DE3311804C2

DE3311804C2 - Verfahren und Vorrichtung für die hervorgehobene sonographische Darstellung von Nadelspitzen

Info

Publication number: DE3311804C2
Application number: DE3311804A
Authority: DE
Inventors: Hans J Dr Einighammer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-03-31
Filing date: 1983-03-31
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2003-04-01
Also published as: DE3311804A1

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/v_H20, wobei s₁ die Entfernung zwischen Spitze und Schallkopf ist und v_H20 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/v_H20+s₂/v_D

-, wobei t₂ die Laufzeit in der Nadel und s₂ die Nadellänge und v_D 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

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.