterte lydsignaler tas imot på samme frekvens. Frekvensområdet for ultralydsignalene kan typisk være omkring 5 MHz, og båndbredden kan f.eks. da strekke seg fra 3 - 7 MHz, med maksimal følsomhet ved 5 MHz. Man benytter såkalt pulsekkoteknikk ved at de relativt høyfrekvente ultralydsignaler sendes ut i avbrutte signalsekvenser (bursts), og i periodene mellom sendingene mottas reflekterte tilsvarende sekvenser mer eller mindre direkte eller diffust utjevnet og tidsforskjøvet, på samme måte som innenfor radarteknikk. De apparater man bruker egner seg også ved undersøkelse av biologisk vev ved hjelp av kontrastmidler for ultralyd. De signalkomponenter som ligger utenfor det gitte frekvensområde, så som f.eks. vibrasjoner i harmonisk forhold til senderfrekvensen, brukes ikke for avbildning av objektet under inspeksjon eller andre analyser, f.eks. Dopplermålinger. For å dekke et stort frekvensområde bruker prosesser og apparater som har vært anvendt hittil flere lydhoder som under en inspeksjonsperiode gjerne byttes.

Fra den kjente teknikk skal vises til patentskriftet EP-A2-0 147 955 hvor det beskrives en ultralydprosess hvor det objekt som skal inspiseres blottlegges overfor en målepuls av signaler med høy frekvens, og en pumpepuls ved lav frekvens, men med stort lydtrykk.

Under undersøkelsene bruker man lydhastighetens trykkavhengighet, og trykket i objektet som skal inspiseres blir variert av pumpepulsene.

Målepulsen som overlagres pumpepulsene gjennomgår en faseendring som til slutt brukes for undersøkelsen. Den viktige faktor i denne kjente prosess er derfor faseforholdet. Det foreligger ingen evaluering av signalinnholdet ved frekvenser som faller på harmoniske, subharmoniske eller ultraharmoniske.

I tillegg er det ifølge den kjente prosess nødvendig å evaluere et referansesignal uten noen pumpepuls i den hensikt å sette opp en måling av faseforskyvningen.

Fra EP-A3 0 072 330 er videre kjent en prosess hvor trykket i objektet som skal inspiseres blir målt. For å få til dette frembringes bobler i objektet under inspeksjon, utelukkende ved eksponering overfor ultralydbølger. En lavfrekvent ultralydkilde som sender ut ultralydsignaler i området under omkring 100 MHz og ned til omkring 20 MHz frembringer dampbobler i objektet som skal inspiseres, i lavtrykksfasen, eller hvis det foreligger oppløst gass, gassbobler.

Ultralydeffekten økes inn til slike kavitetsbobler dannes i den gjenstand som skal inspiseres. Slike bobler kan være meget store (lett synlige med det blotte øye), men de holdes fanget i lydfeltet og gir en risiko for embolisme. Hvis de derimot frembringes i vevet må man forvente reaksjoner slik som de som møtes ved dekompresjonssymptomer ved dykking. På grunn av at ultralydbølgene uunngåelig kommer til å stråle ut ved lavere frekvenser vil det foreligge en risiko, spesielt for lungesykdommer.

Patentskriftet EP-A2 068 399 beskriver videre en prosess for å bestemme et vevs ultralyddempning eller absorbsjonskoeffisient. For å måle denne parameter brukes variasjonen i gjennomsnittlig frekvens for det returspredte signalspektrum, over tid, eller romvariasjonen i utbredelsesretningen. Siden dempningen tilnærmet er frekvensproporsjonal vil den gjennomsnittlige frekvens gradvis forskyves mot lavere frekvenser etter hvert som arbeidsavstanden til pulsen med ultralydenergi øker. Forskyvningen fra fT til fc og fR er relativt liten.

I prosessen etter US-A-3 640 271 måles blodtrykk og fluidhastighet. For å utføre denne måling injiseres enkeltbobler med bestemt størrelse innenfor 10 - 100 pm diameter, og boblenes resonansfrekvens bestemmes før og etter injeksjonen. Dette utføres enten ved hjelp av en dempet transduktor og et frekvenssveip eller med støteksitering fra en svakt dempet transduktor. I avhengighet av boblestørrelsen bruker man frekvenser i området 60 - 600 kHz, dvs bølgelengder fra omkring 2,5 til 25 mm. De anvendte bobler er således relativt store og uegnet for å passere kapillarvev. Boblehastigheten måles ved hjelp av Dopplerprinsippet eller ved å beregne tiden en boble bruker mellom to punkter.

Det er videre fra litteraturen: L. Germain, J.O.N. Cheeke, J. Acoust. Soc.

Am. 83 (1988, 942) å forbedre avbildningskvaliteten innenfor ultralydmikroskopi ved hjelp av harmoniske multipla av eksiteringsfrekvensen. For å få til dette må man imidlertid sende ut ultralydbølger med meget stor amplitude for å frembringe ulineære vibrasjoner på veien inn til et inspeksjonsområde, idet energien i vibrasjonene med grunnfrekvensen blir omvandlet til energi ved harmoniske vibrasjoner som følge av ulineæriteten.

Denne litteraturreferanse, på samme måte som referansen: W.K. Law et al., J.A. Acoust. Soc. Am. 69, nr. 4, april 1981, s. 1212 omhandler således den ulineære utbredelse ultralyd i vann og vev, bare ved store intensiteter.

Det skal også vises til patentskrift EP 357 164 B1.

Når det gjelder ulineær utbredelse vil det ikke foreligge noen subharmoniske vibrasjoner, og harmoniske vibrasjoner vil bare finne sted etter en viss minsteavstand for bølgeutbredelsen i mediet, nemlig på flere centimeter.

Disse prosesser kan imidlertid ikke brukes for ultralydinspeksjon ved frekvenser som f.eks. ligger i området 1-10 MHz, i objekter som ikke er robust overfor store lydintensiteter, så som særlig biologisk vev.

Det problem som oppfinnelsen bygger på er utvidelse av anvendelsesfeltet for ultralydprosesser for objekter som har begrenset motstandsdyktighet overfor lydintensitet, særlig biologisk vev, for selektiv avbildning og evaluering av Dopplerspekteret, og tilveiebringe kretser for å utføre slike prosesser.

I følge oppfinnelsen, løses de overnevnte problemer ved en fremgangsmåte angitt i krav 1 og som har de karakteristiske trekk som angitt i den kjennetegnende del av kravet; og ved en fremgangsmåte angitt i krav 2 og som har de karakteristiske trekk som angitt i den kjennetegnende del av kravet.

Ved å innføre materialer eller media som frembringer ulineæritet i et inspeksjonsområde som skal eksponeres for bare moderate lydintensiteter som ikke gir skadelig virkning, for å oppnå, i tillegg til eksiteringsfrekvensen f0, intensiv og kraftig frekvensforskjøvet spredning og/eller overføringssignaler. Disse signaler er særlig intensive ved de harmoniske frekvenser (2 f0,3 f0...), de subharmoniske ( fJ2, fg/ 3,3 fj/4) og de ultraharmoniske (3 fJ2, 5 fo/4....) av eksiteringsfrekvensen. Med denne prosess kan signaler ved lav frekvens påtrykkes slik at man får større inntrengningsdybde, og mottatte signaler ved høyere frekvenser kan mottas for evaluering/analyse.

På en fordelaktig måte er det mulig å utføre selektiv analyse av signalkomponentene som påvirkes av materialene eller media som er innført, og selektiv representasjon av de områder som opptar disse midler, uten, slik det var nødvendig tidligere, å finne forskjellen mellom to eller flere betingelser som ble registrert før hhv etter påtrykket av materialene eller media. Særlig kan Dopplereffekten som frembringes analyseres uten artefakter.

Fortrinnsvis innføres ulineære refleksjonslegemer i inspeksjonsområdet, men ulineære ultralydkontrastmidler i form av en oppløsning eller en suspensjon og, særlig i form av mikrobobler eller midler som frembringer slike, kan også innføres i området.

Egnede ulineære ultralydkontrastmidler er f.eks. de media som er beskrevet i EP-0 365 457, nemlig media basert på galaktosepartikler som inneholder fettsyrer.

Imidlertid er også midler av kontrasttypen og slik det er beskrevet i DE 38 03 972, WO 93/25242 og 93/07539, egnet under bestemte betingelser, og disse betingelser skal gjennomgås nedenfor. Disse media inneholder mikropartikler som består av en gasskjerne og en polymeromslutning i form av et slags skall, og de viser ambivalent oppførsel. Ved lave lydtrykk viser de en lineær spredningsrefleksjon, men ved større lydtrykk (intensiteter fremdeles i det diagnostiske område) fremviser de ulineær refleksjon. De kan derfor brukes i samsvar med oppfinnelsen, i det ulineære område.

Innføringen av en mikroboblesuspensjon hvis konsentrasjon er IO"<3> og opp til 30 % (vektdeler) tørrstoff i suspensjonsmediet vil frembringe gode resultater. Prosessen ifølge oppfinnelsen og kretsen som trengs for å utføre fremgangsmåten oppnår overraskende den nedre bunngrense på 10"<3> %. Under bestemte betingelser, særlig når man bruker de media som er beskrevet i patentskriftene nevnt to avsnitt ovenfor er en ytterligere økning av følsomheten mulig. Disse media viser overraskende en superproporsjonalitet for de transiente spredt reflekterte signaler, som øker i amplitu-den for de utstrålte signaler på oversiden av en bestemt terskelverdi. Denne super-proporsjonale nivåhevning kan observeres ikke bare ved frekvensen for det innstrålte signal (eksiteringsfrekvensen f0), men også ved fJ2, 3 fo/ 2, 2 f0, 5 fJ2, 3 7 fJ2 og 4 f0. Siden refleksjonssignalet ved 2 fo ved såkalt supraliminal eksitering tilnærmet når intensiteten man har ved fo vil dette signal fortrinnsvis detekteres. Ved supraliminal eksitering i det diagnostiske område er en deteksjon av de enkelte partikler av gassboblene mulig. Den dose som er nødvendig for en romfyllende kontrasralførsel kan senkes i området som undersøkes, opp til en partikkelkonsentrasjon (gassbobler) på 10 ppb (1 ppb = 10"<9>). Idet man tar i betraktning den relative tetthet til en ppb vil denne konsentrasjon tilsvare omkring 1000 partikler, fortrinnsvis 100 - 1000 pr cm<3> av det legemeområde man undersøker. Konsentrasjoner på 1000 - 100 000 partikler pr cm<3> kan også brukes.

Reduksjonen av kontrastmediakonsentrasjonen fører til en reduksjon av den akustiske dempning som forårsakes av mediet, og som inntrengningsdybden av de påtrykte ultralydsignaler i vevet blir øket ved. Følgelig vil en sonografanalyse av de deler av vevet som ligger lenger inn også være mulig.

Denne effekt er ytterligere fremhevet ved at en destruksjon av partiklene (eller bristing av gassboblene) forårsaket av påtrykket av ultralydenergi hvis energinivå ligger ovenfor det ovenfor nevnte terskelnivå, slik at partikkelkonsentrasjonen (boblekonsentrasjonen) i vevet stadig vil reduseres i løpet av undersøkelsen. I dette tilfelle vil først partiklene (boblene) ødelegges, hvilket gir den minste avstand til lydkilden. Med en progressiv undersøkelsesperiode vil ultralydsignalene også trenge inn gjennom underliggende lag hvorved en jevn kontrastvirkning gjennom alt vevet (hele organet) muliggjøres. Siden disse prosesser finner sted særlig i den mindre kontrastkonsentrasjon og i løpet av meget korte tidsintervaller foretrekkes en registrering av de detekterte signaler ved hjelp av moderne datainnsamlingslagringsteknikk.

Den energi som er nødvendig for destruksjon av partiklene (boblene) vil variere som en funksjon av det valgte kontrastmedium. I det tilfelle at man har et kontrastmedium som beskrevet i EP-0 365 467 må energien ligge over terskelverdien på 0,03 MPa, i tilfelle man har mediet beskrevet i WO 93/25242 og WO 94/07539 må energien ligge over terskelen 0,1 MPa. Den energi som er nødvendig for andre kontrastmedier kan lett bestemmes av fagfolk og ligger generelt i området 0,01-1 MPa, og terskelverdiene øker med økende boblestabilitet. Reduksjonen av kontrastmediumkonsentrasjonen, muliggjort ved oppfinnelsens fremgangsmåte tillater videre at avbildning av vev- eller legemsområdet som har få partikler, dvs partikler som ikke hører til RES også kan representeres via vevsperfusjon ved deteksjon av kontrastmediet i meget tynne blodkar som takket være sitt beskjedne tverrsnitt bare kan ta opp mindre mengder kontrastmedium (f.eks. i kroppens myocardium, lever, nyrer, muskler, hudvev, ocularfundus, lymfekar, lymfeknuter, urinveier, rørformede hulrom, mindre og større kroppshulrom).

Fordelene med oppfinnelsens fremgangsmåte blir særlig klar hvis man skal detektere kontrastmedier i spesifiserte steder, strukturer eller vevsområder. Slike bestemte kontrastmedier som altså særlig gjelder spesielle områder er bl.a. beskrevet i WO 94/07539. Slike spesifikke kontrastmedia, generelt bare en mindre del av den tilførte dose vil hefte ved det bestemte ønskede vevsområde eller organ, og en deteksjon vil vanligvis være promlematisk ved hjelp av de vanlige ultralydmetoder. Deteksjonen av slike mindre mengder kontrastmedium er likevel mulig å utføre problemfritt ved å anvende oppfinnelsens fremgangsmåte og dennes tilhørende kretser, særlig hvis kontrastmediet er bestrålt med energi over den såkalte terskelverdi.

Basert på den drastiske økning av følsomheten for oppfinnelsens fremgangsmåte i kombinasjon med kontrastmedia nevnt ovenfor muliggjøres avbildning av samtlige kroppsområder med unntak av lunger, bruskvév og ben.

For å bruke denne spesielle følsomhet som oppfinnelsens fremgangsmåte ligger til rette for, i kombinasjon med ett av kontrastmediene nevnt i patentskriftene EP 0 365 457, WO 93/25242, DE 38 03 972 eller WO 94/07539, brukes gjerne eksiteringsfrekvenser i området 1-22 MHz, fortrinnsvis 2-5 MHz. De nødvendige lyd-trykkamplituder ligger i området 0,01 - 5 MPa, fortrinnsvis 0,03 - 0,2 MPa. De relativt høyfrekvente lydsignalpulser er i dette tilfelle 1 - 50, fortrinnsvis 2-8 (pulser).

I oppfinnelsens fremgangsmåte eksiteres eller aktiveres lydtransduktoren fordelaktig ved hjelp av en funksjonsgenerator som kan frembringe periodisk avbrutte høyfrekvente signaler med innstillbar amplitude og midlere signalfrekvens (fT) i området fra 0,3 - 22 MHz, fortrinnsvis fra 1 - 11 MHz, og med et pulsantall på fra 0,5 - 20, fortrinnsvis 1 - 5 (pulser eller sykluser). Man har funnet det særlig fordelaktig å evaluere (anvende) frekvenser som ligger under den midlere frekvens fT for lydtransduktoren (lydsenderen).

Ved evalueringen er det fordelaktig å velge minst ett tidsintervall ved hjelp av en prosessorstyrt portkrets og bestemme det tilhørende frekvensspektrum på analog eller digital måte. Ved å gjøre dette kan lengden av den tidsluke og det antall sykluser pr signalpuls som brukes reguleres mellom en optimal frekvensoppløsning og en optimal romoppløsning.

Ved å bruke fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det mulig og fordelaktig å utrede Dopplervirkningene for signaler som foreligger ved harmoniske av eksiteringsfrekvenser, og når det gjelder blandeprodukter, så som det øvre sidebånd for en tosignalseksitering ved to forskjellige frekvenser. Dette tillater representasjon av relativt langsomme forløp uten interferens fra bevegelser i karveggen.

Ved evaluering av signalkomponenter ved harmoniske frekvenser eller signaler i det øvre sidebånd får man videre en forbedret inntrengningsdybde og/eller romoppløsning, hvilket er meget fordelaktig ved avbildning og under Dopplermålinger.

De kretser som er egnet for å utføre oppfinnelsens fremgangsmåte omfatter således en funksjonsgenerator hvis utgang er koplet via en T/R-omkopler (for å kople om mellom en senderstilling og en mottakerstilling), og omkoplingen er synkronisert fra funksjonsgeneratoren. De omkoplede signaler går videre til et signalbehandlingsområde med en oscillator som svinger ved hjelp av et bredbånds transduktorelement i en svingekrets som er sterkt akustisk dempet og elektrisk tilpasset.

I en annen utførelse av kretsene er funksjonsgeneratoren koplet til inngangen av transduktoren direkte, og utgangen fra transduktoren går til signalbehandlingsområdet.

I den første utførelse hvor T/R-omkopleren dessuten står i stilling "sending" påtrykkes signalfølgene fra funksjonsgeneratoren transduktorens oscillator, og signalet som mottas av denne når omkopleren står i stilling "mottaking" videreføres til det man kan kalle evalueringssystemet. I det andre tilfelle skilles inngang og utgang på transduktoren, og derved er en T/R-omkopler ikke nødvendig.

Det er særlig fordelaktig å bruke et transduktorelement hvis midlere frekvens fr er større enn den øvre grense for arbeidsområdet. Transduktorelementet er konstruert slik at den lydintensitet den kan arbeide med på utgangen, som funksjon av frekvensen har en positiv førstederivert i frekvensområdet på undersiden av den midlere frekvens f-p, og denne førstederiverte er særlig i arbeidsområdet tilnærmet konstant, eventuelt har lydintensiteten relativt konstant forløp i arbeidsområdet. Ved en slik tilnærmet lineær frekvensrespons i arbeidsområdet får man tilsvarende frekvensrespons eller dempning i det inspeksjonsområde som eksponeres overfor ultralydbølgene, redusert ved god kompensasjon. Som et resultat av dette ved at man bruker slike kretser og en slik overføring vil det være mulig å endre frekvensen som brukes for inspeksjonen uten å endre det brukte lydhode. Videre kan det optimale forhold mellom rom- og frekvensoppløsning velges under evalueringen av de enkelte spektra for materialkarakterisering, særlig ved vevskarakteriseringen.

Oppfinnelsens fremgangsmåte kan fordelaktig utføres ved hjelp av kretser som også har en flerelements transduktor hvis transduktorelementer kan motta signaler på faseforsinket måte for å utføre en dynamisk fokusert prosess eller en prosess som omfatter fasegruppering. I slike kretser koples utgangen fra en funksjonsgenerator via en n-veis signaldeler, et antall n prosessorstyrte forsinkelseskretser, og et antall n T7R-omkoplere, styrt av funksjonsgeneratoren eller av en prosessor direkte (eller en regnemaskin, PC e.l.) for overføring til inngangene på et antall n akustisk sterkt dempede, elektrisk tilpassede bredbånds transduktorelementer hvis utgang via de n T7R-omkoplere er ført til en m-veis signaldeler (fig. 10 i de tilhørende tegninger). Disse signaldelere er samtlige koplet via sine respektive m forsinkelseskretser og m faste eller variable kretser for frekvensbåndseleksjon, og likeledes via en krets for faseriktig summering, eventuelt også signaldeling, til et system for ytterligere selektiv prosessering av signalene innenfor de m frekvensbånd.

I en ytterligere løsning på problemet som ligger til grunn for oppfinnelsen er det ført inn i den inspeksjonssone som skal eksponeres for ultralydbølger, et materiale som frembringer ulineære vibrasjoner i området eller sonen, ved hjelp av ultralydbølger som overføres via en slik elektrisk tilpasset ultralydtransduktor med stor akustisk dempning og ett eller flere transduktorelementer, idet elementene er styrt enkeltvis eller i grupper. Transduktoren eksiteres med to avbrutte pulser av høyfrekvente ultralydsignaler, og eksiteringsfrekvensene er forskjellige og mindre enn halvparten av den øvre frekvensgrense av arbeidsområdet. Signalkombinasjoner av de to eksiteringsfrekvenser, særlig summen eller differansen tas ut fra ultralydsignalet som mottas av transduktoren, reflekteres i inspeksjonsområdet eller spres tilbake fra dette, og for å oppnå det terskelnivå som er tilstrekkelig, angitt ovenfor, foretrekkes at minst ett av signalene ved de to frekvenser har en amplitude over terskelnivået.

I denne fremgangsmåte gir utstråling i to separate signaler et sterkere mottatt signal hvis frekvens er en kombinasjon av de innstrålte signalers frekvens, særlig summen eller forskjellen. Summefrekvensen er av spesiell interesse for å oppnå bedre romoppløsning. I denne prosess kan et enkelt transduktorelement aktiveres ved hjelp av to høyfrekvente signalpulser, men det er også mulig å aktivere to separate transduktorelementer med ett enkelt høyfrekvent signalforløp hver, idet de midlere frekvenser av signalforløpene er forskjellig og mindre enn halvparten av den øvre grense av arbeidsområdet.

Som følge av ulineæriteten som frembringes i samsvar med oppfinnelsen vil anvendelsen av f.eks. to lavfrekvenssignaler, f.eks. f0 « fp » 2 MHz, føre til et kraftigere mottatt signal ved f0 + fp, dvs ved tilnærmet 4 MHz, enn hva man ville oppnådd med samme totaleffekt I0, Ip, ved bare et utsendt signal med frekvensen f0 + fp. Dette fenomen tillater større inntrengningsdybde ved høyere observasj ons frekvenser.

Som materialer eller media for å frembringe ulineæriteten kan man bruke de samme materialer eller media som man brukte i prosessen for utledning av de harmoniske frekvenser for eksiteringsfrekvensen. Det er mulig å bruke hovedsakelig samme kretselementer også, med tillegg av en andre høyfrekvent funksjonsgenerator.

I det tilfelle man har kretser med en fierelements transduktor for å redusere den gjennomsnittlige effekt som sendes inn i inspeksjonsområdet vil det andre signal alltid sendes inn i retningen for det første signal og starte tilnærmet en til to perioder tidligere og vare helt til slutten av det første pulssignal. For å oppnå dette påvirkes det andre signal fra den andre generator ved en egnet forsinkelseskrets som bevirker at signalet etter passering av T/R-omkopleren går til samme transduktorelementer i lydhodet og deretter sendes i samme retning som det første utsendte signal. En kretsmatrise mottar deretter signalene ved summefrekvensen. T/R-omkopleren reguleres av det andre utsendte signal som altså har lengre varighet.

Utførelser av oppfinnelsens fremgangsmåte skal nå gjennomgås i den beskrivelse som følger, og det vises til de allerede nevnte tilhørende tegninger, hvor fig. 1 viser et blokkskjema av de kretser som er egnet for å utføre fremgangsmåten, fig. 2 viser skjematisk et utsnitt av et prøvekar for ultralydpåtrykk, fig. 3 viser sammenhengen mellom lydtrykket eller lydeffekten og signalfrekvensen for ultralydsignalene ut fra transduktoren, fig. 4 - 9 viser kurver over de reflekterte ultralydsignaler ved spredt refleksjon, fig. 10 viser et blokkskjema over en flerveisutgave av kretsene, fig. 11-13 viser kurver over de reflekterte ultralydsignaler som funksjon av hhv tiden og frekvensen og ved forskjellig lydintensiteter under bruk av et kontrastmedium slik som beskrevet i WO 93/25242, og fig. 14 viser samme ved 2 f0 som funksjon av lydintensiteten og ved bruk av samme kontrastmedium.

For å frembringe de signaler som er vist på fig. 4 - 9 og som er klare for ytterligere signalbehandling brukes kretsene vist på fig. 1 sammen med det prøvekar som er vist på fig. 2, idet ultralydsignalet påtrykkes fra et lydhode som har den effekt/frekvenssammenheng som er vist med kurven på fig. 3.

Periodisk gjentatte elektriske høyfrekvente signalsekvenser - HF-bursts - med variabel signalfrekvens f0 i et arbeidsområde f0 min til og med variabel båndbredde er gitt av antallet n sinussykluser pr sekvens eller puls (burst): 0,6 < n < 20 med innstillbar amplitude, frembringes av en funksjonsgenerator 1 som styres av kretsenes prosessor 15 (eller datamaskin). Prosessoren styrer både forløpet av målingene og evalueringen. Generatorens 1 signalutgang 2 (den viste linje) er ført til en sender/mottakeromkopler (T/R-omkopler) 3 som, slik det er vist skjematisk er synkronisert med generatoren 1. Omkopleren 3 kan også styres direkte av prosessoren 15. Utgangen fra omkopleren er ført til et bredbånds, tilpasset og fokusert transduktorelement 4 (vist skjematisk på fig. 2 og angitt som en første transduktor på fig. 1). Fig. 3 viser hvordan transduktorens eller transduktorelementets 4 effekt går som funksjon av frekvensen. Transduktorens arbeidsområde er meget stort over frekvens og uten forstyrrende resonanser, og videre har den god elektrisk og akustisk impedanstilpasning og en gjennomsnittlig senderfrekvens fr > fo maks. I det beskrevne eksempel er fT 17 MHz. Transduktoren kan også ha fysisk og elektrisk adskilt transduktorelement for sending og mottaking, og i dette tilfelle vil omkopleren 3 være overflødig. Fortrinnsvis kan det også være anordnet ytterligere transduktorelement i transduktoren, for å sende ut et andre, uavhengig høyfrekvenssignal.

Signalet som mottas av transduktoren 4 går via omkopleren 3 til en bredbånds forforsterker 16 hvis utgang når det gjelder digital frekvensanalyse har tilkoplet et antialiasfilter 17. Forsterkeren 16 har en båndbredde større enn f0 maks, og filteret 17 har f.eks. en grensefrekvens på 10 MHz. Utenfor filteret 17 er koplet en høyhastighets A/D-omvandler 18 for digitalisering av signalene, f.eks. ved en Nyquistfrekvens på 12,5 MHz. Videre signalbehandling utføres i et digitalt lagringsoscilloskop og i prosessoren 15 eller en separat datamaskin. Til omvandleren 18 er koplet en punktskriver 19 (plotter). Fig. 1 viser at omvandleren 18 aktiveres av funksjonsgeneratoren 1. Det digitaliserte signal lagres og viderebehandles deretter på en i og for seg kjent måte, og det er tilgjengelig spesielt for de nødvendige korreksjoner. Det er også mulig å grene av et signal før A/D-omvandlingen og utføre digitalisering etter ytterligere analog prosessering. Fig. 2 viser skjematisk oppbyggingen av et prøvekar 20 som inneholder vann og påtrykkes ultralydbølger. To folier 21 avgrenser et prøveområde hvor 10 mg kontrastmiddel for ultralydbølger er oppløst i 3 ml vann.

De reflekterte og/eller spredt fordelte signaler i måleområdet mellom foliene 21 vil inneholde bestemte komponenter som fremkommer ved interaksjon mellom de utsendte pulser (med ultralydfrekvens f0) og det ulineære kontrastmiddel som var innført i måleobj ektet.

Fig. 3 viser skjematisk lydhodets eller transduktorens transduktorelements effektforløp over frekvens. I det viste arbeidsområde som i effekt er angitt med dobbelpilen fremgår at frekvensresponsen for lydhodets oscillator er tilnærmet lineær. Denne frekvensrespons kan brukes til kompensasjon for en tilsvarende frekvensrespons i prøven under undersøkelsen, men prøvens respons kan også korrigeres etterpå ved multiplikasjon med en vektfaktor.

For målingen velges et interessant tidsintervall ut ved hjelp av en prosessorstyrt portkrets (ikke vist). Det er også mulig å velge flere tidsintervaller

(sampling). Det tilhørende spektrum beregnes i en FFT-krets (forsert Fouriertransformasjon), og eksempler på slike spektra er vist på fig. 4-9. Ved å velge en passende lengde på tidsluken man observerer i kan man velge mellom optimal frekvensoppløsning og optimal romoppløsning. Fig. 4-8 viser spekteret fordelt over tidsluken. For å få vist de enkelte spektralkomponenter tydelig ble det valgt en lang tidsluke, dvs en med dårlig romoppløsning. Fig. 4 viser tidsvariasjonen for transmisjonspulsen etter refleksjon i koplingsvinduet uten kontrastmiddel. f0 = 4,0 MHz, +15 dBm på lydhodet. Et tydelig signal kan observeres ved 4 MHz. Signalet i den øvre del av fig. 4 er et midlet effektspektrum som fremkom bak lavpassfilteret med en Nyquistfrekvens på 50 MHz. Fig. 5 viser det spredte retursignal fra et prøvekammer uten ultialyclkontrastmiddel. Fig. 6 viser signalet 7 minutter etter tilførselen av 10 mg kontrastmiddel i 3 ml vann. En tydelig topp kan observeres ved 2 f0. Fig. 7 viser resultatet av målingen etter 21 min under de betingelser som er gitt av fig. 5. En frekvens f<, = 3 MHz ble brukt. Spekteret som ble registrert viser klart den første og den andre harmoniske ved hhv 6 og 9 MHz. Fig. 8 viser det spredte refleksjonssignal 15 min etter tilførselen av et ultralydkontrastmiddel i liten konsentrasjon. Lydhodets frekvens var 4 MHz og nivået var +20 dBm. Spekteret vist i den øvre del av fig. 7 viser relativt god frekvensoppløsning og en subharmonisk ved f^, den ultraharmoniske ved 2 f^ og den første harmoniske ved 2 f^. Fig. 9 viser et refleksjonssignal fra et lydhode ved 4 MHz og et nivå +15 dBm med et lineært ultralydkontrastmiddel. Spekteret viser spredt refleksjon bare ved påtrykksfrekvensen.

Det fremgår av de illustrerte spektra at man får tydelige amplituder i frekvensområdet som ikke hører med til det utsendte spektrum når man har hatt interaksjon med et ulineært kontrastmiddel. Det er mulig å evaluere spelctralendringer ut fra Dopplervirkningen, og for å bruke kretsene som her er beskrevet for avbildning av ultralydprosesser har man føyd til enkelte kretskomponenter, i dette tilfelle et lydhode med fasegruppering i et såkalt array, eller et med dynamisk fokusert lydutbredelse. Kretsene er nærmere vist på fig. 10.

Sendersignalet fra funksjonsgeneratoren (signalfrekvens f0) går fra utgangen 2 til en n-veis signaldeler 5 hvor signalet deles til en gren pr transduktorelement. I den viste utførelse har man n transduktorelementer 4,4.1...4.n, og disse mottar et signal via sin respektive tidsforsinkelseskrets 7.1...7.n og T/R-omkopleme 3.1...3.n som på sin side styres av generatoren eller prosessoren. Prosessoren bestemmer tidsforsinkelsen for hvert transduktorelement slik at den ønskede retningskarakteristikk oppnås ved lydhodet ved den bestemte transmisjonsfrekvens. Samme retningskarakteristikk settes av prosessoren i mottakerdelen ved de tilsvarende tidsforsinkelser. Signalet som mottas av lydhodene 4.1..An føres via omkoplerne 3.1...3.n til bredbåndsforforsterkere 6.1...6.n. Hver forforsterker tilfører et signal til en m-veis signaldeler 10 hvis utganger går via passende regulerte eller innstilte tidsforsinkelseskretser 11, til kretser 12 for frekvensbåndseleksjon og ut til faseriktig summering av frekvensbåndene og eventuelt signaldeling, hvis dette er aktuelt, hvoretter videre selektiv prosessering av frekvensbåndene på i og for seg kjent måte kan finne sted.

Det kan særlig utføres evaluering av de frekvenser som ikke er identiske med f0, f.eks. foa og 2 f0.

Forsinkelseskretsene kan være varierbare eller faste. Fordelingen av de mottatte signaler til de m-veis signaldelere frembringer det ønskede antall frekvensbånd hvis posisjon og bredde innstilles med båndfiltere. Alternativt kan signaldelingen utføres slik at det mottatte signal blandes med et hjelpesignal som utledes fra det opprinnelige signal - og er forskjellig, i avhengighet av frekvensbåndet, slik at de enkelte bånd kan arbeide med samme komponenter i de etterfølgende trinn.

Frekvensbåndet omkring f0 gir de vanlige resultater, mens de øvrige bånd inneholder betydelig frekvensforskjøvne og ulineære signalkomponenter fra den gjensidige påvirkning mellom sendersignalet og de ulineære ultralydkontrastmidler.

Den videre prosessering og signalanalyse kan utføres i en vilkårlig frekvenskanal eller i flere parallelle kanaler, i henhold til kjente prosesser.

For å bruke to transmisjonsfrekvenser fo og fp har man anordnet en andre generator som er vist til høyre for hoveddelen på fig. 10, og denne generator er via signaldelere og tidsforsinkelseslinjer koplet til omkoplerne 3.1...3.n. Den andre funksjonsgenerator 1 tillater eksponering av ultralydbølger innenfor i det minste det romområde i objektet som skal undersøkes og som er bestemt av retningskarakteristika ved det aktuelle tidspunkt og via mottakerporten. Konstruksjonen kan være slik at man i tillegg til de allerede beskrevne bredbånds transduktorelementer har en ytterligere og likeledes bredbånds sendertransduktor i lydhodet, idet denne transduktor fortrinnsvis er elektrisk adskilt fra de øvrige og mates av den andre, uavhengige sendergenerator 1. De to transmisjonssignaler kan også være elektrisk overlagret slik at samme transduktorelementer kan brukes.

Fig. 11 (øvre halvdel) viser det spredte refleksjonssignal som dannes med et kontrastmedium som er beskrevet i WO 93/55242, med liten eksitering med en 5 MHz signalpuls med amplitude 0,1 MPa, i tidsplanet.

Den nedre halvdel av fig. 11 viser det samme i frekvensplanet. Signalet ved eksiteringsfrekvens f0 (5 MHz) kan ses klart, men harmoniske, sub- og ultraharmoniske signaler drukner i statisk støy.

Fig. 12 viser med to kurver det tilsvarende med en eksiteringsamplitude på

0,34 MPa og ellers samme forhold som fig. 11. I dette tilfelle ligger den største refleksjonsdel i kontrastmediet i tidsluken som er vist sentralt, og i den gitte frekvens-oppløsning kan signaler klart detekteres ved 2 fo og 3 f0. Fig. 13 viser det spredte refleksjonssignal ved påtrykk med lydeffekt ved signaleffekt 1 MPa. Refleksjonsdelen fra kontrastmediet er i tidsplanet (øvre kurve) klart større enn de øvrige refleksjoner av senderpulsene (i senderfrekvensområdet), og det skal bemerkes at en skalastrek langs ordinaten her tilsvarer 50 mV målespenning. I effektspekteret (nedre kurve) er det tydelige frekvenstopper ved 1/2 fg, fo, 3/2 2 fo, 5/2 f0, 3 f0, 7/2 fo og 4 f0, og ganske overraskende er signalet ved 2 fo med en intensitet som tilsvarer ekkoet for den påtrykte frekvens (Q. Fig. 14 viser intensiteten av retursignalet ved 2 f0 som funksjon av lydeffektpåtrykket ved forskjellige eksiteringsfrekvenser (Q på 2, 3 og 4 MHz. Også i dette tilfelle ble brukt et kontrastmedium som angitt i WO 93/25242. Overraskende nok vokser intensiteten av det registrerte refleksjonssignal på oversiden av en terskelverdi på omkring 40 dB effekttrykk mer enn proporsjonalt med eksiteringsnivået. Denne oppførsel observeres analogt for andre kontrastmediumblandinger, bl.a. mikropartikler basert på fettsyreinnholdende galaktosepartikler eller mikropartikler som består av en gasskjerne og et biodegraderbart polymerskall som eventuelt molekyler med steds-struktur- og/eller vevsspesifikke egenskaper er bundet.

Alle beskrivelser av samtlige anvendelser, søknader, patenter og publikasjoner angitt ovenfor og nedenfor tas her med som referanse.

Fra den foregående beskrivelse kan en fagskolen person lett hente ut de vesentlige karakteristika ved oppfinnelsen og uten å avvike fra dennes ånd og ramme utføre forskjellige endringer og modifikasjoner av samme for å tilpasse den til forskjellige bruksmuligheter og betingelser.

Claims (20)

1. Fremgangsmåte for objektavbildning, og eventuelt evaluering av et Dopplerspektrum, av et objekt med begrenset motstandsdyktighet overfor lydenergi, i et inspeksjonsområde, omfattende: innføring av det objekt som skal avbildes og et ultralydkontrastmedium som inneholder mikrobobler som spredt reflekterende elementer eller som frembringer mikrobobler ved eksponering overfor ultralydbølger, i inspeksjonsområdet og slik at kontrastmidlet gir ulineære vibrasjoner av mikroboblene når de i inspeksjonsområdet påtrykkes ultralydbølgene, påtrykk av pulsede høyfrekvensaktiveringssignaler ved frekvens fo for elektrisk aktivering av en bredbånds, akustisk sterkt dempet, elektrisk tilpasset ultralydtransduktor som omfatter ett eller flere transduktorelementer som eventuelt styres enkeltvis eller i grupper, og derved påtrykk av ultralydbølger til inspeksjonsområdet, idet ultralydbølgenes grunnfrekvens f0 er i området 1-22 MHz, mottaking ved hjelp av ultralydtransduktoren, av det reflekterte ultralydsignal fra inspeksjonsområdet og spredt reflektert fra dette, samt videreprosessering av de mottatte ultralydsignaler for ytterligere evaluering, evaluering av det mottatte signalspektrum mht bestemmelse av minst én av de harmoniske av den påtrykte signalfrekvens f0 og eventuelt også denne frekvens, fra de reflekterte og spredt fordelte ultralydsignaler, i tillegg til registrering av subharmoniske og eventuelle ultraharmoniske av frekvensen fo, og der kontrastmidlet er inni objektet som skal avbildes, karakterisert ved at ultralydbølgene har en amplitude som er effektiv for å få i det minste en del av mikroboblene til å briste i eller frembrakt av mediet.

2. Fremgangsmåte for objektavbildning, og eventuelt evaluering av et Dopplerspektrum, av et objekt med begrenset motstandsdyktighet overfor lydenergi, i et inspeksjonsområde, omfattende: innføring av det objekt som skal avbildes og et ultralydkontrastmedium som inneholder mikrobobler som spredt reflekterende elementer eller som frembringer mikrobobler ved eksponering overfor ultralydbølger, i inspeksjonsområdet og slik at kontrastmidlet gir ulineære vibrasjoner av mikroboblene når de i inspeksjonsområdet påtrykkes ultralydbølgene, påtrykk av to høyfrekvente signalsekvenser hvis signalfrekvens hhv er f0 og fp, for elektrisk aktivering av en bredbånds, akustisk sterkt dempet og elektrisk tilpasset ultralydtransduktor med ett eller flere transduktorelementer som er regulert enkeltvis eller i grupper, idet de to påtrykte frekvenser er forskjellige og mindre enn halvparten av den øvre frekvensgrense i arbeidsområdet for ultralydtransduktoren, registrering av de reflekterte ultralydsignaler fra inspeksjonsområdet, i ultralydtransduktoren, og prosessering av de mottatte registrerte signaler for ytterligere analyse, undersøkelse av ultralydsignalnivået ved en frekvens som er summen av eller forskjellen mellom de to påtrykte ultralydfrekvenser f0 og fp, fra de reflekterte og refleksjonsspredte signaler, og der kontrastmidlet er inni objektet som skal avbildes, karakterisert ved at styrken av det påtrykte ultralydsignal ved minst den ene av frekvensene £ og fp er tilstrekkelig til å få minst en del av mikroboblene i eller produsert av kontrastmediet til å briste.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at kontrastmediet er et medium som inneholder mikropartikler basert på fettsyreinneholdende laktosepartikler eller som består av en gasskjerne og et biodegraderbart ytre polymerskall, eventuelt bundet med molekyler med steds-, struktur- og/eller vevsspesifikke egenskaper.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at påtrykksfrekvensen foer2-5MHz.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det påtrykte ultralydtrykk er fra 0,01 - 5 MPa.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at lydtrykket er fra 0,03 -1 MPa.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at 1 - 50 ultralydpulser sendes ut pr sekvens.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at 2 - 8 pulser sendes ut pr sekvens.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved undersøkelse av refleksjon ved 2 f0.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at inspeksjonsområdet er et kroppsområde og at konsentrasjonen av mikrobobler fra kontrastmediet i dette kroppsområde er omkring 1000 mikrobobler pr cm<3> eller mindre.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at kontrastmediet er et medium som inneholder mikropartikler basert på fettsyreinneholdende laktosepartikler eller som består av en gasskjerne og et biodegraderbart ytre polymerskall, eventuelt bundet med molekyler med steds-, struktur- og/eller vevsspesifikke egenskaper.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at påtrykksrfekvensen f0er2-5MHz.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det påtrykte ultralydtrykk er fra 0,01 - 5 MPa.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at lydtrykket er fra 0,03 -1 MPa.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at 1 - 50 ultralydpulser sendes ut pr sekvens.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at 2 - 8 pulser sendes ut pr sekvens.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved undersøkelse av refleksjon ved 2 f0.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at inspeksjonsområdet er et kroppsområde og at konsentrasjonen av mikrobobler fra kontrastmediet i dette kroppsområde er omkring 1000 mikrobobler pr cm<3> eller mindre.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at inspeksjonsområdet er et kroppsområde på en pasient, og at mikroboblekonsentrasjonen i kontrastmediet i dette område ligger mellom 1000 og 100 000 mikrobobler pr cm<3>.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at inspeksjonsområdet er en pasients kroppsområde, og at mikroboblekonsentrasjonen i kontrastmediet innført i dette er mellom 1000 og 100 000 mikrobobler pr cm<3>.