WO2007137848A1 - Device and method for representing the inner structure of a body by means of laser-induced ultrasound diagnosis - Google Patents

Device and method for representing the inner structure of a body by means of laser-induced ultrasound diagnosis Download PDF

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WO2007137848A1
WO2007137848A1 PCT/EP2007/004822 EP2007004822W WO2007137848A1 WO 2007137848 A1 WO2007137848 A1 WO 2007137848A1 EP 2007004822 W EP2007004822 W EP 2007004822W WO 2007137848 A1 WO2007137848 A1 WO 2007137848A1
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Somakanthan Somalingam
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Somakanthan Somalingam
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Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic diagnostic device according to the preamble of claim 1 and a method for non-invasive, two- and / or three-dimensional representation of the internal structure of a body according to claim 1 1.
  • the generation of an ultrasound image in medicine is based on the fact that ultrasound irradiated into the body is reflected to different degrees on different tissues. When transitioning between media of different densities, the speed of sound changes.
  • ultrasonic waves are used in pulses, that is as wave packets.
  • the time difference between the signal generation and the signal reflected from different types of tissue is measured. From this value for the term is taken into account
  • the speed of sound in tissue calculates the distance between the sensor on the body and the reflective layer inside the body. With a computer, this distance information is processed into an image. Structures smaller than the wavelength of the ultrasound used can no longer be resolved. For the diagnosis therefore are in the
  • 25 usually applied frequencies from 2 MHz to 8 MHz. It is true that the sound penetrates deeper into the tissue, the lower its frequency.
  • the examination of the cardiovascular system With the help of the established blood flow velocities it allows to make statements about constrictions and occlusions of the vessels. Not only one blood cell is registered in the blood, but many blood cells with different speeds. In the spectral Doppler method, the vessel is only used by
  • the generation of ultrasound and the reception of echo signals is based on the reverse piezoelectric effect in conventional sonography methods.
  • an alternating electrical voltage to a piezoelectric crystal, this deforms and is excited to vibrate, whereby sound waves are emitted.
  • the sound signals that occur cause a deformation of the crystal.
  • These deformations cause an electrical charge shift in the crystal, which can then be tapped as electrical voltage.
  • sources and receivers mainly crystals of lead zirconate titanate are used.
  • the transducer of a diagnostic device contains one or more piezoelectric elements, which can be arranged differently.
  • WO 02/054948 A1 discloses a device for evaluating the tooth structure using laser-based ultrasound, which has a pulse laser for laser-induced ultrasound generation and an optical interferometric detection device for optically detecting the sound wave forms generated inside and on the surface of the tooth structure ,
  • the invention has for its object to provide an ultrasound diagnostic device and a method of the type mentioned above, the one for the patient in terms of radiation exposure, contrast agent loading and application of gel layer or the like stress-reduced and simultaneously accurate representation of internal Organs, vessels and tissue structure allow. In addition to be guaranteed according to the task automation of the examination of a patient.
  • the above objects are achieved by an ultrasonic diagnostic device having the features of claim 1.
  • the above objects are achieved by a method having the features of claim 11.
  • the generated ultrasonic waves are modulated in the invention by varying the laser pulse duration.
  • the resolution increases with increasing frequency of the ultrasonic waves, but the penetration depth of the ultrasound into the tissue decreases.
  • the laser pulse duration of the laser radiation it is possible to regulate the frequency of the ultrasonic waves generated and thus the penetration depth of the ultrasonic waves into a tissue or to change so that organ structures of different depths in the body under investigation can always be detected in an optimal resolution.
  • the variation of the laser pulse duration or length takes place in dependence on the depth of the object in the body or on the distance between the body surface and the object in the interior of the body.
  • Objects closer to the body surface are probed with ultrasonic waves that are higher in frequency than ultrasonic waves used to examine deeper-lying objects such as the liver or kidney.
  • the frequency of the ultrasound waves produced can thus be optimized for a depth of the object to be examined in the body, wherein the optimization relates to the representation of the object in an optimal resolution.
  • the laser pulse duration can be continuously varied over a predetermined range, with each laser pulse duration being adjustable in the range.
  • This requires a suitably trained laser or an appropriately designed laser source.
  • the laser modulator is preferably designed for continuous variation of the laser pulse duration in the range of preferably 5 to 100 ns.
  • it is not absolutely necessary to continuously change the laser pulse duration and thus the generated ultrasonic frequencies.
  • it is also possible to set or change the laser pulse duration stepwise or discretely in order to achieve a discretization of the ultrasonic frequency for different penetration depths.
  • solid-state lasers, semiconductor lasers and dye lasers can be used for the induction of ultrasound.
  • a modulation of the pulse duration is otherwise possible.
  • an active, controlled Q-switching module in the laser resonator that is by modifying the laser hardware, the pulse duration can be changed.
  • the pulse duration can be changed.
  • lasers can be used.
  • infrared semiconductor lasers can be used. Basically, however, cw laser other wavelengths can be used.
  • laser beams with pulse durations in the range of 5 to 100 ns are used to induce ultrasound, so that the area of the so-called "thermal confinement" is not left.
  • a pulse duration of, for example, 50 ns for example, ultrasonic waves with a frequency of approximately 10 MHz can be generated, which is important for medical imaging.
  • the pulse repetition frequency should be in the range between 8 to 12 Hz, in particular at 10 Hz.
  • the analyzer also preferably comprises means for optically interferometric scanning of the surface of the body caused by reflected ultrasonic waves.
  • the surface modulation caused by the reflected ultrasound is detected directly by interferometer.
  • the recording of the deformation of the surface of the body due to the reflected ultrasonic waves inside the body is carried out opto-electronically spatially and temporally resolved. As a result, the inner body structures can be detected with high accuracy.
  • optical and / or mechanical components are provided for the planar irradiation of the body by widening the laser radiation and / or for multi-beam illumination of the body by splitting the laser radiation. This results in a significant reduction in the time required for the examination of a body.
  • optical and / or mechanical components for scanning the surface of the body with the laser radiation may be provided, wherein when the surface is scanned at least at two different locations of the surface. be generated or excited by laser irradiation ultrasonic generating centers.
  • the analyzer is designed to detect the echoes of the ultrasonic waves emanating from different ultrasound production centers in an interferometric manner.
  • means for tomographic representation of the internal spatial structure of the body can be provided by using depth information of the body, the depth information being obtainable by evaluating the detected echoes of ultrasound waves of different frequency.
  • the tomographic visualization allows a three-dimensional reconstruction of internal structures of the body, for example of specific organs or specific body distances. Moreover, it allows the invention to produce sectional images of a complete organ or a specific body portion, which requires a corresponding design of the ultrasonic diagnostic device.
  • the invention makes it possible, if necessary, to combine the features mentioned in the claims and / or the features disclosed and described with reference to the drawing, even if this is not described in detail.
  • the invention is not limited to the illustrated and described embodiment of an ultrasonic diagnostic device.
  • the features mentioned in the dependent claims may also be provided in such ultrasonic diagnostic devices that do not allow any variation of the laser pulse duration.
  • the features mentioned in the dependent claims therefore each ownfinderische meaning.
  • Ultrasound reflected from vessels, organs and tissues is detected interferometrically on the skin surface of a body in the method according to the invention and evaluated by electronic means.
  • the high penetration depths of ultrasound in biological media and the high spatial resolution are combined with the good contrast of optical methods.
  • purely optical imaging systems are restricted directly to skin surface areas.
  • the inventive method ensures a contact-free scanning of the points to be examined on the object.
  • the invention enables automation and consequent standardization of organ and vascular diagnosis.
  • the new method offers the greatest possible spatial resolution and non-invasive and non-contact detection of the structures to be examined.
  • the frequency of the pulsed laser light used is not critical per se; Laser light can be used in the infrared, visible and ultraviolet ranges.
  • the laser energy used can range from low-energy to high-energy pulsed lasers.
  • a safety limit for human skin of about 200 mW / cm 2 should not be exceeded.
  • body in the context of the invention comprises animal and human bodies, in particular bodies of mammals, more particularly of escorts, domestic animals, utility animals and laboratory animals.
  • the invention allows a pictorial representation of the internal structure of a body of living things, in particular of internal organs and tissue structures, for example of blood vessels.
  • the ultrasound diagnostic device according to the invention is suitable not only for the clinical examination of human and animal patients but also for use in preclinical research to investigate the influence of new drugs on the organisms or their functionality in laboratory animals.
  • the device according to the invention is particularly suitable for detecting and displaying deeper regions in bodies, in particular for detecting and displaying body organs and lower-lying blood vessels.
  • (A) which have a laser modulator, which is designed for free adjustment of the pulse duration or pulse length and optionally for regulating the laser intensity;
  • modulators have for preferably continuous modulation of the frequency of the induced ultrasound via the variation of the laser pulse duration or laser pulse length of the laser or the laser pulse duration or laser pulse length of the laser or the generated laser radiation for regulating the penetration depth of the ultrasound in the biological tissue.
  • the surface is modulated by reflected ultrasound; if the reflectivity of the skin surface is not sufficient for the laser radiation used, the reflection of the skin surface can be improved by applying a nano-metal powder, a foil, a gel or a spray with appropriate substances. Basically, however, the reflection on the skin is sufficient, so that preferably an increase in the reflectivity is not provided. Something else may apply if the reflection of the signal beam to the skin back into the interferometer is insufficient, which can be the result of burns or occurs on very rough skin;
  • (ii) have arrangements in which means for beam expansion, beam deflection, beam guidance, beam splitting and / or intensity regulation are provided; (iii) having arrangements in which the ultrasound-based echo signals from within the body modulate the surface of the body, the echo signals being generated in the body and being formed by reflected ultrasonic waves; (iv) having arrangements in which the optical signal beam irradiates the modified body surface and temporally and spatially modulates the optical phase in correlation with the surface modulation; (v) which have arrangements in which means are provided for interferometrically superimposing the phase-modulated optical signal beam with a reference optical beam; (vi) having arrangements in which means are provided for optoelectronic recording of the interference signals with sufficient time and space resolution; (vii) which have arrangements in which laser radiation of a plurality of laser wavelengths from a plurality of laser sources is used to improve the spatial resolution;
  • (xii) which detectors for determining gradients of blood flow velocities using the Doppler shift method in the frequency of the detected ultrasound, preferably of lower-lying blood vessels, in particular in order to localize, visualize and quantify narrowed and intact blood vessels;
  • Measuring process that is in real time, represent; (xvi) which have arrangements that allow to automate the complete and / or partial examination and its presentation.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an arrangement for generating
  • FIGS. 1 and 2 shows a schematic representation of an arrangement for the areal and / or pointwise optical scanning of the modulation of the surface of the body, caused by ultrasonic waves reflected by internal body components by means of an interferometer
  • Fig. 4 is a schematic representation of the generation of ultrasonic waves in the body by means of laser radiation and the detection of reflected ultrasonic waves by means of interferometry.
  • FIGS. 1 to 4 show a body 1 to be examined with a body limb 12, as a rule the skin, and internal organs 13 or vessels and tissue.
  • an ultrasonic generating device 2 is shown with means for generating and deforming laser light.
  • the ultrasonic generating device 2 comprises a laser source 21, a drive 22 for the laser source 21 and a beam shaping unit, which can have means 23 for beam expansion, means 24 for beam deflection and means 25 for intensity regulation.
  • FIG. 2 shows an interferometry device 5 for the optical detection of an echo signal of the generated ultrasound, which has a laser source and beam shaping unit 3 and an interferometric detection unit 4.
  • the laser source and beam shaping unit 3 has means for generating and deforming the laser light for the interferometric detection of ultrasound.
  • the laser source and beam shaping unit 3 has, in particular, a laser source 31 and a drive 32 for the laser source 31, and a beam shaping unit, which can include means 33 for beam expansion, means 34 for beam deflection and means 35 for intensity regulation.
  • the detection unit 4 may have means 45 for beam splitting, means 42 for optoelectronic detecting the optical reference pattern and an electronic computer unit 41 for evaluating and displaying the body information.
  • a first. Process step is irradiated to the skin surface 12 for generating ultrasound according to FIG. 1 laser radiation 26 of the laser source 21, preferably pulsed laser radiation with short laser pulses.
  • the pulse duration of the laser radiation 26 can be changed and controlled or adjusted by the control 22.
  • the laser-induced thermal expansion of the light-absorbing structures in the tissue of the body 1 generates according to Fig. 3 acoustic waves 61 by thermoelastic mechanisms, wherein the generated acoustic frequencies are mainly in the ultrasonic range.
  • the frequency of the ultrasound generated in this way is directly proportional to the laser pulse duration of the irradiated laser radiation 26, so that a continuous modulation in the frequency of the generated ultrasound 61 is made possible by a variation of the laser pulse duration of the laser source 21.
  • the ultrasound generating device 2 is preferably arranged so as to be movable relative to the body 1 and rests with the laser beam 26 one-dimensionally or two-dimensionally on the surface of the body 1 to be examined.
  • the laser source 21 can be fixed and the laser radiation 26 can be deflected via optical and / or mechanical components 24 toward the body 1 in accordance with a predetermined pattern.
  • the frequency of the ultrasound 61 which can be varied over the pulse duration of the laser beam 26, different penetration depths can be achieved in the tissue. This makes it possible to detect depth information about the internal structure of the body 1 in the axial direction. This allows a spatially resolved three-dimensional image of the internal organs 13 of the body 1, which requires a corresponding design of the ultrasound diagnostic device.
  • the illustrated ultrasonic diagnostic device provides interferometric detection of the reflected ultrasound by means of sufficiently coherent light.
  • the local generation of ultrasound waves 61 on the skin surface and the optical detection of the reflected ultrasound waves 62 by means of interferometry make it possible to decouple the ultrasound generation device 2 and the interferometry device 5.
  • an adapted sound transmission medium such as a gel layer, can be dispensed with. whereby further the working distance between the measuring unit and a body 1 can be freely selected.
  • the ultrasonic waves 62 reflected by the organs 13 propagate to the skin surface 12 and modulate them mechanically according to their amplitudes and frequencies.
  • the deformation of the skin surface 63 takes place in spatial and temporal correlation to the amplitudes and propagation delays of the reflected primary ultrasonic waves 62. This is shown in FIG.
  • the topology of the deformation is detected according to the invention optically spatially and temporally resolved interferometrically.
  • the coherent laser beam 36 of a second laser 31 for example a cw laser or a sufficient proportion of the laser radiation 26 of the ultrasound-generating laser source 21, which is branched off with the aid of optical elements, is coupled into an interferometer unit 4.
  • the interferometer unit 4 comprises the described light source as well as optical and mechanical components and an optoelectronic transducer 42.
  • the interferometry device 5 which is preferably movably arranged in three spatial directions, permits a scanning of the entire body 1. This can optionally be done sequentially.
  • the ultrasound generating device 2 and the interferometry device 5 can be arranged movably relative to one another and / or movable relative to the body 1. For example, in a profile measurement of the body 1, the ultrasound generating device 2 and / or the interferometry device 5 can be moved annularly in order to scan a profile of the body 1.
  • the temporally and spatially resolved recorded interference patterns include information about the amplitudes and frequencies of the reflected ultrasonic signal, as well as transit times and frequency shifts, filtering out overlays of the induced and reflected signals. This filtering can be achieved by a preceding calibration measurement.
  • the resolution of the interference signal depends primarily on the wavelength of the laser used and on the quality of the optoelectronic converters, in particular the signal / noise ratio of the intensified CCD (Charged Coupled Device).
  • CCD Charge Coupled Device
  • the interferometer arrangement for example "Fabry Perot", “Michelson”, “Mach-Zehnder” or the like, is freely selectable as required.
  • the ultrasound generation and the detection of echoes of ultrasound waves 61 by means of lasers have significant advantages over conventional methods involving the use of piezocrystals for ultrasound generation and detection: continuous frequency modulation is possible, whereby the penetration depth in the biological medium can be controlled.
  • the gel layer for the reflection-free transmission of ultrasound into the tissue is eliminated, whereby a detection can take place even in a vacuum.
  • the working distance between the body 1 to be examined and the detector or the ultrasound generating device 2 and the interferometry device 5 can be freely selected. Incidentally, measurements can be performed on moving bodies 1.
  • the punctually sampled or areal recorded interference patterns are analyzed by means of software and computer equipment.
  • the temporally and spatially resolved recorded interference patterns include the temporal and spatial modulation in the phase of the signal beam 43 in the form of generally high-frequency amplitudes, which are directly correlated with the mechanical surface modulation of the body 1, which differs from that of the interior of the body 1 reflected ultrasound.
  • the requirement for the optoelectronic converter includes, inter alia, a sufficient chronologically and spatially resolved recording of the intensity fluctuations for the purpose of separating the frequency shifts which are caused by the interior of the body itself and the frequencies of the carrier sound waves.
  • the properties of the reflected ultrasound are inter alia functions of the nature, in particular of the material and the density, the structure, in particular the morphology, and the state, in particular the movement, for example of blood bodies, inside the body 1.
  • the entire measuring unit of ultrasound generating device 2 and interference device 5 can be integrated in a closed housing or arranged in separate units for ultrasound generation and detection as well as for the evaluation of the measurement.
  • the measuring unit in total or in part, can be moved automatically and electronically controlled, keeping the body 1 at rest.
  • the body 1 moves and the measuring unit, in whole or in part, is kept at rest.
  • the evaluation of the Doppler shift in the frequency of the reflected ultrasound is provided.
  • Moving objects such as blood cells, change them Input frequency of the ultrasonic wave 61 proportional to its direction of movement and speed.
  • it can therefore be provided to determine the speed of the blood cells by means of a comparison of the input ultrasound frequency, whose determination is preceded by a calibration measurement, as well as information on the geometry of the vessels, on the degree and on potential velocity gradients to find out about the location of possible constrictions and to visualize them computer-aided.

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Abstract

An ultrasound diagnosis device is disclosed, comprising at least one laser source (21, 31) and at least one analyser, the laser source (21, 31) generating ultrasound waves (61) by means of pulsed laser irradiation (26) on the surface of a body (1) and in the analyser, the echo of the ultrasound waves (61) is recorded interferometrically and analysed. According the invention, a laser modulator is provided and the laser modulator is designed to vary the laser pulse duration of the laser irradiation (26), wherein the laser pulse duration may be set to at least two different laser pulse durations in order to alter the frequency of the generated ultrasound waves (61).

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR DARSTELLUNG DER INNEREN STRUKTUR EINES KORPERS MITTELS LASER INDUZIERTER ULTRASCHALL-DIAGNOSEDEVICE AND METHOD FOR PRESENTING THE INTERNAL STRUCTURE OF A BASKET BY MEANS OF LASER-INDUCED ULTRASOUND DIAGNOSIS
5 Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur nicht-invasiven, zwei- und/oder dreidimensionalen Darstellung der inneren Struktur eines Körpers nach Anspruch 1 1.The invention relates to an ultrasonic diagnostic device according to the preamble of claim 1 and a method for non-invasive, two- and / or three-dimensional representation of the internal structure of a body according to claim 1 1.
Die Sonographie ist die Anwendung von Ultraschall als bildgebendes VerfahrenSonography is the application of ultrasound as an imaging procedure
10 zur Untersuchung von organischem Gewebe in der Medizin und der Veterinärmedizin sowie von technischen Strukturen. Die Erzeugung eines Ultraschall- Bildes in der Medizin beruht darauf, daß in den Körper eingestrahlter Ultraschall an verschiedenen Geweben unterschiedlich stark reflektiert wird. Beim Übergang zwischen Medien verschiedener Dichte ändert sich die Schallgeschwindig-10 for the investigation of organic tissue in medicine and veterinary medicine as well as technical structures. The generation of an ultrasound image in medicine is based on the fact that ultrasound irradiated into the body is reflected to different degrees on different tissues. When transitioning between media of different densities, the speed of sound changes.
15 keit und es kommt an Grenzflächen entsprechend der akustischen Impedanzen zu Reflektionen. In der medizinischen Diagnostik werden Ultraschallwellen impulsartig eingesetzt, das heißt als Wellenpakete. Der Zeitunterschied zwischen der Signalerzeugung und dem von verschiedenen Gewebearten reflektierten Signal wird gemessen. Aus diesem Wert für die Laufzeit wird unter Berücksichtigung15 speed and it comes at interfaces according to the acoustic impedances to reflections. In medical diagnostics ultrasonic waves are used in pulses, that is as wave packets. The time difference between the signal generation and the signal reflected from different types of tissue is measured. From this value for the term is taken into account
20 der Schallgeschwindigkeit im Gewebe die Entfernung zwischen dem Sensor am Körper und der reflektierenden Schicht im Inneren des Körpers berechnet. Mit einem Computer werden diese Abstandsinformationen zu einem Bild verarbeitet. Strukturen, die kleiner als die Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls sind, können nicht mehr aufgelöst werden. Für die Diagnostik werden daher in derThe speed of sound in tissue calculates the distance between the sensor on the body and the reflective layer inside the body. With a computer, this distance information is processed into an image. Structures smaller than the wavelength of the ultrasound used can no longer be resolved. For the diagnosis therefore are in the
25 Regel Frequenzen von 2 MHz bis 8 MHz angewandt. Dabei gilt, daß der Schall umso tiefer in das Gewebe eindringt, je niedriger seine Frequenz ist.25 usually applied frequencies from 2 MHz to 8 MHz. It is true that the sound penetrates deeper into the tissue, the lower its frequency.
Mit der Schnittbildsonographie kann Aufschluß über die Anatomie der Körperorgane und des Gewebes gewonnen werden. Die Doppler-Sonographie dient un-With the Schnittbildsonographie information about the anatomy of the body organs and the tissue can be obtained. Doppler sonography is used
30 ter anderem der Untersuchung des Herz- und Gefäßsystems. Sie erlaubt mit Hilfe der festgestellten Blutflußgeschwindigkeiten, Aussagen über Verengungen und Verschlüsse der Gefäße zu treffen. Dabei wird im Blut nicht nur ein Blutkörperchen registriert, sondern sehr viele Blutkörperchen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Beim spektralen Doppler- Verfahren wird das Gefäß nur von30 inter alia, the examination of the cardiovascular system. With the help of the established blood flow velocities it allows to make statements about constrictions and occlusions of the vessels. Not only one blood cell is registered in the blood, but many blood cells with different speeds. In the spectral Doppler method, the vessel is only used by
35 einem Schallstrahl geschnitten. Es wird also zu einem festen Zeitpunkt gemessen und so die spektrale Geschwindigkeitsverteilung des Blutes ermittelt. Beim Farbdoppler- Verfahren wird an verschiedenen Orten gleichzeitig gemessen und die Laufzeit selektiv ausgewählt. So kann eine räumliche Verteilung der Blutgeschwindigkeit gewonnen werden.35 cut a sound beam. It is thus measured at a fixed time and thus determines the spectral velocity distribution of the blood. In the color Doppler method is measured at different locations simultaneously and the runtime selected selectively. Thus, a spatial distribution of the blood velocity can be obtained.
Die Erzeugung von Ultraschall sowie der Empfang von Echosignalen basiert bei konventionellen Sonographie- Verfahren auf dem umgekehrten piezoelektrischen Effekt. Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an einen piezoelektrischen Kristall verformt sich dieser und wird zu Schwingungen angeregt, wodurch Schallwellen ausgesendet werden. Im Empfangsfall bewirken die auftretenden Schallsignale eine Verformung des Kristalls. Diese Verformungen bewir- ken eine elektrische Ladungsverschiebung im Kristall, welche dann als elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Als Schallquellen und -empfänger werden überwiegend Kristalle aus Bleizirkonat-Titanat eingesetzt. Der Schallkopf eines Diagnosegerätes enthält dabei ein oder mehrere Piezoelemente, die unterschiedlich angeordnet sein können.The generation of ultrasound and the reception of echo signals is based on the reverse piezoelectric effect in conventional sonography methods. By applying an alternating electrical voltage to a piezoelectric crystal, this deforms and is excited to vibrate, whereby sound waves are emitted. In the case of reception, the sound signals that occur cause a deformation of the crystal. These deformations cause an electrical charge shift in the crystal, which can then be tapped as electrical voltage. As sources and receivers mainly crystals of lead zirconate titanate are used. The transducer of a diagnostic device contains one or more piezoelectric elements, which can be arranged differently.
Konventionelle Verfahren der Ultraschallerzeugung und -detektion mittels piezoelektrischer Kristalle erfordern ein angepaßtes Schallübertragungsmedium, beispielsweise eine Gelschicht, um die Ultraschallwelle vom Generator bzw. zum Detektor zum bzw. vom Körper verlustreduziert zu übertragen. Dabei ist ein direkter Kontakt mit dem Körper erforderlich. Die dazu vorgesehene Verwendung von elektro-mechanischen Komponenten führt zu deren Abnutzung, was ebenfalls von Nachteil ist.Conventional methods of ultrasound generation and detection using piezoelectric crystals require a matched sound transmission medium, such as a gel layer, to transmit the ultrasonic wave from the generator or to the detector to or from the body with reduced loss. This requires direct contact with the body. The intended use of electro-mechanical components leads to their wear, which is also disadvantageous.
Aus der WO 02/054948 Al ist eine Vorrichtung zur Beurteilung der Zahnstruk- tur unter Verwendung von laserbasiertem Ultraschall bekannt, die einen Impulslaser zur laserinduzierten Ultraschallerzeugung und eine optische interferometri- sche Erfassungseinrichtung zur optischen Erfassung der innerhalb und auf der Oberfläche der Zahnstruktur erzeugten Schallwellenformen aufweist.WO 02/054948 A1 discloses a device for evaluating the tooth structure using laser-based ultrasound, which has a pulse laser for laser-induced ultrasound generation and an optical interferometric detection device for optically detecting the sound wave forms generated inside and on the surface of the tooth structure ,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung und ein Verfahren jeweils der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine für den Patienten in Bezug auf Strahlenbelastung, Kontrastmittelbelastung und Auftragung von Gelschicht oder dergleichen belastungsreduzierte und gleichzeitig genaue Darstellung von inneren Organen, Gefäßen und Gewebestruktur ermöglichen. Darüber hinaus soll gemäß der Aufgabenstellung eine Automatisierung der Untersuchung eines Patienten gewährleistet sein. Die vorgenannten Aufgaben sind durch eine Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Darüber hinaus sind die vorgenannten Aufgaben durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst.The invention has for its object to provide an ultrasound diagnostic device and a method of the type mentioned above, the one for the patient in terms of radiation exposure, contrast agent loading and application of gel layer or the like stress-reduced and simultaneously accurate representation of internal Organs, vessels and tissue structure allow. In addition to be guaranteed according to the task automation of the examination of a patient. The above objects are achieved by an ultrasonic diagnostic device having the features of claim 1. In addition, the above objects are achieved by a method having the features of claim 11.
Die erzeugten Ultraschallwellen werden bei der Erfindung moduliert durch Variation der Laserpulsdauer bzw. -länge. Hierbei ist es so, daß mit steigender Frequenz der Ultraschallwellen zwar die Auflösung zunimmt, die Eindringtiefe des Ultraschalls in das Gewebe jedoch abnimmt. Durch Variation der Laserpulsdauer der Laserstrahlung ist es möglich, die Frequenz der erzeugten Ultraschallwellen und damit die Eindringtiefe der Ultraschallwellen in ein Gewebe zu regulieren bzw. so zu verändern, daß Organstrukturen unterschiedlicher Tiefe in dem untersuchten Körper stets in einer optimalen Auflösung erfaßt werden können. Die Variation der Laserpulsdauer bzw. -länge erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Tiefe des Objektes im Körper bzw. vom Abstand zwischen der Körperoberfläche und dem Objekt im Inneren des Körpers. Objekte, die näher an der Körperoberfläche liegen, wie beispielsweise die Schilddrüse oder die weibliche Brust, werden mit Ultraschallwellen untersucht, die eine höhere Frequenz aufweisen als Ultraschallwellen, die zur Untersuchung tiefer gelegener Objekte, wie beispielsweise der Leber oder der Niere, eingesetzt werden. Die Frequenz der erzeugten Ul- traschallwellen läßt sich somit optimieren für eine zu untersuchende Tiefe des Objektes im Körper, wobei die Optimierung die Darstellung des Objektes in einer optimalen Auflösung betrifft.The generated ultrasonic waves are modulated in the invention by varying the laser pulse duration. In this case, the resolution increases with increasing frequency of the ultrasonic waves, but the penetration depth of the ultrasound into the tissue decreases. By varying the laser pulse duration of the laser radiation, it is possible to regulate the frequency of the ultrasonic waves generated and thus the penetration depth of the ultrasonic waves into a tissue or to change so that organ structures of different depths in the body under investigation can always be detected in an optimal resolution. The variation of the laser pulse duration or length takes place in dependence on the depth of the object in the body or on the distance between the body surface and the object in the interior of the body. Objects closer to the body surface, such as the thyroid gland or the female breast, are probed with ultrasonic waves that are higher in frequency than ultrasonic waves used to examine deeper-lying objects such as the liver or kidney. The frequency of the ultrasound waves produced can thus be optimized for a depth of the object to be examined in the body, wherein the optimization relates to the representation of the object in an optimal resolution.
Die Laserpulsdauer kann über einen vorgegebenen Bereich kontinuierlich verän- derbar sein, wobei jede Laserpulsdauer in dem Bereich einstellbar ist. Dies setzt einen entsprechend ausgebildeten Laser bzw. eine entsprechend ausgebildete Laserquelle voraus. Dadurch ist es möglich, Ultraschallfrequenzen beliebiger Höhe in einem vorgegebenen Bereich zu erzeugen. In diesem Zusammenhang ist der Lasermodulator vorzugsweise zur kontinuierlichen Variation der Laserpulsdauer im Bereich von vorzugsweise 5 bis 100 ns ausgebildet. Grundsätzlich ist es aber nicht unbedingt erforderlich, stufenlos die Laserpulsdauer und damit die erzeugten Ultraschallfrequenzen zu verändern. Beispielsweise ist es auch möglich, die Laserpulsdauer stufenweise bzw. diskret einzustellen bzw. zu verändern, um eine Diskretisierung der Ultraschallfrequenz für verschiedene Eindringtiefen zu errei- chen. Erfindungsgemäß können für die Induzierung von Ultraschall Festkörperlaser, Halbleiterlaser und Farbstofflaser eingesetzt werden. Durch geeignete elektrotechnische Ansteuerung bzw. durch die Verwendung von optischen und opto- mechanischen Komponenten ist im übrigen eine Modulation der Pulsdauer mög- lieh. Darüber hinaus kann durch Integration eines aktiven, gesteuerten Q- Switching-Moduls im Laserresonator, das heißt durch Modifikation der Laserhardware, die Pulsdauer verändert werden. Für die Detektion können alle gängigen Lasertypen verwendet werden. Vorzugsweise können Infrarot-Halbleiterlaser zum Einsatz kommen. Grundsätzlich sind jedoch auch cw-Laser anderer Wellenlängen einsetzbar.The laser pulse duration can be continuously varied over a predetermined range, with each laser pulse duration being adjustable in the range. This requires a suitably trained laser or an appropriately designed laser source. This makes it possible to generate ultrasonic frequencies of any height in a given range. In this connection, the laser modulator is preferably designed for continuous variation of the laser pulse duration in the range of preferably 5 to 100 ns. In principle, however, it is not absolutely necessary to continuously change the laser pulse duration and thus the generated ultrasonic frequencies. For example, it is also possible to set or change the laser pulse duration stepwise or discretely in order to achieve a discretization of the ultrasonic frequency for different penetration depths. According to the invention, solid-state lasers, semiconductor lasers and dye lasers can be used for the induction of ultrasound. By suitable electrotechnical activation or by the use of optical and opto-mechanical components, a modulation of the pulse duration is otherwise possible. In addition, by integrating an active, controlled Q-switching module in the laser resonator, that is by modifying the laser hardware, the pulse duration can be changed. For the detection all common types of lasers can be used. Preferably, infrared semiconductor lasers can be used. Basically, however, cw laser other wavelengths can be used.
Vorzugsweise werden Laserstrahlen mit Pulsdauern im Bereich von 5 bis 100 ns zur Induzierung von Ultraschall verwendet, so daß der Bereich des sogenannten "thermal confinement" nicht verlassen wird. Bei einer Pulsdauer von beispiels- weise 50 ns können zum Beispiel Ultraschallwellen mit einer Frequenz von ca. 10 MHz erzeugt werden, was für die medizinische Bildgebung von Bedeutung ist. Die Puls-Repititionsfrequenz sollte im Bereich zwischen 8 bis 12 Hz, insbesondere bei 10 Hz, liegen.Preferably, laser beams with pulse durations in the range of 5 to 100 ns are used to induce ultrasound, so that the area of the so-called "thermal confinement" is not left. With a pulse duration of, for example, 50 ns, for example, ultrasonic waves with a frequency of approximately 10 MHz can be generated, which is important for medical imaging. The pulse repetition frequency should be in the range between 8 to 12 Hz, in particular at 10 Hz.
Der Analysator weist darüber hinaus vorzugsweise eine Einrichtung bzw. Komponenten zur optischen, interferometrischen Abtastung der durch reflektierte Ultraschallwellen verursachten Modulation der Oberfläche des Körpers auf. Bei der Erfindung wird die Oberflächenmodulation, die durch den reflektierten Ultraschall verursacht wird, unmittelbar bzw. direkt mittels Interferometer erfaßt. Die Aufzeichnung der Deformation der Oberfläche des Körpers aufgrund der im Inneren des Körpers reflektierten Ultraschallwellen erfolgt dabei opto-elektronisch räum- und zeitaufgelöst. Dadurch lassen sich die inneren Körperstrukturen mit hoher Genauigkeit erfassen.The analyzer also preferably comprises means for optically interferometric scanning of the surface of the body caused by reflected ultrasonic waves. In the invention, the surface modulation caused by the reflected ultrasound is detected directly by interferometer. The recording of the deformation of the surface of the body due to the reflected ultrasonic waves inside the body is carried out opto-electronically spatially and temporally resolved. As a result, the inner body structures can be detected with high accuracy.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß optische und/oder mechanische Komponenten zur flächigen Bestrahlung des Körpers durch Aufweiten der Laserstrahlung und/oder zur Mehrstrahlillumination des Körpers durch Aufspalten der Laserstrahlung vorgesehen sind. Dadurch ergibt sich eine deutliche Verkürzung der Zeitdauer, die für die Untersuchung eines Körpers erforderlich ist. Im übrigen können optische und/oder mechanische Komponenten zum Abrastern der Oberfläche des Körpers mit der Laserstrahlung vorgesehen sein, wobei bei dem Abrastern der Oberfläche an wenigstens zwei unterschiedlichen Stellen der Oberflä- che durch Laserbestrahlung Ultraschallerzeugungszentren erzeugt bzw. angeregt werden. Durch Abrastern der Oberfläche des Körpers ist es möglich, die inneren Strukturen des Körpers vollständig zu untersuchen bei geringem Zeitaufwand. Dies setzt natürlich voraus, daß der Analysator zum interferometri sehen Erfassen der Echos der von unterschiedlichen Ultraschallerzeugungszentren ausgehenden Ultraschallwellen ausgebildet ist.In addition, it can be provided that optical and / or mechanical components are provided for the planar irradiation of the body by widening the laser radiation and / or for multi-beam illumination of the body by splitting the laser radiation. This results in a significant reduction in the time required for the examination of a body. Incidentally, optical and / or mechanical components for scanning the surface of the body with the laser radiation may be provided, wherein when the surface is scanned at least at two different locations of the surface. be generated or excited by laser irradiation ultrasonic generating centers. By scanning the surface of the body, it is possible to fully examine the internal structures of the body in a small amount of time. This, of course, assumes that the analyzer is designed to detect the echoes of the ultrasonic waves emanating from different ultrasound production centers in an interferometric manner.
Bei einer weiter bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschall-Diagnose-Vorrichtung können Mittel zur tomographischen Darstellung der inneren räumlichen Struktur des Körpers durch Verwendung von Tiefeninformationen des Körpers vorgesehen sein, wobei die Tiefeninformationen durch Auswertung der erfaßten Echos von Ultraschallwellen mit unterschiedlicher Frequenz erhältlich sind. Die tomographische Visualisierung ermöglicht eine dreidimensionale Rekonstruktion innerer Strukturen des Körpers, beispielsweise von bestimmten Organen oder bestimmten Körperabständen. Im übrigen läßt es die Erfindung zu, Schnittbilddarstellungen eines kompletten Organs oder eines bestimmten Körperabschnittes zu erzeugen, was eine entsprechende Ausbildung der Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung erfordert.In a further preferred embodiment of the ultrasound diagnostic device according to the invention, means for tomographic representation of the internal spatial structure of the body can be provided by using depth information of the body, the depth information being obtainable by evaluating the detected echoes of ultrasound waves of different frequency. The tomographic visualization allows a three-dimensional reconstruction of internal structures of the body, for example of specific organs or specific body distances. Moreover, it allows the invention to produce sectional images of a complete organ or a specific body portion, which requires a corresponding design of the ultrasonic diagnostic device.
Die Erfindung läßt es bedarfsweise zu, die in den Ansprüchen genannten und/oder die anhand der Zeichnung offenbarten und beschriebenen Merkmale miteinander zu kombinieren, auch wenn dies nicht im einzelnen beschrieben ist. Die Erfindung ist dabei nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform einer Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung beschränkt. Im übrigen können die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale auch bei solchen Ultraschall-Diagnose-Vorrichtungen vorgesehen sein, die keine Variation der Laserpulsdauer zulassen. Den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen kommt somit jeweils eigenerfinderische Bedeutung zu.The invention makes it possible, if necessary, to combine the features mentioned in the claims and / or the features disclosed and described with reference to the drawing, even if this is not described in detail. The invention is not limited to the illustrated and described embodiment of an ultrasonic diagnostic device. Moreover, the features mentioned in the dependent claims may also be provided in such ultrasonic diagnostic devices that do not allow any variation of the laser pulse duration. The features mentioned in the dependent claims therefore each ownfinderische meaning.
Von Gefäßen, Organen und Geweben reflektierter Ultraschall wird an der Hautoberfläche eines Körpers bei dem erfindungsgemäßen Verfahren interferome- trisch detektiert und auf elektronischem Wege ausgewertet. Dabei werden die hohen Eindringtiefen des Ultraschalls in biologischen Medien und die hohen Ortsauflösungen mit dem guten Kontrast der optischen Methoden kombiniert. Rein optische Abbildungssysteme bleiben dagegen unmittelbar auf Hautoberflächenbereiche beschränkt. Desweiteren gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren ein kontaktfreies Abtasten der zu untersuchenden Stellen am Objekt. Die Erfindung ermöglicht eine Automatisierung und eine dadurch bedingte Standardisierung der Organ- und Gefäßdiagnose. Neben erheblicher Kostenreduzierung und einfacher Bedienbarkeit bietet das neue Verfahren eine größtmögliche Ortsauflösung und eine nicht-invasive und kontaktfreie Erfassung der zu untersuchenden Strukturen. Die Frequenz des eingesetzten gepulsten Laserlichtes ist an sich unkritisch; es kann Laserlicht im Infrarotbereich, im sichtbaren Bereich und im ultravioletten Bereich eingesetzt werden. Die eingesetzte Laserenergie kann im Bereich der niedrigenergetischen bis zum Bereich der hochenergenti- sehen, gepulsten Laser liegen. Ein Safety Limit für menschliche Haut von etwa 200 mW/cm2 sollte jedoch nicht überschritten werden.Ultrasound reflected from vessels, organs and tissues is detected interferometrically on the skin surface of a body in the method according to the invention and evaluated by electronic means. The high penetration depths of ultrasound in biological media and the high spatial resolution are combined with the good contrast of optical methods. By contrast, purely optical imaging systems are restricted directly to skin surface areas. Furthermore, the inventive method ensures a contact-free scanning of the points to be examined on the object. The invention enables automation and consequent standardization of organ and vascular diagnosis. In addition to significant cost reduction and ease of use, the new method offers the greatest possible spatial resolution and non-invasive and non-contact detection of the structures to be examined. The frequency of the pulsed laser light used is not critical per se; Laser light can be used in the infrared, visible and ultraviolet ranges. The laser energy used can range from low-energy to high-energy pulsed lasers. However, a safety limit for human skin of about 200 mW / cm 2 should not be exceeded.
Der Begriff "Körper" im Sinne der Erfindung umfaßt tierische und menschliche Körper, insbesondere Körper von Säugetieren, weiter insbesondere von Begleit-, Haus-, Nutz- und Labortieren. Die Erfindung läßt eine bildliche Darstellung der inneren Struktur eines Körpers von Lebewesen zu, insbesondere von inneren Organen und Gewebestrukturen, beispielsweise von Blutgefäßen. Die erfindungsgemäße Ultraschall-Diagnoseeinrichtung eignet sich neben der klinischen Untersuchung von menschlichen und tierischen Patienten auch zum Einsatz in der präklinischen Forschung zur Untersuchung des Einflusses neuer Medikamente auf die Organismen oder deren Funktionalität bei Labortieren. Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erfassung und Darstellung tieferer Regionen in Körpern, insbesondere zur Erfassung und Darstellung von Körperorganen und tiefergelegenen Blutgefäßen.The term "body" in the context of the invention comprises animal and human bodies, in particular bodies of mammals, more particularly of escorts, domestic animals, utility animals and laboratory animals. The invention allows a pictorial representation of the internal structure of a body of living things, in particular of internal organs and tissue structures, for example of blood vessels. The ultrasound diagnostic device according to the invention is suitable not only for the clinical examination of human and animal patients but also for use in preclinical research to investigate the influence of new drugs on the organisms or their functionality in laboratory animals. The device according to the invention is particularly suitable for detecting and displaying deeper regions in bodies, in particular for detecting and displaying body organs and lower-lying blood vessels.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung sind solche,Preferred embodiments of the ultrasonic diagnostic device according to the invention are those
(a) welche einen Lasermodulator aufweisen, der zur freien Einstellung der Pulsdauer bzw. Pulslänge und gegebenenfalls zur Regulierung der Laserintensität ausgebildet ist;(A) which have a laser modulator, which is designed for free adjustment of the pulse duration or pulse length and optionally for regulating the laser intensity;
(b) welche optische und/oder mechanische Komponenten zur Aufteilung des Laserlichts jeweils zur interferometrischen Detektion und zur Ultra- schallerzeugung aufweisen;(b) which optical and / or mechanical components for dividing the laser light in each case for interferometric detection and ultrasound generation;
(c) welche eine Freistrahlanordnung aufweisen, bei der das Laserlicht auf den zu untersuchenden Körper eingestrahlt wird; (d) welche Mittel zur Erzeugung und/oder Formung interferenzfähiger kohärenter Laserstrahlen aufweisen;(c) having a free jet arrangement in which the laser light is irradiated on the body to be examined; (d) which comprise means for generating and / or shaping interference-capable coherent laser beams;
(e) welche Mittel zur räumlich und zeitlich aufgelösten Aufzeichnung von Interferenzmustern aufweisen;(e) having means for spatially and temporally resolved recording of interference patterns;
(f) welche eine Ultraschallerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen an der Oberfläche des Körpers und eine Interferometrieein- richtung zur interferometrischen Erfassung und Auswertung von Echos der erzeugten Ultraschallwellen aufweisen, wobei die Ultraschallerzeugungseinrichtung und die Interferometrieeinrichtung derart angeordnet sind, daß Schnittbilder des Körpers erzeugt und visualisiert werden können; (g) welche Mittel zur rechner- und softwaregestützten Aufzeichnung, Speicherung und Auswertung der Interferenzmuster sowie gegebenenfalls Bildverarbeitungs- und Anzeigeeinrichtungen aufweisen;(f) having ultrasonic generating means for generating ultrasonic waves on the surface of the body and interferometry means for interferometrically detecting and evaluating echoes of the generated ultrasonic waves, the ultrasonic generating means and the interferometry means being arranged to produce and visualize slice images of the body can; (g) having means for computer and software-based recording, storage and evaluation of the interference patterns and optionally image processing and display devices;
(h) welche eine Anordnung aufweisen, bei der Mittel zur geschützten Illumination des Körpers vor schädlicher Laserstrahlung vorgesehen(H) which have an arrangement provided in the means for the protected illumination of the body from harmful laser radiation
(i) weiche eine Anordnung aufweisen, bei der die Mittel zum Bestrahlen des Körpers mit dem Laserlicht einen Lichtleiter umfassen, um den Laserstrahl bzw. die Laserstrahlung verlust- und gefahrenfrei zu führen;(i) having an arrangement in which the means for irradiating the body with the laser light comprise a light guide to guide the laser beam and the laser radiation without loss and risk;
(j) welche eine Anordnung aufweisen, bei der Mittel zur beweglichen Anordnung des Lichtleiters zur Erzeugung punktueller oder flächiger Ultraschallerzeugungszentren im Körper vorgesehen sind durch ein-, zwei- oder dreidimensional gerasterte Bestrahlung des Körpers;(J) which have an arrangement in which means are provided for the movable arrangement of the light guide for generating point or area ultrasound generating centers in the body by one-, two- or three-dimensionally screened irradiation of the body;
(k) welche eine Anordnung aufweisen, bei der Mittel zur Strahlaufweitung zur flächigen Bestrahlung des Objekts vorgesehen sind;(k) which have an arrangement in which means for beam expansion are provided for the planar irradiation of the object;
(1) welche eine Anordnung zur automatisierten, elektronisch gesteuerten Führung einer Laser- und Strahlformungseinheit in allen Raumrichtungen aufweisen;(1) which have an arrangement for the automated, electronically controlled guidance of a laser and beam shaping unit in all spatial directions;
(m) wobei, vorzugsweise, durch rasterfÖrmiges Bewegen der Laser- und Strahlformungseinheit und/oder des Körpers eine Vielzahl von Erzeu- gungspunkten für Ultraschall angeregt werden kann;(m) wherein, preferably, by means of a grid-like movement of the laser and beam-shaping unit and / or the body, a multiplicity of generating points for ultrasound can be excited;
(n) welche Modulatoren aufweisen zur vorzugsweise kontinuierlichen Modulierung der Frequenz des induzierten Ultraschalls über die Variation der Laserpulsdauer bzw. Laserpulslänge des Lasers bzw. der er- der Laserpulsdauer bzw. Laserpulslänge des Lasers bzw. der erzeugten Laserstrahlung zur Regulierung der Eindringtiefe des Ultraschalls im biologischen Gewebe.(n) which modulators have for preferably continuous modulation of the frequency of the induced ultrasound via the variation of the laser pulse duration or laser pulse length of the laser or the laser pulse duration or laser pulse length of the laser or the generated laser radiation for regulating the penetration depth of the ultrasound in the biological tissue.
Weiterhin bevorzugt sind solche Ausführungsformen einer Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung,Further preferred are such embodiments of an ultrasonic diagnostic device,
(i) welche Mittel zur Steigerung der Reflektivität der Oberfläche für einen(i) which means for increasing the reflectivity of the surface for a
Signallaserstrahl aufweisen, wobei die Oberfläche durch reflektierten Ultraschall moduliert wird; wenn die Reflektivität der Hautoberfläche für die verwendete Laserstrahlung nicht ausreichend ist, kann durch Auftragen eines Nano-Metallpulvers, einer Folie, eines Gels oder eines Sprays mit entsprechenden Substanzen die Reflektion der Hautoberfläche verbessert werden. Grundsätzlich ist jedoch die Reflektion an der Haut ausreichend, so daß vorzugsweise eine Erhöhung der Reflektivität nicht vorgesehen ist. Etwas anderes kann dann gelten, wenn die Reflektion des Signalstrahls an der Haut zurück in das Interferometer nicht ausreicht, was die Folge von Brandwunden sein kann oder bei sehr rauer Haut auftritt;Signal laser beam, wherein the surface is modulated by reflected ultrasound; if the reflectivity of the skin surface is not sufficient for the laser radiation used, the reflection of the skin surface can be improved by applying a nano-metal powder, a foil, a gel or a spray with appropriate substances. Basically, however, the reflection on the skin is sufficient, so that preferably an increase in the reflectivity is not provided. Something else may apply if the reflection of the signal beam to the skin back into the interferometer is insufficient, which can be the result of burns or occurs on very rough skin;
(ii) welche Anordnungen aufweisen, bei denen Mittel zur Strahlaufweitung, Strahlablenkung, Strahlführung, Strahlaufteilung und/oder Intensitätsregulierung vorgesehen sind; (iii) welche Anordnungen aufweisen, bei denen die auf Ultraschall basierenden Echosignale aus dem Körperinneren die Oberfläche des Körpers modulieren, wobei die Echosignale im Körper erzeugt und durch reflektierte Ultraschallwellen gebildet werden; (iv) welche Anordnungen aufweisen, bei denen der optische Signalstrahl die modifizierte Körperoberfläche bestrahlt und in Korrelation mit der Oberflächenmodulierung die optische Phase zeitlich und räumlich moduliert; (v) welche Anordnungen aufweisen, bei denen Mittel zum interferometri- schen Überlagern des in Phase modulierten optischen Signalstrahls mit einem optischen Referenzstrahl vorgesehen sind; (vi) welche Anordnungen aufweisen, bei denen Mittel zur optoelektronischen Aufzeichnung der Interferenzsignale mit ausreichender Zeit- und Raumauflösung vorgesehen sind; (vii) welche Anordnungen aufweisen, bei denen zur Verbesserung der Ortsauflösung Laserstrahlung mehrerer Laserwellenlängen aus mehreren Laserquellen eingesetzt wird;(ii) have arrangements in which means for beam expansion, beam deflection, beam guidance, beam splitting and / or intensity regulation are provided; (iii) having arrangements in which the ultrasound-based echo signals from within the body modulate the surface of the body, the echo signals being generated in the body and being formed by reflected ultrasonic waves; (iv) having arrangements in which the optical signal beam irradiates the modified body surface and temporally and spatially modulates the optical phase in correlation with the surface modulation; (v) which have arrangements in which means are provided for interferometrically superimposing the phase-modulated optical signal beam with a reference optical beam; (vi) having arrangements in which means are provided for optoelectronic recording of the interference signals with sufficient time and space resolution; (vii) which have arrangements in which laser radiation of a plurality of laser wavelengths from a plurality of laser sources is used to improve the spatial resolution;
(viii) welche Anordnungen aufweisen, bei denen zur Ultraschallerzeugung und zur interferometrischen Detektion die gleiche Laserquelle verwendet wird;(viii) having arrangements using the same laser source for ultrasound generation and interferometric detection;
(ix) welche Anordnungen aufweist, bei denen Mittel zum Aufteilung der Laserstrahlung aus der gleichen Laserquelle jeweils zur Ultraschallerzeu- gung und zur interferometrischen Detektion vorgesehen sind;(ix) which has arrangements in which means for dividing the laser radiation from the same laser source are respectively provided for ultrasonic generation and for interferometric detection;
(x) wobei die Ultraschallerzeugungseinrichtung und die Interferometrieein- richtung zu einem gemeinsamen System integriert sind; (xi) welche Anordnungen aufweisen, die es erlauben, die detektierten Interferenz-Reflexmuster der unterschiedlichen Gewebestrukturen zu erkennen und zu visualisieren, wobei, vorzugsweise, die Visualisierung der Struktur, Anordnung und Beschaffenheit des Körpers rechnergestützt er- folg,;(x) the ultrasonic generating device and the interferometry device being integrated into a common system; (xi) which have arrangements which allow the detected interference reflex patterns of the different tissue structures to be detected and visualized, wherein, preferably, the visualization of the structure, arrangement and nature of the body is computer-assisted;
(xii) welche Detektoren zur Ermittlung von Gradienten von Blutfließgeschwindigkeiten aufweisen unter Ausnutzung der Doppler- Ver-schie- bungsmethode in der Frequenz des detektierten Ultraschalls, vorzugsweise von tiefergelegenen Blutgefäßen, insbesondere, um verengte und intakte Blutgefäße zu lokalisieren, zu visualisieren und zu quantifizieren;(xii) which detectors for determining gradients of blood flow velocities using the Doppler shift method in the frequency of the detected ultrasound, preferably of lower-lying blood vessels, in particular in order to localize, visualize and quantify narrowed and intact blood vessels;
(xiii) welche Anordnungen aufweisen, bei denen Mittel zum Schutz des Körpers vor der Laserstrahlung vorgesehen sind; (xiv) welche Anordnungen aufweisen, bei denen Mittel zur elektronischen oder gedruckten Darstellung des Körpers und dessen innerer Struktur, Eigenschaften und Beschaffenheit vorgesehen sind;(xiii) which have arrangements in which means are provided for protecting the body from the laser radiation; (xiv) which have arrangements in which means are provided for electronic or printed representation of the body and its internal structure, properties and nature;
(xv) welche Anordnungen aufweisen, die es erlauben, den Körper und dessen innere Struktur, Eigenschaften und Beschaffenheit zeitgleich mit dem(xv) which have arrangements allowing the body and its internal structure, properties and composition to coincide with the body
Meßvorgang, das heißt in Echtzeit, darzustellen; (xvi) welche Anordnungen aufweisen, die es erlauben, die komplette und/oder teilweise Untersuchung und ihre Darstellung zu automatisieren.Measuring process, that is in real time, represent; (xvi) which have arrangements that allow to automate the complete and / or partial examination and its presentation.
In der Zeichnung zeigenIn the drawing show
Fig. 1" eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Erzeugen vonFig. 1 "is a schematic representation of an arrangement for generating
Ultraschallwellen in einem zu untersuchenden Körper mittels gepulstem Laserstrahl, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur flächigen und/oder punktuellen optischen Abtastung der Modulation der Oberfläche des Körpers, verursacht durch an inneren Körperbestandteilen reflektierten Ultraschallwellen mittels Interferometer, Fig. 3 und2 shows a schematic representation of an arrangement for the areal and / or pointwise optical scanning of the modulation of the surface of the body, caused by ultrasonic waves reflected by internal body components by means of an interferometer, FIGS
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Erzeugung von Ultraschallwellen im Körper mittels Laserstrahlung und die Detektion von reflektierten Ultraschallwellen mittels Interferometrie.Fig. 4 is a schematic representation of the generation of ultrasonic waves in the body by means of laser radiation and the detection of reflected ultrasonic waves by means of interferometry.
In den Fig. 1 bis 4 ist ein zu untersuchender Körper 1 mit einer Körperbegrenzung 12, in der Regel die Haut, und inneren Organen 13 bzw. Gefäßen und Gewebe dargestellt.FIGS. 1 to 4 show a body 1 to be examined with a body limb 12, as a rule the skin, and internal organs 13 or vessels and tissue.
In Fig. 1 ist eine Ultraschallerzeugungseinrichtung 2 mit Mitteln zum Erzeugen und Verformen von Laserlicht dargestellt. Die Ultraschallerzeugungseinrichtung 2 weist eine Laserquelle 21, eine Ansteuerung 22 für die Laserquelle 21 und eine Strahlformungseinheit auf, die Mittel 23 zur Strahlaufweitung, Mittel 24 zur Strahlablenkung und Mittel 25 zur Intensitätsregulierung aufweisen kann.In Fig. 1, an ultrasonic generating device 2 is shown with means for generating and deforming laser light. The ultrasonic generating device 2 comprises a laser source 21, a drive 22 for the laser source 21 and a beam shaping unit, which can have means 23 for beam expansion, means 24 for beam deflection and means 25 for intensity regulation.
In Fig. 2 ist eine Interferometrieeinrichtung 5 zur optischen Detektion eines Echosignals des erzeugten Ultraschalls dargestellt, die eine Laserquelle und Strahlformungseinheit 3 und eine interferometrische Detektierungseinheit 4 aufweist. Die Laserquelle und Strahlformungseinheit 3 weist Mittel zum Erzeugen und Verformen des Laserlichts zur interferometrischen Detektion von Ultraschall auf. Die Laserquelle und Strahlformungseinheit 3 weist insbesondere eine Laserquelle 31 und eine Ansteuerung 32 für die Laserquelle 31 sowie eine Strahlformungseinheit auf, die Mittel 33 zur Strahlaufweitung, Mittel 34 zur Strahlablenkung und Mittel 35 zur Intensitätsregulierung umfassen kann. Die Detektierungseinheit 4 kann Mittel 45 zur Strahlaufteilung, Mittel 42 zur optoelektroni- schen Detektierung der optischen Referenzmuster sowie eine elektronische Rechnereinheit 41 zur Auswertung und Darstellung der Körperinformationen aufweisen.FIG. 2 shows an interferometry device 5 for the optical detection of an echo signal of the generated ultrasound, which has a laser source and beam shaping unit 3 and an interferometric detection unit 4. The laser source and beam shaping unit 3 has means for generating and deforming the laser light for the interferometric detection of ultrasound. The laser source and beam shaping unit 3 has, in particular, a laser source 31 and a drive 32 for the laser source 31, and a beam shaping unit, which can include means 33 for beam expansion, means 34 for beam deflection and means 35 for intensity regulation. The detection unit 4 may have means 45 for beam splitting, means 42 for optoelectronic detecting the optical reference pattern and an electronic computer unit 41 for evaluating and displaying the body information.
In einem ersten . Verfahrensschritt wird zur Erzeugung von Ultraschall gemäß Fig. 1 Laserstrahlung 26 der Laserquelle 21, vorzugsweise gepulste Laserstrahlung mit kurzen Laserpulsen, auf die Hautoberfläche 12 eingestrahlt. Die Pulsdauer der Laserstrahlung 26 kann durch die Ansteuerung 22 verändert und gesteuert bzw. eingestellt werden. Die laserinduzierte thermale Expansion der lichtabsorbierenden Strukturen in dem Gewebe des Körpers 1 erzeugt gemäß Fig. 3 akustische Wellen 61 durch thermoelastische Mechanismen, wobei die erzeugten akustischen Frequenzen hauptsächlich im Ultraschallbereich liegen. Die Frequenz des auf diese Weise erzeugten Ultraschalls ist direkt proportional zur Laserpulsdauer der eingestrahlten Laserstrahlung 26, so daß durch eine Variation der Laserpulsdauer der Laserquelle 21 eine kontinuierliche Modulation in der Frequenz des erzeugten Ultraschalls 61 ermöglicht wird. Die Ultraschallerzeugungseinrichtung 2 ist vorzugsweise beweglich zum Körper 1 angeordnet und ra- stert mit dem Laserstrahl 26 ein- bzw. zweidimensional die zu untersuchende Oberfläche des Körpers 1 ab. Wahlweise kann die Laserquelle 21 fixiert und die Laserstrahlung 26 über optische und/oder mechanische Komponenten 24 hin zum Körper 1 entsprechend einem vorgegebenen Raster abgelenkt werden. Über die Frequenz des Ultraschalls 61 , die über die Pulsdauer des Laserstrahls 26 variiert werden kann, können verschiedene Eindringtiefen im Gewebe erreicht werden. Dadurch ist es möglich, in axialer Richtung Tiefeninformationen über die innere Struktur des Körpers 1 zu erfassen. Dadurch wird eine räumlich aufgelöste dreidimensionale Abbildung der inneren Organe 13 des Körpers 1 ermöglicht, was eine entsprechende Ausbildung der Ultraschall-Diagnose-Vorrichtung erfordert.In a first. Process step is irradiated to the skin surface 12 for generating ultrasound according to FIG. 1 laser radiation 26 of the laser source 21, preferably pulsed laser radiation with short laser pulses. The pulse duration of the laser radiation 26 can be changed and controlled or adjusted by the control 22. The laser-induced thermal expansion of the light-absorbing structures in the tissue of the body 1 generates according to Fig. 3 acoustic waves 61 by thermoelastic mechanisms, wherein the generated acoustic frequencies are mainly in the ultrasonic range. The frequency of the ultrasound generated in this way is directly proportional to the laser pulse duration of the irradiated laser radiation 26, so that a continuous modulation in the frequency of the generated ultrasound 61 is made possible by a variation of the laser pulse duration of the laser source 21. The ultrasound generating device 2 is preferably arranged so as to be movable relative to the body 1 and rests with the laser beam 26 one-dimensionally or two-dimensionally on the surface of the body 1 to be examined. Optionally, the laser source 21 can be fixed and the laser radiation 26 can be deflected via optical and / or mechanical components 24 toward the body 1 in accordance with a predetermined pattern. About the frequency of the ultrasound 61, which can be varied over the pulse duration of the laser beam 26, different penetration depths can be achieved in the tissue. This makes it possible to detect depth information about the internal structure of the body 1 in the axial direction. This allows a spatially resolved three-dimensional image of the internal organs 13 of the body 1, which requires a corresponding design of the ultrasound diagnostic device.
Die dargestellte Ultraschall-Diagnosevorrichtung sieht eine interferometrische Erfassung des reflektierten Ultraschalls mittels ausreichend kohärenten Lichts vor. Durch die lokale Erzeugung von Ultraschallwellen 61 an der Hautoberfläche und die optische Detektion der reflektierten Ultraschallwellen 62 mittels Interfe- rometrie kann eine Entkopplung der Ultraschallerzeugungseinrichtung 2 und der Interferometrieeinrichtung 5 erfolgen. Zudem kann auf ein angepaßtes Schallübertragungsmedium, wie beispielsweise eine Gelschicht, verzichtet werden, wodurch im weiteren der Arbeitsabstand zwischen der Meßeinheit und einem Körper 1 frei gewählt werden kann.The illustrated ultrasonic diagnostic device provides interferometric detection of the reflected ultrasound by means of sufficiently coherent light. The local generation of ultrasound waves 61 on the skin surface and the optical detection of the reflected ultrasound waves 62 by means of interferometry make it possible to decouple the ultrasound generation device 2 and the interferometry device 5. In addition, an adapted sound transmission medium, such as a gel layer, can be dispensed with. whereby further the working distance between the measuring unit and a body 1 can be freely selected.
Die von den Organen 13 refelektierten Ultraschallwellen 62 pflanzen sich bis zur Hautoberfläche 12 fort und modulieren diese mechanisch, entsprechend ihrer Amplituden und Frequenzen. Die Deformation der Hautoberfläche 63 erfolgt in räumlicher und zeitlicher Korrelation zu den Amplituden und Laufzeitverzögerungen der reflektierten Primär-Ultraschallwellen 62. Dies ist in Fig. 4 dargestellt.The ultrasonic waves 62 reflected by the organs 13 propagate to the skin surface 12 and modulate them mechanically according to their amplitudes and frequencies. The deformation of the skin surface 63 takes place in spatial and temporal correlation to the amplitudes and propagation delays of the reflected primary ultrasonic waves 62. This is shown in FIG.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Topologie der Deformation erfindungsgemäß optisch räum- und zeitaufgelöst interferometrisch detektiert. Dazu wird der kohärente Laserstrahl 36 eines zweiten Lasers 31, beispielsweise ein cw-Laser bzw. ein ausreichender Anteil der mit Hilfe optischer Elemente abge- zweigten Laserstrahlung 26 der ultraschallerzeugenden Laserquelle 21, in einer Interferometrieeinheit 4 eingekoppelt. Die Interferometrieeinheit 4 besteht aus der beschriebenen Lichtquelle sowie aus optischen und mechanischen Komponenten und einem optoelektronischen Wandler 42. Der Laserstrahl 36 gemäß Fig. 2, der entweder von dem zweiten Laser 31 ausgehen oder von der Laserquelle 21 abgezweigt sein kann, wird durch optische Komponenten 33 bei Bedarf aufgeweitet und durch weitere optische und/oder mechanische Komponenten 45 in einen Referenzstrahl 44 und in einen Signalstrahl 43 aufgeteilt. Der Signalstrahl 43 durchleuchtet die Hautoberfläche 63 punktuell oder flächig und erfährt eine der Deformation korrelierte Phasenmodulation. Überlagerung des in den optischen Phasen modulierten Signalstrahls 43 mit dem Referenzstrahl 44 führt zu charakteristischen Interferenzmustern, die mit einem optoelektronischen Wandler 42 hinsichtlich der zeit- und ortsabhängigen Lichtintensität bzw. Lichtamplitude aufgezeichnet werden. Die vorzugsweise in drei Raumrichtungen beweglich angeordnete Interferometrieeinrichtung 5 erlaubt dabei eine Abtastung des gesam- ten Körpers 1. Dies kann wahlweise sequentiell erfolgen. Die Ultraschallerzeugungseinrichtung 2 und die Interferometrieeinrichtung 5 können bewegbar zueinander und/oder bewegbar zum Körper 1 angeordnet sein. Beispielsweise können bei einer Profilmessung des Körpers 1 die Ultraschallerzeugungseinrichtung 2 und/oder die Interferometrieeinrichtung 5 ringförmig verfahren werden, um ein Profil des Körpers 1 abzutasten. Die zeitlich und räumlich aufgelöst aufgezeichneten Interferenzmuster beinhalten Informationen über die Amplituden und Frequenzen des reflektierten Ultraschallsignals, sowie Laufzeiten und Frequenzverschiebungen, wobei Überlagerungen der induzierten und reflektierten Signale herausgefiltert werden. Diese Filterung kann durch eine vorangestellte Kalibrierungsmessung erreicht werden.In a further method step, the topology of the deformation is detected according to the invention optically spatially and temporally resolved interferometrically. For this purpose, the coherent laser beam 36 of a second laser 31, for example a cw laser or a sufficient proportion of the laser radiation 26 of the ultrasound-generating laser source 21, which is branched off with the aid of optical elements, is coupled into an interferometer unit 4. The interferometer unit 4 comprises the described light source as well as optical and mechanical components and an optoelectronic transducer 42. The laser beam 36 according to FIG. 2, which can either start from the second laser 31 or be branched off from the laser source 21, is replaced by optical components 33 expanded as needed and divided by further optical and / or mechanical components 45 in a reference beam 44 and in a signal beam 43. The signal beam 43 transilluminates the skin surface 63 at points or areas and undergoes a deformation modulation correlated phase modulation. Superposition of the signal phase modulated in the optical phase signal beam 43 with the reference beam 44 leads to characteristic interference patterns, which are recorded with an optoelectronic transducer 42 with respect to the time and location-dependent light intensity or light amplitude. The interferometry device 5, which is preferably movably arranged in three spatial directions, permits a scanning of the entire body 1. This can optionally be done sequentially. The ultrasound generating device 2 and the interferometry device 5 can be arranged movably relative to one another and / or movable relative to the body 1. For example, in a profile measurement of the body 1, the ultrasound generating device 2 and / or the interferometry device 5 can be moved annularly in order to scan a profile of the body 1. The temporally and spatially resolved recorded interference patterns include information about the amplitudes and frequencies of the reflected ultrasonic signal, as well as transit times and frequency shifts, filtering out overlays of the induced and reflected signals. This filtering can be achieved by a preceding calibration measurement.
Die Auflösung des Interferenzsignals ist primär von der Wellenlänge des verwendeten Lasers sowie von der Qualität der optoelektronischen Wandler, insbesondere vom Signal/Rausch- Verhältnis des intensivierten CCDs (Charged Cou- pled Device) abhängig. Um die axiale Auflösung bzw. den Eindeutigkeitsbereich, den sogenannten Free-Spectral-Range, zu erhöhen, kann mit mehreren Laser-Wellenlängen gearbeitet werden. Beispielsweise ist vorgesehen, teilweise den gepulsten Laserstrahl 26 der Laserquelle 21, der die Ultraschallwellen 61 induziert, zu diesem Zweck abzuzweigen oder Weißlichtinterferometer einzuset- zen. Die Interferometeranordnung, beispielsweise "Fabry Perot", "Michelson", "Mach-Zehnder" oder dergleichen, ist je nach Bedarf frei zu wählen.The resolution of the interference signal depends primarily on the wavelength of the laser used and on the quality of the optoelectronic converters, in particular the signal / noise ratio of the intensified CCD (Charged Coupled Device). In order to increase the axial resolution or the uniqueness range, the so-called free-spectral range, it is possible to work with several laser wavelengths. For example, it is provided to partially divert the pulsed laser beam 26 of the laser source 21, which induces the ultrasonic waves 61, for this purpose or to use white light interferometers. The interferometer arrangement, for example "Fabry Perot", "Michelson", "Mach-Zehnder" or the like, is freely selectable as required.
Die Ultraschallerzeugung und die Detektion von Echos von Ultraschallwellen 61 mittels Laser haben signifikante Vorteile gegenüber konventionellen Methoden, die den Einsatz von Piezokristallen zur Ultraschallerzeugung und Detektion vorsehen: Eine kontinuierliche Frequenzmodulation ist möglich, wodurch die Eindringtiefe im biologischen Medium gesteuert werden kann. Die Gelschicht zur reflektionsfreien Übertragung von Ultraschall in das Gewebe entfällt, wodurch selbst im Vakuum eine Detektierung erfolgen kann. Ferner kann der Arbeitsab- stand zwischen dem zu untersuchenden Körper 1 und dem Detektor bzw. der Ultraschallerzeugungseinrichtung 2 und der Interferometrieeinrichtung 5 frei gewählt werden. Messungen können im übrigen an bewegten Körpern 1 durchgeführt werden.The ultrasound generation and the detection of echoes of ultrasound waves 61 by means of lasers have significant advantages over conventional methods involving the use of piezocrystals for ultrasound generation and detection: continuous frequency modulation is possible, whereby the penetration depth in the biological medium can be controlled. The gel layer for the reflection-free transmission of ultrasound into the tissue is eliminated, whereby a detection can take place even in a vacuum. Furthermore, the working distance between the body 1 to be examined and the detector or the ultrasound generating device 2 and the interferometry device 5 can be freely selected. Incidentally, measurements can be performed on moving bodies 1.
Zur Auswertung und bildlichen Darstellung der funktionellen und strukturellen Eigenschaften des untersuchten Körpers 1 werden die punktuell abgetasteten oder flächig aufgezeichneten Interferenzmuster mittels Software und Rechnereinrichtung analysiert. Die zeitlich und räumlich aufgelöst aufgezeichneten Interferenzmuster beinhalten die zeitliche und räumliche Modulation in der Phase des Signalstrahls 43 in Form von im Allgemeinen hochfrequenten Amplituden bzw. Intensitätsschwankungen, wobei diese direkt korreliert sind mit der mechanischen Oberflächenmodulation des Körpers 1, welche durch die von dem Inneren des Körpers 1 reflektierten Ultraschall verursacht werden. Die Anforderung an den optoelektronischen Wandler beinhaltet unter anderem eine ausreichende zeitlich und räumlich aufgelöste Aufzeichnung der Intensitätsschwankungen zur Separierung der Frequenzverschiebungen, die von dem Körperinneren selbst verur- sacht werden und den Frequenzen der Trägerschallwellen. Die Eigenschaften des reflektierten Ultraschalls sind unter anderem Funktionen von der Beschaffenheit, insbesondere von dem Material und der Dichte, der Struktur, insbesondere der Morphologie, und dem Zustand, insbesondere der Bewegung, beispielsweise von Blutkörpern, im Inneren des Körpers 1. Durch Computer- und softwaregestützte Extrahierung der Laufzeitunterschiede und Schallintensität aus Interferenzmustern, die sich aufgrund der verschiedenen Reflektions- und Transmissionseigenschaften und Schallgeschwindigkeiten von unterschiedlichen Organen und Gewebestrukturen ergeben, erfolgt die Visualisierung des Körperinneren.For the evaluation and visualization of the functional and structural properties of the examined body 1, the punctually sampled or areal recorded interference patterns are analyzed by means of software and computer equipment. The temporally and spatially resolved recorded interference patterns include the temporal and spatial modulation in the phase of the signal beam 43 in the form of generally high-frequency amplitudes, which are directly correlated with the mechanical surface modulation of the body 1, which differs from that of the interior of the body 1 reflected ultrasound. The requirement for the optoelectronic converter includes, inter alia, a sufficient chronologically and spatially resolved recording of the intensity fluctuations for the purpose of separating the frequency shifts which are caused by the interior of the body itself and the frequencies of the carrier sound waves. The properties of the reflected ultrasound are inter alia functions of the nature, in particular of the material and the density, the structure, in particular the morphology, and the state, in particular the movement, for example of blood bodies, inside the body 1. By computer and Software-based extraction of the transit time differences and sound intensity from interference patterns resulting from the different reflection and transmission properties and sound velocities of different organs and tissue structures, the visualization of the interior of the body.
Mit der Auswertung der punktuellen Interferenzaufzeichnung werden Informationen zur Darstellung eines Körperpunktes gewonnen. Durch eine zweidimensionale punktuelle Rasterung der Körperebene sowie durch die Modulation in der Frequenz des Ultraschalls erreichbare Tiefeninformationen kann eine dreidimensionale Visualisierung der inneren Strukturenbeschaffenheit des Kör- pers 1 erfolgen. Bedarfsweise kann ein flächiges Interferenzmuster durch einen verbreiterten Laserstrahl 36 erzeugt werden, wobei die Verbreiterung des Laserstrahls 36 mit den Mitteln 33 erfolgen kann. Dadurch läßt sich die Untersuchungszeit reduzieren. Hierfür sind optoelektronische Wandler mit einem ausreichenden Füllfaktor vorgesehen.With the evaluation of punctual interference recording, information is obtained for the representation of a body point. By a two-dimensional punctiform screening of the body level as well as by the modulation in the frequency of the ultrasound achievable depth information can be made a three-dimensional visualization of the internal structure of the body 1 body. If necessary, a flat interference pattern can be generated by a broadened laser beam 36, wherein the broadening of the laser beam 36 can be carried out by the means 33. This reduces the examination time. For this purpose, optoelectronic transducers are provided with a sufficient fill factor.
Die gesamte Meßeinheit aus Ultraschallerzeugungseinrichtung 2 und Interferenzeinrichtung 5 kann in einem geschlossenen Gehäuse integriert sein oder in getrennten Einheiten zur Ultraschallerzeugung und Detektierung sowie zur Auswertung der Messung angeordnet werden. Wahlweise kann die Meßeinheit, ins- gesamt oder teilweise, automatisiert und elektronisch gesteuert bewegt werden, wobei der Körper 1 in Ruhe gehalten wird. Darüber hinaus ist es möglich, daß der Körper 1 bewegt und die Meßeinheit, insgesamt oder teilweise, in Ruhe gehalten wird.The entire measuring unit of ultrasound generating device 2 and interference device 5 can be integrated in a closed housing or arranged in separate units for ultrasound generation and detection as well as for the evaluation of the measurement. Optionally, the measuring unit, in total or in part, can be moved automatically and electronically controlled, keeping the body 1 at rest. In addition, it is possible that the body 1 moves and the measuring unit, in whole or in part, is kept at rest.
Zur Visualisierung von Blutgefäßen und Verengungen im Körper 1 ist die Auswertung der Doppler- Verschiebung in der Frequenz des reflektierten Ultraschalls vorgesehen. Sich bewegende Objekte, beispielsweise Blutkörper, verändern die Eingangsfrequenz der Ultraschallwelle 61 proportional zu ihrer Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit. Erfindungsgemäß kann daher vorgesehen sein, über einen Vergleich der Eingangs-Ultraschallfrequenz, zu deren Bestimmung eine Kalibrierungsmessung vorangestellt wird, mit der gemessenen Doppler- Verschiebungsfrequenz die Geschwindigkeit der Blutkörper zu ermitteln sowie über eventuell vorhandenen Geschwindigkeitsgradienten Aussagen über die Geometrie der Gefäße, über den Grad und über den Ort eventueller Verengungen zu treffen und diese rechnergestützt zu visualisieren. For the visualization of blood vessels and constrictions in the body 1, the evaluation of the Doppler shift in the frequency of the reflected ultrasound is provided. Moving objects, such as blood cells, change them Input frequency of the ultrasonic wave 61 proportional to its direction of movement and speed. According to the invention, it can therefore be provided to determine the speed of the blood cells by means of a comparison of the input ultrasound frequency, whose determination is preceded by a calibration measurement, as well as information on the geometry of the vessels, on the degree and on potential velocity gradients to find out about the location of possible constrictions and to visualize them computer-aided.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung, mit wenigstens einer Laserquelle (21, 31) und mit wenigstens einem Analysator, wobei die Laserquelle (21, 31) mittels ge- pulster Laserstrahlung (26) an der Oberfläche eines Körpers (1) Ultraschallwellen (61) erzeugt und wobei in dem Analysator das Echo der Ultraschallwellen (61) interferometrisch erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lasermodulator vorgesehen ist und daß der Lasermodulator zur Variation der Laserpulsdauer der Laserstrahlung (26) ausgebildet ist, wobei die Laserpuls- dauer zur Veränderung der Frequenz der erzeugten Ultraschallwellen (61) auf wenigstens zwei unterschiedliche Laserpulsdauern einstellbar ist.1. Ultrasonic diagnostic device, comprising at least one laser source (21, 31) and at least one analyzer, wherein the laser source (21, 31) by means of pulsed laser radiation (26) on the surface of a body (1) ultrasonic waves (61 ) and wherein in the analyzer, the echo of the ultrasonic waves (61) is detected and evaluated interferometrically, characterized in that a laser modulator is provided and that the laser modulator for varying the laser pulse duration of the laser radiation (26) is formed, the laser pulse duration for Changing the frequency of the generated ultrasonic waves (61) is adjustable to at least two different laser pulse durations.
2. Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasermodulator zur kontinuierlichen Variation der Laserpulsdauer in einem vorgegebenen Bereich ausgebildet ist.2. ultrasonic diagnostic device according to claim 1, characterized in that the laser modulator is designed for continuous variation of the laser pulse duration in a predetermined range.
3. Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserpulsdauer in einem Bereich von 1 bis 200 ns, insbesondere von 5 bis 100 ns, einstellbar ist.3. ultrasonic diagnostic device according to claim 2, characterized in that the laser pulse duration in a range of 1 to 200 ns, in particular from 5 to 100 ns, is adjustable.
4. Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator wenigstens eine Einrichtung zur Detektion der reflektierten Ultraschallwellen (62) mittels optischer, interfe- rometrischer Abtastung der durch reflektierte und/oder gestreute Ultraschallwel- len (62) verursachten Modulation der Oberfläche des Körpers (1) aufweist.4. Ultrasonic diagnostic device according to one of the preceding claims, characterized in that the analyzer at least one means for detecting the reflected ultrasonic waves (62) by means of optical, interferometric scanning of the reflected by and / or scattered ultrasonic waves (62). caused modulation of the surface of the body (1).
5. Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß optische und/oder mechanische Komponenten zur flächigen Bestrahlung des Körpers (1) durch Aufweiten der Laserstrahlung (26, 36) vorgesehen sind.5. Ultrasonic diagnostic device according to one of the preceding claims, characterized in that optical and / or mechanical components for planar irradiation of the body (1) by widening of the laser radiation (26, 36) are provided.
6. Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß optische und/oder mechanische Komponenten zur Mehrstrahlillumination des Körpers (1) durch Aufspalten der Laserstrahlung (26, 36) vorgesehen sind. 6. ultrasonic diagnostic device according to any one of the preceding claims, characterized in that optical and / or mechanical components for multi-beam illumination of the body (1) by splitting the laser radiation (26, 36) are provided.
7. Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß optische und/oder mechanische Komponenten zum Abrastern der Oberfläche des Körpers (1) mit der Laserstrahlung (26) vorgesehen sind, wobei bei dem Abrastern der Oberfläche an wenigstens zwei un- terschiedlichen Stellen der Oberfläche durch Laserbestrahlung Ultraschallerzeugungszentren angeregt werden.7. Ultrasonic diagnostic device according to one of the preceding claims, characterized in that optical and / or mechanical components for scanning the surface of the body (1) with the laser radiation (26) are provided, wherein in the scanning of the surface at least two Different areas of the surface are excited by laser irradiation ultrasonic generating centers.
8. Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur tomographischen Darstellung der inneren räumlichen Struktur des Körpers (1) durch Verwendung von Tiefeninformationen des Körpers (1) vorgesehen sind, wobei die Tiefeninformationen durch Auswertung der erfaßten Echos von Ultraschallwellen (61) mit unterschiedlicher Frequenz erhältlich sind.8. Ultrasonic diagnostic device according to one of the preceding claims, characterized in that means for tomographic representation of the internal spatial structure of the body (1) by using depth information of the body (1) are provided, wherein the depth information by evaluation of the detected echoes of ultrasonic waves (61) with different frequencies are available.
9. Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß optische und/oder mechanische Komponenten zur Aufteilung der Laserstrahlung (26) für eine interferometrische Detektion und für eine Ultraschallerzeugung vorgesehen sind.9. ultrasonic diagnostic device according to any one of the preceding claims, characterized in that optical and / or mechanical components for dividing the laser radiation (26) are provided for an interferometric detection and for ultrasound generation.
10. Ultraschall-Diagnose- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultraschallerzeugungseinrichtung (2) zur Erzeugung von Ultraschallwellen (61) an der Oberfläche des Körpers (1) und eine Interferometrieeinrichtung (5) zur interferometrischen Erfassung und Auswertung des Echos der erzeugten Ultraschallwellen (61) vorgesehen sind, wobei die Ultraschallerzeugungseinrichtung (2) und die Interferometrieeinrichtung (5) bewegbar zueinander und/oder bewegbar zum Körper (1) angeordnet sind.10. Ultrasonic diagnostic device according to one of the preceding claims, characterized in that an ultrasonic generating device (2) for generating ultrasonic waves (61) on the surface of the body (1) and an interferometry device (5) for interferometric detection and evaluation of the echo the generated ultrasonic waves (61) are provided, wherein the ultrasonic generating means (2) and the interferometric means (5) are arranged movably relative to each other and / or movable to the body (1).
11. Verfahren zur nicht-invasiven, zwei- und/oder drei-dimensionalen Darstellung der inneren Struktur eines Körpers (1), wobei Ultraschallwellen (61) mittels gepulster Laserstrahlung (26) an einer Oberfläche des Körpers (1) erzeugt werden, wobei das Echo der Ultraschallwellen (61) interferometrisch mittels Laserstrahlung (26, 36) erfaßt und ausgewertet wird und wobei die Laserpulsdauer der Laserstrahlung (26) zur Veränderung der Frequenz der erzeugten Ultraschallwellen (61) variiert wird. 11. A method for non-invasive, two- and / or three-dimensional representation of the internal structure of a body (1), wherein ultrasonic waves (61) by means of pulsed laser radiation (26) on a surface of the body (1) are generated, wherein the Echo of the ultrasonic waves (61) is detected and evaluated interferometrically by means of laser radiation (26, 36) and wherein the laser pulse duration of the laser radiation (26) for varying the frequency of the generated ultrasonic waves (61) is varied.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserpulsdauer in einem vorgegebenen Bereich kontinuierlich variiert wird, insbesondere in einem Bereich von 5 bis 100 ns.12. The method according to claim 11, characterized in that the laser pulse duration is varied continuously in a predetermined range, in particular in a range of 5 to 100 ns.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch reflektierte und/oder gestreute Ultraschallwellen (62) verursachte Modulation der Oberfläche des Körpers (1) optisch, interferometrisch abgetastet wird.13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that a caused by reflected and / or scattered ultrasonic waves (62) modulation of the surface of the body (1) is scanned optically, interferometrically.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung (26, 36) für eine flächige Bestrahlung des Körpers (1) aufgeweitet und/oder für eine Mehrstrahlillumination des Körpers (1) aufgespalten wird.14. The method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that the laser radiation (26, 36) for a planar irradiation of the body (1) is widened and / or split for multi-beam illumination of the body (1).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch Abrastern der Oberfläche des Körpers (1) mit der Laserstrahlung (26) an wenigstens zwei unterschiedlichen Stellen der Oberfläche durch Laserbestrahlung Ultraschallerzeugungszentren angeregt werden. 15. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that are excited by scanning the surface of the body (1) with the laser radiation (26) at least two different locations of the surface by laser irradiation ultrasonic generating centers.
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