DE3311804C2 - Verfahren und Vorrichtung für die hervorgehobene sonographische Darstellung von Nadelspitzen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung für die hervorgehobene sonographische Darstellung von NadelspitzenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Lokalisierung und hervorgehobenen
Darstellung der Spitzen einer Nadel bei echosonographischer
Abbildung, sowie Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
Bei der unter Ultraschallkontrolle vorgenommenen Biopsie
oder Punktion, also der Gewebs- oder Flüssigkeitsentnahme
aus dem Körper, werden heute nach dem Echtzeitverfahren
arbeitende Scanner verwendet, die zweidimensionale
Schnittbilder einer Körperregion erzeugen oder
auch Systeme mit einem Einzelschallkopf, der mit nur
einem Schallbündel eindimensional abbildet.
Hierbei wird der Schallkopf so positioniert, daß Bewegung
und Lage der in den Körper eingeführten Nadeln in
der von dem Gerät auf dem Bildschirm dargestellten
Schicht bzw. im eindimensionalen Fall der abgebildeten
Linie kontrolliert werden können.
Bei denjenigen Methoden, bei denen Nadel und Gewebe
miteinander sonographisch abgebildet werden, ist es
notwendig, daß zumindest die Nadelspitze bei den Arbeits-
und Einstellungsparametern, die für eine ausreichende
Abbildung des betreffenden Körpergewebes oder
Organs gewählt werden müssen (Schallfrequenz, Sendeleistung,
Kontrast u. a.), deutlich genug dargestellt
wird.
Das Spitzenecho sollte zur Unterscheidung von den umgebenden
Gewebsechos so hell sein, daß es zumindest bei
dynamischer Arbeitsweise, also beim Einstechen der Nadel,
durch die Bewegung des Reflexes im Bild identifiziert
werden kann.
Während die Nadelspitze unter idealen Bedingungen, z. B.
im Wasserbad oder in wenig echogenem Gewebe (Gewebszysten),
fast immer eine für die Abbildung ausreichende
Streuwirkung zeigt, ist ihre Sichtbarkeit in stark echogenem
Gewebe (soliden Tumoren) häufig ein Problem.
Gegenüber den "passiven" Methoden der Verbesserung der
Sichtbarkeit von Spitzen (wie: geeignete Formgebung der
Spitzen, unregelmäßige Aufrauhung des Schaftes vor der
Spitze, regelmäßige Profilierung des Schaftes vor der
Spitze), die mit der vom bildgebenden Scanner am Ort
der Spitze angebotenen Schallenergie auskommen müssen,
ist die "aktive" Spitzenreflexverstärkung (vgl.
US 42 49 539) in vielen Fällen leistungsfähiger. Hierbei
wird der Sende-Schallimpuls von einem an der Nadelspitze
befestigten kleinen Hilfsschallkopf empfangen
und von einer elektronischen Einheit so verarbeitet,
daß er entweder dem Hilfsschallkopf unmittelbar darauf
und verstärkt wieder zugeführt wird, der daraufhin einen
verstärkten Antwort-Schallimpuls emittiert, der vom
abbildenden Scanner als verstärkter Spitzenreflex "gesehen"
wird, oder daß er nach einer Zeitverzögerung,
die gleich der zuvor gemessenen Schall-Laufzeit zwischen
Scanner-Schallkopf und Nadelspitze ist, nach Verstärkung
elektronisch dem jeweils aktuellen Bildsignal hinzugemischt
wird, was ebenfalls zur Aufhellung der Spitze
im Bild führt.
Nachteilig wirken sich hierbei die bei der Herstellung
der Nadel auftretenden mechanischen Probleme und der
damit verbundene Aufwand aus. Es muß u. a. mindestens
eine feuchteisolierte elektrische Zuleitung zur Spitze
der Nadel oder des Dorns vorgesehen werden, und eine
isolierte Kontaktierung des relativ kleinen Schallschwingers.
Wegen der kleinen Dimensionen bestehen insbesondere
bei den dünneren Nadeln, die mit Durchmessern
bis zu etwa 0,6 mm im Gebrauch sind, Schwierigkeiten.
Aus diesen Gründen können Nadeln mit aktiver Spitze
auch schlecht als Einwegnadeln konzipiert werden. Entsprechendes
gilt für Mandrins, auf deren Spitze ein
Hilfsschallkopf gesetzt wird.
Außerdem gestaltet sich die bei Wiederverwendung
der bekannten Nadeln erforderliche Sterilisation schwierig
und zeitaufwendig, ein weiterer Grund weshalb sich diese Nadeln in der
Praxis nicht durchgesetzt haben.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
vorzuschlagen, mit dessen Hilfe bei aktiven Lokalisationssystemen
der zur Rede stehenden Art insbesondere auch Einweg-Punktionsnadeln
verwendet werden können, um auf diese Weise
eine Kostensenkung und damit verbunden, eine breitere
Anwendung des Verfahrens zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 sowie dem zugehörigen
Vorrichtungsanspruch gelöst.
Bevorzugte Ausführungsarten der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit den
zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Von diesen
zeigt:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines
Drahtwellenverfahrens bei eindimensionaler
Abbildung (A-Scan)
mit einem Einzelschallkopf;
Fig. 2 ein Zeitdiagramm der verwendeten
Impulse;
Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen zweier
Anordnungen zur Lokalisation und
Darstellung mittels Drahtwellen
mit einem Biopsie-Schallkopf für
die zweidimensionale Abbildung
(B-Scan).
In Fig. 1 ist das Verfahren an einer Prinzipdarstellung
für den Fall des A-Scan-Betriebs erläutert. Die Anordnung
besteht aus einem Einzelschallkopf 1, der Nadel 2
sowie dem Hilfsschallkopf 3 am hinteren Ende der Nadel.
In dem Zeitdiagramm von Fig. 2 werden folgende Überlegungen
verdeutlicht:
Ein Puls der regelmäßigen Pulsfolge der Periodenlänge
T trete zur Zeit t₀=0 aus dem Schallkopf 1 aus
(Longitudinalwelle im Gewebe). Er erreicht die Spitze
der Nadel 2 in der Zeit t₁=s₁/vH20, wobei s₁ die
Entfernung zwischen Spitze und Schallkopf ist und vH20
die Schallgeschwindigkeit in Wasser. An der Spitze entsteht
die normale Streuwelle (Echo), die zur Zeit 2t₁
den jetzt auf Empfang geschalteten Schallkopf 1 erreicht
und bei herkömmlicher "passiver" Spitzendarstellung zur
Lokalisation verwendet wird.
Bei dem "aktiven" System nach dem Stand der Technik
(US 42 49 539) würde der Wellenimpuls mit dem Hilfsschwinger
am Ort der Spitze detektiert und elektronisch
in einen Antwortimpuls oder ein Overlay-Signal umgewandelt.
Die vorliegende Erfindung sieht demgegenüber vor, daß
die Drahtwelle benutzt wird, die durch Einkopplung von
Schallenergie an der Spitze entsteht, und in der Nadel
2 nach hinten läuft und zum Zeitpunkt
t₁+t₂=s₁/vH20+s₂/vD
-, wobei t₂ die Laufzeit in der Nadel und s₂ die Nadellänge
und vD die Geschwindigkeit der Drahtwelle bedeuten -
mit einem am anderen, der Spitze abgewandten Nadelende angebrachten Hilfsschallkopf
3 registriert wird. Die Größe (t₁+t₂) wird
elektronisch gemessen, wobei der Anteil t₁ variabel und der Anteil t₂ (aus der Eichung) konstant
ist. Die Schallübertragung
mit Drahtwellen ist an sich bekannt (US 35 56 079,
GB 12 85 880, DE-OS 22 42 863).
Nach dieser Messung kann die Nadel "aktiviert" werden
(aktive Phase). Die beiden alternativen Möglichkeiten
des elektrisch aktiven und des schallaktiven Betriebs
lassen sich bei der erfindungsgemäßen Benutzung der
Drahtwelle wie folgt beschreiben:
Beim elektrisch aktiven Betrieb wird ein verstärktes
Nadelecho dadurch orts- bzw. zeitrichtig erzeugt, daß
der an der Spitze entstehende, mit dem Hilfsschallkopf
3 registrierte Wellenimpuls nach einer Verzögerung von
δt=t₁-t₂ dem Bildsignal des Scanners überlagert
wird. Die Signalverarbeitung erfolgt in der Weise, daß z. B.
zuerst der Meßwert (t₁+t₂),
dann die Konstante t₂ subtrahiert und das Ergebnis
t₁ zu 2 t₁, - der Ankunftszeit des normalen Spitzenechos
verdoppelt wird. Eine Ausführungsform der Berechnungseinheit nach d. St. d. T. ist z. B.
ein mitlaufender Zähler (Quarzuhr), der zur Zeit t=0 (Start des Sendeimpulses)
gestartet wird, bei Eintreffen des Signals am Schallkopf
3 um t₂ zurückgesetzt wird und das verstärkte Echosignal
bei Erreichen der doppelten Zählrate auslöst.
Die Verzögerungszeit δt ist also erst nach Messung der
Laufzeit (t₁+t₂) bekannt. Ist wegen relativ großer
effektiver Nadellängen oder kurzer Objektabstände t₂<t₁
oder reicht die Zeit δt zur Berechnung der Verzögerung
nicht aus, so kann das verstärkte Signal entsprechend
im nächsten Bild der Pulsfolge der Periode T der
A-Scan-Anordnung in Fig. 1 gesendet werden, also
δt=t₁-t₂+T.
Beim schallaktiven Betrieb wird das Nadelecho dadurch
verstärkt, daß zum geeigneten Zeitpunkt durch den Hilfsschallkopf
3 ein ausreichend starker Drahtwellenimpuls
in die Nadel 2 eingekoppelt wird, der dann an der Spitze
austritt und sich der relativ schwachen Echowelle überlagert.
Der Zeitpunkt der Einkopplung ergibt sich aufgrund
der Laufzeiten zu T+(t₁-t₂). Unter Verwendung
des gemessenen Wertes für (t₁+t₂) folgt für die Differenz
Δt zwischen der Registrierung des Drahtwellenpulses
in der passiven Phase und der Erzeugung des verstärkten
Pulses in der aktiven Phase
Δt=T+(t₁-t₂)-(t₁+t₂)=T-2 t₂
T ist als Periodenlänge der Pulsfolge bekannt und t₂
die Nadelkonstante. In diesem Fall ist also die Verzögerungszeit
fest einstellbar, da sie t₁ nicht enthält.
Beim elektrisch aktiven und beim schallaktiven Betrieb
kann t₂ am einfachsten durch folgende Eichung bestimmt
werden:
In schwach echogenem Gewebe oder im Wasserbad wird zunächst die
Nadelspitze auf herkömmliche Weise (passiv) zur Darstellung
gebracht. Für δt bzw. Δt wird ein Schätzwert
eingestellt, so daß der aktive Puls im Bild in Form
eines hellen Flecks in der Nähe des Spitzenechos sichtbar
wird. Man bringt nun
durch Änderung dieses Wertes (t₂) das
künstliche Echo (Artefakt) mit dem echten Nadelecho zur Deckung.
Aktive und passive Phasen werden alternierend wiederholt.
Man kann jedoch während einer schallaktiven Periode im
allgemeinen nicht gleichzeitig (t₁+t₂) messen, sondern
erst eine oder wenige Perioden später, da von der Nadelspitze
ein störendes Drahtwellenecho ausgeht, das mit
der von außen eingekoppelten Welle verwechselt werden
kann.
Diese Überlegungen können ohne weiteres auf den in
Fig. 3 dargestellten Fall einer Linear-Array-Biopsie-Sonde
1.1 übertragen werden, wenn man die jeweils
aktive Elementgruppe des Arrays betrachtet.
Es ist jedoch zu beachten, daß in dem Falle, wenn die hervorgehobene
Darstellung der Spitze nicht in der aktuellen Bildzeile erfolgen kann, das
verstärkte Signal in der zeitlich folgenden Zeile, der im B-Bild benachbarten
Zeile zur Darstellung kommt. Damit ist ein gewisser Ortsfehler
der Spitzendarstellung verbunden, der aber in der Regel kleiner als die
laterale Verschmierung infolge von Beugungs- und Abbildungsfehler
des Ultraschallgerätes ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 4
dargestellt ist, ist der Hilfsschallkopf 3.1 nicht an
dem Nadelende befestigt, sondern mit dem Schallkopf des
Scanners starr verbunden und z. B. in die Führungsfläche
eingelassen und bogenförmig ausgebildet.
Da die Nadel 2 bei der
Punktion immer an die Führungsfläche angedrückt wird,
wird sie dabei gleichzeitig an den Hilfsschallkopf angekoppelt.
Hierbei ändert sich also t₂ mit der wirksamen
Nadellänge s₂ und kann zu geeigneten Zeitpunkten, z. B.
in den passiven Phasen, direkt bestimmt werden,
indem man mit dem Hilfsschallkopf 3.1 die Laufzeit eines
Drahtwellenimpulses mißt, der am vorderen Nadelende
reflektiert wird. Der Zeitpunkt wird so gewählt, daß
die durch den Meßimpuls an der Spitze austretende Longitudinalwelle
keinen störenden Bildartefakt erzeugt, oder
daß dieser irgendwo am äußeren Bildrand liegt. Eine
schnelle elektronische Logik kann dann δt bzw. Δt berechnen.
Bei einem zweidimensionalen B-Bild ist
eine Anzahl von Schallstrahlpositionen zu berücksichtigen,
die der Zahl der Bildzeilen des Sonogramms entspricht.
Erfindungsgemäß werden hierbei die Ankunftszeiten
(t₁+t₂) der eingekoppelten Sendeimpulse und deren Amplituden
für alle Bildzeilen gespeichert (und gegebenenfalls
zusätzlich ein Wert t₂ für z. B. eine Periode). Während der
darauffolgenden aktiven Periode werden die zu jeder Bildzeile
gehörigen Bildimpulse ausgesandt, wobei die
Amplituden den gespeicherten Amplitudenwerten proportional
sind.
Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die laterale Intensitätsfunktion
des Bildes der Spitze im aktiven Betrieb
zumindest richtig reproduziert wird. Vor allem besteht aber
die Möglichkeit, durch einfache schnelle Verrechnung des
gespeicherten Bildes, das z. B. aus etwa 10 Funktionswerten
besteht, insbesondere durch nichtlineare Operationen, die
(laterale) Breite des aktiven Spitzenechos gegenüber der
des ursprünglichen passiven Echos zu verringern.
Die Erfindung erlaubt weiterhin eine Heraushebung des verstärkten
Spitzenechos aus der Gewebsumgebung zusätzlich
dadurch, daß die Spitze periodisch ein- und ausgeschaltet
wird und im Bild z. B. mit 2 Hz blinkt (Leuchtturmeffekt).
Ergänzend sei noch darauf hingewiesen, daß das aktive Nadelsystem
gemäß der Erfindung bis auf die Mitverwendung von
Zeitsignalen des Scanners relativ unabhängig vom bildgebenden
Grundgerät ist und keine besonderen Änderungen desselben
erforderlich macht.
Es sind im Prinzip alle üblichen Nadeln verwendbar. Die
Bedingungen für das Ein- bzw. Auskoppeln der Drahtwelle
sind jedoch nicht immer gleich. So ist es z. B. günstig,
wenn ohne Mandrin gearbeitet wird oder wenn der Mandrin
wenige Millimeter kürzer ist als die Nadel und die Nadelöffnung
nicht glatt abschließt. Schwache Drahtwellenechos
erfordern eine höhere Verstärkung durch die Nachweiselektronik.
Claims (16)
1. Verfahren zur Lokalisierung und hervorgehobenen
Darstellung der Spitze einer Nadel bei echosonographischer
Abbildung, bei dem die Lokalisierung der Spitze
relativ zum bildgebenden Schallkopf
durch Bestimmung des Zeitpunktes der
am Ort der Spitze auftretenden Entstehung des Spitzenechos
mit Hilfe eines an der Nadel angebrachten
Hilfsschallkopfes erfolgt und die hervorgehobene Darstellung
alternativ dadurch erreicht wird, daß die
über den Hilfsschallkopf erfaßten Impulse nach
elektronischer Verstärkung entweder
- a) dem Hilfsschallkopf so wieder zugeführt werden, daß ein zeitrichtiges akustisches Antwortecho erzeugt wird, oder
- b) auf elektronischem Weg zeitrichtig dem jeweils aktuellen Bildsignal zugemischt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschallkopf am hinteren der
Spitze der Nadel abgewandten
Teil der Nadel angeordnet und bei der Lokalisierung
die in der Nadel laufende Drahtwelle benutzt
wird, die bei der Einkopplung von Schallenergie der Schallkopfimpulse
in die Nadel-Spitze entsteht, daß jeweils die Summe aus Laufzeit in einem Testmedium oder im Gewebe
und Laufzeit des Echos von der Spitze in der Nadel gemessen wird, daß die Laufzeit der Drahtwelle
bei der elektronischen Bestimmung der Spitzenentfernung
durch eine Konstante berücksichtigt wird und
daß bei der Darstellung der Nadel-Spitze alternativ
- a) das Antwortecho durch den Hilfsschallkopf als Drahtwellenimpuls zugeführt wird, der an der Nadel-Spitze austritt, wobei die Zeitgleichheit mit dem Spitzenecho durch eine Verzögerung des Signals erzielt wird, die die Laufzeit der Drahtwelle enthält, oder
- b) das mit dem Hilfsschallkopf empfangene Drahtwellensignal elektronisch dem aktuellen Bildsignal hinzugemischt wird, wobei die Zeitgleichheit mit dem Spitzenecho durch eine Verzögerung des Signals erzielt wird, die die Laufzeit der Drahtwelle enthält, und wobei in beiden Fällen a) und b) die hervorgehobene Darstellung des Spitzenechos in der aktuellen Bildzeile oder in einer zeitlich später folgenden Zeile des B-Bildes erfolgen kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßwerte für die Amplitude und Ankunftszeit
der über die Nadel-Spitze eingekoppelten Spitzenechos
kurzzeitig elektronisch
als Nadelbild gespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das gespeicherte Nadelbild, bevor es in der
aktiven Phase verwendet wird, bezüglich der lateralen
Amplitudenfunktion des Bildes korrigiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Korrektur durch Glättung der Funktion mittels
gleitender Mittelwertbildung oder Tiefpaßfilterung
vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und
4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bildung von
Differenzen zweiter Ordnung das Nadelbild in Richtung
auf eine Verschmälerung des Punktbildes korrigiert
wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur in Form
einer Peak-Detektion erfolgt.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive
Nadel periodisch ein- und ausgeschaltet wird, derart,
daß sie sich im Bild durch Blinken von der Umgebung
zusätzlich abhebt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei unbekannter oder veränderlicher effektiver
Nadellänge die Laufzeit in der Nadel selbsttätig
gemessen wird, indem mit dem Hilfsschallkopf die
Laufzeit eines Drahtwellenpulses bestimmt wird, der an
der Nadelspitze reflektiert wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, mit einem Schallkopf zur Erzeugung
von Sendeschallimpulsen und einem Hilfsschallkopf,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschallkopf (3)
im Bereich des von der Spitze abgewandten Endes der Nadel (2) direkt
oder indirekt zugeordnet ist, zur Erzeugung und/oder
Detektion von Drahtwellenimpulsen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hilfsschallkopf (3) fest mit dem Schallkopf
(1) verbunden und z. B. in die Nadelführungsfläche
eingelassen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Funktionen Senden und Empfangen
zwei verschiedenen Schallkopfelementen zugeordnet
sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung
der Impulserkennung zwei oder mehrere Hilfsschallköpfe
oder -elemente hintereinander zum Einsatz
kommen.
13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Punktions-Schallköpfen
von Linear-Array-Scannern der Hilfsschallkopf
bogenförmig ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Nadeln zur Verwendung
kommen, deren Mandrin gegenüber der Nadel um
ca. 3 mm verkürzt ist, so daß die Spitze selbst offen
ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere
bei einmal verwendbaren Nadeln ein Kunststoff-Mandrin
verwendet wird, der einmalig herausgezogen wird.
Priority Applications (1)
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DE3311804A DE3311804C2 (de) | 1983-03-31 | 1983-03-31 | Verfahren und Vorrichtung für die hervorgehobene sonographische Darstellung von Nadelspitzen |
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DE3311804A1 DE3311804A1 (de) | 1984-10-11 |
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