DE19642379C2 - Verfahren zum Messen einer nichtlinearen Antwort von Gewebe und Blasen mittels eines Ultraschallabbildungssystems - Google Patents
Verfahren zum Messen einer nichtlinearen Antwort von Gewebe und Blasen mittels eines UltraschallabbildungssystemsInfo
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen
einer nichtlinearen Antwort von Gewebe und Blasen mittels
eines Ultraschallabbildungssystems. Insbesondere ist diese
Erfindung auf das Erhöhen der Empfindlichkeit bei der Er
fassung von nichtlinearen Antworten von Ultraschall-Rück
streueinrichtungen ausgerichtet.
Medizinische Ultraschallabbildungssyteme wurden unter der
Prämisse entworfen, daß das Auftreffen von Ultraschallener
gie eine lineare Antwort erzeugt. Um linear zu sein, muß ein
System, wenn es als Eingabe (a . x1(t) + b . x2(t)) erhält, als
Ausgabe (a . y1(t) + b . y2(t)) liefern, wenn x1(t) ein System
eingangssignal, y1(t) das entsprechende Ausgangssignal,
x2(t) ein weiteres Systemeingangssignal und y2(t) das ent
sprechende Ausgangssignal sind.
Gegenwärtige Forschungstrends konzentrieren sich auf das Un
tersuchen nichtlinearer Antworten auf Ultraschallenergie. Es
wurde beispielsweise herausgefunden, daß bestimmte Kontrast
mittel eine Antwort bei einer zweiten Harmonischen auf auf
treffende Ultraschallenergie liefern, wobei diese Antwort
verwendet werden kann, um mehr diagnostische Informationen
bezüglich umgebender Gewebe zu liefern. Eine Antwort bei der
zweiten Harmonischen tritt auf, wenn ein Mittel unter an
steigendem Ultraschalldruck Energie in seine Harmonischen
statt in die Grundwelle "abbildet".
Bei einem bekannten Diagnosesystem, das von Johnson u. a. in
dem U.S. Patent Nr. 5.456,257 offenbart ist, wird die Anwesenheit
beschichteter Mikroblasenkontrastmittel in dem Kör
per eines Patienten durch Übertragen von Ultraschallenergie
erfaßt, wodurch die Zerstörung der Mikroblase bewirkt wird.
Das Diagnosesystem erfaßt die Mikroblasenzerstörung durch
eine Phasen-unempfindliche Erfassung und Unterscheidung von
Echos, die von zwei aufeinanderfolgenden Ultraschallüber
tragungen empfangen werden. Die Zerstörung einer Mikroblase
kann ebenfalls als eine Punktquelle von Schallenergie für
eine Aberrationskorrektur verwendet werden, wodurch die
Zeitgebung des Strahlformers aus einer Analyse von Strahl
formersignalen eingestellt wird, welche aus dem Ereignis der
Zerstörung einer Mikroblase resultieren.
Es würde wünschenswert sein, das Ergebnis des Mikroblasen
aufbrechens auf eine Art und Weise zu erfassen, durch die
die nichtlineare Antwort der Blutgeschwindigkeit deutlich
von Bewegungsinduzierten Signalen unterscheidbar ist.
D. L. Miller beschreibt in dem Artikel "Ultrasonic detection
of resonant cavitation bubbles in a flow tube by their
second-harmonic emissions" in Ultrasonic, September 1991,
Seiten 217 bis 224 die Möglichkeit, resonante Blasen mittels
eines Detektors zu erfassen. Hierfür wird ein einzelner
Wandler zum Senden von Ultraschallenergie mit einer festge
legten Sendeleistung, und ein zweiter Wandler als Empfangs
wandler verwendet, um die entsprechenden Blasen zu erfassen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zum Messen einer nichtlinearen Antwort von Gewebe
und Blasen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 ge
löst.
Eine Abbildung mit erhöhter Empfindlichkeit auf nichtlineare
Antworten (z. B. zweite Harmonische) kann erhalten werden,
indem die Ultraschallantwort auf mehrere Erregungspegel ge
messen wird. Die aus den mehreren Erregungspegeln gesammel
ten Antworten werden Verstärkungs-korrigiert, und zwar um
einen Betrag, der der Differenz der Erregungspegel ent
spricht, wonach sie subtrahiert werden. Aufgrund dieser Sub
traktion wird der größte Teil der linearen Antwort entfernt
sein, weshalb der Rest der nichtlinearen Antwort entspricht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich
nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Filter der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ein Flußdiagramm, das dem in Fig. 1 gezeigten Fil
ter entspricht.
Fig. 1 ist eine Darstellung der vorliegenden Erfindung. Ein
Wandler 10 ist mit einem Sende/Empfangs-Schalter 12 (T/R-
Schalter; T/R = Transmit/Receive) verbunden. Der T/R-Schal
ter 12 weist zwei Eingänge auf: für eine Sendelinie 1 12A
und für eine Sendelinie 2 12B. Der T/R-Schalter 12 ist fer
ner mit einem Gesamtverstärkungssteuerungsverstärker 14
(TGC-Verstärker; TGC = Total Gain Control) verbunden. Der
TGC-Verstärker 14 ist mit einem ersten Strahlformer 16 ver
bunden. Der erste Strahlformer 16 ist mit einem ersten und
mit einem zweiten Verstärkungsverstärker 18, 20 verbunden.
Jeder Verstärkungsverstärker 18, 20 ist mit einem Analog/Di
gital-Wandler 22 verbunden, der ferner mit einer Linie-1-
Speicherungseinheit 24A und mit einer Linie-2-Speicherungs
einheit 24B verbunden ist. Beide Speicherungseinheiten 24A,
B sind mit einem ersten Akkumulator 28 und mit einem ersten
Postprozessor 32 verbunden. Ein Hüllkurvendetektor 34 ist
zwischen den Verstärker 18 mit der ersten Verstärkung und
einem zweiten Postprozessor 36 geschaltet. Ein zweiter Akku
mulator 38, dessen Eingängen mit dem ersten bzw. dem zweiten
Postprozessor 32, 36 verbunden sind, ist mit einer Anzeige
40 verbunden.
Der T/R-Schalter 12 trennt den Senderabschnitt der Schal
tungsanordnung von dem Empfängerabschnitt. Die Senderschal
tungsanordnung erlaubt eine variable Sendeleistung zwischen
Sendeereignissen (Ultraschallinien), welche in dem Diagramm
als Erregungen bei V1 und V2 gezeigt sind. Signale werden in
dem TGC-Verstärker 14 empfangen. Das Ausgangssignal der
TGC-Stufe läuft zu einem weiteren Verstärker, welcher eine
variable Verstärkung zwischen Sendelinien aufweist. In dem
Diagramm beträgt die Verstärkung für die Linie 1 Eins, wäh
rend die Verstärkung für die Linie 2 V1/V2 beträgt. Das
Ausgangssignal dieses Verstärkers wird dann strahlgeformt,
gefiltert und in ein In-Phase-(I-) und in ein Quadratur-
(Q-) Basisbandsignal abwärtsgemischt und demoduliert. Das
Signal wird dann Hüllkurven-erfaßt und in einem Speicher
gespeichert. Die Speicherung ist für die mehreren Sendeereignisse
verfügbar, welche mit unterschiedlichen Erregungs
pegeln auftreten. In dem Blockdiagramm werden die Linie 1
und die Verstärkungs-korrigierte Linie 2 in dem Speicher
gespeichert und dann subtrahiert. Dieses Signal wird mit
einem Signal der Sendelinie (z. B. Linie 1) summiert, welches
ebenfalls, komprimiert, Abtast-umgewandelt und nachverarbei
tet worden ist. Beide Abbildungen werden gleichzeitig auf
einer Videoanzeige angezeigt.
Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, das dem in Fig. 1 gezeigten
Blockdiagramm entspricht. In einem Schritt 100 wird eine er
ste Antwort erregt und bei einer ersten Leistungseinstellung
gemessen. In einem Schritt 110 wird eine zweite Antwort er
regt und bei einer zweiten Leistungseinstellung gemessen. In
einem Schritt 120 wird die erste Antwort für die zweite Lei
stungseinstellung skaliert, um eine projizierte Antwort zu
erzeugen. Dieses Verfahren baut auf einer geradlinigen Ap
proximation der projizierten Antwort. In einem Schritt 130
wird die projizierte Antwort von der zweiten Antwort sub
trahiert, um die nichtlineare Antwort zu bestimmen. Wenn das
Objekt, das schallmäßig angestrahlt wird, linear ist, würde
das Resultat Null sein.
Der Wert des offensichtlichen Strahlquerschnitts der Streu
einrichtung variiert mit der Sendeleistung und ist für Ge
webe und für Mikroblasen unterschiedlich. Es wurde bei
spielsweise gezeigt, daß Blasen ein Ansprechverhalten zei
gen, durch das Komponenten bei der zweiten Harmonischen als
Funktion des Quadrats der einfallenden Leistung erzeugt wer
den, wie es von D. T. Miller in "Ultrasonic Detection of
Resonant Cavitation Bubbles in a Flow Tube by their Second-
Harmonic Emissions", September 1981, Ultrasonics, beschrie
ben ist. Gewebe weist ebenfalls nichtlineare Komponenten
auf, welche viel kleiner sind.
Das Erreichen unterschiedlicher Leistungseinstellungen kann
auf eine von mehreren Arten und Weisen durchgeführt werden.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Erreichen von unterschiedlichen
Leistungseinstellungen besteht darin, die Senderspan
nung zu variieren. Dies variiert die Druckamplitude der ge
sendeten Welle.
Alternativ können unterschiedliche Leistungseinstellungen
durch Steuern der Größe der Apertur der Wandleranordnung
erreicht werden. Dies kann in der lateralen oder elevatio
nalen Richtung durch Verwendung von synthetischen Aperturen
durchgeführt werden. Die Apertur ist in zwei oder mehr Grup
pen aufgeteilt, wobei eine Sendelinie von jeder Gruppe ge
trennt abgefeuert wird. Die daran anschließenden Empfangs
informationen werden gespeichert. Die gesamte Apertur wird
dann in der gleichen Richtung abgefeuert, wonach ihre Em
pfangsechos gespeichert werden. Bei diesem Ausführungsbei
spiel umfaßt der Skalierungsschritt das Strahlformen der
Antwort von den zwei kleineren Aperturen und das Subtrahie
ren derselben von der gesamten Apertur, um die nichtlineare
Antwort zu bestimmen.
Ein weiterer Weg zum Steuern des Sendeausgangssignals be
steht darin, einen Teilsatz von Elementen in dem Array abzu
feuern und die skalierte Teilsatzantwort mit der Antwort des
gesamten Arrays zu vergleichen. Dies wird so durchgeführt,
um Gitterkeulen zu minimieren, die von der Unterabtastung
der Apertur stammen, und um Steuerfehler zu minimieren, die
aufgrund von Asymmetrien um die Mitte der Apertur herum vor
handen sind.
Obwohl die Erfindung unter Verwendung von zwei Erregungspe
geln dargestellt worden ist, können Fachleute das Konzept
erweitern, in dem sie N Erregungspegel anwenden, wobei N ≧ 2
ist, und indem sie auswählen, welche der entsprechenden N
Antworten die gewünschte Empfindlichkeit für die nichtli
neare Antwort schaffen wird.
Claims (7)
1. Verfahren zum Messen einer nichtlinearen Antwort von
Gewebe und Blasen mittels eines Ultraschallabbildungs
systems, mit folgenden Schritten:
Erregen und Messen einer ersten Antwort bei einer er sten Leistungseinstellung (100);
Erregen und Messen einer zweiten Antwort bei einer zweiten Leistungseinstellung, wobei die zweite Lei stungseinstellung höher als die erste Leistungseinstel lung ist (110);
Skalieren der ersten Antwort für die zweite Leistungs einstellung, um eine skalierte Antwort zu erzeugen (120); und
Subtrahieren der skalierten Antwort von der zweiten Antwort, um die nichtlineare Antwort zu bestimmen (130).
Erregen und Messen einer ersten Antwort bei einer er sten Leistungseinstellung (100);
Erregen und Messen einer zweiten Antwort bei einer zweiten Leistungseinstellung, wobei die zweite Lei stungseinstellung höher als die erste Leistungseinstel lung ist (110);
Skalieren der ersten Antwort für die zweite Leistungs einstellung, um eine skalierte Antwort zu erzeugen (120); und
Subtrahieren der skalierten Antwort von der zweiten Antwort, um die nichtlineare Antwort zu bestimmen (130).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
bei dem die erste und die zweite Leistungseinstellung
Spannungspegel sind.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2,
bei dem der Schritt des Erregens und Messens einer er
sten Antwort den Schritt des Auswählens der ersten
Leistungseinstellung durch Reduzieren der Apertur auf
weist, derart, daß ein bestimmter Teil der Wandleran
ordnung aktiv ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3,
bei dem der Schritt des Reduzierens der Apertur das
symmetrische Abfeuern eines Teilsatzes von Elementen
der Wandleranordnung umfaßt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 3,
bei dem der Schritt des Reduzierens der Apertur ferner folgende Schritte aufweist:
Aufteilen der Wandleranordnung in zwei Gruppen unter Verwendung einer synthetischen Apertur; und
Abfeuern einer Linie von jeder der zwei Gruppen;
bei dem der Schritt des Erregens und Messens der zwei ten Antwort ferner das Abfeuern der gesamten Apertur in der gleichen Linie aufweist, und
bei dem Schritt des Skalierens das Gruppieren der Ant wort von den zwei Gruppen und das Vergleichen der grup pierten Antwort mit der zweiten Antwort aufweist, um die Nichtlinearität der Blasen und des Gewebes zu be stimmen.
bei dem der Schritt des Reduzierens der Apertur ferner folgende Schritte aufweist:
Aufteilen der Wandleranordnung in zwei Gruppen unter Verwendung einer synthetischen Apertur; und
Abfeuern einer Linie von jeder der zwei Gruppen;
bei dem der Schritt des Erregens und Messens der zwei ten Antwort ferner das Abfeuern der gesamten Apertur in der gleichen Linie aufweist, und
bei dem Schritt des Skalierens das Gruppieren der Ant wort von den zwei Gruppen und das Vergleichen der grup pierten Antwort mit der zweiten Antwort aufweist, um die Nichtlinearität der Blasen und des Gewebes zu be stimmen.
6. Verfahren gemäß Anspruch 2,
bei dem die erste Leistungseinstellung halb so groß wie
die zweite Leistungseinstellung ist.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem die erste und die zweite Leistungseinstellung
aus einer Leistungsgruppe mit zumindest zwei unter
schiedlichen Leistungspegeln ausgewählt sind.
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