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Dokumentenidentifikation DE102006025756A1 06.12.2007
Titel Ultraschall-Diagnose Einrichtung
Anmelder Somalingam, Somakanthan, Dr., 64283 Darmstadt, DE
Erfinder Somalingam, Somakanthan, Dr., 64283 Darmstadt, DE
Vertreter Patentanwälte Gesthuysen, von Rohr & Eggert, 45128 Essen
DE-Anmeldedatum 31.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006025756
Offenlegungstag 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse A61B 8/00(2006.01)A, F, I, 20060531, B, H, DE
IPC-Nebenklasse A61B 8/06(2006.01)A, L, I, 20060531, B, H, DE   A61B 5/00(2006.01)A, L, I, 20060531, B, H, DE   G01H 1/00(2006.01)A, L, I, 20060531, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Untersuchungsverfahrens der inneren Struktur eines Körpers mittels durch gepulstes Laserlicht an der Oberfläche des Körpers erzeugten Ultraschalls, welche einen Analysator aufweist, in dem das Echo des Ultraschalls interferometrisch erfasst und ausgewertet wird; sowie ein Verfahren zur nicht-invasiven, zwei- und/oder drei-dimensionalen bildlichen Darstellung der inneren Struktur eines Körpers, wobei man Ultraschall mittels Laserstrahlen an der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers direkt erzeugt und die Echowellen interferometrisch mittels Laserstrahlen detektiert und auswertet.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Diagnose Einrichtung sowie ein Verfahren zur nicht-invasiven, 2- und/oder 3-dimenionalen bildlichen Darstellung der inneren Struktur eines Körpers insbesondere von inneren Organen und Gewebestrukturen (beispielsweise Blutgefäßen) von Lebewesen, insbesondere von Menschen, durch Erzeugung und Detektierung von Ultraschall mittels Laserstrahlen.

Die Sonographie gehört zu den Untersuchungsmethoden, die in der medizinischen Routinediagnostik häufig eingesetzt werden. Kaum eine Praxis verzichtet auf ein Ultraschallgerät, weil eine Untersuchung beliebig oft durchgeführt werden kann, da sie keine Belastung für den Patienten darstellt. Außerdem ist die sonographische Untersuchung im Vergleich zu anderen apparativen Methoden kostengünstig. Für viele Indikationen ist die Sonographie nach wie vor der Goldstandard. Vor allem in der Gefäßdiagnostik spielt der Ultraschall noch eine große Rolle. Klinisch relevante Verengungen können mit dieser Methode valide erfasst werden. Der Nachteil dieser Methode ist die fehlende Automatisierung und Standardisierung, wodurch die Diagnose jeweils von der Versiertheit des Untersuchers abhängt.

Die Erzeugung eines Ultraschallbildes in der Medizin beruht darauf, dass in den Körper eingestrahlter Ultraschall an verschiedenen Geweben unterschiedlich stark reflektiert wird. Beim Übergang zwischen Medien verschiedener Dichte ändert sich die Schallgeschwindigkeit und es kommt an Grenzflächen entsprechend der akustischen Impedanzen zu Reflexionen.

Der Ultraschall ermöglicht es, schnell Informationen über die Gewebestruktur zu gewinnen ohne sie dabei zu schädigen. In der medizinischen Diagnostik werden Ultraschallwellen impulsartig eingesetzt, d.h. als Wellenpakete. Der Zeitunterschied zwischen der Signalerzeugung und dem von verschiedenen Gewebearten reflektieren Signal wird gemessen. Aus diesem Wert für die Laufzeit wird unter Verwendung der Schallgeschwindigkeit in Gewebe die Entfernung zwischen dem Sensor am Körper und der reflektierenden Schicht im inneren des Körpers berechnet. Mit einem Computer werden diese Abstandsinformationen zu einem Bild verarbeitet.

Strukturen, die kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls können nicht mehr aufgelöst werden. Für die Diagnostik werden in der Regel Frequenzen von 2 MHz bis 8 MHz angewandt. Dabei gilt, der Schall dringt umso tiefer ins Gewebe ein, je niedriger seine Frequenz ist. Die Dämpfung einer Schallwelle in einem Medium folgt einem exponentiellen Dämpfungsgesetz.

2. STAND DER TECHNIK

Der Vorteil der Sonographie liegt darin, dass sie schnell und ohne große Zeitverzögerung eingesetzt werden kann und eine Kombination aus funktioneller und morphologischer Information auf nichtinvasivem Wege liefert. In der Diagnostik der Carotisstenose z. B., vor allem der Evaluation der Gefäßaufzweigung, hat die Sonographie ihren festen Platz. Sie zeigt Schwächen in der genauen Einschätzung von Stenosen unterhalb von 50%. Dies fällt aber aufgrund fehlender Therapiekonsequenzen nicht wesentlich ins Gewicht. Die Qualität sonographischer Ergebnisse jedoch ist signifikant von der Erfahrung des Untersuchers abhängig.

Mit der Schnittbildsonographie kann man Aufschluss über die Anatomie der Körperorgane und des Gewebes gewinnen; die Doppler-Sonographie dient u. a. der Untersuchung des Herz- und Gefäßsystems. Sie erlaubt mit Hilfe der festgestellten Blutflussgeschwindigkeiten, Aussagen über Verengungen und Verschlüsse der Gefäße zu treffen. Es wird im Blut nicht nur ein Objekt (Blutkörperchen) registriert, sondern sehr viele Blutkörperchen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Es werden hierbei zwei Verfahren unterschieden: Beim spektralen Dopplerverfahren wird das Gefäß nur von einem Schallstrahl geschnitten; es wird also zu einem festen Zeitpunkt gemessen und so die spektrale Geschwindigkeitsverteilung des Blutes ermittelt.

Beim Farbdopplerverfahren wird an verschiedenen Orten gleichzeitig gemessen und die Laufzeit selektiv ausgewählt. So kann eine räumliche Verteilung der Blutgeschwindigkeit gewonnen werden.

Die konventionelle Erzeugung von Ultraschall sowie der Empfang der Echosignale basieren auf dem umgekehrten piezoelektrischen Effekt. Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an einen piezoelektrischen Kristall verformt sich dieser und wird zu Schwingungen angeregt, wodurch Schallwellen ausgesendet werden. Im Empfangsfall bewirken die auftreffenden Schallsignale eine Verformung des Kristalls. Diese Verformungen bewirken eine elektrische Ladungsverschiebung im Kristall, welche dann als elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Als Schallquellen und -empfänger werden vorwiegend aus Bleizirkonat-Titanat gefertigte Kristalle eingesetzt. Der Schallkopf eines Diagnosegerätes enthält ein oder mehrere Piezoelemente, die unterschiedlich angeordnet sein können.

Die konventionelle Methode der Ultraschall-Erzeugung und -Detektierung mittels piezoelektrischer Kristalle weist wesentliche Nachteile auf

  • • Eine stufenlose Variation der Ultraschallfrequenz ist nicht möglich. Eine Erweiterung der Frequenzbandbreite erfordert zusätzliche Kristalle
  • • Die verlustreduzierte Übertragung der Ultraschallwelle vom Generator bzw. Detektor zum/vom Objekt erfordert ein angepasstes Schallübertragungsmedium (z. B. Gelschicht)
  • • Direkter Kontakt mit dem Objekt erforderlich
  • • Die Verwendung von elektro-mechanischen Komponenten führt zu deren Abnutzung

Lihong V. Wang schlägt die Erzeugung von Ultraschall im Gewebe mittels Laserpuls vor (vgl., "Ultrasound-mediated biophotonic imaging: A review of acousto-optical tomography and photo-acoustic tomography", Disease Markers 19 (2003,2004) 123–138), wobei der induzierte Ultraschall dazu genutzt wird, um spektroskopische, d. h. Eigenschaften der Gewebe anhand absorbierten Lichts zu charakterisieren. Dabei erfolgt die Detektion des Ultraschalls mithilfe von konventionellen Transducern.

Das europäische Patent EP 1 158 283 B1 schlägt ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung vor, wobei das Ultraschallecho durch einen Laser-Resonator in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, wobei die Laser-Hardware (Resonatorspiegel) durch die Ultraschallwellen manipuliert und somit die Laseremission moduliert wird.

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die eine für den Patienten belastungsreduzierte (u. a. Strahlenbelastung, Kontrastmittelbelastung, Auftragung von Gelschicht, usw.) und gleichzeitig eine verbesserte und genaue Darstellung der inneren Organe, Gefäße und Gewebestruktur ermöglichen. Des Weiteren soll gemäß der Aufgabenstellung eine Automatisierung der Untersuchung gewährleistet sein.

Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung gelöst mit einer Ultraschall-Diagnose Einrichtung, welche eine Laserquelle umfasst, die mittels gepulstem Laserlicht an der Oberfläche des Körpers Ultraschall erzeugt, und einen Analysator aufweist, in dem das Echo des Ultraschalls interferometrisch erfasst und ausgewertet wird.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Ultraschall-Diagnose Einrichtung, welche eine Laserquelle umfasst, die mittels gepulstem Laserlicht an der Oberfläche des Körpers Ultraschall erzeugt, und einen Analysator aufweist, in dem das Echo des Ultraschalls interferometrisch erfasst und ausgewertet wird.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur nicht-invasiven, 2- und/oder 3-dimenionalen bildlichen Darstellung der inneren Struktur eines Körpers durch Erzeugung und Detektierung von Ultraschall mittels Laserstrahlen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In 1 ist eine Anordnung zum Erzeugen von Ultraschallwellen im zu untersuchenden Objekt mittels gepulstem Laserstrahl schematisch dargestellt.

In 2 ist eine Anordnung zur flächigen und/oder punktuellen optischen Abtastung der Modulation der Objektoberfläche, verursacht durch die von den (inneren) Bestandteilen des Objekts reflektierten Ultraschallwellen, mittels Interferometer dargestellt.

3 und 4 veranschaulichen schematisch die Erzeugung von Ultraschall im Objekt mittels Laser und die Detektierung ihrer Reflektion mittels Interferometrie.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der von den Gefäßen, Organen und Gewebe reflektierte Ultraschall wird an der Hautoberfläche interferometrisch detektiert und auf elektronischem Wege ausgewertet. Bei diesem Verfahren werden die hohen Eindringtiefen des Ultraschalls in biologischen Medien und die hohen Ortauflösungen mit dem guten Kontrast der optischen Methoden kombiniert. Rein optische Abbildungssysteme bleiben unmittelbar auf Hautoberflächenbereich beschränkt. Des Weiteren gewährleistet dieses Verfahren ein kontaktfreies Abtasten der zu untersuchenden Stellen am Objekt.

Die Erfindung ermöglicht eine Automatisierung und eine dadurch bedingte Standardisierung der Organ- und Gefäß-Diagnose. Neben erheblicher Kostenreduzierung und einfacher Bedienbarkeit bietet das neue Verfahren eine größtmögliche Ortsauflösung und eine nicht-invasive und kontaktfreie Erfassung der zu untersuchenden Strukturen.

Die Frequenz des eingesetzten gepulsten Laserlichtes ist an sich unkritisch, es kann Laserlicht im Infrarotbereich, im sichtbaren Bereich und im ultravioletten Bereich eingesetzt werden.

Die eingesetzte Laserenergie kann im Bereich der niedrigenergetischen bis zum Bereich der hochenergetischen, gepulsten Laser liegen. Ensprechend der Empfehlungen des "American National Standards Institute, American national standard for the safe use of lasers, Standard Z136.1-1993", sollte ein Safety Limit für menschliche Haut von etwa 200mW/cm2 nicht wesentlich überschritten werden.

Der Begriff "Körper" wie er vor- und nachstehend verwendet wird umfasst tierische und menschliche Körper, besonders bevorzugt sind menschliche Körper und Körper von Säugetieren, insbesondere Begleit-, Haus-, Nutz- und Labortiere. Die erfindungsgemäße Einrichtung eignet sich neben der klinischen Untersuchung von menschlichen und tierischen Patienten auch zum Einsatz in der präklinischen Forschung zur Untersuchung des Einflusses neuer Medikamente auf die Organismen oder deren Funktionalität bei Labortieren.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist besonders geeignet tiefere Regionen solcher Körper, insbesondere Körperorgane und tiefer gelegene Blutgefäße zu erfassen und darzustellen.

Bevorzugte Ausführungsformen sind solche Ultraschall-Diagnose Einrichtungen,

  • (a) welche einen Lasermodulator aufweisen, zur freien Einstellung der Pulswiederholungsrate und/oder der Regulierung der Laserintensität;
  • (b) welche optische und/oder mechanische Komponenten zur Aufteilung des Laserlichts jeweils zur interferometrischen Detektion und zur Ultraschallerzeugung aufweisen;
  • (c) welche eine Freistrahlanordnung aufweisen, bei der das Laserlicht auf den zu untersuchenden Körper eingestrahlt wird
  • (d) welche eine Anordnung aufweisen, bei der Mittel zur geschützten Illumination des Objekts vor schädlichen Laserstrahl vorgesehen sind;
  • (e) welche eine Anordnung aufweisen, bei der die Mittel zum Bestrahlen des Objektes mit dem Laserlicht einen Lichtleiter umfassen, um den Laserstrahl verlust- und gefahrenfrei zu führen;
  • (f) welche eine Anordnung aufweisen, bei der die Mittel zur beweglichen Anordnung des Lichtleiters zur ein-, zwei- und dreidimensionalen Rasterung punktueller oder flächiger Ultraschallerzeugungszentren im Objekt vorgesehen sind;
  • (g) welche eine Anordnung aufweisen, bei der die Mittel zur Strahlaufweitung zur flächigen Bestrahlung des Objekts vorgesehen sind;
  • (h) welche eine Anordnung zur automatisierten, elektronisch gesteuerten Führen der Laser- und Strahlformungseinheit in allen Raumrichtungen aufweisen;
  • (i) wobei durch rasterförmiges Bewegen der Laser- und Strahlformungseinheit und/oder des Objekts eine Vielzahl von Erzeugungspunkten für Ultraschall angeregt werden kann;
  • (j) welche Modulatoren aufweisen zur kontinuierlichen Modulierung in der Frequenz des induzierten Ultraschalls über die Variierung der Pulswiederholfrequenz des Lasers, insbesondere zur kontinuierlichen Frequenzmodulierung des induzierten Ultraschalls zur Regulierung der Eindringtiefe des Ultraschalls im biologischen Gewebe.

Weiterhin bevorzugte Ausführungsformen sind solche Ultraschall-Diagnose Einrichtungen,

  • (i) welche Mittel zur Steigerung der Reflektivität der Oberfläche für den Signallaserstrahl, die durch Ultraschall moduliert wird, aufweisen;
  • (ii) welche Anordnungen aufweisen, bei denen Mittel zur Strahlaufweitung, Strahlablenkung, Strahlführung, Strahlaufteilung und/oder Intensitätsregulierung vorgesehen sind;
  • (iii) welche Anordnungen aufweisen, bei denen die auf Ultraschall basierende Echosignale, aus dem Objektinneren die Oberfläche des Objekts modulieren, die im Objekt erzeugt und reflektiert werden;
  • (iv) welche Anordnungen aufweisen, bei denen der optische Signalstrahl die modifizierte Objektoberfläche bestrahlt und in Korrelation mit der Oberflächenmodulierung die optische Phase zeitlich und räumlich moduliert;
  • (v) welche Anordnungen aufweisen, bei denen Mittel zum interferometrischen Überlagerung der in Phase modulierten optischen Signalstrahl mit optischen Referenzstrahl vorgesehen sind;
  • (vi) welche Anordnungen aufweisen, bei denen Mittel zur opto-elektronischem Aufzeichnung mit ausreichende Zeit- und Raumauflösung der Interferenzsignale vorgesehen sind;
  • (vii) welche Anordnungen aufweisen, bei denen zur Verbesserung der Ortsauflösung mehrer Laserwellenlängen aus mehreren Quellen vorgesehen sind;
  • (viii) welche Anordnungen aufweisen, bei denen zur Ultraschallerzeugung und zum interferometrische Detektieren die gleiche Laserquelle verwendet werden;
  • (ix) welche Anordnungen aufweisen, bei denen Mittel zum Aufteilen der Laserstrahlung aus der gleichen Laserquelle jeweils zur Ultraschallerzeugung und Interferometrische Detektierung vorgesehen sind;
  • (x) wobei die Einheit zur Ultraschallerzeugung und die Interferometrieeinheit zur Detektierung der Oberflächenmodulation zu einem System integriert sind;
  • (xi) welche Anordnungen aufweisen, die es erlauben, die detektierten Interferenz-Reflexmusters der unterschiedlichen Gewebestrukturen zu extrahieren und visualisieren, insbesondere wobei die Visualisierung der Struktur, Anordnung und Beschaffenheit des Objekts mittels Computer vorgesehen erfolgt;
  • (xii) wobei die Apparaturen eine ringförmige Anordnung aufweisen, wodurch Schnittbilder der zu untersuchenden Areale erzeugt und visualisiert werden können;
  • (xiii) welche Detektoren aufweisen, die es erlauben, unter Ausnutzung der Dopplerverschiebungsmethode in der Frequenz des detektierten Ultraschalls Gradienten der Blutfließgeschwindigkeiten zu ermitteln, vorzugsweise von tiefer gelegenen Blutgefäßen, und insbesondere verengten oder intakten Blutgefäße zu lokalisieren, zu visualisieren und zu quantifizieren;
  • (xiv) welche Anordnungen aufweisen, bei denen Mittel zum Schutz des Objekts vor der Laserstrahlung vorgesehen sind;
  • (xv) welche Anordnungen aufweisen, bei denen Mittel zur elektronischen oder gedruckten Darstellung des Objekts und dessen innerer Struktur, Eigenschaften und Beschaffenheit vorgesehen sind;
  • (xvi) welche Anordnungen aufweisen, die es erlauben, die Aufbereitung und Darstellung des Objekts und dessen innerer Struktur, Eigenschaften und Beschaffenheit mit dem zeitgleich mit dem Messvorgang aufzubereiten;
  • (xvii) welche Anordnungen aufweisen, die es erlauben, die komplette und/oder teilweise Untersuchung und ihre Darstellung zu automatisieren.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme der Zeichnungen 1 bis 4 näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile bzw. Vorgänge, eine Erläuterung bereits erklärter Bauteile und Vorgänge erfolgt nicht.

In 1 ist eine Anordnung zum Erzeugen von Ultraschallwellen im zu untersuchenden Objekt mittels gepulstem Laserstrahl dargestellt.

In 2 ist eine Anordnung zur flächigen und/oder punktuellen optischen Abtastung der Modulation der Objektoberfläche, verursacht durch die von den (inneren) Bestandteilen des Objekts reflektierten Ultraschallwellen, mittels Interferometer, wodurch Informationen über funktionelle, strukturelle und morphologische Beschaffenheit des Objekts gewonnen und abgebildet werden können, dargestellt.

Die Zeichnungen 3 und 4 veranschaulichen schematisch die Erzeugung von Ultraschall im Objekt mittels Laser und die Detektierung ihrer Reflektion mittels Interferometrie.

In allen Figuren ist das zu untersuchendes Objekt mit 1, bestehend aus der Objektbegrenzung 12, in der Regel die Haut und den inneren Organen 13, bezeichnet. In

1 ist die Ausführung zum Erzeugen des Ultraschalls mit 2 bezeichnet. Die Ausführung 2 umfasst die Laserquelle 21, ihre Ansteuerung 22, sowie der Strahlformungseinheit, bestehend aus Mittel zur Strahlaufweitung 23, Mittel zur Strahlablenkung 24 und Mittel zur Intensitätsregulierung 25. In 2 ist die Ausführung zur optischen Detektierung des Echosignals mit 5 gekennzeichnet, bestehend aus einer Ausführung zur Laserquelle und – Strahlformungseinheit 3 und der Interferometrischen Detektierungseinheit 4. Die Laserquelle und -Strahlformungseinheit 3 besteht aus der Laserquelle 31 und ihre Ansteuerung 32, sowie der Strahlformungseinheit, bestehend aus Mittel zur Strahlaufweitung 33, Mittel zur Strahlablenkung 34 und Mittel zur Intensitätsregulierung 35. Die interferometrische Detektierungseinheit 4 umfasst Mittel zur Strahlaufteilung 45, Mittel zur opto-elektronischen Detektierung der optischen Interferrenzmuster 42, sowie elektronische Rechnereinheit 41 zur Auswertung und Darstellung der Objektinformationen.

Erfindungsgemäß wird zur Erzeugung des Ultraschalls, entsprechend in 1 gemäß 2 Laserstrahlung 26 eines Lasers 21, idealer Weise mit kurzen Laserpulsen, dessen Pulswiederholfrequenz durch 22 geändert und gesteuert werden kann, in einem ersten Verfahrenschritt verwendet, das direkt unmittelbar an der Hautoberfläche 12, wobei bedingt durch die Eindringtiefe des verwendeten Laserfrequenz von 21 (vorzugsweise auf der inneren Hautfläche) eingestrahlt wird. Die laserinduzierte thermale Expansion der lichtabsorbierenden Strukturen in dem Gewebe erzeugt akustische Wellen 61 durch thermoelastische Mechanismen (die erzeugten akustischen Frequenzen liegen hauptsächlich im Ultraschallbereich). Die Frequenz des auf dieser Weise erzeugten Ultraschalls ist direkt proportional zur Pulswiederholfrequenz des eingestrahlten Laserstrahls 26, womit durch eine Variation der Pulswiederholfrequenz des Lasers 21 eine kontinuierliche Modulation in der Frequenz des erzeugten Ultraschalls 61 ermöglicht wird. Die Eindringtiefe des Ultraschalls in biologischen Geweben ist abhängig von seiner Frequenz. Die Ultraschall induzierende Laserquelle und die -Strahlformungseinheit 2 wird beweglich angeordnet und rastet ein- bzw. zweidimensional die zu untersuchende Ebene des Objekts 1 ab. Wahlweise kann die Laserquelle 21 fixiert und die Laserstrahlung über optische und/oder mechanische Komponenten 24 hin zum Objekt 1 abgelenkt werden.

Über die Frequenz des Ultraschalls 61, die mit der Pulswiederholfrequenz des Lasers 21 variiert werden kann, wodurch verschiedene Eindringtiefen im Gewebe erreicht werden können, wird die axiale Richtung (Tiefeninformation) erfasst. Dadurch wird eine räumlich aufgelöste dreidimensionale Abbildung samt innere Beschaffenheit 13 des Objekts möglich.

In der Werkstoff-Diagnostik wird Laserlicht zur Erzeugung von Ultraschall zur Photoakustischen (PAT) bzw. auch Optoakustischen Tomographie eingesetzt. Im Gegensatz zur PAT, in der über konventionellen Ultraschalldetektoren das Echosignal erfasst wird, verwendet die vorliegende Erfindung eine interferrometrische Erfassung des reflektierten Ultraschalls mittels ausreichend kohärenten Lichts. Durch die lokale Erzeugung der Schallwelle an der Hautoberfläche und optische Detektierung der Reflexion mittels Interferometrie kann eine Entkopplung beider Einheiten erfolgen, sowie auf ein angepasstes Schallübertragungsmedium (Gelschicht) verzichtet werden, wodurch im Weiteren der Arbeitsabstand zwischen Messeinheit und Objekt frei gewählt werden kann.

Das Prinzip der interferometrischen Erfassung der reflektierten Ultraschall ist folgend erläutert:

Die von den Körperorganen 13 reflektieren Ultraschallwellen 62 pflanzen sich bis zur Hautoberfläche 12 fort und modulieren diese mechanisch, entsprechend ihrer Amplituden und Frequenzen. Die Deformation der Hautoberfläche 63 erfolgt in räumlicher und zeitlicher Korrelation zu den Amplituden und Laufzeitverzögerungen der reflektierten Primär-Ultraschallwellen 62.

In einem weiteren Verfahrenschritt wird die Topologie der Deformation erfindungsgemäß optisch raum- und zeitaufgelöst interferometrisch detektiert. Dazu wird der kohärente Laserstrahl eines zweiten Lasers 31 (beispielsweise ein cw-Laser) bzw. ein ausreichender Anteil mithilfe optischer Elemente abgezweigte Laserleistung des Ultraschall erzeugenden Lasers 21 in einer Interferometereinheit 4 eingekoppelt. Die Interferometereinheit 4 besteht aus der beschriebenen Lichtquelle, sowie aus optischen und mechanischen Komponenten und einer optoelektronischen Wandler 42. Der Laserstrahl 36 (gepunktete Linie: ...), aus 31 bzw. aus 21 abgezweigt, wird durch optische Komponenten 33 bei Bedarf aufgeweitet und durch weitere optische und/oder mechanische Komponenten 45 in einem Referenz- 44 (gepunktete Linie: ...), und in einem Signalstrahl 43 (gestrichelte Linie: – – –) aufgeteilt. Der Signalstrahl 43 beleuchtet die Hautoberfläche 63 punktuell oder flächig und erfährt eine der Deformation korrelierter Phasenmodulation. Überlagerung dieser in den optischen Phasen modulierter Signalstrahl 43 mit dem Referenzstrahl 44 führt zu charakteristischen Interferenzmuster, die mit einem optoelektronischen Wandler 42 hinsichtlich der zeit- und ortabhängigen Lichtintensität bzw. Lichtamplitude aufgezeichnet werden. Die in drei Raumrichtungen beweglich angeordnete Inerferometereinheit 5 erlaubt eine Abtastung des gesamten Objekts. Dies kann wahlweise sequenziell erfolgen.

Die zeitlich und räumlich aufgelöst aufgezeichnete Interferenzmuster beinhalten Informationen über die Amplituden und Frequenzen des reflektierten Ultraschallsignals, sowie Laufzeiten und Frequenzverschiebungen, wobei Überlagerungen der induzierten und reflektierten Signale herausgefiltert werden. Diese Filterung kann durch eine vorangestellte Kalibrierungsmessung erreicht werden.

Die Auflösung des Interferenzsignals ist primär von der Wellenlänge des verwendeten Lasers sowie von der Qualität der optoelektronischen Wandler (z. B. Signal/Rausch-Verhältnis des intensivierten CCDs (charge-coupled device)) abhängig. Um die axiale Auflösung bzw. den Eindeutigkeitsbereich (Free-Spectral-Range) zu erhöhen, kann mit mehreren Laser-Wellenlängen gearbeitet werden (beispielsweise ist vorgesehen, teilweise den gepulsten Laserstrahl des Lasers 21, der die Ultraschallwellen induziert, hierfür abzuzweigen) oder Weißlichtinterferometer eingesetzt werden. Die Interferometeranordnung (z. B. Fabry Perot, Michelson, Mach-Zehnder usw.) ist je nach Bedarf frei zu wählen.

Ultraschallerzeugung und ihre Detektierung mittels Laser haben signifikante Vorteile gegenüber konventionellen Methoden, wie z. B. Piezokristalle: Eine kontinuierliche Frequenzmodulation ist möglich, wodurch die Eindringtiefe im biologischen Medien gesteuert werden kann. Die Gelschicht zur reflektionsfreien Übertragung von Ultraschall in das Gewebe entfällt, wodurch selbst im Vakuum eine Detektierung erfolgen kann. Ferner kann der Arbeitsabstand zwischen Probanden und Detektor frei gewählt, sowie Messungen an bewegenden Objekten durchgeführt werden.

Zur Auswertung und bildliche Darstellung der funktionellen und strukturellen Eigenschaften des untersuchten Objekts werden die punktuell abgetasteten oder flächig aufgezeichneten Interferenzmuster mittels Software und Computer analysiert. Die zeitlich und räumlich aufgelöst aufgezeichnete Interferenzmuster beinhalten die zeitliche und räumliche Modulation in der Phase des Signalstrahls in Form von i. a. hochfrequenten Amplituden- bzw. Intensitätsschwankungen, wobei diese direkt korreliert ist mit der mechanischen Oberflächenmodulation des Objekts, welche durch die von den Innereien reflektierten Ultraschalls verursacht werden. Die Anforderung an den optoelektronischen Wandler beinhaltet u. a. eine ausreichende zeitlich und räumlich aufgelöste Aufzeichnung der Intensitätsschwankungen zur Separierung der Frequenzverschiebungen, die von den Objektsinneren selbst verursacht werden und den Frequenzen der Trägerschallwellen. Die Eigenschaften des reflektierten Ultraschalls sind u. a. Funktionen der Beschaffenheit (Material, Dichte), Struktur (Morphologie) und Zustand (Bewegung, z. B. Blutkörper) der Innereien des Objekts. Durch computer- und softwaregestützte Extrahierung der Laufzeitunterschiede und Schallintensitäten aus der Interferenzmuster, die sich aufgrund der verschiedenen Reflexions- und Transmissionseigenschaften und Schallgeschwindigkeiten von unterschiedlichen Organen und Gewebestrukturen ergeben, erfolgt die Visualisierung des Objektsinneren. Die mathematische Extrahierung der Ultraschallfrequenzen und -Laufzeitunterschiede aus den Interferenzmustern wird nicht weiterführend näher beschrieben.

Mit der Auswertung der punktuellen Interferenzaufzeichnung wird Information zur Darstellung eines Objektpunktes gewonnen. Durch eine zwei-dimensionale punktuelle Rasterung der Objektebene sowie durch die Modulation in der Frequenz des Ultraschalls erreichbare Tiefeninformation erfolgt eine 3-dimensionale Visualisierung der inneren Struktur und Beschaffenheit des Objekts.

Wahlweise kann ein flächiges Interferenzmuster durch einen verbreiterten Laserstrahl 36 mit den Mitteln 33 erfolgen, wodurch u. a. die Untersuchungszeit reduziert werden kann. Hierfür sind opto-elektronische Wandler mit ausreichendem Füllfaktor vorgesehen.

Es ist vorgesehen, die gesamte Messeinheit in einem geschlossen Gehäuse zu integriert bzw. in getrennten Einheiten zur Ultraschallerzeugung und Detektierung, sowie Auswertung der Messung anzuordnen. Wahlweise kann die Messeinheit, insgesamt oder teilweise, automatisiert und elektronisch gesteuert mitbewegt werden, wobei sich das Objekt in Ruhe gehalten wird, oder das Objekt kann bewegt und die Messeinheit, insgesamt oder teilweise, in Ruhe gehalten werden.

Zur Visualisierung von Blutgefäßen und Verengungen im Objekt ist die Auswertung der Dopplerverschiebung in der Frequenz des reflektierten Ultraschalls vorgesehen. Sich bewegende Objekte, beispielsweise Blutkörper, verändern die Eingangsfrequenz der Ultraschallwelle proportional zu ihrer Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, über einen Vergleich der Eingangs-Ultraschallsfrequenz, zu deren Bestimmung eine Kalibrierungsmessung vorangestellt wird, mit der gemessenen Doppler-Verschiebefrequenz die Geschwindigkeiten der Blutkörper zu ermitteln, sowie über eventuell vorhandene Geschwindigkeitsgradienten Aussagen über die Geometrie der Gefäße, über den Grad und den Ort eventueller Verengungen zu treffen und diese am Computer zu visualisieren.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1
Objekt
12
Haut/Objektbegrenzung
13
Organe, Gefäße, Gewebe
2
Mittel zum Erzeugen und Verformen des Laserlichts zur Ultraschallerzeugung
21
Laserquelle L1
22
Ansteuerung von L1
23
Mittel zur Strahlaufweitung
24
Mittel zur Strahlablenkung
25
Mittel zur Regulierung der Lichtintensität
26
Laserstrahl zur Ultraschallerzeugung
3
Mittel zum Erzeugen und Verformen des Laserlichts zur interferometrischen Detektion von Ultraschall
31
Laserquelle L2
32
Ansteuerung von L2
33
Mittel zur Strahlaufweitung
34
Mittel zur Strahlablenkung
35
Mittel zur Regulierung der Lichtintensität
36
Laserstrahl zur interferometrischen Detektion
4
Interferometereinheit
41
Computer
42
Opto-elektronische Detektionseinheit
43
Signalstrahl
44
Referenzstrahl
45
Mittel zur Strahlteilung (halbdurchlässiger Spiegel)
5
Mittel zur optischen Detektierung von Ultraschall
61
Mittels Laser erzeugter Ultraschall
62
Reflektierter Ultraschall
63
Durch reflektierten Ultraschall modulierte Oberfläche


Anspruch[de]
Ultraschall-Diagnose Einrichtung, welche eine Laserquelle umfasst, die mittels gepulstem Laserlicht an der Oberfläche eines Körpers Ultraschall erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Analysator aufweist, in dem das Echo des Ultraschalls interferometrisch erfasst und ausgewertet wird. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Lasermodulator aufweist, zur freien Einstellung der Pulswiederholungsrate und/oder der Regulierung der Laserintensität. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie optische und/oder mechanische Komponenten zur Aufteilung des Laserlichts jeweils zur interferometrischen Detektion und zur Ultraschallerzeugung aufweist. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Freistrahlanordnung aufweist, bei der das Laserlicht auf den zu untersuchenden Körper eingestrahlt wird. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Detektierung des reflektierten Ultraschalls mittels optischer, interferometrischer Abtastung der Oberflächenmodulation aufweist. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Erzeugung und/oder Formung interferenzfähiger kohärenter Laserstrahlen aufweist. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur räumlich und zeitlich aufgelöst aufzuzeichnenden Interferenzmuster aufweist. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Anordnung aufweist, bei der die Einheit zur Ultraschallerzeugung und die Interferometrieeinheit zur Detektierung der Oberflächenmodulation entkoppelt und in allen Raumrichtungen beweglich angeordnet werden kann. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Apparaturen eine ringförmige Anordnung aufweisen, wodurch Schnittbilder der zu untersuchenden Areale erzeugt und visualisiert werden können. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie Detektoren aufweist, die es erlauben, unter Ausnutzung der Dopplerverschiebungsmethode in der Frequenz des detektierten Ultraschalls Gradienten der Blutfließgeschwindigkeiten zu ermitteln, und dadurch insbesondere verengte oder intakte Blutgefässe zu lokalisieren, zu visualisieren und zu quantifizieren. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Anordnung zur rechner- und softwaregestützen Aufzeichnung, Speicherung und Auswertung der Interferenzmuster, sowie gegebenenfalls Bildverarbeitungs- und anzeigeeinrichtungen aufweist. Verfahren zur nicht-invasiven, 2- und/oder 3-dimenionalen bildlichen Darstellung der inneren Struktur eines Körpers dadurch gekennzeichnet, dass man Ultraschall mittels Laserstrahlen an der Oberfläche des zu untersuchenden Körpers direkt erzeugt und die Echowellen interferometrisch mittels Laserstrahlen detektiert und auswertet. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur nicht-invasiven, 2- und/oder 3-dimenionalen bildlichen Darstellung der inneren Struktur eines Körpers. Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Körper um einen menschlichen Körper oder einen Säugetierkörper handelt.






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