DE69232490T2

DE69232490T2 - Vorrichtung zur gewebe-untersuchung unter verwendung von ultraschall-kontrastmittel

Info

Publication number: DE69232490T2
Application number: DE69232490T
Authority: DE
Inventors: Mark J. Monaghan
Original assignee: Point Biomedical Corp
Current assignee: Point Biomedical Corp
Priority date: 1991-12-30
Filing date: 1992-12-16
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: JPH07506010A; IL104159A; EP0626822A4; US5255683A; EP0626822A1; WO1993012720A1; CA2127127A1; IL104159A0; DE69232490D1; EP0626822B1; AU3275693A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft allgemein medizinische Untersuchungssysteme und insbesondere Systeme zur Gewebeuntersuchung mittels Ultraschallenergie und Ultraschallspezifischen Kontrastmitteln.

Gebiet der Erfindung

Ultraschalltechniken werden in medizinischen Bilderzeugungssystemen allgemein verwendet, um die Anatomie und Funktion von Organen und anderen Gewebestrukturen im Körper zu untersuchen. Solche Systeme aktivieren üblicherweise einen Wandler, der kurze Ultraschallpulse in den Körper sendet. Die zurückgeworfene Ultraschallenergie, die von den akustischen Grenzflächen innerhalb des Körpers reflektiert wird, wird von dem Wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Amplitude des Signals wird zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen und diese Information verwendet, um ein bewegtes Bild, das einem tomographischen Schnitt durch ein Körperteil entspricht, zu erzeugen. Solche Systeme können mit Hilfe von Doppler-Techniken auch Information über die Richtung und Stärke des Blutflusses innerhalb des Körpers gewinnen. In Fig. 1 zeigt die Kurve 8 ein Frequenzspektrum, das vom Wandler übermittelt wurde. Der Dopplereffekt, der sich daraus ergibt, dass der Ultraschall auf bewegte rote Blutzellen trifft, zeigt sich als Verschiebung des gesamten Frequenzspektrums nach oben oder nach unten ohne die Form des Gesamtspektrums wesentlich zu verändern, wie in den Kurven 9a und 9b in Fig. 1 gezeigt. Diese Verschiebung wird ermittelt und, in Doppler-Farbfluss-Aufzeichnungssystemen, zeigt das Bilderzeugungssystem verschiedene Farben und Intensitäten, die auf das bewegte Bild projiziert werden und auf der ermittelten Verschiebung beruhen, so dass man einen Hinweis auf die Richtung und Stärke des Blutflusses erhält. Ein anderer Bautyp, der als spektrales Doppler-Anzeigesystem bekannt ist, erzeugt eine graphische Darstellung von Blutflussgeschwindigkeit und -richtung, die gegen die Zeit aufgetragen sind.
In jüngerer Zeit wurden Ultraschallkontrastmittel entwickelt, um die Durchblutung oder Verteilung der Blutversorgung im Körpergewebe zu untersuchen. Solche Kontrastmittel werden gewöhnlich aus kleinen Mikroblasen oder mit Gas gefüllten Kugeln hergestellt. Solche Kontrastmittel führen zu einer starken Zerstreuung des Ultraschalls. Daher kann, wenn sie in die Blutversorgung eines Organs oder eines anderen Gewebes injiziert oder diesem zugeführt werden, ihr Weg dadurch anhand eines Anstiegs der zurückgeworfenen Ultraschallintensität mit Hilfe einer üblichen Ultraschall-Bilderzeugungsausrüstung, wie oben beschrieben, verfolgt werden. Eine semi-quantitative Abschätzung des Durchblutungsgrads kann mit Hilfe einer Zusatzausstattung erhalten werden, welche die Größenordnung des Anstiegs in der zurückgeworfenen Intensität analysiert. Es können auch verschiedene veränderliche Parameter, die sich auf die Anzahl Blutzellen und Kontrastmikroblasen, die durch bestimmte Gewebebereiche fließen, beziehen, gemessen werden. Solche Systeme haben jedoch den Nachteil, dass eine große Anzahl Kontrastmikroblasen in das Gewebe gebracht werden muss, um eine ausreichende Veränderung in der zurückgeworfenen Intensität bereitzustellen, die leicht nachweisbar ist.
Jüngste Verbesserungen bei der Herstellung von Kontrastmitteln haben zur Entwicklung von Mikroblasen mit einer annehmbar konsistenten Größe, die in der Größenordnung roter Blutzellen liegt oder kleiner ist, geführt. Solche Mikroblasen können nach einer intravenösen Injektion durch die Lungen in die Arterien wandern, und so können diese Kontrastmittel das Organgewebe erreichen, ohne dass ein Arterienkatheter gelegt werden muss. Während der Gebrauch solcher Kontrastmittel weniger risikoreich, weniger teuer und einfacher zu verwenden ist als Mittel, die über einen Katheter in die Arterien gebracht werden müssen, hat es den Anschein, dass die Anzahl der Kontrastmikroblasen, die das Organgewebe nach der intravenösen Injektion erreichen, ausreicht, um eine verlässliche Abschätzung des Gewebes anhand der Veränderungen der zurückgeworfenen Intensität vorzunehmen. Zudem beschränkt die unterschiedliche Dämpfung des Ultraschallsignals durch das Körpergewebe und die Kontrastmittel in dem Raum zwischen dem Wandler und dem zu untersuchenden Gewebe den Einsatz von Verfahren, die auf Veränderungen der zurückgeworfenen Intensität zur Auswertung der relativen Durchblutung beruhen.
Im American Journal of Cardiac Imaging, Band 5, Nr. 3, September 1991, Seiten 237-249 ist ein echokardiographisches System beschrieben, worin ein Ultraschall-Bilderzeugungssystem nach der intravenösen Verabreichung von transpulmonaren Kontrastmitteln kleine Mengen Kontrastmittel-Mikrobläschen im Herzmuskel zeigt. Die Abhängigkeit der Rückstreuungsfrequenz der Mikrobläschen in vivo wird zur Abschätzung ihrer Verteilung verwendet, wobei die Kontrastmittel-Mikrobläschen eine Resonanzfrequenz innerhalb der Bandbreite des Rückstreuungs-Frequenzspektrums besitzen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Ultraschall-Gewebeuntersuchung und zur Erzeugung einer Echtzeit-Abbildung des Blutflusses durch das Gewebe bereit, umfassend:
eine Vorrichtung zur Untersuchung des Gewebes mit Ultraschallenergie während eines ersten Zeitraums in Abwesenheit eines Ultraschallkontrastmittels im Gewebe und während eines zweiten Zeitraums in Gegenwart eines Ultraschallkontrastmittels im Gewebe;
eine Vorrichtung zum Messen einer Frequenzeigenschaft der Ultraschallenergie, die von dem Gewebe, sowohl während des ersten Zeitraums, wobei Basislinien-Frequenzdaten gewonnen werden, und während des zweiten Zeitraums, wobei Posteinführungs- Frequenzdaten gewonnen werden, reflektiert wird;
ein Sichtanzeigegerät; und
eine Vorrichtung, die an die Messvorrichtung und das Sichtanzeigegerät gekoppelt ist, zur Erzeugung einer Echtzeit-Abbildung des Gewebes und des Blutflusses dadurch, bezogen auf die Basislinien-Frequenzdaten und die Posteinführungs-Frequenzdaten, während das Kontrastmittel im Geweben ist, und zur Erzeugung einer Echtzeit-Abbildung, die auf dem Sichtanzeigegerät dargestellt wird;
dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugungsvorrichtung eine Vorrichtung zum Dividieren einer Amplitude der ersten Frequenzkomponente, die während des ersten Zeitraums gemessen wurde, durch eine Amplitude der zweiten Frequenzkomponente, die während des ersten Zeitraums gemessen wurde, zum Erhalt eines ersten Verhältnisses, eine Vorrichtung zum Dividieren einer Amplitude der ersten Frequenzkomponente, die während des zweiten Zeitraums gemessen wird, durch eine Amplitude der zweiten Frequenzkomponente, die während des zweiten Zeitraums gemessen wird, zum Erhalt eines zweiten Verhältnisses; und eine Vorrichtung zum Vergleichen des ersten und zweiten Verhältnisses.
Falls gewünscht, kann die Anzeige eine Farbanzeige sein und die Anzeigedaten, die ein Bild des Gewebes wiedergeben, können von der reflektierten Ultraschallenergie stammen. Ein Farbcoder kann Farberzeugungsdaten, die auf dem Vergleich des ersten und zweiten Verhältnisses beruhen, entwickeln, und die Bilderzeugungsdaten und die Farberzeugungsdaten können kombiniert und in der Anzeige wiedergegeben werden.
Die Ultraschallvorrichtung kann einen Wandler umfassen, der zur Ultrabeschallung des Gewebes eingesetzt werden kann und fähig ist, ein Reflexionssignal, das für die reflektierte Ultraschallenergie steht, während sowohl der ersten als auch der zweiten Zeitperiode zu entwickeln.
Die Erzeugungsvorrichtung kann ein erstes und ein zweites Bandfilter mit Mittelfrequenzen enthalten, die im wesentlichen der ersten und zweiten Frequenz von sowohl der Basislinien- als auch den Posteinführungs-Frequenzdaten entsprechen, um ein erstes und zweites gefiltertes Signal zu erlangen und ein erstes und zweites gefiltertes Signal an einen Frequenzteiler weiterzugeben, so dass ein geteiltes Signal entsteht.
Gemäß alternativer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das erste und zweite Bandpassfilter durch ein oder mehrere Frequenzanalysegeräte ersetzt werden, die das Reflexionssignal mit einem schnellen Fourier-Transformationsalgorithmus oder einem Chirp-Z-Algorithmus verarbeiten können.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann ein Wandler eingesetzt werden, um das Gewebe sequenziell mit Ultraschallenergie der ersten und zweiten Frequenz zu beschallen. Das Reflexionssignal, das von dem Wandler entwickelt wird, wird dann dem ersten und zweiten Amplitudendetektor zugeleitet, der die erste und zweite Frequenzamplitude bestimmt.
In allen erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Ultraschallenergie sequenziell entlang von Abtastlinien ausgerichtet werden, und die Frequenzabhängigkeitskriterien der Ultraschallenergie während des ersten und zweiten Zeitraums wird für eine Anzahl Zeiten für jede Abtastlinie bestimmt.
In einer alternativen Anordnung kann die Ultraschallvorrichtung einen Wandler umfassen, der die Ultraschallenergie mit einer ersten und zweiten, anderen Frequenz auf das Gewebe richten kann und der, wenn das Kontrastmittel eine Resonanzfrequenz im Gewebe hat und die erste Frequenz im wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz ist, ein Basislinien-Reflexionssignal und ein Posteinführungs-Reflexionssignal erzeugen kann, das der Ultraschallenergie entspricht, die von dem Gewebe vor beziehungsweise nach der Einführung des Kontrastmittels in das Gewebe zurückgeworfen wird,
worin die Messvorrichtung zum Detektieren von Frequenzeigenschaften des Basislinien-Reflexionssignals und des Posteinführungs-Reflexionssignals angepasst ist,
und
die Erzeugungsvorrichtung zur Erzeugung einer Echtzeit-Anzeige der Gewebedurchblutung aus den ermittelten Frequenzeigenschaften des Basislinien-Reflexionssignals und des Posteinführungs-Reflexionssignals angepasst ist.
In einer anderen Anordnung kann die Ultraschallvorrichtung zur Ultrabeschallung des Gewebes mit Ultraschallenergie mit einer ersten und zweiten Frequenz während des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums angepasst sein,
worin die Messvorrichtung während des ersten und zweiten Zeitraums einsetzbar ist, um die Amplituden der ersten und zweiten Frequenzkomponente der Ultraschallenergie zu ermitteln, die von dem Gewebe während des ersten und zweiten Zeitraums reflektiert werden, und
worin das System zusätzlich eine Vorrichtung, die an die Messvorrichtung gekoppelt ist, um die Amplituden, die während des ersten Zeitraums ermittelt werden, mit den Amplituden, die während des zweiten Zeitraums ermittelt werden, zu vergleichen, und eine Vorrichtung, die an die Vergleichsvorrichtung gekoppelt ist, um die Daten aus dem vergleich anzuzeigen, so dass man einen Hinweis auf den Blutfluss im Gewebe erhält, umfasst.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 umfasst eine Reihe Kurven, welche die übertragenen und reflektierten Frequenzspektren in einem herkömmlichen System, das Doppler-Techniken verwendet, zeigen;
Fig. 2 umfasst ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Abbildung der Herzmuskulatur eines Menschen;
Fig. 3 umfasst ein Kurvenpaar, das Beispiele reflektierter Basislinien- und Posteinführungs-Frequenzspektren zeigt, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt wurden;
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Ausführung;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer weiteren Vorrichtung zur Ultrabeschallung von Gewebe, die nicht unter die Definition vorliegender Erfindung fällt; und
Fig. 6 und 7 sind Blockdiagramme von Vorrichtungen, welche alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Ultraschalluntersuchung von Gewebe, wie der Herzmuskulatur (oder des Herzens) eines Menschen 12. Es sei erwähnt, dass die Vorrichtung 10 auch zur Untersuchung von anderen Geweben, wie anderen Organen oder Muskeln, geeignet ist. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Wandler 14, der beispielsweise ein piezoelektrisches Element umfassen kann, das über ein Frequenzband oder -spektrum mit einer Mittelfrequenz beispielsweise von 2,5 Megahertz betreibbar ist. Diese Mittelfrequenz und die Form des Spektrums kann verändert werden, um die benötigte optimale Anzeige zu erhalten. Der Wandler wird wiederum an einen Frequenzdetektions-Schaltung 16 gekoppelt, der ein oder mehrere Parameter der Ultraschallenergie, welche vom Körpergewebe und Bilderzeugungs-Schaltung 17 reflektiert werden, ermittelt. Eine Anzeige 18, welche vom Farbtyp sein kann, zeigt eine Abbildung des untersuchten Gewebes.
Wie zuvor erwähnt, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 besonders zur Untersuchung des Blutflusses oder der Durchblutung menschlichen Gewebes mit Hilfe eines kontrastfördernden Mittels. Während jedes geeignete Kontrastmittel verwendet werden kann, umfasst das Kontrastmittel vorzugsweise ALBUNEX® (eine registrierte Marke von Molecular Biosystems, Inc., San Diego, Kalifornien). Dieses Kontrastmittel enthält ultrabeschallte Mikrobläschen oder Mikrosphären, die aus denaturierten Proteinen oder Derivaten davon gebildet sind, welche aus einer wässrigen Proteinlösung von menschlichem Serumalbumin stammen. Die Kontrastmittel können über eine Vene oder Arterie in das Gewebe eingeführt werden, sofern die Mikrobläschen eine Größe haben, die erlaubt, dass sie durch die Lungenkapillaren in den Herzmuskel 12 gelangen.
Es wurde gefunden, dass die Kontrastmittel-Mikrobläschen eine in vivo-Resonanzfrequenz besitzen. Diese Resonanzfrequenz hängt von einer Anzahl Faktoren ab, einschließlich der Größe der Mikrobläschen oder Mikrosphären und dem umgebenden Medium, dem Druck und der Temperatur. Die vorliegende Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass sie, da sie eine Resonanzfrequenz besitzen, nicht alle Ultraschallfrequenzen perfekt und gleichmäßig zurückwerfen. Die Menge der zurückgeworfenen Ultraschallenergie, hängt von der spezifischen Frequenz des Ultraschalls ab. Dieser Effekt erlaubt den Nachweis der Durchblutung durch die Analyse der Veränderungen in dem zurückgeworfenen Frequenzspektrum von diagnostischen Ultraschallpulsen, wenn die Mikrobläschen in das Gewebe eingebracht werden. Diese Veränderung des Frequenzspektrums der zurückgeworfenen Ultraschallpulse besitzt eine größere statistische Signifikanz als Veränderungen der Amplitude (d. h. Intensität) des zurückgeworfenen Signals und stellt die Grundlage für empfindlichere Nachweise von Ultraschallkontrastmitteln.
In Abhängigkeit von den physikalischen Parametern der Mikrobläschen und der Mittelfrequenz des Ultraschall-Wandlers ist es wahrscheinlich, dass die Veränderungen des zurückgeworfenen Frequenzspektrums nach der Einführung der Mikrobläschen in einen Gewebebereich, der durch einen Ultraschall-Wandler und der damit verbundenen Bilderzeugungsausrüstung ultrabeschallt (untersucht) wird, eine große Verschiebung der gesamten Hauptfrequenz, eine Verschlechterung der ausgewählten Frequenzen und eine Veränderung in der verwendbaren Bandbreite des zurückgeworfenen Frequenzspektrums umfassen. Die genaue Beschaffenheit all dieser Veränderungen hängt von der Konzentration, Größe und dem Medium der Mikrobläschen ab, den Eigenschaften des Wandlers, einschließlich der Bandbreite, der Mittelfrequenz und der Frequenzempfindlichkeit sowie möglicherweise vom Typ des Körpergewebes, das untersucht wird (sowie seiner eigenen Rückstreuungs-Eigenschaften). Nichtsdestotrotz sind die Veränderungen in den meisten Fällen groß genug, um leicht nachgewiesen zu werden. Sind die in vivo-Eigenschaften der Mikrobläschen derart, dass die Resonanzfrequenz im Vergleich zu der Wandler-Mittelfrequenz niedrig ist, dann führt eine Verschlechterung der niedrigen Frequenzkomponente des zurückgeworfenen Signals insgesamt zu einer nach oben gerichteten Verschiebung der Hauptfrequenz des zurückgeworfenen Ultraschallsignals. Folglich führt, wenn die Resonanzfrequenz der Mikrobläschen höher ist als die Mittelfrequenz des Wandlers, die Dämpfung der Komponenten mit hoher Frequenz zu einer Abwärtsverschiebung der Mittelfrequenz. Daher kann dieser Effekt durch bekannte gewerblich erhältliche diagnostische Ultraschall-Bilderzeugungssysteme, die zusammen mit zusätzlichen Komponenten ein alternatives Verfahren zur Auswertung von Kontrastmikrobläschen innerhalb des Körpers bereitstellen, ermittelt werden.
Die US-Patente 4,572,203, 4,718,433 und 4,774,958 von Feinstein beschreiben die oben genannten kontrastfördernden Mittel und Systeme, welche diese Mittel verwenden.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das zu untersuchende Gewebe ein erstes Mal in Abwesenheit eines Kontrastmittels ultrabeschallt, die reflektierte Ultraschallenergie ermittelt und durch den Wandler 14 in ein Basislinien-Reflexionssignal umgewandelt, das die Wellenform einer Spannung umfassen kann. Auch in Bezug auf Fig. 3 kann dieses Basisliniensignal ein Frequenzspektrum, wie durch die Kurve 19a gezeigt, besitzen. Die Frequenzeigenschaft des Basislinien-Reflexionssignals wird durch die Detektionsschaltung 16 ermittelt und in einem Speicher (nachstehend beschrieben) gespeichert. Das untersuchte Gewebe wird auch ultrabeschallt, wenn darin ein Kontrastmittel vorliegt (entweder vor oder nach der Basisliniendetektion), und die reflektierte Ultraschallenergie wird von dem Wandler 14 empfangen und in ein Posteinführungs- Reflexionssignal umgewandelt. Wieder kann dieses Signal die Wellenform einer Spannung besitzen. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann das Vorliegen eines Kontrastmittels die Form des reflektierten Frequenzspektrums, beispielsweise zu der aus Kurve 19b, verändern. Die Frequenzeigenschaft des Posteinführungs-Reflexionssignals wird durch die Detektionsschaltung 16, im Vergleich zu der Frequenzeigenschaft, die in dem Speicher abgelegt ist, ermittelt, und die Anzeige 18 entsprechend dem Vergleich betrieben, so dass ein Hinweis auf die Durchblutung oder den Blutfluss gewonnen wird.
Fig. 4 zeigt ausführlicher eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Wandler 14 wird periodisch durch einen Oszillator 20 angeregt, um sequentiell Ultraschallenergie über ein erstes oder zugehöriges Frequenzspektrum entlang einer Reihe Abtastlinien bereitzustellen. Die Ultraschallenergie, die von dem untersuchten Gewebe reflektiert wird, wird von dem Wandler 14 in ein Reflexionssignal umgewandelt, welches durch eine Wandler-Empfänger-Schaltung 22 auf die richtige Signalstärke verstärkt wird. Das Reflexionssignal hat ein zweites oder reflektiertes Frequenzspektrum. Wie üblich kann der Empfängerkreis 22 ein Null-Signal während der Übertragung der Ultraschallenergie von dem Wandler 14 empfangen, bis die Energieübertragung für die Abtastlinie abgeschlossen und sobald ein geeigneter Abfragezeitraum abgelaufen ist. Das Null-Signal wird dann entfernt, so dass der Empfänger 22 das reflektierte Signal von dem Wandler 14 empfängt. Eine herkömmliche Bildverarbeitungsschaltung 24 untersucht das Reflexionssignal an voneinander beabstandeten Punkten und fügt die erhaltene Information mit Daten zusammen, die von anderen Abtastlinien gewonnen wurden, um Videoanzeigedaten zu erlangen, die einer Kombinationsvorrichtung 26 und der Anzeige 18 zugeleitet werden. Diese Daten führen üblicherweise zu einer grauskalierten Echtzeit-Abbildung des Gewebes auf der Anzeige 18.
Das Reflexionssignal aus dem Empfängerkreis 22 wird auch einem Frequenzdetektor in Form eines Frequenzanalysegeräts 28 zugeführt, das ein oder mehrere Frequenzeigenschaften des Reflexionssignals ermittelt. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Resonanzfrequenz der Mikrobläschen in dem untersuchten Gewebe bestimmt und der Wandler 14 wird angeregt, ein Frequenzband zu erzeugen, das die in vivo- Resonanzfrequenz der Mikrobläschen umfasst. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, deckt sich die Mittelfrequenz des Wandlers nicht mit der in vivo-Resonanzfrequenz der Mikrobläschen, sondern ist im Frequenzspektrum davon abgesetzt. Tatsächlich wird auch angenommen, dass, da die Mikrobläschen nicht alle die gleiche Größe haben und daher leicht unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, eine Frequenz in dem Bereich der Resonanzfrequenzen, die in vivo-Resonanzfrequenz ist. Der Frequenzkomponentendetektor 28 untersucht das zurückgeworfene Frequenzspektrum an zahlreichen Punkten entlang jede Abtastlinie in der Bilderzeugungsebene in Echtzeit mit einem Fast-Fourier-Transformationsalogerithmus oder eines Chirp-Z-Alogerithmus. Während der Analyse des Basislinien-Reflexionssignals werden die Größen oder Amplituden der ersten und zweiten Frequenzkomponenten des Spannungssignals, das vom Wandler entwickelt wird, ermittelt. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, ist die erste Frequenz im wesentlichen gleich der in vivo-Resonanzfrequenz der Mikrobläschen und die zweite Frequenz entspricht einer ausgewählten Frequenz innerhalb des Antwortbands des Wandlers, jedoch entfernt oder abgesetzt von der Resonanzfrequenz. In einer bevorzugten Ausführungsform deckt sich die zweite Frequenz im wesentlichen mit der Mittelfrequenz des Wandlers. Diese Werte werden als Daten in einem Basislinienspeicher 30 gespeichert. Diese Daten werden mit den Daten für die Spannungsgrößen oder Amplituden der Frequenzkomponenten in dem Posteinführungs- Reflexionssignal durch einen Vergleicher 32 verglichen. Die Ergebnisse dieses Vergleichs werden einem Farbcoder 34 zugeleitet, der weitere Anzeigedaten oder Information an den Summierer 26 und die Anzeige 18 weiterleitet. Der Farbcoder kann einfach eine Nachschlagetabelle sein, welche die Ausgabedaten des Vergleichers in Farbanzeigeinformation umwandelt, die von dem Summierer 26 mit den Videoanzeigedaten der Anzeigeverarbeitungsschaltung 24 zusammengeführt wird. Die Anzeige 18 zeigt daher eine Grauskala-Abbildung des Gewebes mit einer darauf projizierten Farbanzeige, welche die Bewegung des Kontrastmittels durch die Blutgefäße sichtbar macht. Das resultierende Bild kann statisch (oder eingefroren) oder eine Echtzeit-Abbildung sein. Wahlweise kann eine Kombination aus Echtzeit- und postverarbeiteten Abbildungen gezeigt werden. Soll die Durchblutung des Herzmuskels untersucht werden, ist es wünschenswert, dass die zurückgeworfenen Ultraschalldaten analysiert und bei identischen Phasen des Herzzyklus verglichen werden können. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, erfolgt die Auslösung an der Diastole, wenn das Herz im Ruhezustand ist. Diese Auslösung wird durch eine Auslösungsschaltung 36 bewirkt, die auf eine Elektrokardiogramm (EKG)- Wellenform anspricht, die durch einen geeigneten Überwachungsapparat (nicht gezeigt) erzeugt wird. Wenn ein bestimmter Punkt im Herzzyklus erreicht ist, beispielsweise wenn der R-Bereich der QRS-Welle in der EKG-Wellenform entstanden ist, ermöglicht die Schaltung 36, dass ein ganzer Rahmen mit Abtastliniendaten zum Frequenzanalysegerät 28 geleitet wird. Alternativ, falls gewünscht, kann das Auslösen (oder Einfangen von Daten) an zahlreichen Punkten des Herzzyklus erfolgen. Ein solches Auslösen wird durch herkömmliche Ultraschallgeräte bewirkt und ist für den Fachmann in dem Gebiet leicht auszuführen.
Wie in Fig. 3 gezeigt, wird das Verhältnis A1/A2 der ersten und zweiten Frequenzkomponentenamplituden aus dem Basislinien-Reflexionssignal gewonnen und mit dem Verhältnis A3/A4 der ersten und zweiten Frequenzkomponentenamplituden des Posteinführungs-Reflexionssignals verglichen. Übersteigt die Differenz dieser Verhältnisse einen Bezugswert (der durch das Verhältnis von Signal zu Schall festgesetzt ist), entwickelt der Farbcoder ein Anzeigesignal, was dazu führt, dass die Anzeige 18 eine bestimmte Farbe an dem entsprechenden Punkt im Bild mit einer Intensität anzeigt, die mit der Amplitude der Differenz des Verhältnisses variiert. Wahlweise kann der Farbton der angezeigten Farbe mit der Größe der Differenz des Verhältnisses verändert werden.
Wahlweise kann das Frequenzanalysegerät 28 anstelle der Eigenschaften ein oder mehrerer Frequenzkomponenten die Eigenschaft des Gesamtfrequenzspektrums der reflektierten Signale ermitteln. In dieser Ausführungsform können die Breite des Frequenzspektrums des reflektierten Signals, die Mittelfrequenz, die Neigung oder Wölbung des Spektrums oder dergleichen in Abwesenheit und Anwesenheit von Kontrastmittel im Gewebe ermittelt werden, und die Frequenzparameter können durch den Vergleicher 32 verglichen werden und die Ergebnisse des Vergleichs an den Farbcoder 34 zur Entwicklung von Farbanzeigedaten weitergeleitet werden. Auf diese Weise kann eine räumliche Darstellung der Mikrobläschenverteilung innerhalb des Gewebes in der Abtastanzeigeebene sichtbar gemacht werden.
In Fig. 5 wird ein weiteres System zur Ultrabeschallung von Gewebe gezeigt. Dieses System ist keine Ausführungsform vorliegender Erfindung. Seine Beschreibung scheint jedoch für das Verständnis nützlich. Gemeinsame Elemente aus Fig. 4 und 5 werden durch die gleichen Bezugsziffern beschrieben. In dem System aus Fig. 5 ist das Frequenzanalysegerät 28 (Fig. 4) als ein Gerät mit einem Null-Kreuzungs-Detektor oder einem Autokorrelations-Frequenzermittler 40 gezeigt. Die zurückgeworfene Frequenzinformation kann von zahlreichen Punkten über eine Bilderzeugungsebene mit Hilfe eines Null- Kreuzungs-Detektors abgeleitet werden, der zählt, wie viele Male das reflektierte Signal innerhalb eines bestimmten Zeitraums den Nullpunkt passiert. Die Anzahl Male, die das reflektierte Signal durch Null geht, ist etwa proportional zu der Frequenz der Wellenform über die Zeit und den Ort. Während herkömmliche Verfahren zur Gewinnung von Frequenzinformation eher grob sind, kann eine solche Analyse schnell vollzogen werden und ist daher für Echtzeit-Messungen geeignet.
Wahlweise können herkömmliche Autokorrelationsverfahren, die bei der Doppler- Farbfluss-Aufzeichnungstechnologie verwendet werden, zur Gewinnung von Frequenzinformation eingesetzt werden. Solche Techniken sind in nachstehendem Buch beschrieben:
"Color Atlas of Real-Time Two-Dimensional Echocardiography", Seiten 7 bis 36 (R. Omoto, Herausgeber), Shindan-To-Chiro Co., Ltd., Tokyo (1984).
Das übrige Verfahren entspricht dem aus Fig. 4.
Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Form vorliegender Erfindung. Wieder sind gemeinsame Elemente aus Fig. 4 und 6 durch die gleichen Bezugsziffern beschrieben. Das Frequenzanalysegerät 28 aus Fig. 4 ist mit einem ersten und zweiten engen Bandpassfilter 42, 44 und einem Teiler 46 gezeigt. Eines der Bandpassfilter 42, 44 hat eine Mittelfrequenz, die sich mit der in vivo-Resonanzfrequenz der Kontrastmikrobläschen deckt. Das andere Bandpassfilter hat eine Mittelfrequenz, die von der Mittelfrequenz des ersten Bandpassfilters abweicht, jedoch innerhalb des Antwortfrequenzbandes des Wandlers liegt. Die Amplituden der Ausgangssignale der Bandpassfilter 42, 44 werden durch den Frequenzteiler 46 sowohl während der Basislinienmessung (wobei das Ergebnis der Teilung in dem Basislinienspeicher 30 gespeichert wird) als auch nach der Einführung der Kontrastmikrobläschen in das zu untersuchende Gewebe geteilt. Wie zuvor werden die Verhältnisse durch den Vergleicher 32 verglichen und der Farbcoder 34 entwickelt die Anzeigeinformation entsprechend dem Vergleich, welche durch den Summierer 26 mit den herkömmlichen Anzeigedaten zusammengebracht und der Anzeige 18 zugeführt werden.
Es sei erwähnt, dass weitere frequenzselektive Filter verwendet werden können, so dass weitere Frequenzen ermittelt und analysiert werden können. Aufgrund der frequenzabhängigen Wirkung der Rückstreuung verändern sich die Verhältnisse der Signalamplituden der Filter durch Einführen von Kontrastmikrobläschen in das zu untersuchende Gewebe.
Zudem können in einer alternativen Ausführungsform ein oder beide Filter 42 und 44 variable Bandpassfilter sein, die zur Auswahl einer vorbestimmten Frequenz eingestellt oder festgestellt werden können, so dass eine größere Flexibilität bereitgestellt wird. Beispielsweise können verschiedene Kontrastmittel im Gewebe verschiedene Resonanzfrequenzen besitzen. Daher kann eines der Filter 42 und 44 eingestellt oder festgestellt werden, um reflektierte Energie mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz des Gewebes mit dem ausgewählten Kontrastmittel entspricht, durchzulassen, und das andere Filter kann beispielsweise auf die Mittelfrequenz des Wandlers 14 eingestellt oder gedreht werden.
Fig. 7 zeigt eine noch weitere Ausführungsform. Hierein werden der Oszillator 20, die Wandler-Empfänger-Schaltung 22 und die Auslöseschaltung 36 aus Gründen der Vereinfachung nicht gezeigt. Ferner ist der einzelne Wandler 14 durch zwei Wandler 50, 52 ersetzt. Der zweite Wandler 52 erzeugt Ultraschallenergie mit einer Mittelfrequenz, die im wesentlichen mit der in vivo-Resonanzfrequenz der Kontrastmikrobläschen überlappt. Der erste Wandler 50 erzeugt Ultraschallenergie mit einer Bezugsfrequenz, die sich von der Resonanzfrequenz unterscheidet.
Wahlweise können zwei Wandler durch einen einzelnen Wandler, der wahlweise mit einer Bezugs- oder Resonanzfrequenz betrieben wird, ersetzt werden.
Die Reflexionssignale, die von den Wandlern 50 und 52 erzeugt werden, werden einem ersten und zweiten Amplitudendetektor 54, 56 zugeführt, der das Frequenzanalysegerät 28 aus Fig. 4 ersetzt und die Amplituden der Bezugs- und Resonanzfrequenzkomponenten in den Basislinien- beziehungsweise Posteinführungs-Reflexionssignalen ermittelt.
Wahlweise kann der Frequenzdetektor 56 die Amplitude einer Oberwelle der Resonanzfrequenz ermitteln. Zudem wird das Reflexionssignal des ersten Wandlers 50 von der herkömmlichen Bilderzeugungs-Verarbeitungsschaltung 24 verwendet, um die Gewebeanzeigedaten zu gewinnen.
Die Ausgabewerte der Amplitudendetektoren 54 und 56 werden dem Frequenzteiler 46 zugeleitet, der wiederum Basislinien- und Posteinführungs-Verhältnisse erlangt, die von dem Vergleicher 32 wie zuvor verglichen werden. Auch wie zuvor beschrieben werden die Ausgabewerte des Vergleichers 32 von dem Farbcoder 34 und dem Summierer 26 zu der Anzeige 18 geleitet. Sequentielle Ultraschallpulse bei den Resonanz- und Bezugsfrequenzen werden entlang jeder Abtastlinie übermittelt und die Verhältnisse der zurückgeworfenen Amplituden von beiden Frequenzpulsen an zahlreichen Positionen entlang der Bilderzeugungs-Abtastlinien untersucht. Aufgrund der frequenzabhängigen Wirkung der Rückstreuung verändern sich die Verhältnisse der Signalamplituden der verschiedenen Frequenzpulse durch die Einführung von Kontrastmikrobläschen in das Gewebe. In Abwesenheit der Mikrobläschen im Gewebe wird das Basislinienverhältnis bestimmt, und dann wird die Größe der Verschiebung des Verhältnisses, die durch die Einführung des Kontrastmittels verursacht wird, an zahlreichen Punkten der Abbildung bestimmt, um eine Indikation der Mikrobläschenverteilung innerhalb des Gewebes zu erhalten.
Nachstehende Bücher beschreiben Ultraschall-Untersuchungssysteme und -Techniken und den Gebrauch von Mikrobläschen als Kontrastmittel:
- Mark J. Monaghan, "Practical Echocardiography And Doppler", John Wiley and Sons, (1990, Wiederauflage Juli 1991);
- Harvey Feigenbaum, "Echocardiography", Lea and Febiger, (1981); und
- "Digital Techniques in Echocardiography", (Jay Roelandt, Herausgeber), Martinus Najhoff Publishers, (1987).
Zu vorstehender Beschreibung sind zahlreiche Modifikationen und Veränderungen der Erfindung für den Fachmann auf dem Gebiet erkennbar. Es ist daher davon auszugehen, dass die Erfindung im Rahmen der angefügten Ansprüche auf andere Weise als hierin spezifisch beschrieben ausgeführt werden kann.

Claims

Vorrichtung zur Ultraschall-Gewebeuntersuchung und zur Erzeugung einer Echtzeit-Abbildung des Blutflusses durch das Gewebe, umfassend:

eine Vorrichtung (14) zur Untersuchung des Gewebes mit Ultraschallenergie während eines ersten Zeitraums in Abwesenheit eines Ultraschallkontrastmittels im Gewebe und während eines zweiten Zeitraums in Gegenwart eines Ultraschallkontrastmittels im Gewebe;

eine Vorrichtung (16) zum Messen einer Frequenzeigenschaft der Ultraschallenergie, die von dem Gewebe, sowohl während des ersten Zeitraums, wobei Basislinien-Frequenzdaten gewonnen werden, und während des zweiten Zeitraums, wobei Posteinführungs-Frequenzdaten gewonnen werden, reflektiert wird;

ein Sichtanzeigegerät (18); und

eine Vorrichtung (17), die an die Messvorrichtung und das Sichtanzeigegerät gekoppelt ist, zur Erzeugung einer Echtzeit-Abbildung des Gewebes und des Blutflusses dadurch, bezogen auf die Basislinien-Frequenzdaten und die Posteinführungs-Frequenzdaten, während das Kontrastmittel im Geweben ist, und zur Erzeugung einer Echtzeit-Abbildung, die auf dem Sichtanzeigegerät dargestellt wird;

dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugungsvorrichtung

eine Vorrichtung zum Dividieren einer Amplitude der ersten Frequenzkomponente, die während des ersten Zeitraums gemessen wurde, durch eine Amplitude der zweiten Frequenzkomponente, die während des ersten Zeitraums gemessen wurde, zum Erhalt eines ersten Verhältnisses;

eine Vorrichtung zum Dividieren einer Amplitude der ersten Frequenzkomponente, die während des zweiten Zeitraums gemessen wird, durch eine Amplitude der zweiten Frequenzkomponente, die während des zweiten Zeitraums gemessen wird, zum Erhalt eines zweiten Verhältnisses; und

eine Vorrichtung (32) zum Vergleichen des ersten und zweiten Verhältnisses umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Erzeugungsvorrichtung einen Farbcoder (34) zum Entwickeln von Farb-Schirmbilddaten, die auf den Basislinien-Frequenzdaten und den Posteinführungs-Frequenzdaten beruhen;

und

eine Vorrichtung (26) zum Kombinieren von Daten, die eine Abbildung des Gewebes darstellt, mit den Farb-Schirmbilddaten umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Messvorrichtung

einen ersten (42) und einen zweiten (44) Bandfilter mit Mittelfrequenzen umfasst, die im wesentlichen den Frequenzen sowohl der Basislinien- als auch der Posteinführungs-Frequenzdaten entspricht, zum Erhalten eines ersten und eines zweiten gefilterten Signals.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Messvorrichtung eine Vorrichtung zum sequentiellen Aufbringen der reflektierten Ultraschallenergie auf den ersten und zweiten Amplitudendetektor (54, 56), die die Amplituden der reflektierten Ultraschallenergie messen, umfasst.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Messvorrichtung ein Frequenzanalysegerät (28) zum Analysieren eines Reflexionssignals, das für die reflektierte Ultraschallenergie steht, umfasst.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin das Frequenzanalysegerät eine Vorrichtung zum Bearbeiten des Reflexionssignals mit einem schnellen Fourier- Transformations-Algorithmus umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5. worin das Frequenzanalysegerät eine Vorrichtung zum Bearbeiten des Reflexionssignals mit einem Chirp-Z-Algorithmus umfasst.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5. worin das Frequenzanalysegerät einen Null- Kreuzungs-Detektor (46) umfasst.