DE2653384C3

DE2653384C3 - Anordnung von Phantomsubstanzen zur Simulation menschlichen oder tierischen Gewebes

Info

Publication number: DE2653384C3
Application number: DE2653384A
Authority: DE
Inventors: Guenter Prof. Dr.Rer.Nat. Schoknecht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-11-22
Filing date: 1976-11-22
Publication date: 1979-12-20
Also published as: DE2653384A1; DE2653384B2; US4116040A

Description

in

Die Erfindung oetrifft eine Anordnung von Phantomsubstanzen zur Simulation von menschlichem oder tierischem Gewebe, um Ultraschallanlagen kalibrieren und überprüfen zu können.

Die Tiefen der verschiedenen Gewebsschichten unter der Hautoberfläche lassen sich in der medizinischen Diagnostik durch Ultraschall im Impulsechobetrieb darstellen. Geht der Ultraschall von einem Gewebe einer bestimmten .Schallimpedanz ρ · c(ρ= Dichte des Gewebes, c= Schallgeschwindigkeit in diesem Gewebe) in ein anderes Gewebe mit einer anderen Schallimpedanz über, so wird ein Teil des Ultraschalls an der Grenzschicht dieser beiden Gewebe reflektiert. Die Laufzeitdifferenz des Echos zum ausgesandten Schall wird im sogenannten A-Bildverfahren dargestellt. Dabei kann, wenn die Schallgeschwindigkeit des Schalls im Gewebe, das der Schall bis zum Echo durchlaufen hat, bekannt ist, die Dicke dieser Gewebeschicht angegeben werden. Aufbau und Prinzip dieses Verfahrens sind ausführlich dargestellt bei Bergmann, L, Der Ultraschall, S. Hirzel-Verlag, Stuttgart 1954; M a t a u schek, )., Einführung in die Ultraschalltechnik, VEB-Verlag Technik, Berlin 1961 und Krautkrämer, J. und Krautkrämer, H., Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer-Verlag 1975.

Im menschlichen und tierischen Gewebe wird der Ultraschall in Abhängigkeit von der Unlersuchungsfrequenz des Ultraschalls absorbiert. Die Schalldruckamplitude und damit auch die Höhe des Ultraschallechos tiefer gelegener Grenzschichten des Gewebes sind kleiner als die gleichwertiger Grenzschichten, die näher am Schallkopf liegen. Um glcichwcriigc Grenzschichten im Gewebe durch gleich hohe Ultraschallechos darzustellen, werden allgemein in tier medizinischen Technik Ultraschallechos, clic von Gewebsschichien in der Nähe des Ultraschallkopfes reflektiert werden und eine kurze Laufzeitdifferenz zum ausgesandten .Signal aufweisen, weniger verstärkt als die F.chos der tiefer

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τ> liegenden Schichten, die eine größere Laufzeitdifferenz aufweisen. Die laufzeitabhängige Verstärkung wird als Tiefenausgleich bezeichnet.

Der Tiefenausgleich wird bisher in der klinischen Praxis nach Erfahrungswerten eingestellt. In der Literatur sind bisher keine Gewebsphantome beschrieben worden, mit denen der Tjefenausgjeich exakt abgeglichen werden kann.

Es ist zwar ein Tiefenausgleich aus der Materialprüfung bekannt - DE-OS 22 33 130-, der die unterschiedlichen Schallschwächungseigenschaften bei der Ultraschall-Werkstoffprüfung dadurch ermittelt und kompensiert, daß gleichzeitig mit der Fehlerprüfung vom Materialgefüge rückgestreute Schallamplituden erfaßt und zu Vergleichs-, Steuer- und Regelgrößen umgeformt werden. Dies Verfahren setzt jedoch ein homogenes Materialgefüge mit annähernd gleichartigen Rückstreueigenschaften voraus. Eine Voraussetzung, die beim menschlichen und tierischen Gewebe nicht gegeben ist

Eine andere bekannte laufzeitabhängige Regelung der Echoanzeige — DE-OS 26 17 118 — benutzt zusätzlich zur laufzeitabhängigen Grundverstärkung die maximalen Echos und den Störuntergrund als Steuerspannungen. Ein Verfahren, daß für menschliches und tierisches Gewebe nicht geeignet ist, da größere echoarme neben echoreichen anatomischen Strukturen liegen und bei dieser Regelung nicht unterschiedlich zueinander abgebildet werden. Nach diesem Verfahren werden zwar aus ailen anatomischen Strukturen sehr viele Informationen erhalten. Die unterschiedlichen Gewebsqualitäten lassen sich jedoch nicht mehr gegeneinander vergleichen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird das Problem der exakten Kalibrierung von Ultraschallanlagen für menschliches und tierisches Gewebe erst ermöglicht, während dies mit den bekannten Verfahren aus der Materialprüfung für menschliches und tierisches Gewebe nicht möglich war oder feste Einstellungen auf der Grundlage der Erfahrung verwendet wurden oder die genaue Einstellung jedem Anwender der Ultraschallanlage durch freie Einstellmöglichkeiten überlassen wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Ultraschallmessung im Impulsechobetrieb den Tiefenausgleich durch ein Gewebsphantom exakt abzugleichen, daß Schichten im menschlichen und tierischen Gewebe, 'oei denen sich die Schallimpedanz um einen gleichen Betrag ändert, auch immer durch gleich hohe Ultraschallechos dargestellt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Behälter hintereinander angeordnet sind, in welchen verschiedene Substanzen enthalten sind, die hinsichtlich der Schallabsorption und .Schallimpedanz sowie der auftretenden Schallgeschwindigkeit dem menschlichen oder tierischen Gewebe entsprechen, daß die Substanzen der Behälter durch Folien voneinander gelrennt sind und daß die Substanzen der Behälter im periodischen Wechsel als parallele Schichtung angeordnet sind, sowie die Substanzen der Behälter unterschiedliche Schallimpcdan/ haben. Unterscheiden sich / U. zwei solcher Phaiuomsubstanzen durch ihre Schaüim pedanz, so können diese beiden Phantomsiibstan/en in parallelen Schichten im Wechsel Substanz I. Substanz 2. Substanz I usw. angeordnet werden. Von einem Ultraschallimpuls, der diese· paiallelen Schichten in Richtung der Normale durchsetz¹, wird von den Grenzschichten zwischen den parallelen Schichten

immer der gleiche.prozentuale Anteil des Ultraschalls reflektiert, da die Änderung der Schallimpedanz immer gleich groß ist. Der Tiefenausgleich kann dann so abgeglichen werden, daß immer gleich hohe Ultraschallechos für die verschiedenen Gewebsschichten abgebildet werden.

Entspricht die Änderung der Schallimpedanz darüber hinaus der, die physiologisch im menschlichen und tierischen Gewebe zu beobachten ist, so kann solch ein Phantom als Standardphantomsubstanz zur Kalibrie- in rung von Ultraschallanlagen im menschlichen und biologischen Bereich verwendet werden, eine Aufgabe, die bisher noch ungelöst war.

Mit Hilfe des Gewebsphantoms kann die exakte Kalibrierung des Tiefenausgleichs bei Ultraschallanla- π gen zur Untersuchung von menschlichem und tierischem Gewebe leicht gefunden und überprüft werden. Bei einer Untersuchung werden oft Schallköpfe unterschiedlicher Ultraschallfrequenz verwendet. Da die Schallabsorption erheblich frequenzabhängig ist. >o muß der Tiefenausgleich oft neu eingestellt wevden. Das Gewebsphantom erleichtert diese Arbeit wesentlich und ermöglicht zusätzlich eine exakte Kalibrierung. Die exakte Kalibrierung des Tiefenausgleichs mit dem Gewebsphantom gestattet außerdem die eindeutige _>5 Identifikation des Gewebes der Unterschalluntersuchung z. B. als Zyste, Parenchym oder bindegewebsreiches Gewebe. Aussagen, die beim bekannten Stande der Technik nicht möglich waren.

Ein Ausfühmngsbeispiel der Erfindung ist in der jo Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Ein Schallkopf 16 ist aufgesetzt auf eine Folie 1. die durch einen Spannring 2 und der Schraube 3 über den oberen Behälter 8 eben gespannt ist. Folie 1 und r> Behälter 8 werden durch einen O-Ring 4 gedichtet. Die Dicke der Folie ist kleiner als 0,1 mm, Dje folgenden Behälter 9 und 10 sind so wie der Behalter 8 durch eine Folie mit Spannring abgedeckt. Behälter 8,10 und 9 sind so miteinander verbunden, daß die Folien parallel ausgerichtet sind. Die Behälter sind durch Q-Rtnge 6 und 7 gedichtet. Es folgen abwechselnd Behälter wie 10 und 9, Die Anordnung von parallelen Behältern wird begrenzt durch ein Bodenteil II. Spannbolzen mit Muttern und Scheiben 13 halten diese parallele Anordnung von Behältern zusammen.

Über die Schrauben 12 können die Behälter mit einer Flüssigkeit, die dem menschlichen oder tierischen Gewebe entspricht, gefüllt werden. Und zwar werden die Behälter 8 und 9 mit der Flüssigkeit 14 und die Behälter 10 mit der Flüssigkeit 15 gefüllt.

Damit die parallele Oberfläche der Folien auch bei Ausdehnung des Volumens der Flüssigkeiten durch Temperaturänderung einerseits und bei unterschiedlichem Auflagedruck des Ultraschallkonfes andererseits erhalten bleibt, sind die Kammern, diodie Flüssigkeit 14 bzw. 15 enthalten, jeweils miteinander als auch über die Entlüftungsschraube 5 mit der Außenluft zum Druckausgleich verbunden. Der Druck auf beide Seiten der jeweiligen Folien ist immer gleich groß.

Die Kohe rbzw. rder Behälter, die mit der Flüssigkeit 14 bzw. 15 gefüllt sind, kann so abgeglichen werden, daß beide Höhen einem Gewebe von einer vorgegebenen Dicke entsprechen.

Der Ultraschall wandert vom Schallkopf 16 in Richtung der Normalen der Oberfläche der Folien 1. Ein geringer Bruchteil wird an den Folien beim Übergang von der einen Flüssigkeit zur anderen reflektiert und vom Schallkopf 16 empfangen. Die Echos werden im A-BiId dargestellt, wobei die Echohöhen mit Hilfe des Tiefenausgleichs alle auf gleiche Höhe gebracht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Anordnung von Phantomsubstanzen zur Simulation menschlichen oder tierischen Gewebes, dadurch gekennzeichnet, daß Behälter(8, 9, 10) hintereinander angeordnet sind, in welchen verschiedene Substanzen (14,15) enthalten sind, die hinsichtlich der Schallabsorption und Schallimpedanz sowie der auftretenden Schallgeschwindigkeit in dem menschlichen oder tierischen Gewebe entsprechen, daß die Substanzen (14, 15) der Behälter (8 oder 9 und 10) durch Folien (1) voneinander getrennt sind und daß die Substanzen (14 und 15) der Behälter (8 oder 9 und 10) im periodischen Wechsel als parallele Schichtung angeordnet sind, sowie die Substanzen (14 und 15) der Behälter (8 oder 9 und 10) unterschiedliche Schallimpedanz haben.

2. Anordnung von Phantomsubstanzen nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter (8 oder 9 bzw. 10) zum Druckausgleich untereinander verbunden sind.

3. Anordnung von Phantomsubstanzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanzen (14 und 15) zur Simulation des Gewebes aus Rizinusöl und Mineralöl bestehen.