DE69233309T2 - Vorrichtung zur Entfernung von Artefakten aus einem Ultraschall eines kleinen Hohlraumes - Google Patents

Vorrichtung zur Entfernung von Artefakten aus einem Ultraschall eines kleinen Hohlraumes Download PDF

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    • A61B8/4444Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device related to the probe
    • A61B8/445Details of catheter construction

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bilds eines Querschnitts eines kleinen Hohlraums, wie z. B. eines Koronargefäßes.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Entfernen von Artefakten aus einem erzeugten Bild.
  • Die perkutane transluminale Coronar-Angioplastie (PTCA) bietet eine Alternative zu graphischen Darstellungen von Koronararterien-Bypässen oder der Operation am offenen Herzen als Mittel zum Behandeln von Arteriosklerose. Arteriosklerose ist eine besondere Art von Herzkrankheit, bei der eine Ablagerung von Fettmaterial an der Innenseite der Gefäßwände im gesamten Körper bewirkt, dass sich die Arterien verengen und der Blutfluss eingeschränkt wird. Wenn die Arterie zu eng wird, erhält der Herzmuskel, der von der Arterie versorgt wird, zu wenig Sauerstoff, und es kann ein myokardialer Infarkt oder ein Herzanfall auftreten. Arteriosklerose kann im gesamten menschlichen Körper auftreten, sie ist jedoch im Koronargefäßsystem besonders lebensbedrohlich.
  • Bei der transluminalen angioplastischen Chirurgie wird ein langgestreckter flexibler Katheter mit einem aufblasbaren Ballon an seinem distalen Ende verwendet, der in einer geeigneten Position in das Gefäßsystem eines Patienten eingesetzt wird. Nach dem Einsetzen des Katheters in das Gefäßsystem wird der Ballon zu einer Stenose geführt. Wenn der Ballon relativ zu der stenotischen Läsion korrekt positioniert ist, wird er unter relativ hohem Druck mit einem Fluid aufgeblasen. Während sich der Ballons ausdehnt, weitet er die Stenose auf und ermöglicht somit, dass das Blut freier fließt.
  • Es sind Ultraschall-Bilderzeugungsvorrichtungen zum Erzeugen eines Bilds der Innenwände oder der Innenperipherie-Merkmale eines Blutgefäßes entwickelt worden, um den Ort einer stenotischen Läsion oder Stenose zu bestimmen und ein sichtbares Bild der Stenose zu Diagnosezwecken zu erhalten. Ein Beispiel für eine solche Ultraschall-Bilderzeugungsvorrichtung ist im US-Patent Nr. 4,917,097 beschrieben.
  • Ultraschall-Bilderzeugungsvorrichtungen, wie die in dem Patent '097 beschriebene, weisen piezoelektrische Elemente oder Wandler zum Erzeugen von Ultraschallwellen und zum Detektieren von Echos oder Reflexionen von der Innenwand der stenotischen Läsion auf. Die piezoelektrischen Elemente biegen sich in Reaktion auf einen empfangenen elektrischen Impuls und erzeugen eine Ultraschallwelle in Reaktion auf das elektrisch induzierte Biegen. Eine mechanische Entspannung eines piezoelektrischen Elements nach dem elektrischen Anregen führt zu einer gedämpften Oszillation des Wandlerelements, wodurch bewirkt wird, dass das Element ein elektrisches Signal erzeugt, das typischerweise als "Ringdown"-Signal bezeichnet wird.
  • Anfangs ist das von dem piezoelektrischen Element erzeugte Ringdown-Signal ein viel stärkeres Signal als das typischerweise von einem Echo der Ultraschallwelle erzeugte Signal. Das Ringdown-Signal kann um 80 Dezibel (dB) stärker sein als das Echosignal. Da das Ringdown-Signal relativ zu dem Echosignal so groß ist, reicht die Amplitude des Ringdown-Signals aus, um die Front-Verstärker der Bilderzeugungsvorrichtungs-Schaltungsanordnung zu sättigen und somit Artefakte in dem Bild zu erzeugen. Durch diese Sättigung der Verstärker wird ein blinder Fleck oder eine Korona entsprechend einem unmittelbar an die Oberfläche des Wandlers angrenzenden Bereich in dem erzeugten Bild geschaffen.
  • Die Interferenz des Ringdown-Signals mit dem Echosignal hat zu verschiedenen Problemlösungsversuchen geführt. Bei einem ersten Versuch zum Entfernen des Ringdown-Signals, der der Öffentlichkeit nicht zugänglich war, handelt es sich um das Speichern einer Referenz-Wellenform, die dem Ringdown-Signal entspricht, und anderer Faktoren, wie z. B. der Umgebung, durch die ein charakteristisches Muster einer gedämpften mechanische Oszillation jedes Wandlers, wenn sich dieser in Reaktion auf einen elektrischen Impuls biegt, geschaffen wird. Diese charakteristische Referenz-Wellenform wird gespeichert und dann später von den empfangenen Echosignalen subtrahiert. Da ein empfangenes Echosignal sowohl das reflektierte Ultraschallwellensignal als auch das Referenzsignal enthält, verbleibt nach dem Subtrahieren des gespeicherten Referenzsignals von dem gesamten empfangenen Echosignal oder Echtzeitsignal theoretisch nur das reflektierte Ultraschallwellensignal oder Bilderzeugungssignal. Diese Technik ist in der Region des Ringdown-Signals innerhalb einer linearen Verstärkungsregion effektiv; sie ist jedoch in der Region des Signals, das von einem gesättigten Verstärker beschnitten wird, nicht effektiv. Da das Ringdown-Signal anfangs eine soviel größere Amplitude als das Echosignal aufweist, sättigt der erste Teil des Ringdown-Signals bei seinen höchsten Amplituden typischerweise die Verstärker der Bilderzeugungsvorrichtung.
  • Zum Erhalten einer akkuraten Referenz-Wellenform entsprechend dem Ringdown-Signal muss sich die Bilderzeugungsvorrichtung in einer echofreien Umgebung befinden, so dass das empfangene und gespeicherte Signal nur die Referenz-Wellenform und keine Reflexionen von der Innenwand des Gefäßsystems aufweist. Die Wandler der Bilderzeugungssonde, die die Impulssignale senden und die Echosignale empfangen, müssen während der Erfassung einer Referenz-Wellenform und während der Erfassung eines Echosignals die gleiche Schallimpedanz aufweisen, so dass die Phase und Amplitude des Referenzsignals mit denen des bei der Erzeugung des Bilds des Blutgefäßes erzeugten Ringdown-Signals übereinstimmen.
  • Angesichts des oben Gesagten liegt der vorliegenden Erfindung primär die Aufgabe zugrunde, das Bilderzeugungsverfahren zu vereinfachen und die zum Vorbereiten der Bilderzeugungsvorrichtung für die Operation benötigte Zeit durch Eliminieren des Extern-Referenz-Erfassungsverfahrens zu reduzieren.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, das erzeugte Bild durch genaueres Inübereinstimmungbringen der Phase und Amplituden der Referenz-Wellenform mit denen des während des Bilderzeugungsprozesses erzeugten Ringdown-Signals zu verbessern.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Bilderzeugungsvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, Bilder kleinerer Koronargefäße zu erzeugen als zuvor möglich war.
  • Zur Lösung dieser Aufgaben stellt die Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bereit.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform stellt die Erfindung eine Vorrichtung nach Anspruch 2 bereit.
  • Kurz gesagt werden Daten für eine Referenz-Wellenform nur während eines Teils des Abtastzeitraums, der normalerweise für das Detektieren einer vollständigen Echo-Wellenform vorgesehen ist, erfasst. Durch Erfassen von Referenz-Daten während nur eines Teils des Abtastzeitraums können die Referenzdaten in einer kleineren echofreien Umgebung erfasst werden als zuvor möglich war. Dabei werden die Referenz-Daten über einen Teil des Abtastzeitraums erfasst, der klein genug ist, so dass die Daten in einem der größeren Bereiche des Gefäßsystems erfasst werden können. Bei einem normalen PTCA-Verfahren wird die Sonde in einen Bereich des Gefäßsystems eingeführt, der einen charakteristischen Radius aufweist, welcher zum Erfassen eines ganzen Satzes von Referenz-Daten ohne Auftreten eines Echos ausreicht.
  • Derjenige Teil des gesamten Abtastzeitraums, der zum Aufzeichnen des Referenzsignals verwendet wird, entspricht ungefähr dem Zeitraum, der benötigt wird, um das gedämpfte mechanische Oszillieren eines Wandlerelements im wesentlichen abklingen zu lassen. Dabei wird die Bilderzeugungssonde anfangs in einen ersten Bereich eines Gefäßsystems eingeführt, dessen Radius groß genug ist, um das gedämpfte mechanische Oszillieren eines Bilderzeugungswandlers im wesentlichen abklingen zu lassen, bevor ein Echo auf den Wandler auftrifft. Das durch die gedämpfte mechanische Oszillation des Wandlers erzeugte elektrische Signal wird als Referenz-Wellenform gespeichert, die von den anschließend erhaltenen Wellenformen subtrahiert wird.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Echo-Wellenform über 2048 in einem vorbestimmten Abstand angeordnete Abtastpunkte erfasst. Die Referenz-Wellenform weist ebenfalls 2048 Abtastpunkte mit dem gleichen vorbestimmten Abstand auf. Beim Erfassen der Referenz-Wellenform kann es jedoch sein, dass nur die ersten 500–600 Abtastpunkte mit Werten des von dem Wandler erzeugten Signals gefüllt werden, und zwar je nach der Abklingrate der Oszillation des Wandlers. Die verbleibenden Abtastpunkte werden mit Null gefüllt. Durch Reduzieren der für die Referenz-Wellenform benötigten Datenpunkte auf 500–600 muss die Referenz-Wellenform nicht länger in vitro erzeugt werden.
  • Bei dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen wird die Referenz-Wellenform gespeichert, nachdem sie von einer Kette von zum Verstärken der von einem typischen auf einen Wandler auftreffenden Echo erzeugten kleinen Signale vorgesehenen Verstärkern verstärkt worden ist. Die hohe Verstärkung des elektrischen "Ringdown"-Signals, das erzeugt wird, wenn der Wandler oszilliert, nachdem er anregt worden ist, führt zur Sättigung der Verstärker und zum Beschneiden des Ausgangssignals. Das Beschneiden des Ringdown-Signals bewirkt einen Verlust eines Echosignals, das ersterem aufgedrückt sein kann. Daher weist die Sonde typischerweise einen blinden Fleck in dem direkten Nahfeld des Wandlers auf.
  • Zum Entfernen des blinden Flecks kann der reduzierte Satz von Datenpunkten mit der Referenz-Wellenform in einer Vorverstärkungsphase erfasst werden, in der noch kein Beschneiden erfolgt ist. Bei einer gespeicherten Referenz-Wellenform kann das Ringdown-Signal in der gleichen Vorverstärkungsphase von einer Echo-Wellenform subtrahiert werden, damit eine Echo-Wellenform verbleibt, die Echoinformationen aus dem Nahfeld enthält, die zuvor aufgrund des Beschneidens des Bilderzeugungssignals verlorengegangen sind.
  • Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen offensichtlich.
  • 1 zeigt eine graphische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Bilderzeugungsvorrichtung mit Darstellung der Vorrichtung zum Erzeugen eines Bilds einer Koronararterie bei einem PTCA-Verfahren;
  • 2a zeigt einen vergrößerten Querschnitt, entlang der Längsachse des Katheters, einer Ausführungsform der Sonde der Bilderzeugungsvorrichtung, die am distalen Ende eines an einem Katheter befindlichen aufblasbaren Ballons angeordnet ist;
  • 2b zeigt eine vergrößerte Ansicht der in 2a gezeigten Bilderzeugungssonde;
  • 3a zeigt eine schematische Ansicht eines dem Stand der Technik entsprechenden Bilderzeugungssystems, das auf die Bilderzeugungssonde anspricht und eine Kette von Verstärkern zum Verstärken der von der Sonde erzeugten elektrischen Signale aufweist;
  • 3b zeigt eine von den von der Sonde kommenden elektrischen Signalen erzeugte Wellenform, wie sie von der Kette von Verstärkern in dem in 3a gezeigten Bilderzeugungssystem verstärkt worden ist, und zwar derart dass ein Teil eines Ringdown-Signals in der Wellenform abgeschnitten ist;
  • 4 zeigt einen von dem in 1 gezeigten Bilderzeugungssystem erzeugten beispielhaften Querschnitt einer Koronararterie, wobei eine Nahfeld-Korona oder ein Artefakt um die Bilderzeugungssonde vorhanden ist;
  • 5a zeigt einen in dem dem Stand der Technik entsprechenden Bilderzeugungssystem zum Speichern einer Referenz-Wellenform verwendeten 2048-Byte-Datenpuffer;
  • 5b zeigt einen bei der vorliegenden Erfindung zum Speichern einer Referenz-Wellenform verwendeten 513-Byte-Datenpuffer;
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Signalprozessors zum Speichern der 513-Byte-Referenz-Wellenform und zum Verarbeiten erfasster Echo-Wellenformen; und
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung des in 6 gezeigten Signalprozessors, der gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung modifiziert ist, damit das System in das zuvor von der in 4 gezeigten Korona eingenommene Nahfeld sehen kann, wodurch ein verbessertes Bild entsteht.
  • Bei der erfindungsgemäßen Bilderzeugungsvorrichtung wird davon ausgegangen, dass die Umgebung des Bluts frei von akustischen Echos ist. Wie Fachleute auf dem Gebiet der Ultraschallbilderzeugung wissen, kann Blut schwache Echosignal erzeugen, deren genaue Charakteristiken von der Art der verwendeten Bilderzeugungsvorrichtung abhängen – z. B. der Frequenz der Ultraschallwelle. Bei der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Bilderzeugungsvorrichtung, die im US-Patent 4,917,097 genauer beschrieben ist, sind die vom Blut kommenden Echos sehr schwach und ist die Umgebung des Bluts effektiv frei von Echos.
  • 1 zeigt eine Aufweit- und Bilderzeugungsvorrichtung 10 in einer Koronararterie 12 eines Herzens 14. Die Koronararterie 12 weist sich angelagertes Fettmaterial oder eine Ablagerung 16 auf, das/die bewirkt, dass die Koronararterie 12 verstopft oder eine Stenose aufweist.
  • Wie auf dem Sachgebiet bekannt, wird der verstopfte Abschnitt oder die Stenose 16 der Arterie 12 durch Einsetzen eines Ballons 18 der Aufweitvorrichtung 10 in einem Niederprofil- oder deflatierten Zustand mittels einer Katheteranordnung 20 in die Arterie 12 behandelt. Gemäß 1 weist die Katheteranordnung 20 eine dreiteilige Anordnung mit einem Führungsdraht 22, einem Führungskatheter 24 zum Führen durch große Arterien, wie z. B. die Aorta 26, und einem Katheter 28 mit kleinem Durchmesser, der in den Führungskatheter 24 passt, auf. Die Katheteranordnung 20 weist einen dreiarmigen Adapter 30 mit einem Signalprozessorport 32, einem Führungsdraht-Einsetzport 34 und einem Aufblasport 36 auf, der mit einem Fluidlumen in dem Katheter 28 in Verbindung steht. Der dreiarmige Adapter 30 ermöglicht es, dass ein Signalprozessor 38, der mit einer Videoanzeige 40 verbunden ist, ein Führungsdraht 22 und eine Aufblasquelle 42 in dem Katheter 28 mit kleinerem Durchmesser miteinander verbunden sind und mit der Aufweit- und Bilderzeugungsvorrichtung 10 in Verbindung stehen. Der kleinere Katheter 28 wird über ein Luer-Lock-Anschlussteil oder ein Angioplastie-Übergangsteil 43 zwecks Eintritts in das Herz 14 in den größeren Führungskatheter 24 eingeführt. Der Katheter 28 mit kleinerem Durchmesser und der Katheter 24 mit größerem Durchmesser können aus einem geeigneten flexiblen Material gefertigt sein, wie z. B. Polyolefin oder Polyvinylchlorid.
  • Wenn ein Chirurg den Führungsdraht 22 und dann den Führungskatheter 24 durch eine in die Aorta 26 mündende große Arterie geführt hat, wird der Katheter 28 mit kleinerem Durchmesser eingeführt. Am Anfang der Koronararterie 26, die teilweise durch eine Stenose 16 verstopft ist, verläuft der Führungsdraht 22 zuerst in die Arterie 12, dann folgt der kleinere Katheter 28, der den Ballon 18 an dem distalen Ende des Katheters 28 aufweist.
  • Die am distalen Ende des Katheters 28 befestigte Bilderzeugungssonde 44 liefert ein Bild auf der Sichtanzeige 40, das anzeigt, wann sich der Ballon 18 in einem teilweise blockierten Bereich, wie z. B. einer Stenose 16, der Arterie 12 befindet. Nach dem Lokalisieren des teilweise blockierten Bereichs wird die Spitze des Katheters 28 mit der Bilderzeugungssonde 44 an dem blockierten Bereich vorbei bewegt, um den Ballon 18 in den blockierten Bereich zu bringen. Der Ballon 18 wird dann aufgeblasen, um die die Blockade bewirkende stenotische Läsion 16 aufzuweiten. Der Kardiologe kann die Ergebnisse des PTCA-Verfahrens prüfen, indem er den Katheter 28 leicht zurückzieht, um die Bilderzeugungssonde 44 in die blockierte Stenose 16 zurückzubringen, so dass die Bilderzeugungssonde 44 ein Bild einer Stenose 16 erzeugen kann. Wenn das PTCA-Verfahren erfolgreich war, zeigt das Bild auf der Videoanzeige 40, dass der Durchflussweg der Arterie 12 jetzt einen größeren Durchmesser hat.
  • 2a zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines distalen Endes einer Ausführungsform des Aufweitballons 18 und der Bilderzeugungssonde 44 entlang der Längsachse des Katheters 28, und 2b zeigt eine vergrößerte Ansicht der in 2a gezeigten Bilderzeugungssonde 44, in der die Bilderzeugungssonde 44 am äußersten distalen Ende des Katheters 28 positioniert ist. Details der Bilderzeugungssonde 44 und ihrer Schaltungsanordnung sind dem oben genannten US-Patent Nr. 4,917,097 von Proudian et al. zu entnehmen.
  • 3a zeigt eine schematische Darstellung eines Bilderzeugungssystems, das in einer Bilderzeugungsvorrichtung für kleine Hohlräume verwendet wird, und 3b zeigt eine Folge von Wellenformen mit Darstellung des Ringdown-Signals, das bis zu einem Sättigungspunkt verstärkt ist. Gemäß 3a sendet der Signalprozessor 38 einen Anregungsimpuls über eine Leitung 39 zu einem Master-Chip 50, der wiederum mit drei Slave-Chips 51, 52, 53 zusammenwirkt, um Anregungsimpulse auf jedes Element in einem Array von piezoelektrischen Elementen oder Wandlern 54 der Sonde 44 aufzuteilen. Jeder Chip 5053 ist über Leitungen 56 elektronisch mit einer Gruppe der piezoelektrischen Elemente 54 verbunden. Eine detaillierte Beschreibung der Chips 5053, piezoelektrischen Elemente 54 und der Interaktion zwischen den beiden ist dem oben genannten Patent von Proudian et al. zu entnehmen.
  • Jeder Wandler oder jedes Elemente des Arrays 54 spricht durch Emittieren einer Ultraschallwelle in die Umgebung, wie z. B. eine Koronararterie, auf einen empfangenen Impuls an, wie in dem Patent von Proudian et al. detailliert beschrieben. Die Chips 5053 schalten dann auf einen Empfangsmodus um, um Echos der emittierten Ultraschallwelle zu detektieren, die durch Reflexion der Wellen von der Innenwand eines Blutgefäßes oder eines ähnlichen kleinen Hohlraums und Auftreffen auf einen Wandler des Arrays 54 erzeugt werden. Bei Detektierung einer auftreffenden Ultraschallwelle krümmt oder biegt sich ein Wandler. Da der Wandler eine piezoelektrische Vorrichtung ist, wird. das Biegen oder Krümmen von dem Wandler in eine elektrische Wellenform (nachstehend als "Echo-Wellenform" bezeichnet) konvertiert, die von den Chips 5053 detektiert und von einem Empfangsverstärker 58 verstärkt wird, bevor sie zu dem Signalprozessor 38 gesandt und für die Abbildung auf der Videoanzeige 40 verarbeitet wird. Der Empfangsverstärker 58 weist typischerweise eine Kette von Verstärkern (1), (2), (3) ... (N) auf, wie hinsichtlich des Verstärkens des von den piezoelektrischen Elementen 54 empfangenen schwachen Signals dargestellt.
  • Nach dem Anregen jedes Elements des Arrays 54 entspannt sich dieses jedoch entsprechend einer charakteristischen gedämpften Oszillation. Die durch die gedämpfte Oszillation des Wandlers nach dessen Anregung erzeugten elektrischen Signale beeinflussen die Echo-Wellenform, und sie sind wesentlich größer als die elektrischen Signale, die die Wellenformen beeinflussen, welche durch das von den Schallechos bewirkte Biegen erzeugt werden. Die durch die gedämpfte Oszillation erzeugten elektrischen Signale werden typischerweise als "Ringdown"-Signale bezeichnet, und sie neigen dazu, das Ausgangssignal des Empfangsverstärkers 58 zu sättigen.
  • 3b zeigt eine Echo-Wellenform, die von der Kette von Verstärkern (1–N) des Empfangsverstärkers 58 verstärkt ist. Die anfangs hohen Amplituden der Wellenform resultieren aus dem von einem der Elemente in dem Array von piezoelektrischen Elementen 54 erzeugten Ringdown-Signal. Im Gegensatz zu den Amplituden der von reflektierten Echos erzeugten Signale ist die Amplitude des Ringdown-Signals sehr groß. Wenn die Echo-Wellenform weiter verstärkt wird, um die Wellenform derart einzustellen, dass sie eine ausreichende Amplitude aufweist, um zu dem Signalprozessor 38 gesandt zu werden (3a), wird das Ringdown-Signal in der Wellenform beschnitten, da einige der Verstärker bei den höheren Amplituden des Signals mit der Sättigung beginnen. Beispielsweise beginnt das Ausgangssignal des Verstärkers (2) mit der Sättigung in Reaktion auf die höchsten Amplituden des Ringdown-Signals, wodurch ein Beschneiden der Echo-Wellenform bewirkt wird. Eine weitere Verstärkung des Signals durch den Verstärker (3) bewirkt, dass ein größerer Teil des Signals abgeschnitten wird. Wenn das Ringdown-Signal weiter verstärkt wird, bewirkt das Ausgangssignal des Verstärkers (N), dass ein beträchtlicher Teil des Ringdown-Signals abgeschnitten wird. Obwohl eine große Verstärkung der Echo-Wellenform bewirkt, dass ein beträchtlicher Teil des Ringdown-Signals abgeschnitten wird und somit überlagerte Echosignale verloren gehen, ist diese Verstärkung erforderlich, um die viel kleineren Amplituden der Echosignale auf ein Größe zu verstärken, die es ermöglicht, dass die gesamte Wellenform von dem Signalprozessor 38 verarbeitet wird.
  • Diese Ringdown-Signale erzeugen ein Artefakt um die Oberfläche der Bilderzeugungssonde, wenn Bilderzeugungsdaten verarbeitet und zu einem Videobild konvertiert werden. 4 zeigt ein beispielhaftes Videobild, das den Gefäßquerschnitt 60, die Bilderzeugungssonde 44 und das Artefakt 62 zeigt, das in etwa wie eine Korona um den Umfang der Sonde aussieht. Innerhalb der Region dieser Korona ist die Bilderzeugungssonde blind, da Echo-Informationen aufgrund der von dem Ringdown-Signal bewirkten Sättigung des Empfangsverstärkers im wesentlichen verlorengegangen sind.
  • Wie in dieser Anmeldung beim Stand der Technik beschrieben, kann die Referenz-Wellenform durch Platzieren der Bilderzeugungssonde 44 in einen Wassertank, der groß genug ist, damit ein echofreies Signal – d. h. ein Referenzsignal – erfasst werden kann, erhalten werden. Die Referenz-Wellenform weist genug Datenpunkte auf, um einen zum Speichern einer vollständigen Echo-Wellenform vorgesehenen Speicherbereich des Bilderzeugungssystems zu füllen. Beispielsweise weist eine typische Referenz-Wellenform 2048 Abtastpunkte von einer echofreien Wellenform auf, was einer echofreien Umgebung mit einem Radius von ungefähr sieben (7) mm entspricht.
  • Wie in dem Patent von Proudian et al. detailliert beschrieben, wird der Rauschpegel in den Echo-Wellenformen durch Erzeugen mehrerer Echo-Wellenformen unter Verwendung desselben Elements oder derselben Elemente des Arrays 54 und durch Mitteln der Wellenformen zwecks Erhalts einer einzelnen zur Verarbeitung vorgesehenen Wellenform wesentlich reduziert. Durch das Mitteln der Wellenformen werden jedoch nicht das Ringdown-Signal und ein beliebiges anderes charakteristisches Rauschsignal, das sich mit jeder Erzeugung einer neuen Echo-Wellenform wiederholen, entfernt. Das Mitteln ist aufgrund der angenommenen Zufälligkeit des Rauschens bei der Reduzierung von Rauschpegeln wirksam. Da das Ringdown-Signal nicht zufällig auftritt, wird es durch das Mitteln nicht wirksam entfernt. Somit wird eine Referenz-Wellenform benötigt, die Rauschmuster ausfiltert, welche im Gegensatz zu Zufallsrauschen wiederholbar sind. Ähnlich der Echo-Wellenform ist die Referenz-Wellenform das Ergebnis des Mittelns mehrerer echofreier Wellenformen, wodurch sichergestellt wird, dass die Referenz-Wellenformen nur wiederholbares Rauschen (z. B. das Ringdown-Signal) enthalten.
  • Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung ist das wiederholbare Rauschen in einer Echo-Wellenform im wesentlichen das Ringdown-Signal, das für die ersten 500–600 Abtastpunkte der Echo-Wellenform verbraucht wird, wodurch ermöglicht wird, dass die Referenz-Wellenform in einer viel kleineren echofreien Umgebung erfasst wird, als es bisher für möglich gehalten wurde. Die Wellenform des Ausgangssignals des Verstärkers (N) aus 3b legt nahe, dass sich das wiederholbare Rauschen über einen Bereich der Echo-Wellenform erstreckt, der am Ursprung der Wellenform beginnt und nach ungefähr einem Viertel (1/4) des Zeitraums der vollen Wellenform endet. Insbesondere hat der Anmelder herausgefunden, dass praktisch das gesamte Ringdown-Signal ohne Echo in einer der größeren Arterien erfasst werden kann, in die die Sondenanordnung 44 anfangs eingesetzt wird. Daher kann das Referenzsignal in vivo erfasst werden, und es ist nicht länger erforderlich, die Sonde in einen Wassertank zu platzieren. Die Zeit, die das Ringdown-Signal benötigt, um im wesentlichen abgeleitet zu werden, entspricht der Zeit des Umlaufens einer Schallwelle, die von einem der Elemente 54 erzeugt und von einer Fläche reflektiert wird, die in einem radialen Abstand von ungefähr 0,7 mm von dem Element entfernt ist. Da das Ringdown-Signal im wesentlichen über die ersten 500–600 Abtastpunkten vollständig erfasst werden kann, braucht die Umgebung für das Erfassen des Referenzsignals nur geringfügig größer zu sein als 1,45 mm im Radius (d. h. 0,75 mm Radius der Sonde 44 plus 0,7 mm oder mehr radialer Abstand zu der nächstliegenden Echoquelle).
  • Die 500 bis 600 Datenpunkte einer normalen Datenabtastung (beim Stand der Technik handelt es sich um 2048 Abtastpunkte) dienen zum Speichern einer adäquaten Referenz zum Eliminieren des Ringdown-Signals bei der Verarbeitung von Bilderzeugungssignalen. Die Verwendung von 513 Datenpunkten ist typisch für die dargestellte Ausführungsform.
  • Möglicherweise werden mehr oder weniger benötigt, und zwar je nach Abtastrate und charakteristischer Abklingrate des Ringdown-Signals. Die Abklingrate des Ringdown-Signals hängt von der genauen Ausführung des Wandlers 54 und der Sonde 44 ab. Bei der Wandler- und Sondenanordnung des Patents von Proudian et al. hat sich herausgestellt, dass 513 Datenabtastpunkte ausreichen. 5a und 5b zeigen die Abtastpunkte eines herkömmlichen Referenzsignals bzw. diejenigen eines Referenzsignals gemäß der Erfindung.
  • Da die Bilderzeugungssonde typischerweise in einen Blutgefäßabschnitt mit großem Durchmesser in dem Gefäßsystem eines Patienten eingesetzt wird, wie z. B. in das Bein eines Patienten, kann die Erfassung von Daten für die Referenz-Wellenform ohne Modifizierung des bei der PTCA angewandten Operationsverfahrens durchgeführt werden. Ferner wird dadurch, dass der Chirurg die Referenz-Wellenform in vivo aufzeichnen kann, die Verwendung der Bilderzeugungsvorrichtung stark vereinfacht und das Risiko der Kontaminierung der Sonde 44 durch die in vitro-Erfassung der Referenz-Wellenform eliminiert. Außerdem verbessert die in vivo-Erfassung der Referenz-Wellenform aufgrund der verbesserten Schallimpedanzanpassung zwischen Referenz- und Bilderzeugungssignalen und Eliminierung einer Temperaturdrift zwischen Referenz- und Echo-Wellenformen die Genauigkeit des auf der Videoanzeige erzeugten Bilds.
  • Eine Bilderzeugungssonde wird in einen ersten Bereich eines Gefäßsystems eingeführt, der einen ausreichend großen Radius aufweist, damit im wesentlichen das gesamte Ringdown-Signal abgeleitet werden kann, bevor eine in Reaktion auf die Anregung des Wandlerelements emittierte Ultraschallwelle von einer ersten Innenwand des ersten Bereichs reflektiert wird und auf mindestens ein Element des Arrays 54 auftrifft. Eine Referenz-Wellenform wird in dem ersten Bereich des Gefäßsystems erfasst, und dann wird die Bilderzeugungssonde weiter in einen zweiten Bereich eingeführt, von dem dann ein Bild erzeugt wird.
  • Der in 6 dargestellte Signalprozessor ist im wesentlichen der gleiche wie der in 13a dargestellte aus dem Patent von Proudian et al., mit der Ausnahme, dass der akustische Datenblockpuffer 78 derart modifiziert ist, dass er einen Puffer 70 für die Referenz-Wellenformen aufweist. In dem Patent von Proudian et al. gibt es 64 Wandlerelemente. Bei einer in dem Patent von Proudian et al. detailliert beschriebenen Ausführungsform wird jedes Element in einer vorbestimmten Sequenz einzeln anregt, um 64 Echo-Wellenformen zu erzeugen. Daher werden bei der hier beschriebenen Ausführungsform 64 Referenz-Wellenformen in einem in 6 dargestellten Referenz-Datenpuffer 70 gespeichert. Da der in 6 dargestellte Signalprozessor demjenigen Prozessor im wesentlichen gleich ist, dessen Funktion in dem Patent von Proudian et al. detailliert beschrieben ist, wird hier nur die Funktion des für das Verständnis des Erfassens, Speicherns und Verarbeitens der Referenz-Wellenformen benötigten Prozessors erläutert.
  • Obwohl die Referenz-Wellenformen der beschriebenen Ausführungsform die Bemittelten echofreien Reaktionen jedes für sich genommenen Elements sind, wissen Fachleute auf dem Gebiet der Ultraschall-Bilderzeugung, dass bei der Erfassung jeder Echo-Wellenform mehr als ein Wandlerelement verwendet werden kann. Beispielsweise können die Elemente 1, 2 und 3 der 64 Elemente auf einen ersten Satz von Echos ansprechen, um eine erste Echo-Wellenform zu erzeugen. Die Elemente 2, 3 und 4 können auf einen zweiten Satz von Echos ansprechen, um eine zweite Echo-Wellenform zu erzeugen. Die Sequenz der Elementgruppen wird in einem in den beiden vorstehenden Beispielen vorgeschlagenen Muster weitergeführt, bis 64 Echo-Wellenformen erfasst sind. Wenn eine solche Sequenz zum Erzeugen eines Satzes von Echo-Wellenformen angewandt wird, müssen die Referenz-Wellenformen auf im wesentlichen gleiche Weise erfasst werden. Daher wäre bei diesen Beispiel jede Referenz-Wellenform das zusammengefasste Signal dreier benachbarter Elemente.
  • Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung werden von der Bilderzeugungssonde 44 kommende Echo-Wellenformen von dem Empfangsverstärker 58 verstärkt und durch einen Analog-Digital-Konverter 74 geführt, um 2048 Abtastpunkte zu erzeugen. Die digitalisierten Daten werden dann von einem Signal-Mittelwertbildner 76 Bemittelt. Wenn die Daten für eine Referenz-Wellenform vorgesehen sind, werden sie zu dem Referenzdatenpuffer 70 geliefert. Wenn die Daten als Bilderzeugungsdaten vorgesehen sind, werden sie zu dem Bilderzeugungsdatenpuffer 84 geliefert, der in dem Patent von Proudian et al. als Gesamtheit des akustischen Datenblockpuffers dargestellt ist. Zum Leiten der digitalisierten Daten zu dem richtigen Datenpuffer spricht ein Schalter 82 auf einen Sequenzen 80 an, der wiederum auf ein von dem Chirurgen mittels der Vorrichtung erzeugtes "Referenz-Erfassungs-Freigabe"-Signal anspricht, um die Referenzdaten zum richtigen Zeitpunkt zu erfassen. Der Sequenzer 80 ist in dem Patent von Proudian et al. genauer beschrieben.
  • Bei der Erfassung von Daten für die Referenz-Wellenform wird die Sonde 44 in dem ersten Bereich des Gefäßsystems positioniert, von dem ein Bild erzeugt werden soll, und die "Referenz-Erfassungs-Freigabe" bewirkt, dass der Sequenzer 80 den Schalter 82 zum Führen ankommender digitalisierter Daten zu dem Referenzdatenpuffer 70 freigibt. Bei dem Ausführungsbeispiel biegt sich jeder Wandler in Reaktion auf einen elektrischen Impuls, um eine Referenz-Wellenform für jeden Wandler zu erzeugen, die in dem Referenzdatenpuffer 70 gespeichert wird. Beim Speichern jeder Referenz-Wellenform werden die ersten 513 Abtastbytes von dem Signal-Mittelwertbildner 76 in den Datenpuffer eingegeben. Die übrigen Abtastbytes für eine vollständige 2048-Wellenform werden zwecks Anpassung der 2048 Bytes jeder Echo-Wellenform in dem Bilderzeugungsdatenpuffer mit Nullen gefüllt.
  • Nach dem Erfassen und Speichern der Referenz-Wellenformen wird die Bilderzeugungssonde 44 weiter in den zweiten Bereich des Gefäßsystems, von dem ein Bild erzeugt werden soll, eingeführt, und der Chirurg sorgt durch Senden eines "Referenz-Subtrahier-Freigabe"-Signals zu dem Sequenzen 80 dafür, dass der Schalter 82 ankommende Daten zu einem Bilderzeugungspuffer 84 führt. Wie in dem Patent von Proudian et al. ('097) genauer erläutert, biegt sich jeder Wandler, um eine Ultraschallwelle zu erzeugen, die von der Innenwand des zweiten Bereichs des Gefäßsystems reflektiert wird, und die reflektierte Welle oder das Echo trifft auf einen Wandler auf, um eine Echo-Wellenform zu erzeugen, die in dem Bilderzeugungsdatenpuffer 84 gespeichert wird.
  • In dem Bilderzeugungspuffer 84 werden die Echodaten durch Subtrahieren der Echodaten von den Referenzdaten auf einer Punkt-zu-Punkt-Basis von den Ringdown-Signalen befreit. Die daraus resultierenden Bilderzeugungsdaten werden zu einem (nicht gezeigten) Koppelschalter weitergeleitet, wie in dem Patent von Proudian et al. beschrieben, wo sie weiterverarbeitet werden, und dann werden sie auf der Videoanzeige 40 angezeigt. Anders als bei dem im Patent von Proudian et al. beschriebenen Verfahren wird bei der vorliegenden Erfindung jedoch ein wesentlichen Teil der Ringdown-Signale aus den von einer Subtraktionseinrichtung 86 (wie z. B. einer herkömmlichen Addierschaltung) zu dem Koppelschalter weitergeleiteten Bilderzeugungsdaten eliminiert. Ferner wird das gesamte Verfahren innerhalb des Gefäßsystems, von dem ein Bild erzeugt werden soll, durchgeführt.
  • Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt 7 eine Verbesserung des Signalprozessor zum Reduzieren der durch die Sättigung des Empfangsverstärkers 58 hervorgerufenen Korona 62 in dem angezeigten Bild (4). Die in 7 dargestellt Verbesserung schafft ein Mittel zum Subtrahieren des Ringdown-Signals von der Echo-Wellenform, bevor es den Empfangsverstärker 58 sättigt.
  • Bei dieser alternativen Ausführungsform wird die Referenz-Wellenform von dem Ausgangssignal eines Vorverstärkers 93 statt von dem Ausgangssignal des Verstärkers (N) erfasst. Auf diese Weise wird die gespeicherte Wellenform nicht beschnitten. Die Referenz-Wellenform wird als digitale Wellenform gespeichert, welche zum Zwecke des Subtrahierens des Ringdown-Signals von einer Echo-Wellenform als lineare Wellenform zu einem Differentialverstärker 95 geliefert wird. Da das Ringdown-Signal eliminiert wird, bevor die Kette von Verstärkern (1)–(N) die Echo-Wellenform verstärkt, gehen die mit dem Ringdown-Signal vermischten Echodaten nicht durch Beschneiden des Signals verloren.
  • Wie die vorhergehende Ausführungsform weist die in 7 dargestellte Ausführungsform die Bilderzeugungssondenanordnung 44, den Empfangsverstärker 58, den Mittelwertbildner 76, den A/D-Konverter 74 und den akustischen Datenblockpuffer 78 auf. Ferner weist er jedoch Schalter 87 und 89, eine Verstärkungs-/Phasenanpassung 88, einen Digital-Analog-Konverter 90, einen zweckbestimmten Speicher 92 und einen Vorverstärker 93 auf. Bei der Erfassung der Referenzdaten bewegt der Sequenzen 80 (6) die Schalter 87,89 in die "A"-Position, und die Referenz-Wellenformen werden durch den A/D-Konverter 74, den Mittelwertbildner 76 und den Datenblockpuffer 78 geleitet. Die digitalisierten Referenz-Wellenformen werden in dem zweckbestimmten Speicher 92 gespeichert, bei dem es sich um den in 6 dargestellten Referenzdatenpuffer 70 handeln kann.
  • Wenn die Sondenanordnung 44 weiter in den Bereich des Gefäßsystems, von dem ein Bild erzeugt werden soll, eingeführt wird, bewegt der Sequenzen 80 die Schalter 87, 89 in Reaktion auf ein vom Anwender erzeugtes Signal, das angibt, dass das System für die Bilderzeugung bereit ist, in die "B"-Position. Wenn ankommende Echo-Wellenformen von einem positiven Eingang des Differentialverstärkers 95 in dem Empfangsverstärker 58 empfangen werden, werden entsprechende in dem zweckbestimmten Speicher 92 gespeicherte Referenz-Wellenformen durch den D/A-Konverter 90, die Verstärkungs-/Phasenanpassung 88 und in einen negativen Eingang des Differentialverstärkers 95 geleitet. Die Verstärkungs-/Phasenanpassung 88 stellt sicher, dass die Referenz-Wellenformen mit den ankommenden Echo-Wellenformen genau in Phase sind, wodurch bewirkt wird, dass der Differentialverstärker 95 eine Echo-Wellenform ausgibt, die im wesentlichen von dem Ringdown-Signal befreit ist. Das ausgegebene Echosignal durchläuft die Kette von Verstärkern (1)–(N) in dem Empfangsverstärker 58, um die Echo-Wellenform auf eine für die Verarbeitung ausreichende Größe zu verstärken. Die verstärkten Echo-Wellenformen durchlaufen den Schalter 89, den A/D-Konverter 74, den Mittelwertbildner 76, den akustischen Puffer 78, den Schalter 87 und laufen zu dem Kopplungsschalter, wo die Bilderzeugungs-Wellenform wie in dem Patent von Proudian et al. beschrieben verarbeitet und angezeigt wird.
  • Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 95 kann Reste des Ringdown-Signals enthalten, das von der Kette von Verstärkern (1)–(N) angelegt wird. Daher kann es wünschenswert sein, die verstärkten Reste als zweite Referenz-Wellenform in dem akustischen Datenblockpuffer zu speichern und die zweite Referenz-Wellenform von der von dem Ringdown-Signal befreiten Echo-Wellenform zu subtrahieren, um Artefakte vollständig aus dem daraus resultierenden erzeugten Bild zu entfernen.
  • Aus dem oben Gesagten geht hervor, dass die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum Erzeugen von Querschnittsbildern eines kleinen Hohlraums, wie z. B. eines Blutgefäßes, bereitstellt. Der Anmelder hat festgestellt, dass durch Reduzieren der Anzahl von Abtastpunkten einer Referenz-Wellenform relativ zu einem vollständigen Satz von Abtastpunkten, der zum Erfassen der Echo-Wellenformen verwendet wird, das Erfassen der Referenz-Wellenform in dem Gefäßsystem, von dem ein Bild erzeugt werden soll, erfolgen kann, wodurch eine in vitro-Erzeugung der Referenz-Wellenform nicht mehr erforderlich ist. Das Erfassen der Referenz-Wellenform auf diese Weise bietet zahlreiche Vorteile, von denen das verminderte Infektionsrisiko und die Vereinfachung des Bilderzeugungsverfahrens nicht die geringsten sind. Ferner kann die Bilderzeugung durch Subtrahieren des Ringdown-Signals von der Echo-Wellenform vor der Sättigung des Signals durch den Empfangsverstärker 58 weiter verbessert werden. Auf diese Weise kann die Korona 68 aus dem Bild entfernt werden und können sinnvolle Bilderzeugungsinformationen sehr nahe der Oberfläche der Sonde 44 erzeugt werden, wodurch es möglich wird, dass die Sonde ein Bild kleinerer Arterien erzeugt als zuvor möglich war.

Claims (3)

  1. Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes eines Querschnitts eines kleinen Hohlraums, wie z. B. eines Koronargefäßes, mit einer Sonde (44) zum Einführen in den kleinen Hohlraum, die ein Array von Wandlerelementen (54) aufweist, einer Quelle für elektrische Impulse zum Anregen der Wandlerelemente zwecks Aussendung von Ultraschallwellen in einer Umgebung der Wandlerelemente (54) in dem kleinen Hohlraum, und einem Empfänger zum Detektieren von elektrischen Signalen, die durch mechanische Oszillation der Wandlerelemente nach der Anregung der Wandlerelemente durch elektrische Impulse erzeugt worden sind; wobei die Vorrichtung zum Erzeugen eines Bilds eines Querschnitts eines kleinen Hohlraums mit ersten und zweiten Bereichen vorgesehen ist, wobei der erste Bereich einen größeren Durchmesser hat als der zweite Bereich und die Vorrichtung aufweist: einen ersten Puffer (84) mit einer Einrichtung zum Speichern von N Bytes der elektrischen Signale als Echo-Wellenform; einen zweiten Puffer (70) mit einer Einrichtung zum Speichern von M Bytes der elektrischen Signale als Referenz-Wellenform mit M Bytes von Daten ungleich Null, wobei N > M ist; wobei die die Referenz-Wellenform repräsentierenden elektrischen Signale von Ultraschallwellen abgeleitet werden, die aufgefangen werden, wenn sich die Sonde (44) in dem ersten Bereich befindet, und die die Echo-Wellenform repräsentierenden elektrischen Signale von Ultraschallwellen abgeleitet werden, die aufgefangen werden, wenn sich die Sonde in dem zweiten Bereich befindet; eine Einrichtung (86) zum Subtrahieren der Referenz-Wellenform von der Echo-Wellenform zum Erzeugen einer von wiederholbaren Rauschmustern befreiten Bilderzeugungs-Wellenform; und eine Bilderzeugungsvorrichtung, die zum Erzeugen eines sichtbaren Bilds auf die Bilderzeugungs-Wellenform anspricht.
  2. Vorrichtung zum Erzeugen eines Bildes eines Querschnitts eines kleinen Hohlraums, wie z. B. eines Koronargefäßes, mit einer Sonde (44) zum Einführen in den kleinen Hohlraum, die ein Array von Wandlerelementen (54) aufweist, einer Quelle für elektrische Impulse zum Anregen der Wandlerelemente zwecks Aussendung von Ultraschallwellen in einer Umgebung der Wandlerelemente (54) in dem kleinen Hohlraum, und einem Empfänger zum Detektieren von elektrischen Signalen, die durch mechanisches Biegen der Wandlerelemente nach der Anregung der Wandlerelemente durch elektrische Impulse erzeugt worden sind; wobei die Vorrichtung zum Erzeugen eines Bilds eines Querschnitts eines kleinen Hohlraums mit ersten und zweiten Bereichen vorgesehen ist, wobei der erste Bereich einen größeren Durchmesser hat als der zweite Bereich und die Vorrichtung aufweist: einen ersten Puffer (84) mit einer Einrichtung zum Speichern von N Bytes; einen zweiten Puffer (92) und einen Sequenzen (80) zum Auswählen eines ersten und eines zweiten eindeutigen Signalwegs in dem Empfänger; wobei der zweite Puffer (92) eine Einrichtung zum Speichern von elektrischen Signalen mit M Bytes als Referenz-Wellenform aufweist, wenn der erste Signalweg ausgewählt wird, wobei N > M ist; wobei die die Referenz-Wellenform repräsentierenden elektrischen Signale von Ultraschallwellen abgeleitet werden, die aufgefangen werden, wenn sich die Sonde (44) in dem ersten Bereich befindet; eine Einrichtung (95) zum Subtrahieren der Referenz-Wellenform von den elektrischen Signalen, wenn der zweite Signalweg ausgewählt wird, wobei die elektrischen Signale Signale enthalten, die von Echos der Ultraschallwellen erzeugt werden, welche aufgefangen werden, wenn sich die Sonde in dem zweiten Bereich des Hohlraums befindet, um eine Echo-Wellenform zu erzeugen; wobei der erste N-Byte-Puffer (84) eine Einrichtung zum Speichern der verstärkten Echo-Wellenform aufweist; und eine Bilderzeugungsvorrichtung, die zum Erzeugen sichtbarer Bilder auf das Ausgangssignal des ersten Puffers anspricht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Einrichtung zum Subtrahieren der Referenz-Wellenform von den elektrischen Signalen einen Differentialverstärker aufweist, wobei ein Eingang des Verstärkers die Referenz-Wellenform empfängt, ein zweiter Eingang die elektrischen Signale empfängt und ein Ausgang die Echo-Wellenform erzeugt.
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