DE2657899A1 - Verfahren und vorrichtung zur darstellung und kenntlichmachung von koerpern mittels ultraschall - Google Patents

Description

Fat^r.i: nwf:lto *

Dipl.-Ing. Leo Fleuchaus Melchiorstr. 42, 8000 München 71

■9.

SR19P-1559

Technicon Instruments

Corporation

511 Benedict Ave,

Tarry town, New York, USA

Verfahren und.Vorrichtung zur Darstellung und Kenntlichmachung von Körpern mittels Ultraschall

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berUhrungsfreien biophysikalischen Diagnose mit Ultraschall. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verfahren und Vorrichtungen zum akustischen Abtasten gemäß der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der US-PS 3 830 223 "Verfahren und Vorrichtung zur beriihrungsfreien biophysikalischen Diagnose" bekannt. Darin wird die Wirkung einer kohärenten Beobachtung beschrieben, d. h. die Beobachtung von sowohl der Amplitude als auch der Phase der reflektierten akustischen Energieimpulse. Dieses Verfahren arbeitet mit Hilfe einer Auffächerung oder Entfaltung (Deconvolution) des

Echosignalverlaufs Fs/pa

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Echosignalverlaufs, um damit eine "besonders genaue Impedanzform bzw. Schallwellenwiderstandsform des akustisch abgetasteten Materials zu erhalten. Zu diesem Zweck wird der Echosignalverlauf in der Zeitdomäne mathematisch entwickelt. Diese Entwicklung oder Entfaltung in der Zeitdomäne kann bei bestimmten Charakteristiken der Echosignale zu einer mathematischen Instabilität in der Entfaltungsgleichung führen, welche schwer zu finden und zu lösen ist und welche auch die Gefahr bringt, daß einige Informationen tragende Merkmale des Echosignals verloren gehen und damit eine Abnahme des Auflösungsgrades der Impedanzform erfolgen kann. Außerdem führen wesentliche Behändlungsvorgänge des Echosignals, wie beispielsweise seine Verstärkung und Filterung, unter gewissen Umständen zu Schwierigkeiten bei einer Entfaltung in der Zeitdomäne. Ferner sind in vielen Fällen die wesentlichen Ursprungsfunktionscharakteristiken nach ihrer Bandbreite und die gesamten Merkmale des bekannten^vakustischen Fokussierungssystems nicht genau bestimmt und/oder nicht mit ausreichender Genauigkeit zu behandeln, damit ein hoher Auflösungsgrad gewährleistet ist. Auf jeden Fall sind sie aber nicht zu der Entfaltungsgleichung des Echosignalverlaufs in einem ausreichenden Maße wechselbezogen, um die mathematische Genauigkeit bzw. Stabilität dieser Gleichung zu vergrößern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das in der Lage sein soll, die Anzahl der Informationen tragenden Merkmale des empfangenen Echosignal-Verlaufs zu erhöhen, um somit die Genauigkeit und Klarheit der Ergebnisse zu steigern. Dabei soll die Entfaltung des Echosignalverlaufs in der Frequenzdomäne bewirkt werden, um eine mathematische Instabilität in der Entfaltungsgleichung zu verringern und auf einfachere Weise abzustellen, wodurch wesentliche Vor- und Nachbehandlungen des Echosignalverlaufs vereinfacht werden können und stabilere Ergebnisse zu erreichen sind. Ferner sollen wesentliche

- 2 - Charakteristiken

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Charekteristiken der Ursprungsfunktion und des akustischen j Fokussierungssystem genau und spezifisch festgelegt werden, um Instabilitäten "bei der Verarbeitung des Echosignalverlaufs zu verringern. Außerdem sollen die akustische Axialauflösung "bei ! einer Koppelung mit einem akustischen B-Tomographiescanner [ und die gesamte Bildauflösung merklich "verbessert werden.

ι Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 be- ; schriebene Erfindung gelöst.

ι .

■ Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung

! zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 15 beschriebene Erfindung gelöst.

Mit der Erfindung wird also ein neues und verbessertes Verfah- ! ren und eine Vorrichtung geschaffen, wobei zumindest ein Teil i einer Körperpartie·mit akustischen Energieimpulsen beschallt, j die sich dabei ergebenden Echoimpulse im Zusammenhang festgel stellt und diese Impulse zur Gewinnung von einer Aussage über j den relativen akustischen Schallwellenwiderstand bzw. die relative akustische Impedanz der beschallten Körperpartie verarbeitet ι werden. Dies wird durch die Fourier-Transformation der Schalli energie und der Echoimpulse von der Zeit- in die Frequenzdomäne und einer Entfaltung durch ein Entfaltungsfilter erreicht, um damit die Impulsantworten in der Frequenzdomäne der beschallten Körperpartie überall innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches zu bekommen. Die mathematische Stabilität des Entfaltungsprozesses wird dadurch gewährleistet, daß die Kreisfrequenz-Nullwerte im Nenner der Entfaltungsgleichung durch Ungleich-Null-Werte ersetzt werden, welche für eine minimale Verzerrungswirkung der Impulsantwort in der vorgesehenen Frequenzdomäne berechnet werden. Für eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses ist ferner eine Rauschunteri drückungs-Filterung vorgesehen. Anschließend werden die Impulsj antworten von der Frequenz- in die Zeitdomäne nach Fourier ¹ transformiert, um die Impulsantwort der beschallten

ι - 3 - Körperpartie

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Körperpartie und die daraus berechnete, interessierende Raylographie-Information zu bekommen. FUr die Körperbeschallung wird ein besonders exakt fokussierendes akustisches Fokussierungssystem verwendet und eine kohärente Echoimpuls-Beobachtung ermöglicht es, in Kombination mit der besonders stabilen Raylographie-Information eine besonders hohe Bildauflösung oder Charakterisierung der beschallten Körperpartien unter Verwendung geeigneter Scanner- und Bildanzeigen zu bekommen. Raum-Entfaltungsfilterelemente sind zur Verringerung der Verzerrung von nicht-orthogonal angeordneten Körperflächen vorgesehen, womit die Auflösung weiter verbessert werden soll. Zusätzlich werden piezoelektrische Echoimpuls-Detektoren beschrieben, welche in dem akustischen Fokussierungssystem für eine dynamische Systemfokussierung bei Fehlen einer System-Bewegung vorgesehen .sein können.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1A, 1B und 1C eine schematische Darstellung bzw. ein. Blockdiagramm, worin eine Ausgestaltung der Erfindung dargestellt ist;

Fig. 2A, 2B und 2C graphische Darstellungen mit gleicher Amplituden- und Zeitskala von repräsentativen Kurven eines Echosignalverlaufs in analoger und digitaler Form sowie einer Ursprungsfunktion in digitaler Form;

Fig. 3A und 3 B Gegenüberstellungen von digitalen Werten der Real- und Imaginärteile einer Ursprungsfunktion in der Frequenzdomäne;

Fig. 4A und 4B Gegenüberstellungen der Digitalwerte der Real- und Imaginärteile von einer Impulsantwort

- 4 - in

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in der Frequenzdomäne, wobei deren Multiplikation mit einem Gewichtungsfaktor eines RauschunterdrUckungsfilters dargestellt ist;

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine menschliche Arterie;

Fig. 6 ein Raylogramm, das mit einer Ultraschall-Vorrichtung gemäß der Erfindung aufgrund einer akustischen Abtastung der Arterie nach Fig. 5 gebildet worden ist;

Fig. 7 eine in einer stufenförmigen Anordnung gebildete Anzeige einer Vielzahl von Raylogrammen, welche durch eine Ultraschall-Vorrichtung gemäß der Erfindung auf Grund einer Vielzahl von seitlichen Abtastungen der Arterie nach Fig. 5 gewonnen worden sind;

Fig. 8 eine B-Scanner-Anzeige einer Vielzahl von Raylogrammen, welche durch eine Ultraschall-Vorrichtung gemäß der Erfindung aufgrund einer Vielzahl von polaren Abtastungen der Arterie nach Fig. 5 gewonnen worden sind; und

Fig. 9 und 10 einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht eines abgewandelten akustischen Fokussierungssystems.

In Fig. 1 ist eine Ultraschall-Vorrichtung gemäß der Erfindung mit 10 bezeichnet und weist folgende Hauptbaugruppen auf: Ein mit einem Übertrager und steuerbar ausgebildetes akustisches Fokussierungssystem 12, eine Einrichtung zur Behandlung analoger Signale mit einem Analog/Digital-Wandler 14, einen Impulsantwort-Rechner 15, der ein Netzwerk eines Entfaltungsfilters

16 sowie ein Rauschunterdrlickungs- und Raumentfaltungs-Filter

17 besitzt, einen Raylogramm- oder Impedanzform-Rechner 18 und eine Einrichtung 20 zum Speichern eines Raylogramms und zur Anzeige eines Raylogramms und/oder eines Bildes.

- 5 - Das

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Das Fokussierungssystem 12 weist einen hochgedämpften, konvexen Sende/Empfangs-Übertrager 22 und einen elliptischen, akustischen Reflektor 24 auf, der eine große akustische Öffnung 26 und eine zentrale Reliefbohrung 27 besitzt. Das System 12 ist mit zwei akustischen Brennpunkten angeordnet, wovon einer in der System-Brennebene 28 liegt, die das geschichtete, akustisch abzutastende Objekt 30 schneidet, und der andere im Übertrager 22, wie dies mit dem Bezugszeichen 32 angezeigt ist. Der Fachmann soll hierbei unter dem Begriff "akustische Fokussierung" bei dem System 12 verstehen, daß alle Frequenzkomponenten der ausgesendeten und reflektierten akustischen Energie bei den zu berücksichtigenden Wellenlängen innerhalb der Beugungsgrenzen an demselben Punkt im Raum zur gleichen Zeit ankommen. Zwei solche Punkte von besonderem Interesse in dem System 12 sind der Systembrennpunkt in der Brennebene 28 und der Brennpunkt 32 im Übertrager 22. Die Fläche des Übertragers 22 ist kugelförmig mit einem Krümmungsradius, dessen Mittelpunkt im Brennpunkt 32 liegt.

Die Form des Reflektors 24 ist von geometrischen Berechnungen abgeleitet und die Brennpunkte können in jedem Fall als Schwerpunkte eines endlichen Reflektor-Fokalvolumens angesehen werden, wenn die ausgesendeten Wellenlängen nicht infinitesimal sind. Im Falle einer Axialsymmetrie kann man sich dieses endliche Fokalvolumen als das Volumen vorstellen, das von einer zylindrischen Fläche begrenzt wird, wobei die Endfläche des Zylinders senkrecht zu und kolinear mit der Hauptachse des relevanten Ellipsoids verläuft. Der geometrisch definierte Brennpunkt liegt innerhalb dieser zylindrischen Fläche auf der Hauptachse und in der Mitte zwischen den beiden Endflächen des Zylinders. Der Durchmesser der Endflächen und somit des Fokalvolumens ist bezogen auf die Wellenlängen der ausgesandten, zusammengesetzten Frequenzen des akustischen Signals. Die niedrigste Frequenz-Signalkomponente, die

- 6 - fokussiert

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fokussiert werden kann, zeigt ein Energiemaximum auf der Achse dieses Fokalvolumens.

Ein Erreger- und Ursprungsfunktions-Generator 34 und ein elekj tronischer Sende/Empfangs-Schalter 36 sind für die oben ange- ! führten Zwecke mit dem Übertrager 22 wirksam verbunden.

! Bei einem akustischen Abtasten eines geschichteten Materials 30 durch das akustische Fokussierungssystem 12 zur Bestimmung der relativen spezifischen akustischen Impedanz der entsprechenden Materialschichten werden akustische Echoimpulse erstellt, die von dem Übertrager 22 empfangen und übertragen und in geeigneten Zeiteinteilungen als elektrische Echosignale von dem elektronischen Sende/Empfangs-Schalter 36 zu einem breitbandigen, rauscharmen Vorverstärker 42 mit geeigneter Frequenzempfindlichkeit gegeben werden. Eine repräsentative Form eines solchen elektrischen Echosignals oder Echoverlaufs ist in Fig. 2A in der Wellenform Y(t) wiedergegeben, wobei die Signalamplitude als Funktion über die Zeit aufgetragen ist. Von besonderem Interesse ist hierbei, daß sowohl die Amplituden- als auch die Phaseninformation in diesem Signal durch eine besonders charakteristische Weise einer kohärenten Beobachtung des Echosignalverlaufs erhalten bleiben.

Die besonders bedeutsamen Vorteile einer kohärenten Beobachtung im Vergleich beispielsweise mit einer Energie-Beobachtung sind leicht einzusehen. Dabei wird die akustische Impedanz-Polarität beibehalten., ein Verlust von feinen Grenzdetails als Funktion der Integrations-Zeitkonstanten vermieden, welche bei einer Energie-Beobachtung verwendet werden muß und bei einer Kohärenz-Beobachtung nicht verwendet wird, und eine feste Referenzimpedanz aufrechterhalten. Alle diese Merkmale ermöglichen in ihrer Kombination eine vollständigere Charakterisierung beispielsweise der Eigenschaft des körperlichen Gewebes bei der Abtastung und schaffen so eine viel höhere Wahrscheinlichkeit, das Vorliegen eines pathologischen

- 7 - Zustandes

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Zustandes beobachten zu können. Eine kohärente Beobachtung und deren Möglichkeit, feine Grenzdetails festzustellen und anzeigen zu können, ist gleichwertig mit der Möglichkeit, Phasenzeiten eines jeden akustischen Echos der abgetasteten Material-Grenzen mit größerer Genauigkeit zu bestimmen, wodurch j eine Information erstellt wird, welche für die Bilderzeugung des Körpers mit bedeutend größerer Auflösung verwendet werden kann, als dies mit Informationen erreicht werden kann, die bei der Anwendung der Energiebeobachtungstechnik erhalten werden. Eine kohärente Beobachtung, wenn sie auf einem "Vergleich" mit einer bekannten, ausgesendeten akustischen Signalquelle basiert, kann Bildauflösungen erbringen, welche nur durch Energiebeobachtungs-Techniken unter Verwendung von höheren Frequenz-Ursprungsfunktionen erhalten werden können, welche aber natürlich den naheliegenden Einschränkungen unterworfen sind, wie Eindringtiefe und irreversible Absorption der höheren Frequenzbestandteile durch die körperliche Gewebestruktur. Eine Reihe dieser Vorteile sind im einzelnen in der US-PS 3 830 223 beschrieben. Die zur Erläuterung notwendigen Bestandteile dieser Patentschrift sollen auch in vorliegende Anmeldung mit einbezogen sein.

Eine geeignete Zeittastung des Echosignal-Verlaufs für die Bestimmung der Tiefe innerhalb des Objektes 30, an dem eine akustische Abtastung durch Durchlassen nur desjenigen Echosignalteiles stattfindet, welches von der interessierenden Objekttiefe herrührt, diese Zeittastung wird durch ein einstellbares Zeittor 44 bewirkt, wie aus Fig. 2A zu sehen ist. Das so getastete Signal wird sodann als erkannt an ein Vorfilter 46 mit geeigneter Bandpaß-Charakteristik gegeben. Das Vorfilter 46 hat in erster Linie die Wirkung, niedere Frequenzanteile des elektrischen Signals auszufiltern. Die niederen Frequenzanteile in einer akustischen Energieform sind für eine richtige Fokussierung durch ein akustisches Fokussierungssystem 12 nicht geeignet und enthalten somit keine nützliche Information.

- 8 - Das

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Das geeignete elektrische Filtersignal, das natürlich in analoger Form vorliegt,wird sodann einem Analog/Digital-Wandler 48 zur Umwandlung in eine digitale Form und Weitergabe an einen Puffer 50 für eine Signalspeicherung eingegeben. Wenn dies auch nicht gezeigt ist, so ist es doch vorstellbar, daß geeignete Kompressionselemente für das Echosignal in der Art eines logarithmischen Verstärkers mit Dynamikregelung zwischen das Vorfilter 46 und dem Analog/Digital-Wandler 48 eingesetzt

i werden kann, um zu gewährleisten, daß der Dynamikbereich des ! letzteren nicht überschritten wird. In gleicher Weise könnten Schaltelemente in Form eines antilog.arithmischen Schaltkreises dann zwischen den Konverter 48 und den Puffer 50 eingesetzt werden, um das Echosignal wieder auf seinen vollen Dynamikbereich zu bringen.

Geeignete Haupttakt-Elemente 52 arbeiten bei einer Geschwindigkeit, die an die Arbeitsgeschwindigkeit des Erreger- und Ursprungfunktions-Generators 34 angepaßt ist, und steuert die Arbeitsgeschwindigkeit des einstellbaren Zeittores 44, des Analog/Digital-Konverters 48, des Puffers 50, des Referenzsignal-Puff ers rand des schnellen Fourier-Transformators 54 bzw. 58 und aller anderen Digital-Komponenten des Impulsrechners 15, wie noch genauer beschrieben wird. Geeignete Zeitverzögerungsglieder (nicht gezeigt) können natürlich an den Stellen verwendet werden, wo ein geeigneter Arbeitszeitablauf dieser Digital-Komponenten verlangt wird.

Das nunmehr digitalisierte oder digitale Echosignal, das beispielsweise die in Fig. 2B dargestellte Form "Y(t) Digital" haben kann, wird auf ein Kommando vom Takter 52 an den schnellen Fourier-Transformator 54 gegeben, der ein geeignetes Aufnahmevermögen besitzt und der Meßfolge des Konverters 48 angepaßt ist. Auf den Befehl vom Takter 52 transformiert dieser die Information der Fig. 2B "Y(t) Digital" von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne zum Zwecke einer vorteilhafteren

- 9 - Entfaltung

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Entfaltung im Vergleich zu einer Entfaltung in der Zeitdomäne. Genauer gesagt kann eine Entfaltung in der Freqaenzdomäne auf einen Grunddivisionsprozeß zurückgeführt werden, wie im folgenden noch beschrieben wird, womit die Phasen- oder Ankunftszeit eines jeden Echosignals zur Vereinfach.ung einer Vor- und Nachentfaltung des Signals gemäß einer Filterung und/oder Bandbegrenzung bestimmt werden kann und womit ferner auf viel einfachere Weise vernünftige und lösbare mathematische Instabilitäten bei dem Entfaltungs-ProzeD erhalten werden.

In Verbindung mit der Transformation der Y(t)-Digital-Information von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne durch den schnellen Fourier-Transformator 54, wird die den besten Ansatz der kohärenten Akustikquelle darstellende und als solche die ersten reflektierenden Oberflächeneffekte aufweisende Ursprungsfunktion auf den Befehl des Takters 52 vom Puffer 56 zu dem schnellen Fourier-Transformator 58 zur Transformation von der Zeit- zur Frequenzdomäne gegeben. Eine entsprechende Darstellung einer solchen Ursprungsfunktion in digitaler Form und in der Aufzeichnung als Funktion über die Zeit oder in der Zeitdomäne ist in Fig. 2C als Funktion X(t) wiedergegeben. Diese Ursprungsfunktion kann beispielsweise durch Beobachtung der Reflexion eines Auftreffens der Schallenergie von einem Medium in der Art einer flachen Kunststoffplatte in der Brennebene 28 des i Fokussierungssystems 12 erhalten, von dem Analog/Digital-Konverter, der mit der gleichen Meßfolge wie der Konverter arbeitet, gewandelt und permanent in den Puffer 56 für eine wiederholte Eingabe zu dem schnellen Fourier-Transformator 58 in einer von dem Takter 52 bestimmten Rate eingegeben werden. Andererseits kann diese Ursprungsfunktion durch geeignete Beobachtung am Ort bestimmt werden, wenn sie in der Weise behandelt und in eine digitale Form umgewandelt wird, wie dies oben anhand dem Echosignal Y(t) beschrieben worden ist.

Die hierbei angewandte Entfaltung basiert auf einem Vergleich

- 10 - mit

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mit der bekannten akustischen Ursprungsfunktion X(t) gemäß Pig. 2C, wobei vermerkt sein soll, daß eine minimale Verzerrung dieser Punktion und seines Prequenzspektrums aufgrund räumlicher Einflüsse, die die Abmessungen des Pokussierungssystems 12 betreffen, durch genaue Steuerung dieser Abmessungen erreicht wird, wie oben erwähnt worden ist. Die Wellenform X(t), die nur eine kurze Zeitdauer existiert, kann in der Prequenzdomäne die endliche Pourier-Transformation verwendende Transformation als X(iiJ) beschrieben werden. Die resultierende Punktion X(uj) hat eine Größe lX(o;)l und einen Phasenwinkel Qf(^o), wobei sich beides auf die Fourier-Koeffizienten bezieht.

In gleicher Weise kann die Echosignal-Wellenform Y(t) der Pig.2B in einen Wert Υ(ω) transformiert werden, wobei es naheliegt, daß das Echosignal Ύ(ω ) in einem linearen Sinn Wellenformen enthält, die Spiegelbilder von X(oc) oder X(t) darstellen, die aber in der Zeit voneinander getrennt sind. Das Erscheinen der Phasenzeit von jedem der Echosignale ist auf den Aufbau und die Abmessungen des Objektes 30 zurückzuführen, wo akustische Diskontinuitäten zu deren Wiedergabe vorliegen. Jedes der Echosignale wird in der ganzen Größe relativ zu X(t) reduziert und kann im Vorzeichen oder der Polarität entgegengesetzt sein, je·nach dem Gradienten der akustischen Impedanz bzw. des Schallwellenwiderstandes, der das Echosignal erzeugt.

Zudem erscheint es auch klar zu sein, daß die Phasenzeit von einem Echosignal relativ zu einem vorangegangenen Echosignal in einer Signalüberlappung resultieren kann. Da die Punktion X(t) von endlicher Dauer ist, ist auch jedes Umgrenzungsecho Y.(t) ebenfalls von endlicher Dauer, so daß natürlich, wenn das der Umgrenzung folgende Y. in der Dimension klein oder dünn ist, was im Falle bei menschlichem Gewebe oft vorkommt, das Echosignal Y_i+1(t) beginnen -wird, bevor das durch die j Umgrenzung erzeugte Signal Y^t) vollendet ist. Dies hat zur ! Polge, daß das resultierende Echosignal, das zu dem Sende/

- 11 - Empfangs-

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- λ* · j

Empfangs-Schalter 36 zurückkehrt, die lineare Summe dieser in der Zeit überlagerten Echosignale sein wird. Somit wird es j für die Maximierung der Systemgenauigkeit wesentlich werden, ; daß der Entfaltungsprozeß vernünftigerweise die Möglichkeit ι

schafft, das Vorliegen von sich überlappenden Echosignalen festzustellen und die entsprechenden Größen der beiden Echo- ■, signale, die unterschiedlichen Phasenzeiten oder Trennungen ! in ihrer Zeit und die Richtung und Polarität eines jeden Signals wieder zu gewinnen.

Die gleichzeitige Tätigkeit der Fourier-Transformatoren 54 ! und 58 aufgrund eines Befehles des Haupttakters 52 hat die j Bildung des Digitalechosignals Y(u) ) in der Frequenzdomäne am Ausgang des ersteren und die Bildung der digitalen Ursprungs funkt ion Χ(αλ) in der Frequenzdomäne am Ausgang des zweiten zur Folge. Dies ermöglicht die Formulierung des grundlegenden Entfaltungs-Verhältnisses der Gleichung (1):

Ε(ω) » τ(ω) I χ(α?) (1)

worin R(u>), das Verhältnis des Eingangssignals zum Echosignal, die Impulsantwort des Objekts bei einer Abtastung in der Frequenzdomäne darstellt. Die umgekehrte Fourier-Transformierung von H(&>) wird sodann h(t ) ergeben, womit die Impulsantwort des in Frage stehenden Objektes in der Zeitdomäne dargestellt ist.

Die Gleichung (1), in der eine Division über den relevanten Bereich der Frequenz u> vorgesehen ist, kann jedoch nicht auf direktem Wege gelöst werden, da X(u> ) möglicherweise oft bei einer Vielzahl von Werten für ω gleich Null ist, so daß sich im Nenner in der Entfaltungs-Gleichung (1) Null ergibt und damit eine unannehmbare mathematische Ungenauigkeit aufgrund des unendlichen Wertes von H(<u ), der bei jedem u> -Wert

- 12 - vorgesehen

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_;₁₅^6578S9

vorgesehen wird. Wegen dieses Problems wird E(OJ ) unter Verwendung der komplexen Form von X(^) und Y( U>) berechnet. Dies ist vorteilhafter, als die Verwendung der entsprechenden Amplituden und Phasen. Damit ergibt sich der Vorteil, daß bestimmte Eigenschaften der realen und imaginären Komponenten dieser komplexen Formen verwendet werden können.

Wenn demnach X(a)) gemäß folgender Gleichung bestimmt wird: Χ(ω) = X_R(^) + 3X₁(^u) (2)

und Υ(ω ) gemäß Gleichung (3):

Y(o>) = Y_R(^) + JY₁(^) (3)

(4)

dann ist _{χ (α;}

(V

ψ (ω) = tan
^x

Entsprechende Gleichungen bestehen natürlich flir |Y( lü)\ und H(U ) kann durch die Gleichung (6) wie folgt bestimmt werden:

O)I* (6),

lx(o> )| ² = X(^) · x*(u;) (7)

X*(co) = X_R(a>) - 3X₁(^) (8).

- 13 - _ Dies 709828/0619

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- IU

Dies führt zur folgenden Definition für H( oJ ):

(X_R.Y_{R +} Y₁X₁)
Ε(ω) = —2 —2

Nachdem der Nenner der Gleichung (9), der gleich ist/XI , gemäß den obigen Ausführungen gleich Null werden kann und damit zu einer Ungenauigkeit in dem Entfaltungs-Prozeß führt, wird es notwendig, den realen und imaginären Teil X_R( oJ) und Xj(cO) von X(u)) zu analysieren, um eine solche Instabilität zu vermeiden. Da f Xl nur dann Null werden kann, wenn sowohl Xq(uj ) als auch X^( ω) Null sind, muß entschieden werden, was für Werte für Null eingesetzt werden können, um eine Division durch Null zu vermeiden und zugleich keinen falschen Ansatz von Ε(ω ) in den Entfaltungs-Prozeß einzuführen. Dies wird gemäß der nachfolgenden Beschreibung dadurch erreicht, daß die Werte von iß , bei denen sowohl X_R( u>) als auch X₁(Cj) Null sind, identifiziert und sodann die ersten und zweiten Ableitungen

3x_R ö²x_r

bei diesen co -Werten gebildet werden, und zwar durch Verwendung der Werte von X_R( co) und Χ-(ιο) bei den benachbarten co -Werten. Bei einem derartigen Vorgehen hat es sich gezeigt, daß eine der Komponenten eine endliche zweite Ableitung mit einer Steigung nahe Null aufweist, wogegen die andere Komponente eine endliche Steigung und einen Wendepunkt besitzt, d. h.

3²X
s—£ = 0. Die Substitution eines Nicht-Null-Wertes wird sodann für die Komponente gemacht, bei der die Steigung Null und die zweite Ableitung endlich ist, d. h., die symmetrische Komponente,

- 14 - wogegen

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wogegen die Gegenkomponente einen Wert aufweist, der bei Null verbleiben kann. In einem typischen Fall ist die X_R( ^ ^Komponente die symmetrische Komponente und die X^(cO )-Komponente ί weist einen Wendepunkt auf. Für jeden Wert von lq , für den \ ■ sowohl Χ_ρ(ω ) als auch X_T(tc>) gleich Null ist, wird der einge- j

j Xv -L ι

setzte Wert für X_R(du ) der Durchschnittswert von X_r(uj+1 )+X_r(u; -1)i sein. ■

J . . j

\ Im einzelnen sollen nun die Kurven von typischen Digitalwerten j von X_R(to ) und X_T(w) der Fig. 3A betrachtet werden, aus denen

! leicht zu ersehen ist, daß diese entsprechenden Real- und j Imaginärteile von X(u/) koinzidierende Null-Werte an dem Punkt ! zeigen, an dem LO = 0 ist. Es kann auch eingesehen werden, daß diese Komponenten zusätzlich oder alternativ Ubereinstimmende Nullwerte an anderen und verschiedenen Werten von a?

-' kl

j zeigen.

j Die mittleren Teile der zusammenhängenden Kurven der Digitalj werte von X_R( oj ) und X₁(^) sind in vergrößertem Maßstab in j Fig. 3B wiedergegeben. Daraus kann ersehen werden, daß die Be- ! Stimmung des Wertes, der für X_R( ω ) oder Xj(">) an dem Punkt, wo co gleich Null ist, eingesetzt werden soll, durch Berechnung der entsprechenden ersten und zweiten Ableitungen unter Verwendung der Werte der benachbarten Digitalpunkte bestimmt wird. Genauer gesagt werden die ersten und zweiten Ableitungen von Xp( u>) durch die Verwendung der Werte der Digitalpunkte 60 und 62 berechnet, wogegen die entsprechende erste und zweite Ableitung von X_x(^;) durch die Verwendung der Werte der Digitalpunkte 64 und 66 zu berechnen sind. In diesem Fall wird die erste Ableitung von X_R(aJ) Null und zeigt eine Null-Neigung an dem Punkt, wo cO gleich Null ist und besitzt somit ein allgemeines Maximum oder Minimum für die X_R(o>»)-Kurve an diesem Punkt. Die zweite Ableitung von Χ^(α.') ist jedoch endlich und deren Vorzeichen zeigt an, ob der in Frage stehende Punkt ein Maximum ist. Demgegenüber zeigen die

- 15 - gleichen

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gleichen Berechnungen für Xj(^J) eine endliche erste Ableitung mit einem Übergangspunkt für diese Kurve, wo oj gleich Full ist, und eine zweite Ableitung gleich Null als Aussage einer konstanten Steigung innerhalb des interessierenden, Übereinstimmenden Null-Punkts. Unter diesen Umständen und um zu einem notwendigen Ergänzungswert ungleich Null für X(üJ ) an dem j Punkt zu kommen, wo uj gleich Null ist, um also eine unannehmj bare mathematische Instabilität in der Entfaltungs-Gleichung ! zu vermeiden, und gleichzeitig eine aufgrund einer solchen Substitution herbeigeführten Verzerrung oder Verfälschung von H(^U ) so klein wie möglich zu halten, wird der Durchschnittswert der entsprechenden Werte von X_R(cü) an den Digitalpunkten 60 und 62 berechnet und für den Null-Wert von Χ_Ώ(α)) an der Stelle eingesetzt, wo co gleich Null ist, wogegen der Null-Wert von Χ-ρ(ίϋ ) an der Stelle o> gleich Null unverändert bleiben kann. Somit wird ein endlicher Nenner mit minimalem Fehler in der Grundentfaltungs-Gleichung vorgesehen.

Zurückkehrend zu Fig. 1B kann darin gesehen werden, daß zur Durchführung der obigen Erläuterungen die entsprechenden Werte des Real- und Imaginärteils der komplexen Zahlen X(<^) erfindungsgemäß von dem Fourier-Transformator 58 zu dem Komparator 68 gegeben werden zum Vergleich mit den bestimmten Werten von cu , für welche übereinstimmende Werte von Null für dessen Komponentenwerte bestehen. In diesem Zusammenhang werden diese Real- und Imaginärwerte auch an den Puffer 70 zur Speicherung gegeben.

In dem Komparator 68 werden die entsprechenden Χ«(^)- und Xj(a"> )-Werte verglichen, dann bestimmt, bei welchen Werten von co eine Null-Koinzidenz vorliegt und diese co -Werte an den Puffer 72 gegeben. Diese uj -Werte und die entsprechenden Null-Koinzidenzen sowie die daneben liegenden Werte von X und X,(u)) werden sodann von den Puffern 72 und 70 einem logischen Schaltkreis 74 zugeführt. Dieser ist in der Lage,

- 16 - die

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SR 19 P - 1559 ί

die entsprechenden ersten und zweiten Ableitungen von Xj, ( ^) und; X-(O)) bei den relevanten Werten von u) durchzuführen, aus ; diesen Ableitungen zu bestimmen, welcher dieser Xr(^ )- bzw. j X (α; )-Werte Null bleiben kann und welcher durch einen Ergän- : '; zungswert substituiert werden muß, und diesen Substitutions- ! wert durch Mitteln der relevanten Nachbarwerte gemäß der oben gegebenen Erläuterung zu berechnen. ;

Die entsprechenden Werte von X_R(o) ) und X,.(a>) kommen zunächst > vom Fourier-Transformator und werden sodann vom Puffer 70 an j den Puffer 76 gegeben. Zugleich werden der Ergänzungswert ; für X„( cc¹ ) oder X-( u> ), der verbleibende Null-Wert für den anderen und der w -Wert, bei dem der gleiche in den Puffer 76 einlaufen soll, vom logischen Schaltkreis 74 an den Puffer 76 gegeben, um den X_R(^_V.)- oder X^(to)-Null-Wert an dem geeigneten to -Wert durch den Substitutionswert zu ersetzen. Dies hat eine Speicherurig eines vollständigen Satzes von Xd(^ )- und Xj(lO )-Werten ohne Null-Koinzidenzen bei irgendweihen ω -Werten im Puffer 76 zur Folge.

Die entsprechenden Sätze von Y_r(oj)- und ΥΛϋΰ )-Werten vom Puffer 78 und die X_R(u>)- und X₁(Cu )-Werte vom Puffer 76 werden sodann gleichzeitig an das Entfaltungs-Filter 80 für eine Verarbeitung gemäß der Grundentfaltungs-G-leichung gegeben, womit für jeden der relevanten a> -Werte Impulsantworten H(o?) in der Frequenzdomäne des abgetasteten Objektes erzeugt werden, welche an den Puffer 82 gegeben werden. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß durch die erfindungsgemäße Bestimmung der H(iJ)-Werte die mathematische Stabilität des Entfaltungs-Prozeßes und somit die der dabei gewonnenen Ergebnisse erhalten bleibt, während die Verfälschung des oder der Werte von U(u>) an dem oder den Werten von cü , wo sowohl Xr(^) als auch X_(cl>) zu Null bestimmt sind, durch die genaue Bestimmung des Ergänzungswertes von X_R(oo ) oder Χ~(α?) mittels Wahl der unmittelbar danebenliegenden und in einem engen

- 17 - Verhältnis

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■Η.

Verhältnis stehenden Werte auf ein Minimum erniedrigt ist.

Die so "berechneten Werte für H(u;) in der Zerlegung in j Real- und Imaginärteil H_R(a·) und H,( co) werden von dem Puffer '■ 82 zu einem Rauschunterdrückungsfilter 84 gegeben, in welchem ι das Signal/Rausch-Verhältnis für jeden dieser Werte maximiert

j wird. Die repräsentativen Digitalwerte für H_R(^) und H,.(c<j)

j sind in den Figuren 4A und 4B dargestellt. Daraus ist zu

j sehen, daß jeder dieser Werte in dem Rauschunterdrückungs-

j filter 84 mit einem einstellbaren und vorher auswählbaren

Multiplikation- oder Gewichtungsfaktor G (co) multipliziert

wird, der auf dem Leistungsspektrum von X und der Rauschleistung des Systems basiert und der durch seine Form das Maximumsignal aus dem Rauschen des Systems herauslöst. Man kann somit sehen, daß die H_R(w)- bzw. H^(^)-Signale an den Rändern des Frequenzbereiches, der unter ein bestimmtes Signal/Rausch-Yerhältnis fällt,, durch den Gewichtungsfaktor G(c<j) relativ zu denjenigen Signalen, welche nahe der Mittelfrequenz auftreten und ein besseres Signal/Rausch-Verhältnis haben, vermindert wird, wodurch das gesamte durch das System bedingte Signal/ Rausch-Verhältnis verbessert wird.

Ein Raum-Entfaltungsfilter ist mit 85 bezeichnet und arbeitet entsprechend dem Entfaltungsfilter 80, um die Impulsantwort H(lü) der Frequenzdomäne räumlich zu entfalten bzw. aufzulösen. Dies geschieht gemäß einer Raumübertragungsfunktion S{co). Damit sollen bei der Bildauflösung die Effekte der Verfälschung des Echosignalverlaufes Υ(α>) vermindert werden, welche beispielsweise entstehen kann bei nicht-orthogonal angeordneten Oberflächen in der Umgebung, bei gekrümmten Oberflächen des Objekts während seiner akustischen Abtastung im Zusammenhang mit dem Frequenzinhalt der Ursprungsfunktion und bei der geometrischen Größe und Gestalt dieser Flächen gemäß den optischen Gesetzen, was dem Fachmann ohne weiteres verständlich ist. Dieses Problem und das Prinzip der räumlichen Transformation ist im einzelnen in dem Aufsatz "Systems and Transforms

- 18 - with

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SR 19 P - 1559

J with applications in Optics", von Dr. Athanasios Papoulis, ι 1968, McGraw-Hill, New York, beschrieben.

Das Raumentfaltungsfilter 85 löst räumlich die Impulsantwort • U(co ) in der Frequenzdomäne durch komplexe Division mit der Raumübertragungsfunktion S(co ) auf, wie an dem Filtergszeigt ist.

j Ein Puffer 83 hat eine Vielzahl von Anordnungen von Raumübertragungsfunktions-Werten gespeichert, wobei jede dieser Anordnungen vorher bestimmt worden ist, um die störenden Effekte von nicht-orthogonal angeordneten, abzutastenden Objektflächen von unterschiedlicher Gestalt zu vermindern. Selbstverständlich kann jede dieser Anordnungen von S(cd )-Werten nach Belieben ι für eine Anwendung in dem Raumentfaltungsfilter 85 gemäß der ι anfangs beobachteten, nicht-orthogonalen Gestalt der abgefragten Objektfläche gewählt werden. Für eine anfängliche Signal-ι behandlung und -anzeige wird S(^) auf einen Wert 1 gesetzt, : so daß das Filter 85 keine Wirkung auf die entsprechenden E(co)-Werte hat, bis ein abweichendes S(_Lv) für die Eingabe in das Filter 85 gewählt wird, wie im nachfolgenden genau, beschrieben wird.

Vom Filter 85 werden die Impulsantwortwerte H(a?) in der Frequenzdomäne an einen inversen schnellen Fourier-Transformator 86 gegeben, in welchem eine Transformation dieser Werte von der Frequenz- in die Zeitdomäne stattfindet und die abgeleitete Impulsantwort h(t) in der Zeitdomäne des akustisch abgefragten, geschichteten Materials vorliegt. Diese abgeleitete Impulsantwort wird in den Raylogramm- oder Impedanzprofil-Rechner 88 gegeben, der gemäß der in Fig. 1A eingeschriebenen Gleichung arbeitet und die raylographische Information des abgefragten Materials errechnet. Es wird betont, daß die oben erwähnte, die Bestimmung der Übertragungsfunktions-Werte betreffende und bemerkenswert verbesserte mathematische Stabilität natürlich auch in der Bestimmung der Impulsantwort und den

- 19 - raylographischen 709828/0619

ί SR 19 P - 1559

j · Κ»-

l raylographischen Informationswertenwiederkehrt, womit sich eine

; "besonders stabile raylographische Information ergibt. Die Be-

¹ deutung dieser raylographischen oder Impedanzprofil-Inforraation

;' für eine berührungsfreie, biophysikalische Diagnose wird im

: einzelnen in der US-PS 3 830 223 und in der amerikanischen

! Patentanmeldung mit Serial Nr. 439 156 (4. Februar 1974)

j des gleichen Anmelders beschrieben.

: Die digitale raylographische Information kann direkt an einen

j Digital/Analog-Konverter 90 für die Umwandlung in eine analoges

I Signal gegeben werden und die resultierende analoge Information

I an eine Anzeigenvorrichtung 92 (diese kann beispielsweise die Form einer geeignete ausgebildeten Kathodenstrahlröhre haben)

I für eine Echtzeit-Anzeige des Raylogramms. Alternativ kann die

I digitale raylographische Information zum Speichern in einen

i Puffer 94 gegeben werden, um nach Wunsch erst später angezeigt

j zu werden.

Ein Raumsender für den Übertrager 22 und das akustische Fokussierungssystem 11 ist mit 96 bezeichnet und ist mechanisch mit diesem verbunden. Für eine Bildanzeige wird die sequentiell vorgesehene raylographische Information auf geeignete Weise im Puffer 94 gespeichert und der Treiber oder Sender 96 treibt mechanisch die akustischen Komponenten in einer genau vorbestimmten Art und Weise relativ auf das akustisch abzutastende Objekt 30, während er exakte Positionsinformationen an die Anzeigeneinrichtung 92 überträgt. Eine Abbildung wird sodann durch die zeitlich eingeteilte Übergabe der raylographischen Information an die Anzeigeneinrichtung 96 im Zusammenhang mit den Positionsinformationen bewirkt, womit ein Bild durch Speichern und Aufbauen einer Reihe von Raylogrammen auf der Anzeigeneinrichtung entsteht.

Ein Anwendungsbeispiel einer Ultraschall-Vorrichtung 10 für ein berührungsfreies, akustisches Abtasten eines geschichteten

- 20 - Materials

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Materials nach Art einer menschlichen Arterie mit einer Wandstärke von etwa 5 nun ist in Pig. 5 wiedergegeben. Eine im Quer- ; schnitt dargestellte Arterie 100 soll nach arterosklerotischen Flecken und/oder anderen Formen der Arteriosklerose "beobachtet und klassifiziert werden. Dazu kann das akustische Fokus- : sierungssystem 12 beispielsweise so angeordnet sein, daß die akustische Öffnung 26 400 mm beträgt, ein F-Stop des Systems ■ in der Brennebene 28 0,87 ist und die Brennweiten 38 und 40 ', jeweils 200 mm betragen. Der Erreger- und Ursprungsfunktions- ' Generator 34 und der Übertrager 22 können beispielsweise für > die Übertragung von breitbandigen, akustischen Energieimpulsen _;

mit einem Frequenzspektrum oder einem Bandbreitenbereich von , 0,75 MHz bis 4,0 MHz ausgerichtet sein.

Bei der Bestimmung der Bandbreite der übertragenen akustischen Energieimpulse massen natürlich viele Faktoren und/oder Ausfälle berücksichtigt werden. Darin sind u. a. folgende Punkte enthalten: Die Dicken der entsprechenden Schichten des abzutastenden Materials, das gewünschte Volumen der akustischen Abtastung, die im allgemeinen inverse Korrelation zwischen axialer und azimuthaler Auflösung, die im allgemeinen direkte Korrelation zwischen Frequenzzunahme und Dämpfungszunähme, die im allgemeinen direkte Korrelation zwischen Frequenzzunähme und der Abnahme bei der kleinsten Größe, auf die das System 12 fokussiert werden kann, die im allgemeinen direkte Korrelation zwischen der Abnahme der Öffnungsgröße und der Abnahme des F-Stop des Systems, die im allgemeinen direkte Korrelation zwischen der Abnahme des F-Stops des Systems und der Rauschzunahme und die direkte Korrelation zwischen der Frequenzabnahme und der gewünschten Zunahme des Durchmessers der akustischen Öffnung des Systems. Zudem spielt die mathematische Entfaltungsmöglichkeit der Echoimpulse oder des Echosignalverlaufs, der von der akustischen Abtastung des Objekts 30 herrührt, eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Bandbreite der akustischen Energieimpulse, die von dem Übertrager 22

- 21 - ausgesendet

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ausgesendet werden, sowie "bei der Festlegung der Form und Dauer der Ursprungsfunktion, welche in dein UrSprungsfunktions-Generator 34 erzeugt und für die Übertragung der akustischen Energieimpulse an den Übertrager gegeben werden. Von besonderer Wichtigkeit ist diesbezüglich die Wahl des Fokussierungssystems und der Ursprungfunktions-Parameter, durch die die Anzahl derjenigen Punkte vermindert wird, bei denen die absolute spektrale Größe der Ursprungs funkt ion X(^; ) Hull wird oder sich sehr eng an Null nähert, wie die Fig. 3 zeigt.

Bei der Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung für eine Erkennung und Klassifikation arteroskletrotischer Flecken in einer pathologischen menschlichen Arterie 100 unter den oben beschriebenen Bedingungen der Ursprungsfunktion und des Fokussierungssystems, sov/ie unter der zusätzlichen Annahme, daß ein Fourier-Transformator mit einem Fassungsvermögen von 256 Elementen für die Messung der Übertragungsfunktionen H(<v ) bei 128 diskreten Frequenzen verwendet wird,

i die Dicke der Arterie etwa 5 mm beträgt und eine Ursprungs- ;

funktion oder eine Impulsperiode 1,5 see dauert, kann die !

Auflösung für dieses Beispiel besser als 40 Mikron sein, '

welche zumindest um eine Größenordnung besser ist, als diejeni- ^; ge mit Energieerkennung, ungeachtet der kürzeren Impulsdauer.

Diese bemerkenswerte Auflösung mit einer vollen Erhaltung der Phaseninformation und einer genauen Aussage der Schichtgrenzen-Abmessungen ist in dem Raylogramm 102 der Fig. 5 wieder- !

gegeben. Dieses Raylogramm stellt die angezeigten Ergebnisse ! der akustischen Abtastung der Arterie 100 durch das erfin- j dungsgemäße Verfahren bzw. der Vorrichtung dar. Insbesondere eind aus dem Raylogramm 102 die eindrucksvollen Anfänge von Fettablagerungen in der innersten Schicht zu beobachten, welche sich klar von der fettigen Außenschicht unterscheidet. Zudem gibt das Raylogramm 102 in deutlicher Weise einen annormal verdickten Wandzustand der Arterie 100 wieder.

- 22 - Eine

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SR 19 P - 1559 j

Eine Abbildung der Arterie 100 kann auf einfache Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung gemäß den Figuren 7 und 8 erfolgen. Insbesondere kann zunächst aus ! Fig. 7 gesehen werden, daß das Fokussierungssystem 12 aufgrund einer Steuerung des Raumsenders 96 arbeitet und fünf in Ab- i ständen angeordnete, seitliche Abtastungen der Arterie erhält. i Durch geeignete Verwendung der Speicherkapazitäten im Puffer I 94 können die sich ergebenden Raylogramme 110, 112, 114, 116 j und 118 im Zusammenhang angezeigt werden, und zwar in einer ' schräg verlaufenden Anzeigenordnung in der Anzeigeeinrichtung 92. Damit wird ein Bild der akustischen Impedanz der Arterie 100 in axialer Auflösung wiedergegeben, das merklich besser ist, , als das Bild, das unter Verwendung der herkömmlichen Energiebeobachtungstechnik erhalten werden kann. In Fig. 8 ist die Tätigkeit des Raumsenders 96 zur Erzeugung fünf im wesentlichen radialer oder polarer Abtastungen der Arterie 100 zu sehen, sowie die Anzeige der sich ergebenden fünf Raylogramme 110, 112, 114, 116 und 118, und zwar im B-Abtastmodus oder Intensitäts-Modulation-Modus, wobei ineinander verflochtene Raylogramm-Mittelwerte zwischen jedem Grundraylogramm-Paar zur Verbesserung der Raumerkennung dargestellt sind. Als Folge davon wird durch die kombinierten Verbesserungen der axialen und azimuthalen oder seitlichen Auflösung gemäß der Erfindung und im Zusammenhang mit dem Tomogramm aus der B-Abtastanzeige nach Fig. 8 eine bedeutende Verbesserung in der gesamten Raumauflösung der Anzeige als wirklich erstaunlicher Vorteil in der Diagnostik erreicht.

Eine weitere Zunahme in der Raumauflösung des Bildes nach Fig. 8 kann durch-geeignete Anwendung des Raum-Entfaltungsfilters 85 nach Fig. 1C bewirkt werden. Wie oben bereits dargelegt worden ist, wird das Bild anfangs dadurch erzeugt, daß eine Anordnung von Raumübertragungsfunktionen S(tt>) von .einem Puffer 83 zu einem Raum-Entfaltungsfilter 85 gegeben wird, wobei alle Funktionen den Wert 1 haben. Damit wird zunächst

- 23 - die

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die Funktion des Filters 85 im wesentlichen negiert. Die anfängliche Betrachtung des Bildes nach Fig. 8 macht einem geübten | Beobachter die Natur der nicht-orthogonalen, interessierenden ! Arterienflächen sofort klar. Diese Information, gekoppelt mit der Kenntnis des Frequenzinhalts und des Grundbeugungsmusters der Ursprungsfunktion X(t), ermöglicht eine ausgezeichnete Wahl an Anordnungen von Vierten für S(ω) aus der Vielzahl der in dem Puffer 83 gespeicherten Werten, die am besten geeignet sind, eine Bildverzerrung zu korregieren, die durch die Arterien-Oberfläche und Grenze in nicht-orthogonaler Form hervorgerufen ist. Diese Anordnung wird von dem Puffer 83 in das Raum-Entfaltungsfilter 85 gegeben. Wie an den nachfolgenden Daten beschrieben wird, wird als Ergebnis dieses Filters jeder Impulsantwort-Wert H(ov) durch den so bestimmten Wert von S(üj ) komplex dividiert und die Störeffekte einer mangelnden Orthogonalität durch eine Modifikation der H( ^-O-Werte vermindert, welche' aus dem Filter 85 ausgegeben werden, wobei eine Zunahme in der Genauigkeit des Raylogramms erreicht wird, das im Raylogramm-Rechner 88 in Abhängigkeit von diesen H(ou)-Werten erzeugt wird. Da das Bild aus Fig. 8 aus einer Vielzahl von Raylogrammen zusammengesetzt ist-, kann leicht eingesehen werden, daß die gesamte Genauigkeit und Auflösung dieses Bildes weiter verbessert ist.

Eine Vergrößerung eines ausgewählten Teils des angezeigten Bildes kann natürlich leicht dadurch bewirkt werden, daß das einstellbare Zeittor 44 für eine Reduzierung des Teils des Echosignalverlaufs Y(t) eingestellt wird, welcher zur Signalverarbeitung durchgeschickt wird. Zugleich oder alternativ kann auch eine geeignete Einstellung der Anzeigeeinrichtung 92 gemäß Fig. 1A vorgenommen werden, um im wesentlichen eine "Zoom"-Funktion zu erreichen, wie sie einem Fachmann ja bekannt ist, und zwar durch Einschränkung des Inhalts der gesamten Bildanzeige auf nur einen Teil des anfänglich dargestellten Bildes, der von besonderem Interesse ist. Dieser Teil

- 24 - könnte

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- 9 R R 7 RA Q SR 19 P - 1559

könnte "beispielsweise im Fall einer Arterien-Anzeige durch den Teil der Arterie gebildet sein, der die Anfänge der Fettablagerungen in der innersten Schicht gemäß Fig. 5 beinhaltet. Der oben beschriebene Vorgang könnte auch mit einer Kathoden- ' strahlröhre durchgeführt werden, wenn die Fläche dieser Anzeigeeinrichtung mit dem arteriellen Teil gefüllt werden würde. Die Verwendung von geeigneten Vergrößerungstechniken gekoppelt mit der Wirksamkeit des beschriebenen Raum-Entfaltungsfilters 85 j zur Verbesserung der raylographischen Genauigkeit und Auflösung ι

i wäre für die Abbildung von exakt auswählbaren Körperteilen oder Partien mit einem extrem hohen Grad an Raumauflösung äußerst wirksam. Eine zusätzliche Verbesserung hinsichtlich der Interpretierbarkeit des Tomogramms nach Fig. 8 kann durch die Gestalt der Anzeigeeinrichtung erreicht werden, wenn diese beispielsweise eine zweigipflige oder eine zweifarbige Anzeige vorsieht. Wenn somit beispielsweise für die zwei Farben eine Anzeige in Grün und Rot gewählt wird, können alle raylographischen Informationen der Intensität oberhalb der Grundlinie oder eines Referenzpegels - womit eine positive, relative spezifische akustische Impedanz angezeigt wird- ale Abstufungen in Grün angezeigt werden, wogegen alle raylographischen Informationen der Intensität auf oder unter der Grundlinie - womit eine negative, relative spezifische akustische Impedanz oder eine Impedanz von Null angezeigt wird- als Schattierungen in Rot angezeigt werden können.

Das gesamte Raum-Abbildungsvermögen der Ultraschallvorrichtung 10 kann außerdem durch eine Abwandlung des Fokussierungssystems 12 verbessert werden, um eine unabhängige akustische Signalübertragung und einen Signalempfang von und durch den Reflektor 24- zu erreichen, und ein dynamisches Fokussierungssystem ohne notwendige System-Bewegung zu ermöglichen. Bei einem gegebenen Durchmesser des Reflektors 24 kann eine geeignete Fokussierung der Ultraschall-Energie nur bei Frequenzen oberhalb einer verhältnismäßig niederen Grenzfrequenz cu ^ erreicht werden, wobei

- 25 - dieser

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dieser Wert sich auf den gegebenen Reflektor-Durchmesser bezieht. Eine kohärente Energiebeobachtung setzt eine kohärente ι Energieübertragung voraus, was natürlich durch das Fokussierungssystem 12 erreicht wird, wobei der am besten fokussierte _; akustische Energieimpuls in dem zulässigen Frequenzbereich : aufgrund der glatten Oberfläche des elliptischen Reflektors 24 erreicht wird. Beim Senden sieht das System 12 ein exaktes akustisches Signal vor, das an dem System-Brennpunkt fokussiert wird, der in der Brennebene 28 liegt. Dieses Merkmal wird in der Abwandlung durch Beibehaltung der glatten elliptischen Fläche des Reflektors 24 aufrechterhalten. Der Empfang des Echosignals wird jedoch bei dieser Abwandlung gemäß der Figu- >_t ren 9 und 10 durch eine Vielzahl von Ringen 130, 132, 134, 136, j 138, 140, 142, 144 und 146 aus geeignetem piezokeramischem Material erreicht, w.elehe in dem Reflektor 24 unmittelbar unter der glatten Reflektoroberfläche angeordnet sind. Jeder dieser Ringe ist über eine geeignete Verzögerungsleitung mit dem Sende/Empfangs-Schalter 36 verbunden, um die resultierenden elektrischen Signale diesem Schalter nach einer angemessenen Zeitverzögerung zuzuführen. Diese Verwendung geeigneter Verzögerungsleitungen während des Echosignalempfangs ermöglicht j eine exakte Veränderung des wirksamen Brennpunktes des Fokus- j sierungssystems 12, wodurch eine dynamische Systemfokussierung j ohne eine sonst notwendige Bewegung des Reflektors 24 und j des Übertragers 22 erreicht werden kann. Eine Kombination ' dieser Verzögerungs-Technik mit dem Raumsender 96 besitzt einen etwas eingeschränkten Bewegungsbereich und kann natürlich die Richtung der akustischen Energie in drei Dimensionen vorsehen, womit ein Maximum an Rauminformation erreicht wird. Andererseits kann dieses Vermögen auch bei dem akustischen Fokussierungssystem 12 nach Fig. 1 unter Verwendung des Raumsenders 96 für einen überaus großen Bewegungsbereich verwende ύ werden.

- 26 - - Patentansprüche -

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Claims (29)

SR 19 P - 1559 Patentansprüche

1./Verfahren zum berührungsfreien Diagnostizieren von Körper- -^ partien durch eine selektive Beschallung von mindestens ^; einem Teil einer Körperpartie mit akustischen Energieimpulsen ' zur Erzeugung von akustischen Energie-Echoimpulsen und durch j Beobachtung und Verarbeitung dieser Echoimpulse für eine ' Anzeige des relativen, spezifischen Schallwellenwiderstandes j der so beschallten Körperpartie, dadurch gekennzeichnet, daß | die Echoimpulse·, von einer Zeitdomäne in eine Frequenz domäne innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches transformiert, die Echoimpulse in der Frequenzdomäne zur Bestimmung der Impulsantwort in der Frequenzdomäne des bei einer Vielzahl von Frequenzen innerhalb des Frequenzbereiches beschallten Körperteiles entfaltet und die Impulsantworten des beschallten Körperteiles in der Zeitdomäne durch Transformation dieser Impulsantworten von der Frequenzdomäne in die Zeitdomäne bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationen komplexe Fourier-Transformationen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Beschallung der Körperpartien die akustischen Energieimpulse kohärent übertragen und die akustischen Energieechoimpulse kohärent beobachtet werden, um sowohl die Amplituden- und Phasen-Information zu bewahren, welche bei diesen Impulsen inhärent ist.

- 27 -

Original INSPECTED

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2657893

SR 19P- 1559 Ι.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Körperpartie entlang einer Vielzahl von in Abständen angeordneten, im wesentlichen parallelen Ebenen für die Aussage des relativen spezifischen Schallwellenwiderstandes entsprechend diesen Ebene beschallt werden und zugleich die Aussage auf einer Kathodenstrahlröhre oder einer ähnlichen Vorrichtung in einem schräg verlaufenden Anzeigenmodus zur Wiedergabe eines Körper-Bildes angezeigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Körperpartie entlang einer Vielzahl von exakt angeordneten, im wesentlichen radialen Ebenen für die Aussage des relativen spezifischen Schallwellenwiderstandes entsprechend diesen Ebenen beschallt werden und zugleich die Aussage auf einer Kathodenstrahlröhre oder einer ähnlichen Vorrichtung in einem Intensitätsdarstellungs-Modus zur Wiedergabe eines tomographischen Körper-Bildes angezeigt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- j kennzeichnet, daß zur Entfaltung der Echoimpulse die Be- ! schallungsenergieimpuls beobachtet und von der Zeitdomäne j in die Frequenzdomäne transformiert werden. i

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entfaltung der Echoimpulse die Impulsantworten in der Frequenzdomäne dadurch stabilisiert werden, daß instabile Werte der komplexen Darstellungen dieser Energieimpulse in der Frequenzdomäne durch Ergänzungswerte ersetzt werden, welche aus der komplexen Darstellung berechnet sind, um dadurch eine Verzerrung der Impulsantworten zu vermindern.

- 28 -

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SR 19 P - 1559

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfaltung der Echoimpulse durch folgende Gleichung "bewirkt wird:

wobei Yj(to) der imaginäre Teil der Echoimpulse in der Frequenzdomäne, j

Xd(⁶¹O der Realteil der Beschallungs-Energieimpulse in j der Prequenzdomäne,

Y^ ( tu )■ der Realteil der Echoimpulse in der Prequenzdomäne, Xj(i-u) der Imaginärteil der Beschallungs-Energieimpulse in der Prequenzdomäne und

H(uo ) die Impulsantwort der Körperpartie in der Frequenzdomäne ist.

9* Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitigem Auftreten von Null-Werten für X„('-<■/) und Xj(to) bei der gleichen Prequenz co Ergänzungswerte für einen der beiden Werte unter Verwendung von X_R(o;)- oder Xj(ü; )-Werten der benachbarten Frequenzen tu berechnet und diese Ergänzungswerte anstelle der Null-Werte von X_R(-u)) oder X_("α;) in die Gleichung eingesetzt werden, um zu vermeiden, daß der Nenner der Gleichung Null wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung, weiche der koinzidierenden Null—Werte von X_R( fc ) und Xj(to) ersetzt werden sollen, die entsprechenden ersten und zweiten Ableitungen von X_R(cJ) und Xj(o ) bei der Prequenz aj durchgeführt werden, bei der die koinzidierenden Null-Werte auftreten, und zwar durch Verwendung der entsprechenden Werte von X„(6o) und Xj(co) bei benachbarten Frequenzen cü , und daß für die Komponente, welche eine Null-Stelle oder einen Wert nahe Null aufweist, eine erste Ableitung und eine endliche zweite Ableitung

- 29 - eingesetzt

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SR 19 P - 1559 eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung des Substitutionswertes durch Mittelung der Wertesumme der Komponenten bewirkt wird, die für die interessierenden, benachbarten Frequenzen ^-> eingesetzt werden sollen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 Ms 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsantworten in der Frequenzdoraäne j zur Verminderung der Störeffekte von nicht-orthogonal ange- j ordneten Teilen der Körperpartie räumlich entfaltet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur räumlichen Entfaltung die Impulsantworten in der Frequenzdomäne durch eine Raumübertragungsfunktion komplex dividiert werden, welche gemäß der fehlenden Orthogonal!tat berechnet werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die realen und imaginären Komponenten H_R(uj) und H₁(^) der Impulsantwort R(u)) in der Frequenzdomäne durch den gleichen Gewichtungsfaktor komplex multipliziert werden, der gemäß dem Leistungsspektrum der Schall-Energieimpulse zur Steigerung des Signal/Rausch-Verhältnisses variabel ist.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Transformator (54,58) zur Transformierung der Echoimpulse von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches, durch ein Entfaltungs element (16), das die Echoimpulse in der·Frequenzdomäne zur Bestimmung der Impulsantwort in der Frequenzdomäne des bei einer Vielzahl von Frequenzen innerhalb des Frequenzbereiches beschallten Körperteils entfaltet,

- 30 - und

. 709828/0619

SR 19 P - 1559

und durch einen Transformator (86), der die Impulsantworten von der Frequenzdomäne in die Zeitdomäne transformiert.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß j die Transformatoren (54,58,86) schnelle Fourier-Transforma- ! toren sind. ^;

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch j einen kohärente Impulse aussendenden Übertrager (22) zur j Beschallung der Körperpartien mit akustischen Energieimpulsen. und einen Empfänger (22) zur Aufnahme der kohärenten Echo- j impulse.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 "bis 17, gekennzeichnet durch Beschallungselemente (12) zum Beschallen einer Körperpartie (30) entlang einer Vielzahl von in Abständen angeordneten, im.wesentlichen parallelen Ebenen und durch eine Kathodenstrahlröhre oder eine ähnliche Bildanzeige (92) für einen schräg verlaufenden Anzeigemodus zur Wiedergabe eines Körperbildes.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch Beschallungselemente (12) für eine Beschallung der Körperpartie (30) entlang einer Vielzahl von exakt angeordneten, im wesentlichen radialen Ebenen und eine Kathodenstrahlröhre oder ähnliche Anzeigeeinrichtung (92) zum Anzeigen der Aussage über den Schallwellenwiderstand in einem Intensitätsdarstellungs-Modus zur Wiedergabe eines tomographischen Körperbildes (Fig. 8).

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß Entfaltungs-Elemente (16) Detektorelemente für die Schall-Energieimpulse und Transformierelemente zum Übertragen dieser Impulse von der Zeit- in die Frequenzdomäne aufweisen.

- 31 -

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SR 19 P - 1559 - G.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Entfaltungs-Mitteln (16) Stabilisierungselemente

• für die Impulsantworten in der Frequenzdomäne vorgesehen sind, die unstabile Werte der komplexen Darstellungen der Schall-Energieimpulse in der Frequenzdomäne durch Ergänzungswerte ersetzen, welche aus den komplexen Darstellungen errechnet sind.

22. Vorrichtung nach einem der Anspräche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfaltungsmittel (16) ein Entfaltungsfilter (80) aufweisen, das nach der Formel arbeitet:

X_R ²(«;) + X₁

j

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß j die Entfaltungsmittel außerdem einen Komparator (68) und j einen logischen Schaltkreis (74) aufweisen, welche mit dem j Entfaltungsfilter (80) derart betrieblich verbunden sind, j daß im Falle der Koinzidenz von Null-Werten für X_R(tu) und Xj(^J) bei derselben Frequenz lü ein Substitutionswert für einen der beiden Werte unter Verwendung der X_R(^c')- bzw. X (i^)-Werte in der interessierenden, benachbarten Frequenz to berechenbar ist und der Substitutionswert anstelle des Null-Wertes von X_R(^) oder Χ,( cü) in der Gleichung in das Entfaltungsfilter (80) eingebbar ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, gekennzeichnet durch ein Raumentfaltungsfilter (85) für die Impulsantworten in der Frequenzdomäne zur Verminderung der störenden Effekte von nicht-orthogonal angeordneten Teilen (30;100) der Körperpartie.

- 32 -

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SR 19 P - 1559

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Raumentfaltungsfilter (85) eine komplexe Division der Impulsantworten aus der Frequenzdomäne durch eine Raumübertragungsfunktion durchfährt, die gemäß der mangelnden Orthogonalität festgelegt ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 "bis 25, gekennzeichnet durch ein Rauschunterdr'dckungsfilter (84), das wirksam mit den Entfaltungselementen verbunden ist und die realen und imaginären Komponenten Ho(oj) "bzw. H-j.(o.' ) der Impulsantworten E(üJ ) in der Frequenzdomäne mit dem gleichen Gewichtungsfaktor komplex multipliziert, der gemäß dem Leistungsspektrum der Schall-Energieimpulse zur Steigerung des Signal/Rausch-Verhältnisses einstellbar ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 "bis 26, gekennzeichnet durch ein Fokussierungssystem (12), "bestehend aus einem im wesentlichen elliptischen, akustischen Reflektor (24) mit einer glatten, reflektierenden Oberfläche, in der eine akustische Öffnung (27) ausgeformt ist, einem konvexen Empfangs/Sende-Übertrager (22), der in einem Abstand zu dem Reflektor (24) angeordnet ist und im wesentlichen auf der Hauptachse des Reflektors innerhalb des Bereiches der akustischen Öffnung (27) liegt, wobei der Übertrager (22) im wesentlichen eine kugelförmige, zum Reflektor gerichtete Oberfläche mit einem Krümmungsradius R aufweist, der akustische Reflektor (24) einen ersten (32) und im Abstand dazu einen zweiten akustischen Brennpunkt (28) besitzt und der Übertrager (22) zwischen dem zweiten Brennpunkt (28) und dem Reflektor (24) derart angeordnet ist, daß sein Zentrum des Krümmungsradius R in Relation zum Reflektor (24) im wesentlichen mit dem ersten akustischen Brennpunkt (32) zusammenfällt.

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28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (40) entlang der Hauptachse des Reflektors (24) zwischen erstem (32) und zweitem Brennpunkt (28) im wesentlichen gleich ist dem Abstand (38) entlang der Hauptachse ; von dem ersten Brennpunkt (32) zu dem Reflektor (24).

'

29. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß

; der Reflektor (24) eine Vielzahl von piezoelektrischen

■ Elementen (130,132,134,136,138,140,142,144,146) aufweist,

j die unmittelbar hinter der reflektierenden Oberfläche jenseits zum Übertrager (22) angeordnet sind und die akusti-

j sehen Energie-Echoimpulse anstelle des Übertragers (22)

'■ empfangen,und daß Verzögerungsleitungen mit jedem der

! piezoelektrischen Elemente verbunden sind, welche die

aufgrund der akustischen Energie-Echoimpulse erzeugten

; elektrischen Signale verzögern, wodurch das akustische

j System durch Einstellung dieser Verzögerungsleitungen

J bei Verlegung des zweiten Brennpunktes (28) dynamisch

j fokussierbar ist.

- 34 -

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