DE19936554C2

DE19936554C2 - Vorrichtung zur Unterstützung der Elastographie

Info

Publication number: DE19936554C2
Application number: DE1999136554
Authority: DE
Inventors: Karsten Hiltawsky; Helmut Ermert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: DE19936554A1

Abstract

Bei der Darstellung mechanischer Gewebeeigenschaften menschlichen Gewebes ist allen Abbildungsverfahren (mit Ultraschall oder Magnetresonanztomographie) gemeinsam, dass die Wirkung einer äußeren Kraft auf das Gewebe gemessen und zu quantitativen elastischen Informationen weiterverarbeitet wird. Zur Zeit wird diese äußere Kraft entweder wohl definiert durch statische Applikatoren oder durch eine Freihandbewegung ausgeübt. Der vorgestellte Applikator soll die Vorteile einer definierten Hubbewegung (bisher nur durch statische Applikatoren) und einer leichten Handhabung (bisher nur durch Freihandmethoden) vereinen. DOLLAR A Der Applikator ermöglicht das Anbringen eines beliebigen Ultraschallwandlers auf einer Befestigungsplatte. Durch einen Aufsatzring wird sichergestellt, dass eine axiale Bewegung des Wandlers auf das Gewebe übertragen wird. In der hier dargestellten Ausführung wird die axiale Bewegung des Wandlers durch einen Motor mit exzentrischer Scheibe gewährleistet, die sich in einem Langloch der Befestigungsplatte befindet. DOLLAR A Der entwickelte Applikator ermöglicht die gleichzeitige Benutzung eines handelsüblichen Ultraschallwandlers im Normalbetrieb (B-Bild) wie im Elastographiebetrieb, weil eine gleichmäßige minimale Kompression des Gewebes in axialer Richtung untersucherunabhängig ausgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Anwendungsgebiet

Im Rahmen der präoperativen Diagnostik nehmen Abbildungsverfahren sowohl bei der Bestimmung der Lokalität als auch der Dignität von raumfordernden Prozessen eine übergeordnete Stellung ein. Besonderes Interesse gilt dabei der funktionellen Diagnostik, da Parameter wie Blutfluß oder Zellaktivität wesentlich zur Unterschei dung von gut- bzw. bösartigen Prozessen beitragen. Seit wenigen Jahren steht ein Ultraschallverfahren zur Verfügung (Elastographie), das die quantitative Darstellung von elastischen Parametern ermöglicht. Die ärztliche Palpation hat immer wieder gezeigt, daß - zumindest qualitativ - härtere Strukturen mit bösartigen Prozessen in Einklang gebracht werden können. Durch das neue Verfahren der Elastographie könnte ein Zusammenhang zwischen quantitativen elastischen Parametern und Aussagen über die Dignität gefunden werden. Der hier vorgestellte Applikator soll dazu dienen, Untersuchungen mit Elastographiesystemen jeder Art zu vereinfachen bzw. die Ergebnisse durch Minderung von Bewegungsartefakten zu verbessern.

Stand der Technik

Die ärztliche Untersuchungstechnik der Palpation (Tastbefund) ist ein qualitatives und subjek tives Verfahren zur Beurteilung mechanischer Eigenschaften des menschlichen Gewebes.

Inzwischen ist es möglich, die mechanische Dehnung quantitativ mit Hilfe von Ultraschall zu bestimmen [1, 2]. Bei allen bisherigen in vivo Elastographieverfahren wird das Gewebe wäh rend der Ultraschalluntersuchung um wenige 100 µm in axialer Richtung komprimiert. Aus den zu jeweils unterschiedlichen Kompressionsstufen gehörenden Ultraschallbildern wird die axiale Komponente der mechanischen Dehnung berechnet (Elastogramm). Bereiche mit har ten Veränderungen haben eine geringere axiale Dehnung als Bereiche mit weichen Verände rungen.

Bei allen Arbeiten hat sich gezeigt, dass laterale Abweichungen von der axialen Kompressi onsrichtung zu erheblich schlechterer Bildqualität der Elastogramme führt [9]. Eine Möglich keit zur Überwindung dieses Problems besteht in einer nachträglichen Berechnung dieser Be wegungsartefakte [3, 4], wobei auch eine Rekonstruktion des Elastizitätsmoduls erfolgen kann [5, 8]. Alternativ wird versucht, die Bewegungsartefakte schon während der Kompressi on so gering wie möglich zu halten, indem

- die Bildwiederholungsrate des Ultraschallgerätes während der Kompression erhöht wird
- der Ultraschallwandler in einer Halterung mit Hilfe einer Schrittmotorsteuerung axial ge führt bzw. das zu untersuchende Objekt zwischen zwei Kompressionsplatten fixiert wird
- niederfrequente mechanische Schwingungen in das zu untersuchende Objekt durch eine Vibrationsquelle bei fixiertem Ultraschallwandler eingekoppelt werden [10]
- niederfrequente mechanische Schwingungen in das zu untersuchende Objekt durch den Ultraschallwandler selbst eingekoppelt werden, der zu diesem Zweck in einer Halterung mit einem Stativ fixiert wird, das über Motoren eine relative Kompressionsbewegung aus führt [2]

Nachteile des Standes der Technik

Alle Ansätze, die über eine rein axiale Berechnung der mechanischen Dehnung hinausgehen, sind mit einer Steigerung des Rechenaufwandes um Zehnerpotenzen verbunden. Die für die klinische Erprobung der Elastographie notwendige Echtzeitfähgikeit wird derzeit nur von einem System geleistet [6, 7], das sich auf die Berechnung der mechanischen Dehnung in axialer Richtung beschränkt. Da dieses System laterale Bewegungsartefakte rechnerisch nicht kompensieren kann, müssen diese schon bei der Aufnahme möglichst vermieden werden, wo bei die Bildwiederholungsrate derzeit relativ gering ist.

Die bisher verwendeten Applikatoren bestehen aus einer fest verankerten Schrittmotorsteue rung, die entweder direkt oder über eine Kompressionsplatte mit dem Ultraschallwandler ver bunden ist. Die Handhabung ist aufwendig und nicht jede Körperregion mit einem solchen Aufbau zu erfassen.

Aufgabe der Erfindung

Die Erfindung dient dazu, die axiale Kompression durch den Ultraschallwandler selbst mög lichst genau durchzuführen, wobei jede Körperregion dem frei geführten Applikator zugäng lich ist.

Die Erfindung soll eine Zwischenstellung einnehmen zwischen fest verankerten statischen Applikatoren mit Schrittmotorsteuerung und einer ohne Hilfsmittel mit der freien Hand durchgeführten Elastographie.

Literaturangaben

[1] Ophir J., Cèspedes I., Ponnekanti H., Yazdi Y., Li X.: Elastography: A quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues. Ultrasonic Imaging 13, 111-114, 1991
[2] Cèspedes I., Ophir J., Ponnekanti H., Maklad N.: Elastography: Elasticity imaging using ultrasound with application to muscle and breast imaging in vivo. Ultrasonic Imaging 15, 73-88, 1993
[3] O'Donnell M., Skovoroda A. R., Shapo B. M., Emilianov S. Y.: Internal displacement and strain imaging using ultrasonic speckle tracking. IEEE transactions on ultrasonics ferro electrics and frequency control, 41, 314-325, May 1994
[4] Lubinski M. A., Emilianov S. Y., Raghavan K. R.: Lateral displacement estimation using tissue incompressibility. IEEE transactions on ultrasonics ferroelectrics and frequency control, 43, 234-246, 1995
[5] Emilianov S. Y., Lubinski M. A., Skovoroda A. R., Erkamp R. Q., Leavey S. F., Wiggins R. C., O'Donnell M.: Reconstructive ultrasound elasticity imaging for renal pathology de tection. Proc. 1997 IEEE Ultrasonics Symposium, IEEE Press, Piscataway, MD, USA.
[6] Pesavento A., Lorenz A., Ermert H.: A system for realtime-elastography. Electronic Let ters, 1999.
[7] Antrag auf Erteilung eines Patentes: Ein System zur schnellen Berechnung von Deh nungsbildern aus hochfrequenten Ultraschall-Echosignalen. Aktenzeichen des Deutschen Patentamtes 193 24 108.9
[8] Konofagou E., Ophir J.: A new elastographic method for estimation and imaging of lateral displacements, lateral strains, corrected axial strains and poisson's ratios in tissues. Ultra sound in Med. & Biol., 24/8, 1183-1199, 1998.
[9] K. J. Parker et al.: Techniques for Elastic Imaging: A Review, IEEE Engineering in Medi cine and Biology, 1996, p. 52-59.
[10] Yoshiki Y. et al.: Ultrasonic Imaging of Internal Vibration of Soft Tissue under forced Vibration, IEEE transactions on ultrasonics ferroelectrics and frequency control, 37, 45-53, 1996

B. Beispielbeschreibung eines Ausführungsbeispiels

Ausführungszeichnungen der Erfindung sind in den Zeichnungen Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Der Applikator besteht aus folgenden Funktionseinheiten:

Zu Fig. 1 Ansicht des Applikators

a) Ein Handgriff, an dem das Batteriefach (s. Fig. 3) und ein elektromechanischer Antrieb (s. Fig. 3) befestigt sind. Durch den elektromechanischen Antrieb wird ei ne axiale Bewegung der Befestigungsplatte von wenigen mm garantiert. Im abge bildeten Fall wurde als Lösung ein Motor mit Getriebe gewählt, wobei auf die Welle des Getriebes eine Kreisscheibe exzentrisch montiert ist. In Verbindung mit dem Langloch der Befestigungsplatte (siehe c)) wird dadurch eine axiale Hubbe wegung von 1 mm mit einer Frequenz von 1-3 Hz gewährleistet.
b) Zwei Führungsstangen, die den Handgriff mit dem Aufsatzring (s. Fig. 3) verbin den.
c) Eine Befestigungsplatte, die auf den Führungsstangen beweglich angebracht ist und eine Einspannvorrichtung (s. Fig. 2) für den Ultraschallwandler beinhaltet. Die Bewegung wird durch ein Langloch eingeschränkt, dessen Breite dem Durchmesser der Kreisscheibe (siehe a)) entspricht. Der resultierende Hub ist durch die Exzentrizität der Bohrung in der Kreisscheibe festgelegt.

Zu Fig. 2 Seitenansicht des Applikators

a) Eine Einspannvorrichtung für einen Ultraschallwandler, die auf der Befestigungs platte angebracht ist. Dadurch ist eine schnelle und einfache Fixierung des Ultra schallwandlers auf der Befestigungsplatte möglich.

Zu Fig. 3 Draufsicht des Applikators

a) Ein Aufsatzring, der bündig mit dem eingespannten Ultraschallwandler abschließt (der Ultraschallwandler ist in Fig. 1 und Fig. 2 abgebildet). Die zu untersuchende Körperstelle wird durch den Druck dieses Ringes gegen den Ultraschallwandler gedrückt.
b) Ein elektromechanischer Antrieb mit Drucktaster und ein Batteriefach. Im abgebil deten Fall wurde als Lösung ein Motor mit Getriebe gewählt (siehe a)).

Claims

1. Vorrichtung zur Unterstützung einer Elastographie mit
einem Ultraschallwandler, der in mechanischen Kontakt mit einem Objekt gebracht werden kann,
einer Halterung für den Ultraschallwandler, mit einem Aufsetzelement zum Abstützen auf dem Objekt, und
einem elektromechanischem Antrieb zum Bewegen des Ultraschallwandlers relativ zur Halterung zur Kompression des Objektes, dadurch gekennzeichnet,
dass der Antrieb die Bewegung des Ultraschallwandlers in eine niederfrequente axiale Hubbewegung umsetzt und
die Vorrichtung handgeführt über das als Aufsetzring ausgeführte Aufsetzelement auf das Objekt aufsetzbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Führungs stangen für die Halterung des Ultraschallwandlers aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung als Befesti gungsplatte mit einer Einspannvorrichtung für den Ultraschallwandler ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische An trieb einen Motor mit Getriebe aufweist, auf dessen Welle eine Kreisscheibe exzentrisch montiert ist, die in Verbindung mit einem Langloch in der Befestigungsplatte die axiale Hub bewegung bewirkt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Batteriefach aufweist, zur von äußeren Spannungsquellen unabhängigen Versorgung des Antriebs.