DE19933882A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung und Abbildung elastischer Gewebeeigenschaften mittels niederfrequenter Vibrationen - Google Patents

Description

Die mechanischen Eigenschaften von biologischem Gewebe (z. B. Elastizitätspara­ meter) sind für die Beurteilung des Zustandes des Gewebes von großem Interesse. In der medizinischen Diagnostik deuten Veränderungen der Elastizitätseigenschafien auf histologische und unter Umständen pathologische Veränderungen hin. Allgemein bekannt sind Prozesse wie die Bildung von Geschwülsten und Verhärtungen ("Knoten"), die zum Teil manuell tastbar sind ("Palpation").

Die sogenannte Tastbefundung ist ungenau und wenig empfindlich. Deutlich besser ist in dieser Beziehung die sogenannte Elastographie, bei der elastische Gewebeei­ genschaften technisch erfaßt und z. B. in Form von Schnittbildern qualitativ oder quantitativ visualisiert werden (Ophir J., Céspedes I., Ponnekanti H., Yazdi Y., Li X.: "Elastography: A quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues., Ultrasonic Imaging 13, 111-114, 1991). Dabei bedient man sich hauptsächlich des Ultraschalls, wie er als bildgebendes Verfahren in der medizinischen Diagnostik an­ gewandt wird, allerdings in einer modifizierten Betriebsart. Prinzipiell kann für die vorliegende Erfindung nicht nur Ultraschall sondern auch ein andres Abbildungs­ verfahren verwendet werden. In der Vergangenheit wurden z. B. Elastograpiekon­ zepte vorgestellt, die die Kernspintomographie (MRI) nutzen.

Allen Konzepten ist gemein, daß in zeitlich aufeinanderfolgender aufgenommenen Gewebebildern geringste Verschiebungen oder Verformungen innerhalb der darge­ stellten Gewebestruktur durch Auswertung der Bildsequenzen erfaßt und ausgewertet werden. Dabei wird auf einen Gewebebereich ein mechanischer Druck ausgeübt, der eine Verformung des Gewebes zur Folge hat. Die Verfahren der Elastographie wer­ ten die aufgenommen Bildsequenzen so aus, daß Gewebedehnungen, die aus der Ver­ formung des Gewebes resultieren, gemessen werden. So dehnen sich Bereiche mit unterschiedlichen Elastizitätseigenschaften verschiedenartig, so daß harte und weiche Gewebebereiche unterschieden werden können. Die notwendige Kompression des Gewebes wird extern durch den Ultraschallwandler oder intern durch Atmung oder den Puls des Menschen provoziert.

Die Applikation der Kompression erfolgt entweder manuell z. B. mit dem Ultra­ schallwandler selbst, oder es wird eine Aperatur zur automatischen Kompression verwendet, wie sie z. B. in (S. Y. Emelianov, J. M. Rubin, M. A. Lubinski, A. R. Sko­ voroda, M. O'Donnell, "Elasticity imaging of the liver: is a hemangioma hard or soft?", Proceedings of the 1998 IEEE Ultrasonics Symposium, Sendai, 1999) oder (US 5,265,612) beschrieben wird. Die Kompressionen sind dabei relativ gering und betragen bei Anwendung des üblichen diagnostischen Ultraschalls nur Bruchteile von Millimetern. Die Genauigkeit der dargestellten Dehnungbilder erhöht sich mit dem Grad der Kompression des Gewebes. Der Druck wird bei der Ultraschallelastogra­ phie nur in Richtung der Schallausbreitung ausgewertet.

Mit Hilfe schneller Algorithmen, wie sie in (A. Pesavento, A. Lorenz, H. Ermert, "System for real-time elastography", Electronics Letters, Vol. 36, No. 11, 1999) und (DE 198 24 108.9) bzw. (PCT/EP 99/03769) beschrieben werden, kann die Ultra­ schall-Elastographie auch echtzeitfähig durchgeführt werden. Ultraschallgeräte, die neben dem konventionellen B-Bild gleichzeitig auch Bilder der lokalen Gewebedeh­ nung, die zwischen der Aufnahme zweier Ultraschallbilder provoziert wurde, erstel­ len, sind damit mit zuvor veröffentlichten Verfahren bereits technisch realisierbar.

Während einer elastographischen Echtzeituntersuchung muß das Gewebe permanent komprimiert bzw. dekomprimiert werden. Wird die Kompression extern, z. B. durch den Ultraschallwandler selbst appliziert, ergibt sich das Problem, daß hohe Gesamt­ kompressionen im Bereich 10-20% nötig sein können, um für längere Zeit ein sta­ biles and möglichst rauschfreies Bild zu erhalten. Bei einigen Organen, wie z. B. während neurochirurgischer Gehirnoperationen, darf das Gewebe insgesamt nur we­ nige Promille komprimiert werden, wodurch eine elastographische Untersuchung schwierig wird.

Ein weiterer Nachteil bisheriger Elastographiekonzepte ist, daß die in bisherigen Konzepten benötigten linear ansteigenden Kompressionen bei handgehaltenem Son­ den nur manuell appliziert werden können, was für den Anwender aufwendig ist, Erfahrung erfordert und vom Benutzer abhängig ist. Darüber hinaus kann es zu Be­ wegungsartefakten in den Dehnungsbildern kommen.

Ein dritter Nachteil bisheriger Elastographiekonzepte ist, daß ungewollte Bewegun­ gen des Gewebes ebenfalls zu lokalen Dehnungen innerhalb des Gewebes führen, die die Auswertung von Dehnungsbildern stören.

Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, womit Elastographieuntersuchungen durchgeführt werden können, ohne daß das Gewebe permanent manuell oder automatisch linear über längere Zeit komprimiert werden muß. Mit der Erfindung wird die Aufnahme, Berechnung und Anzeige von Deh­ nungsbilder in Echtzeit auch ohne eine permanent ansteigende Kompression mög­ lich.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Die ma­ nuell oder automatisch applizierten, linear ansteigenden Kompressionen des Gewe­ bes mit großem Hub werden mit diesem Verfahren durch eine automatische und nie­ derfrequente Vibration mit geringer Amplitude ersetzt. Die Frequenz der Vibration liegt im Bereich von ca. 0.1-100 Hz. Derartig niederfrequente Vibrationen mit klei­ nen Amplituden können zum Teil schon durch die bisher zur automatischen Gewe­ bekompression bei der Abbildung von Gewebedehnungen mit Ultraschall verwen­ deten Aperaturen appliziert werden. Dadurch ergeben sich wie bei der Kompression des Gewebes durch interne periodische Bewegungen (z. B. Puls) Dehnungsbilder, die im Rhythmus der applizierten Vibration schwanken. Damit der zeitliche Verlauf der Kompressionsbilder richtig abgetastet wird, sollte die Vibrationsfrequenz kleiner als die halbe Bildwiederholrate sein. Diese Dehnungsbilder werden nicht direkt darge­ stellt, sondern es wird eine zeitliche Einhüllende der schwankenden Dehnung für jeden Bildpunkt abgebildet und dargestellt, wodurch sich ein zeitlich konstantes Bild ergibt. Die Darstellung der Einhüllenden führt auch bei Elastographiesystemen, die interne periodische Gewebedehnungen nutzen, zu einem zeitlich stabilen Bild, wel­ ches von den periodischen Schwankungen befreit ist.

Das Bilden der Einhüllenden entspricht einer sogenannten Amplitudendemodulation. Sie kann kontinuierlich erfolgen, so daß dennoch ein echtzeitfähiges System erzielt werden kann, welches auf Änderungen der Bildinhalte unmittelbar reagiert. Die Bil­ der werden lediglich von ihren systembedingten periodischen Schwankungen befreit. Durch diese Vibration wird das Gewebe periodisch immer wieder komprimiert und dekomprimiert, wodurch Dehnungsbilder erzeugt werden können. Anstelle eine ho­ hen Genauigkeit der Dehnung dadurch zu erzielen, daß eine große Gesamtdehnung appliziert wird, wird die Genauigkeit durch das hier beschriebene Verfahren dadurch erhöht, daß die während der Vibration berechneten Dehnungsbilder in geeigneter Weise gemittelt werden, was durch digitale Filter nach Anspruch 2 oder eine Vor­ richtung nach Anspruch 5 geschehen kann. Da die Frequenz der Vibration bekannt ist, kann ein solches Filter schmalbandig ausgelegt, so daß nur Gewebedehnungen aufgrund der bekannten und gewollten Vibration das Filter passieren. Dies führt ei­ nerseits dazu, daß die breitbandigen Meßfehler bei der Bestimmung der Gewebedeh­ nung unterdrückt werden, was zu dem oben beschriebene Mittelungseffekt führt, an­ dererseits werden dadurch aber auch richtig gemessene aber ungewollte Gewebedeh­ nungen aufgrund ungewollter Bewegungen aus anderen Quellen, z. B. Pulsschlag oder Bewegung des Patienten oder des Transducers durch den Untersucher unter­ drückt, so daß Störungen des Dehnungsbildes durch diese ungewollten Bewegungen reduziert werden.

Die Bildung der Einhüllenden, auch Amplitudendemodulation genannt, erfolgt am genauesten durch ein Verfahren nach Anspruch 3 oder eine Vorrichtung nach An­ spruch 6. Hier werden zunächst durch ein weiteres Filter das analytische Signal ge­ bildet und anschließend dessen Betrag gebildet. Ein Filter zur Bildung des analyti­ schen Signals muß den negativen Frequenzanteil des Signals unterdrücken. Da das Signal, welches durch eine monofrequente Vibration angeregt wird, bei der negativen Vibrationsfrequenz einen besonders starken Signalanteile aufweist, sollte das Filter so ausgelegt sein, daß es dort eine besonders gute Signalunterdrückung aufweist. Da jeder Bildpunkt des Dehnungsbildes zeitlich amplitudendemoduliert werden muß, d. h. die beiden Filter durchlaufen muß, sollte die Ordnung der Filter besonders nied­ rig ausfallen, damit sie recheneffizient realisiert werden können, um die Echtzeitfä­ higkeit wenig einzuschränken. Eine mögliche sehr recheneffiziente Realisierung bei­ der Filter kann zum Beispiel durch ein Filter nach Anspruch 7 erfolgen, welches die folgende Differenzengleichung realisiert:

s_k = s_k - pe^{-j ΩΔ T}s_k-1 + pe^{j ΩΔ T}s_k-1 (Gleichung 1)

Obige Differenzengleichung beschreibt, wie ein jeder Bildpunkt s_k zeitlich gefiltert werden muß. Dabei bezeichnet k die Nummer des Bildes in der Serie von Dehnungs­ bildern, die in einem zeitlichen Abstand von ΔT aufgenommen wurden. S2 bezeichnet die Frequenz, mit welcher die Vibration erfolgt. Über den reellen Faktor p kann der Grad der zeitlichen Mittelung eingestellt werden. Dieser Faktor muß kleiner 1 ge­ wählt werden. s_k bezeichnet das gefilterte analytische Signal, dessen Absolutwert farbcodiert oder grauwertcodiert zur Anzeige gebracht wird.

Die Darstellung der Einhüllenden der durch eine niederfrequente Vibration hervorge­ rufenen, periodisch schwankenden Gewebekompression hat den Vorteil, daß diese Kompression unbegrenzt lange appliziert werden kann und somit unbegrenzt lange stabile Bilder produziert werden können. Die Vibration kann technisch einfach auto­ mansch, auch an einem handgehaltenem Transducer, realisiert werden. Gegenüber einer manuell applizierten Kompression ergibt sich der Vorteil einer größeren Benut­ zerunabhängigkeit bei Applikation einer Vibration. Zudem ist bei gleichem Signal- zu-Rausch-Verhältnis der Dehnungsbilder die notwendige Gesamtkompression ge­ ringer als bei der Applikation einer stetig ansteigenden Kompression, was die An­ wendbarkeit des Verfahrens auch für andere Organe zuläßt. Mit der beschriebenen Erfindung können zudem Bewegungsartefakte durch andere ungewollte Bewegungen besser unterdrückt werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Aufnahmeprozedur bei der Aufnahme von Dehnungbildern mittels eines vi­ brierenden Ultraschallwandlers.

Fig. 2 Recheneinheit zur Bildung der Einhüllenden von Dehnungungsbildern.

Fig. 3 Filter zur Separation der angeregten Vibrationsfrequenz und zur Bildung des analytischen Signals.

Fig. 1 zeigt eine mögliche Aufnahmesituation für die Aufnahme von Dehnungsbil­ dern mittels eines vibrierendem Ultraschallwandlers. Das Gewebe (2) wird mit dem Ultraschallwandler (1) beschallt. Der Ultraschallwandler wird durch einen Motor (3) bewegt und kann bei entsprechender Ansteuerung in niederfrequente Vibrationen versetzt werden. Das Ultraschallgerät (4) liefert neben dem konventionellen B-Bild auch Dehnungsbilder in Echtzeit mit konstanter Bildwiederholrate, die die lokale Gewebedehnung darstellen, die in der Zeit zwischen dem Anliegen zweier dieser Dehnungsbilder appliziert wurde.

Diese Dehnungsbilder liegen am Eingang einer Recheneinheit (5) an, welche für je­ den Bildpunkt der Gewebedehnung eine schmalbandige Filterung und eine Amplitu­ dendemodulation durchführt und das Ergebnis auf einer Darstellungseinheit (6) an­ zeigt. Diese Recheneinheit kann durch einen PC, eine DSP-Einheit oder eine sonstige digitale Schaltung realisiert werden. Die Aufgabe der Recheneinheit können auch von im Ultraschallgerät oder im Zusatz zur Berechnung von Dehnungsbildern bereits vorhandenen Recheneinheiten durchgeführt werden. Ebenso können im Ultraschall­ gerät oder in der Einheit zur Berechnung von Dehnungsbildern bereits vorhandene grafische Darstellungsgeräte zur Anzeige der Dehnungsbilder genutzt werden.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Realisierung mittels eines DSP-Boards (8). Aus einem Bildspeicher (11) werden die Dehnungsbilder entnommen. Eine DSP (10) führt eine digitale zeitliche Filterung jedes Bildpunktes durch, bildet den Absolutwert des kom­ plexwertigen Filterausgangs und schreibt das Ergebnis in einen Ergebnisbildspeicher (12), der auf einem Darstellungsgerät (6) zur Anzeige gebracht wird.

In Fig. 3 wird eine mögliche Realisierung des Filters dargestellt, welches für jeden Bildpunkt realisiert werden muß. Diese Realisierung erfüllt die Differenzengleichung in Gleichung 1. Das Filter hat einen reellwertigen Eingang und einen komplexwerti­ gen Ausgang. Der Absolutwert des komplexwertigen Ausgangs ist die Einhüllende der Dehnung eines Bildpunktes. Das Filter benötigt neben den Verzögerungsgliedern (13) (14) und (15), Multiplikatoren und Summatoren zwei Konstantwerte (16) und (17). Die Inhalte dieser Konstantwerte ergeben sich durch den reziproken Wert ΔT der Bildwiederholrate der Dehnungsbilder, eine Konstante p, die zwischen 0 und 1 gewählt werden muß und die Bandbreite des schmalbandigen Filter steuert, sowie die Vibrationsfrequenz Ω (Kreisfrequenz). Am Ausgang der Verzögerungsglieder liegt jeweils der um ΔT verzögerte Wert des Eingangs an.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung und. Darstellung der Dehnung biologischen Gewebes da­ durch gekennzeichnet, daß die Einhüllende einer periodisch schwankenden Gewe­ bedehnung für jeden Bildpunkt berechnet und dargestellt wird, welche durch eine an das Gewebe angebrachte oder gewebe-interne Vibrationsquelle hervorgerufen wird.

2. Eine Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewebedeh­ nung, die durch die Vibration hervorgerufen wird, von Gewebedehnungen auf grund anderer parasitärer Bewegungsquellen getrennt wird, indem jeder Bildpunkt der Gewebedehnung zeitlich so gefiltert wird, daß sich fast nur die bei der Vibra­ tionsfrequenz liegenden Anteile ergeben und andere Frequenzanteile unterdrückt werden.

3. Eine Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der Einhüllenden in der Weise erfolgt, daß das analytische Signal durch eine di­ gitale Filterung mit anschließender Bildung des Absolutwertes durchgeführt wird.

4. Eine Vorrichtung zur Messung und Darstellung der Dehnung elastischen Gewebes mit Ultraschall dadurch gekennzeichnet, daß an das Gewebe eine Vibration appli­ ziert wird und die Einhüllende der durch diese Vibration hervorgerufenen Gewe­ bedehnung berechnet und dargestellt wird.

5. Eine Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewebedeh­ nung, die durch die Vibration hervorgerufen wird, von Gewebedehnungen auf grund anderer parasitärer Bewegungsquellen getrennt wird, indem jeder Bildpunkt der Gewebedehnung zeitlich so gefiltert wird, daß sich fast nur die bei der Vibra­ tionsfrequenz liegenden Anteile ergeben und andere Frequenzanteile unterdrückt werden.

6. Eine Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung der Einhüllenden durch eine Realisierung eines digitalen Filters mit dem Ziel der Bil­ dung des analytischen Signals und eine Vorrichtung zur Bildung des Absolutwer­ tes des Filterausgangs durchgeführt wird.

7. Eine Vorrichtung nach Anspruch 6 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden notwendigen Filter durch digitale Filter erster Ordnung nach Fig. 3 realisiert werden.