SE467039B - Anordning baserad paa ultraljud, saerskilt foer undersoekning av taet vaevnad - Google Patents

Description

467 039 Uppfinningen är baserad på att den täta vävnaden som skall undersökas utsättes för lâgfrekvent vibration. Ett hög- frekvent ultraljud överfört till vävnaden moduleras av den lågfrekventa vibrationen. Den reflekterade ultraljudsigna- len behandlas medelst tidsuppdelning, och vibrationssignal- komponenten bandpassfiltreras för ytterligare behandling.

Gränsskikt hos den täta vävnaden visas av den behandlade signalens amplitudmaxima.

Mer speciellt kännetecknas anordningen enligt uppfinningen av det som anges i den kännetecknande delen till krav 1.

Uppfinningen medför väsentliga fördelar.

I motsvarighet härtill åstadkommer anordningen enligt upp- finningen realtidbestämning av läget för gränssnittprofiler hos vävnad samt för behandlingsinstrument under behandlings- operationen. Anordningen är enkel att använda och ofarlig för patienten. Anordningen är vidare fördelaktig ur kostnads- synpunkt med avseende på erhållen upplösning och enkel an- vändning.

Nedan skall uppfinningen skärskådas mer i detalj medelst några exemplifierande utföringsformer i enlighet med bifogade ritningar.

Fig. 1 visar ett mätsystem med en anordning enligt upp- finningen.

Fig. 2 visar en data-behandlad bild erhållen medelst anord- ningen enligt uppfinningen.

Fig. 3 visar i ett blockschema anordningen enligt uppfinningen.

Fig. 4 visar i ett blóckschema en mätkanal i den i fig. 3 visade anordningen. 467 039 Fig. 5 visar ett tidsdiagram av signalerna under en vibra- tionscykel i den i fig. 4 visade anordningen.

Fig. 6 är en perspektivvy av ett annat mätsystem med en anordning enligt uppfinningen.

Fig. 7 visar i en delvis schematisk planvy hur den i fig. 6 visade anordningen arbetar.

Med användning av i fig. 1 visad laboratorieutrustning av- söktes tanden som skulle undersökas medelst ett X-Y-bord 1 under en omvandlare eller transduktor 3 som var monterad på en borrarm 2. X-Y-bordet manövrerades av en dator 4 via stegmotorer 5 anbragta vid bordets mikrometerskruvar. Dess- utom fanns mellan stegmotorerna 5 och datorn 4 en separat styrenhet 6 som tjänade såsom en buffertförstärkare för steg- motorerna 5. Transduktorn 3 var en fokuserad ultraljudomvand- lare på 5 MHz. Vanligen innefattar ultraljudomvandlaren 3 såväl en sändar- som en mottagardel. För närvarande utföres de flesta omvandlare av keramiskt piezoelektriskt material.

En nålsond 7 var anbragt vid metallfolien till en miniatyr- summer 8 med hjälp av kontaktcement. Miniatyrsummern 8 drevs av en oscillator 9 som hade en svängningsfrekvens inställbar i området 200-600 Hz. Oscillatorns 9 ineffekt var omkring 4 W men den alstrade avgivna energinivån var avsevärt lägre än hos på marknaden tillgängliga vibratorer. En konventionell laboratoriedrivkälla användes såsom drivkälla 10. Erfordrade energipulser till omvandlaren alstrades av en pulsgivare 11 som även tjänade som mottagare och förstärkare av mottagna ekosignaler. Den mottagna ekopulsen styrdes av en grindenhet 12 med sådan tidsinställning att den endast medgav passage genom grinden av ekot från undersökningsområdet. Ett filter 13 användes för uttagning av vibrationsfrekvensen hos nålen 7 genom bandpassfiltrering från ekopulsen, och en likriktare 14 åstadkom vibrationsnivâsignalen genom likriktning. Den detekterade signalnivån uppmättes av en voltmeter 15 inte- grerad i systemet och styrd av datorn 4. Vågformerna över- 467 039 vakades av ett oscilloskop 16. Dessutom övervakade datorn 4 hela mätförloppet och uppsamlade mätdata på en diskett.

Svepmönstret över den undersökta tanden ordnades i en matris med 25-40 celler, i vilken cellstorleken var 0,5 x 0,5 mmz- De uppmätta spänningsnivåerna lagrades på disketter. Varje mätförlopp över ett undersökningsområde tog omkring 45 minu- ter. Det undersökta föremålet var ett svinkäkben.

Mätningarna genomfördes med användning av följande grund- inställningar: Omvandlarens 3 avstånd från nålsonden 7 var approximativt 20 mm, omvandlarens drivsignalfrekvens var 5 MHz, fördröjningen av nålekot i vatten var approximativt 25 ps, och nålens vibrationsfrekvens var approximativt 500 Hz.

Tanden som skulle undersökas nedsänktes i vatten, och kind- tänderna (molarer) utvaldes för undersökning. Badtemperaturen var approximativt 2000. På en diskett lagrade data analyse- rades med användning av ett program i dataspråket BASIC.

Inmatade data till programmet togs från de höga spännings- nivåer hos signalspänningsvärdena som orsakades av nål- vibrationen samt av de spänningsnivâer som orsakades av tandens vibration där denna var detekterbar ur bakgrunds- bruset. Att alstra en bild på skärmen tog omkring en minut.

Att programexekveringen gick långsamt hade huvudsakligen samband med det använda programspråket. Framgångsrika resultat av undersökningarna kunde uppenbarligen även upp- nås genom vätning av tanden som skulle undersökas och place- ring av en gummiblåsa mellan tanden och omvandlaren.

I fig. 2 visas den uppmätta matrisen i approximativt 12 gångers förstoring. Matriscellen i figuren har sålunda approximativt dimensionerna 6 x 6 mmz. Matrisen represen- 467 039 terar en i längdriktningen snittad skiva av tanden. Varje matriscell motsvarar ett mätresultat, vilket i praktiken är relaterat till det uppmätta likspänningsvärdet. Kål- sonden 7 synes i mitten av figuren som ett horisontellt stàngliknande område med den mörkaste rasterformen. Käk- benet står att finna vid figurens högra sida. Nålsczdens läge är sålunda enkelt definierbart med hjälp av arrange- manget enligt uppfinningen. Identifiering av tandprcfilen mot bakgrunden är vidare möjlig genom att beräkna :edel- värdet av flera, den ena efter den andra tagna bilder.

Illustrationen är förtydligad med gränslinjer som definierar pulpkaviteten 30 och tandens 17 ytteryta.

Kvaliteten hos mätresultaten påverkades icke väsentligen av moduleringsnålens arbetsfrekvens. I stället hade nålens arbetsfrekvens en signifikant inverkan på mäthastiçïeten.

En högre frekvens resulterade i en motsvarande snabbare mätning. Dessutom var störningsnivàn relaterad till nâlens arbetsfrekvens. Problem uppstod nämligen till följd av svårigheten att finna en vibrationsfrekvens vid vilken samverkan mellan pulsalstrarens pulshastighet (approxima- tivt 5,5 kH2) och störningar i nätspänningen (50 Hz) skulle uppgå till ett minimum. Ett lämpligt frekvensområde befanns vara 200-800 Hz. Vid kommersiella tillämpningar bör puls- hastigheten öka till omkring 20 kHz, så att nålens vibra- tionsfrekvens kan vara omkring 1 kHz. På detta sätt kan mäthastigheten bli tillräckligt hög, och vidare är filtre- ring av den användbara signalen enkel att åstadkomma.

Enligt fig. 3 innefattar en för kommersiellt bruk tillver- kad mätapparat en omvandlarenhet 18 och en analysenhet 19 som dessutom innefattar en analogdel 20, en dataâtervinnings- del 21, en databehandlingsdel 22 och en bildbehandlingsdel 23. Dessutom inkluderar systemet en vibrator (icke visad) som är en av tryckluft driven pulpabehandlingsanoräzing vanligen använd av tandläkare. Omvandlarenheten 18 inklu- derar en ultraljudomvandlare med linjärt mönster sa;t en 467 059 pâverkningsmekanis: för att röra omvandlaren. Detta arrange- mang ersätter det X-Y-bord som användes i systemet vid labo- ratorieexperiment. Crvandlarenheten 18 inkluderar även de elektroniska kretsar som erfordras för förstärkning av om- vandlarsignalerna cch styrning av påverkningsmekanismen.

Utformningen av onvazdlarenheten 18 liknar en elektrisk tandborste som tryckes mot tanden under undersökningen. Om- vandlarenheten 18 är kabelansluten till analysenheten 19. Ändamålet med dataåtervinningsdelen 21 är att styra mät- ningen och att samla zätresultat från den analoga delen 20 till RAM-minnet. Eatabehandlingsdelen 22 hämtar mätresul- tat fràn dataåtervinringsdelens 21 minne och genomför er- fordrade operationer för mönsterigenkänning. Bildbehand- lingsdelen 23 alstrar bildfilerna och styr bildskärmen eller annat liknanše ut-organ. Systemet är kapabelt att uppnå en bildalstrings- och uppdateringshastighet av åtmin- stone 1 bild/10 s. 2 I fig. 4 visas en Lätkanal till analysenheten 19 som be- tjänar en omvandlare. Det totala antalet kanaler motsvarar antalet omvandlare i det linjära mönstret. Dataåtervinnings- delen 21 styr den aktuella omvandlarenhetens 18 och den analoga delens 20 arbete.

Dataåtervinningsdele: 21 ger erfordrad styrinformation till timern 22 och reglerar förstärkningen hos förförstär- karen A2 liksom längden av fönsterfördröjningar. Timern 22 avger styrpulser UC till pulsalstraren 24 och bestämmer startögonblicket för fönsterfördröjningen till en fördröj- ningsdel 25. Den programmerbara fördröjningsdelen 25 alstrar grindfönstrets styrsignal U8 till en analog omkopplare 26.

Pulsalstraren 24 avger styrpulser U1 till omvandlaren 27 vid en nivå som är anpassad till ultraljudomvandlaren.

Ultraljudomvandlaren 27 är av puls-ekotyp. Förstärkaren A1 förstärker ekosignalen U1 approximativt 20 dB för att erhålla tillräckligt kraftig signal U2 som skall överföras av ledningen till analysenheten 19. En ekosignals U2 467 059 spänningsnivå, förstärkt av en reglerbar förstärkare A2, inställes till lämplig nivå för amplitudmodulerad detek- tering. En amplitudmodulerad detektor 28 alstrar en signal U4 som är envelopsignalen till en förstärkt ekosignal U3.

En analog omkopplare 26 spärrar för ytterligare behandling en ekosiçnal U5 som är det eko som mottagits från det önskade djup som skall undersökas. Ett bandpassfilter 29 användes för att separera en modulerande vibrerande frek- vens U6 från ekosignalen U5. Den vibrerande frekvensens amplitudsignal U7 detekteras genom likriktning av den filtrerade vibrationsfrekvenssignalen U5 av likriktaren 31. Den likriktade signalen U7 omvandlas av en A/D-omvandlare 32 till Lämplig form för digital behandling.

I fig. 5 visas vågformerna över en vibreringscykel vid olika punkter hos det i fig. 4 visade exemplifierande blockschemat. Före den visade cykeln uppmätes ett tillräck- ligt stort antal vibrationscykler, så att signalens U7 spänningsnivå redan uppnått sitt slutvärde. En del av diagrammet motsvarar approximativt 10 ps så att modulations- frekvensen är omkring 2 kHz.

I enlighet med fig. 6 är en nål 7 till en rotkanalborr 33 införd i pulpan till en tand 17. Borrnâlen 33 drives av tryckluft som ledes till brotschinstrumentet 33 via slangar 34. Själva ultraljudomvandlarenheten 35 består av en om- vandlare 36 med linjärt mönster, vilken innefattar t.ex. 8 separata omvandlare. Omvandlaren 36 med linjärt mönster är monterad i en mönsterkropp 37, vars dimensioner är: djup 3 approximativt 16 mm, längd b approximativt 20 mm och höjd 3 approximativt 20 mm. Mönsteromvandlaren 36 är rörlig i kroppen 37 omkring sin längdaxel med hjälp av en motor 39 son är monterad vid en bärarm till ultraljudomvand- larenheten 35 och en påverkningsmekanism 38 monterad i ett stycke med omvandlarkroppen 37. Mellan omvandlarkroppen 37 och tanden 17 är införd en blåsa 42 som är fylld med t.ex. vatten. Tätt intill manövreringsmotorn 39 i ultraljuds- 467 059 enhetens 35 handtagsdel är monterad en elektronisk enhet 40 som tjänar till styrning av motorn 39 och signalbehand- ling. Mätsignalerna ledes via en kabel 41 för ytterligare behandling.

I enlighet med fig. 7 bestämmes tjockleken w av den detek- terade skivformade vävnaden av storleken av grindfönstret.

Med ett smalare fönster analyseras en tunnare skiva vilket följaktligen medger en förbättrad djupupplösning genom att grindfönstret göres smalare. Läget i djupled av skivan be- stämmes följaktligen av den tidsmässiga förflyttningen av fönstret. Följaktligen gäller att ju mer grindfönstret flyttas på tidskalan från pulsens sändningsögonblick desto djupare flyttas skivan som skall undersökas utmed axeln i djupled. Till följd av den modulering som alstras genom nålens 7 vibration presenterar de ekosignaler som er- hâlles från mönsteromvandlaren 36, dvs de ekon som erhålles från nålen och andra vibrerade föremål en signalnivå som är signifikant högre än några andra signaler som mottages från andra områden i grindsignalfönstret.

Driftparametrarna för en anordning enligt uppfinningen kan varieras på följande sätt: vibratorns vibrerande frekvens approximativt 100-1000 Hz, lämplig ultraljudfrekvens approxi- mativt 3-15 MHz och ekosignalförstärkning approximativt 20-60 dB.

Anordningen enligt uppfinningen kan användasfÖrUtOm för meöi- cinska tillämpningar, även för att undersöka sådana fysi- kaliska kompositstrukturer i vilka hårt material kombineras med böjligt eller smidigt material.

Genom att ersätta det uppmätta föremålets vibration kan själva omvandlaren alternativt vibreras vid låg frekvens.

En väsentlig egenskap för en utföringsform av uppfinningen är att den relativa rörelsen mellan det uppmätta föremålet och omfandlaren sker med låg frekvens.

I)

Claims (4)

1. OX \1 CD (J I \C> Patentkrav Ultraljudbaserad mätanordning, särskilt för under- sökning av tät vävnad, vilken anordning innefattar:

2. en pulsgenerator (24) med förmåga att generera en hög- frekvenssignal, en ultraljudomvandlare (36) ansluten till pulsgeneratorn (24), i vilken omvandlare den högfrekventa drivsignalen kan omvandlas till en ultraljudutsändning som kan riktas mot ett föremål (17) som skall undersökas, en ultraljudmottagare (36), i vilken den akustiska signa- len kan omvandlas till en elektrisk signal, och ett mät- och analyssystem (19) som är anbragt vid ultra- ljudmottagaren (36), i vilket system intensiteten hos och fördröjningen av den med ultraljudmottagaren (36) mot- tagna signalen kan bestämmas i förhållande till den sända signalen och sålunda göra det möjligt att generera en modell av det uppmätta föremålet som skall alstras, ä n n e t e c k n a d av en vibrator (33) med vilken föremålet (17) som mätes eller ultraljudsändaren (36) kan vibreras med låg frek- vens, en detekteringsanordning (20) anordnad tillsammans med ultraljudmottagaren (36), med vilken detektor nivån för _den lågfrekventa vibrationssignalen kan detekteras från ekosignalen för att medge bestämning av gränssnittlägen hos det vibrerade föremålet (17) från fördröjningar som motsvarar maximivärdena för den lågfrekventa signalen i förhållande till den högfrekventa pulsen. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att vibratorn (33) är en av tryckluft driven nål (7) som är införd i det undersökta föremålet, t.ex, i en rot- kanal till en tand Y17) som undersökes. 467 G39 10

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k- n a d av att genom att inkorporera en amplitudmodulerad detektor (28) med vilken den låofrekventa vibrationssiçnal- nivån kan detekteras genom amplitudmodulerino från eko- signalen, en fönstergrind (26, 25) med vilken den detekte- rade amplitudmodulerade ekosignalen kan temporärt släppas igenom med en puls, ett filter (29) vid vilket fönster- signalen kan filtreras, en likriktare (31) med vilken den filtrerade signalen kan likriktas så att gränssnittläçena hos det vibrerande föremålet kan bestämmas från det tempo- rära förhållandet mellan den likriktade siçnalens maximi- värde och den överförda ultraljudpulsen.

4. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att filtret (29) är ett bandpassfilter, vars medelfrek- vens är anpassad till vibrationsfrekvensen. *fw .W