DE4226865A1 - Ultrasonic dermatological diagnosis arrangement - contains applicator with ultrasonic transducer and image display forming hand guided diagnostic unit - Google Patents

Ultrasonic dermatological diagnosis arrangement - contains applicator with ultrasonic transducer and image display forming hand guided diagnostic unit

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Abstract

The diagnosis arrangement contains an applicator (2) contg. an ultrasonic transducer arrangement for transmitting and receiving ultrasonic signals with an operating frequency of at least 20 MHz. An electronic signal processing unit (12) converts the signals generated by the ultrasonic transducer arrangement into image signals which are displayed on the screen (5) of an image display unit (4). The applicator and display unit form a diagnostic unit (6) which can be guided over the skin by hand. USE/ADVANTAGE - For examining skin tissue. The ultrasonic dermatological diagnostic unit is user friendly and compact.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Hautgewebe.The invention relates to a device for examination of skin tissue.

Bekannte B-Bild-Geräte der medizinischen Ultraschalldia­ gnostik haben im allgemeinen Betriebsfrequenzen in einem Bereich von etwa 3 MHz bis 10 MHz. Sie können daher nur Strukturen abbilden, die größer sind als etwa 1 mm. Für Untersuchungen von Oberflächengewebe wie der menschlichen Haut ist jedoch eine höhere Auflösung im Bereich zwischen 1 µm und 1 mm erforderlich. Da die Auflösung von der Wel­ lenlänge des das Gewebe durchdringenden Ultraschalls ab­ hängt, muß für eine bessere Auflösung eine höhere Betriebs­ frequenz von wenigstens 20 MHz erreicht werden. Gleich­ zeitig verringert sich bei einer höheren Betriebsfre­ quenz auch die Eindringtiefe. Für dermatologische Unter­ suchungen reichen jedoch Eindringtiefen von etwa 4 bis 10 mm aus.Known B-picture devices of the medical ultrasound slide gnostics generally have operating frequencies in one Range from about 3 MHz to 10 MHz. So you can only Show structures that are larger than about 1 mm. For Investigations of surface tissue like human However, skin is a higher resolution in the area between 1 µm and 1 mm required. Since the dissolution of the Wel length of the ultrasound penetrating the tissue depends, for a better resolution a higher operating frequency of at least 20 MHz can be achieved. Soon decreases in time with a higher operating frequency also the depth of penetration. For dermatological sub however, penetration depths range from about 4 to 10 mm.

Es ist ein hochauflösendes Ultraschall-B-Bildgerät mit einer Betriebsfrequenz zwischen 40 MHz und 100 MHz be­ kannt, mit dem Hautgewebe sichtbar gemacht werden kann. Dazu ist ein speziell gestalteter Applikator vorgesehen mit einem Ultraschallwandlerelement aus einer Piezokeramik oder einer piezoelektrischen Polymerfolie, beispielsweise PVDF, zum Senden von Ultraschallsignalen sowie zum Empfan­ gen der von dem Gewebe gestreuten Echosignale. Der Appli­ kator ist kompakt mit Abmessungen in einem Bereich von wenigen mm und ist für Frequenzen zwischen 40 MHz und 100 MHz ausgelegt. Durch laterales, d. h. in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Ultraschallpulse, Verschieben des Wandlerelements in einem Bereich von 4 mm wird das zu untersuchende Gewebe mechanisch abgetastet. Die in elektrische UHF-Signale umgewandelten Ultra­ schallpulse werden in einer Auswerteelektronik zuerst verstärkt zum Ausgleich der von der Laufzeit der Ultra­ schallpulse abhängigen Dämpfung, dann logarithmisch kom­ primiert und in einem A/D-Konverter in entsprechende Videonormsignale übergeführt. Das derart verarbeitete B-Bild wird auf einem Videomonitor abgebildet oder in einem Videorekorder gespeichert. Mit diesem bekannten System können fünf Bilder pro Sekunde aufgebaut werden. Die Auflösung liegt bei etwa 20 µm und die maximale Ein­ dringtiefe der Ultraschallpulse bei annähernd 4 mm ("IEEE- Ultrasonics Symposium 1991", Seiten 1161-1169).It is a high resolution ultrasound B imaging device with an operating frequency between 40 MHz and 100 MHz with which skin tissue can be made visible. For this purpose, a specially designed applicator is provided with an ultrasonic transducer element made of a piezoceramic or a piezoelectric polymer film, for example PVDF, for sending ultrasound signals and for receiving against the echo signals scattered by the tissue. The Appli  kator is compact with dimensions in the range of a few mm and is for frequencies between 40 MHz and 100 MHz designed. By lateral, i.e. H. in one direction perpendicular to the direction of propagation of the ultrasound pulses, Moving the transducer element in a range of 4 mm the tissue to be examined is mechanically scanned. The Ultra converted to electrical UHF signals Sound pulses are the first in evaluation electronics reinforced to compensate for the runtime of the Ultra sound pulse dependent damping, then logarithmic com primed and in an A / D converter to corresponding Video standard signals transferred. The so processed B-picture is displayed on a video monitor or in saved on a VCR. With this well-known System, five frames per second can be built up. The resolution is about 20 µm and the maximum on penetration depth of the ultrasonic pulses at approximately 4 mm ("IEEE- Ultrasonics Symposium 1991 ", pages 1161-1169).

Es ist ferner ein lineares Ultraschallwandler-Array mit etwa 100 Wandlerelementen bekannt, dessen Betriebsfre­ quenz bei 100 MHz liegt. Die piezoelektrischen Wandler­ elemente sind photolithographisch durch naßchemisches Ätzen eines 10 µm dicken, auf einem Saphirsubstrat ange­ ordneten ZnO-Film erzeugt worden und sind etwa 100 µm breit, etwa 6 mm lang und durch etwa 10 µm breite V-för­ mige Gräben voneinander getrennt. Die Empfindlichkeiten der einzelnen Wandlerelemente unterscheiden sich um maxi­ mal ± 1 dB und das Übersprechen der Wandlerelemente auf­ einander ist im Mittel auf etwa -55 dB beschränkt. Ein solches lineares Ultraschallwandler-Array ist kompakt mit Abmessungen zwischen etwa 6 mm und 12 mm. Das Gewebe wird mit diesem Array Zeile für Zeile elektronisch abgetastet, wobei vorzugsweise das Signal eines Wandlerelements einem Pixel des Bildes zugeordnet wird ("Ultrasonics Interna­ tional 91 Conference Proceedings", Seiten 379-382).It is also known a linear ultrasonic transducer array with about 100 transducer elements, the operating frequency is 100 MHz. The piezoelectric transducer elements have been produced photolithographically by wet chemical etching of a 10 µm thick ZnO film arranged on a sapphire substrate and are approximately 100 µm wide, approximately 6 mm long and separated by approximately 10 µm wide V-shaped trenches. The sensitivities of the individual transducer elements differ by a maximum of ± 1 dB and the crosstalk of the transducer elements to one another is limited to approximately -55 dB on average. Such a linear ultrasound transducer array is compact with dimensions between approximately 6 mm and 12 mm. The tissue is electronically scanned with this array line by line, the signal of a transducer element preferably being assigned to a pixel of the image ("Ultrasonics International 91 Conference Proceedings", pages 379-382).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für derma­ tologische Anwendungen ein bedienerfreundliches und kom­ paktes Ultraschalldiagnosegerät zur Verfügung zu stellen.The invention is based on the object for derma tological applications a user-friendly and com to provide a compact ultrasound diagnostic device.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkma­ len des Anspruchs 1. Ein Applikator mit einer Ultraschall­ wandleranordnung mit einer zur Untersuchung von Hautgewebe geeigneten Betriebsfrequenz von wenigstens 20 MHz und ein Bildanzeigegerät mit einem Bildschirm sind in einer mit der Hand führbaren Diagnoseeinheit integriert. Die die Un­ tersuchung durchführende Person hat damit das Hautgewebe und den Bildschirm - gleichsam wie bei einer Betrachtung durch eine Lupe - direkt im Blickfeld und kann den Appli­ kator kontrolliert führen, ohne den Blick zwischen Unter­ suchungsfeld und Monitor hin- und herbewegen zu müssen. Es ist ferner eine elektronische Signalverarbeitungseinheit zum Umwandeln der von der Ultraschallwandleranordnung ge­ lieferten elektrischen Signale in auf dem Bildschirm des Bildanzeigegerätes darstellbare B-Bildsignale vorgesehen.This object is achieved with the Merkma len of claim 1. An applicator with an ultrasound transducer arrangement with an for examining skin tissue suitable operating frequency of at least 20 MHz and a Image display device with a screen are in one with hand-held diagnostic unit integrated. The the Un The person carrying out the examination thus has the skin tissue and the screen - as if you were looking at it through a magnifying glass - directly in the field of vision and can see the Appli Kator lead controlled, without the view between sub need to move the search field and monitor back and forth. It is also an electronic signal processing unit to convert the ge from the ultrasonic transducer assembly delivered electrical signals in on the screen of the Image display device representable B-image signals provided.

Vorzugsweise ist die Signalverarbeitungseinheit in einem Hauptgerät (main frame) angeordnet, das über ein Kabel zur Stromversorgung und Datenübertragung an die Diagnoseein­ heit angeschlossen ist. The signal processing unit is preferably in one Main device (main frame) arranged, which is connected via a cable Power supply and data transmission to the diagnosis unit is connected.  

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Applika­ tor ein lineares Ultraschallwandler-Array. Ein solches lineares Ultraschallwandler-Array ist beispielsweise aus "Ultrasonics International 1991 Conference Proceedings", Seiten 379-382 bekannt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß das Gewebe elektronisch abgetastet wird.In a preferred embodiment, the applica contains tor a linear ultrasonic transducer array. Such one linear ultrasound transducer array is off, for example "Ultrasonics International 1991 Conference Proceedings", Pages 379-382 known. This embodiment has the Advantage that the tissue is scanned electronically.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich­ nung Bezug genommen, in deren einziger Figur eine Aus­ führungsform einer Vorrichtung zur Untersuchung von Haut­ gewebe gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist. Es sind ein Applikator mit 2, ein Bildanzeigegerät mit 4, des­ sen Bildschirm mit 5, eine aus Applikator 2 und Bildanzei­ gegerät 4 zusammengesetzte Diagnoseeinheit mit 6, ein Ka­ bel mit 8, ein Hauptgerät mit 9, dessen Bildschirm mit 10 und eine Signalverarbeitungseinheit mit 12 bezeichnet.To further explain the invention, reference is made to the drawing, in the single figure of which an embodiment of a device for examining skin tissue according to the invention is shown schematically. There are an applicator with 2 , an image display device with 4 , its screen with 5 , a device composed of applicator 2 and image display 4 , a diagnostic unit with 6 , a cable with 8 , a main unit with 9 , its screen with 10 and a signal processing unit with Designated 12 .

Der Applikator 2 enthält in einer vorteilhaften Ausfüh­ rungsform ein - nicht dargestelltes - lineares Ultraschall­ wandler-Array mit einer Betriebsfrequenz von wenigstens 20 MHz. Ein solches lineares Array kann beispielsweise durch Weiterbildung eines aus "Ultrasonics International 91 Conference Proceedings", Seiten 379-382 bekannten Arrays realisiert werden, indem man die Breiten und Ab­ stände der Wandlerelemente entsprechend anpaßt. Für eine Betriebsfrequenz von beispielsweise 30 MHz ergibt sich eine Abmessung des linearen Ultraschallwandlerarrays in seiner Längsrichtung von etwa 20 mm. Typische Werte für die Auflösung sind lateral, d. h. in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls, weniger als 0,5 mm und axial, d. h. in Ausbreitungsrichtung des Ultra­ schalls, weniger als 0,1 mm. In an advantageous embodiment, the applicator 2 contains a linear ultrasound transducer array (not shown) with an operating frequency of at least 20 MHz. Such a linear array can be realized, for example, by developing an array known from "Ultrasonics International 91 Conference Proceedings", pages 379-382, by adapting the widths and spacing of the transducer elements accordingly. For an operating frequency of 30 MHz, for example, the linear ultrasonic transducer array has a dimension in its longitudinal direction of approximately 20 mm. Typical values for the resolution are lateral, ie in a plane perpendicular to the direction of propagation of the ultrasound, less than 0.5 mm and axial, ie in the direction of propagation of the ultrasound, less than 0.1 mm.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein Applikator mit einem lateral verschiebbaren Ultraschallwandlerelement vorgesehen. Ein solcher Applikator ist beispielsweise aus "IEEE Ultrasonics Symposium" 1991, Seiten 1161-1169 bekannt. Das Gewebe wird dann mechanisch abgetastet.In a further embodiment, an applicator is included a laterally displaceable ultrasonic transducer element intended. Such an applicator is, for example, out of "IEEE Ultrasonics Symposium" 1991, pages 1161-1169 known. The tissue is then scanned mechanically.

Das Bildanzeigegerät 4 ist auf den Applikator 2 derart aufgesetzt, daß der Bildschirm 5 des Bildanzeigegerätes 4 direkt im Gesichtsfeld der das Hautgewebe untersuchenden Person liegt.The image display device 4 is placed on the applicator 2 such that the screen 5 of the image display device 4 lies directly in the field of view of the person examining the skin tissue.

In einer besonderen Ausführungsform ist das Bildanzeige­ gerät 4 von dem Applikator 2 abnehmbar. Zur elektrischen Verbindung des Bildanzeigegerätes 4 mit dem Applikator 2 ist dann vorzugsweise eine Steckverbindung vorgesehen.In a special embodiment, the image display device 4 can be removed from the applicator 2 . A plug connection is then preferably provided for the electrical connection of the image display device 4 to the applicator 2 .

Die Diagnoseeinheit 6 wird über das Kabel 8 von dem Haupt­ gerät 9 mit elektrischer Energie versorgt.The diagnostic unit 6 is supplied with electrical energy via the cable 8 from the main device 9 .

Auf dem Bildschirm 5 wird ein B-Bild des von dem linearen Wandlerarray elektronisch abgetasteten Hautgewebes darge­ stellt. Die dazu erforderliche Signalverarbeitung wird von der Signalverarbeitungseinheit 12 durchgeführt, die vor­ zugsweise in dem Hauptgerät 9 angeordnet ist wegen des Platzbedarfs und der Verlustwärme, die bekannte Elektro­ nikkomponenten bisher aufweisen. Die vom Array gelieferten UHF-Signale und die in der Signalverarbeitungseinheit 12 verarbeiteten Bildsignale werden dazu über das Kabel 8 von der Diagnoseeinheit 6 zum Hauptgerät 9 bzw. umgekehrt übertragen. Die Signalverarbeitungseinheit kann aber auch in der Diagnoseeinheit integriert sein. On the screen 5 , a B-image of the skin tissue electronically scanned by the linear transducer array is shown. The signal processing required for this is carried out by the signal processing unit 12 , which is preferably arranged in the main unit 9 because of the space requirement and the heat loss that have previously been known electronics components. For this purpose, the UHF signals supplied by the array and the image signals processed in the signal processing unit 12 are transmitted via the cable 8 from the diagnostic unit 6 to the main unit 9 or vice versa. The signal processing unit can also be integrated in the diagnostic unit.

Jedes Wandlerelement des linearen Arrays liefert ein Ultraschall-Bildsignal. Die Zahl der Zeilen des elek­ tronisch abgetasteten B-Bildes entspricht daher der Zahl der Wandlerelemente des linearen Ultraschallwandler- Arrays. Die Zahl der Spalten hängt von der zeitlichen Auflösung der Laufzeit der Ultraschallpulse im Gewebe und damit von der axialen Auflösung ab. Bei einer typischen Anzahl von 100 Wandlerelementen, einer Eindringtiefe von 5 mm und einer axialen Auflösung von 0,05 mm besteht das ursprüngliche B-Bild beispielsweise aus maximal 100 × 100 Bildpunkten. Der Bildausschnitt des untersuchten Gewebes ist dann bei einer Arraylänge von 20 mm etwa 20 × 5 mm2.Each transducer element of the linear array provides an ultrasound image signal. The number of lines of the electronically scanned B-image therefore corresponds to the number of transducer elements of the linear ultrasound transducer array. The number of columns depends on the temporal resolution of the transit time of the ultrasound pulses in the tissue and thus on the axial resolution. With a typical number of 100 transducer elements, a penetration depth of 5 mm and an axial resolution of 0.05 mm, the original B-image consists, for example, of a maximum of 100 × 100 pixels. The image section of the examined tissue is then approximately 20 × 5 mm 2 with an array length of 20 mm.

Dieses ursprünglich abgetastete B-Bild wird nun in ein auf dem Bildschirm 5 sichtbares Bild umgewandelt. Dazu umfaßt die Signalverarbeitungseinheit 12 einen Konverter, der die aufbereiteten UHF-B-Bildsignale in eine für das Bildan­ zeigegerät 4 kompatible Bildnorm umsetzt. Es kann bei­ spielsweise das gesamte Bild im Maßstab 1 : 2 im Zeilenfor­ mat und 1 : 4 im Spaltenformat mit 200 × 200 Bildpunkten auf einem etwa 40 × 40 mm2 großen Bildschirm 5 dargestellt werden oder auch nur Ausschnitte des Bildes. Das Format des Bildes und die Anzahl der Bildpunkte können den Anfor­ derungen entsprechend angepaßt werden.This originally scanned B-image is now converted into an image visible on the screen 5 . For this purpose, the signal processing unit 12 comprises a converter which converts the processed UHF-B image signals into an image standard 4 compatible with the image display device. For example, the entire image can be displayed on a 1: 2 scale in the line format and 1: 4 in the column format with 200 × 200 pixels on an approximately 40 × 40 mm 2 screen 5 , or only sections of the image. The format of the image and the number of pixels can be adapted to the requirements.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Videokon­ verter vorgesehen, der die B-Bildsignale in Videonorm um­ setzt. Auf dem Bildschirm 5 wird dann ein Videobild dar­ gestellt und das Bildanzeigegerät 4 ist ein kleiner Vi­ deomonitor. Das Videobild kann auch in einem Videorekor­ der gespeichert werden, der vorzugsweise in dem Haupt­ gerät 9 integriert ist, oder auf dem zusätzlichen Bild­ schirm 10 des Hauptgerätes 9 dargestellt werden.In an advantageous embodiment, a video converter is provided which converts the B-picture signals into video standard. A video image is then displayed on the screen 5 and the image display device 4 is a small video deomonitor. The video image may be integrated 9 also be stored in a Videorekor, which preferably falls in the main or panel 10 of the main unit are displayed 9 on the additional image.

Die Signalverarbeitungseinheit 12 kann auch Mittel zur Bildmanipulation (post-processing) wie beispielsweise zur Kanten- oder Kontrastverstärkung oder zum Glätten des Bildes enthalten.The signal processing unit 12 can also contain means for image manipulation (post-processing) such as for example for edge or contrast enhancement or for smoothing the image.

Der Bildschirm 5 des Bildanzeigegerätes 4 ist vorzugsweise als Flachbildschirm ausgebildet. Das Bildanzeigegerät 4 kann außerdem ein Kathodenstrahlmonitor sein.The screen 5 of the image display device 4 is preferably designed as a flat screen. The image display device 4 can also be a cathode ray monitor.

Es können ferner Schnittstellen zum Anschluß an bekannte Ultraschall-B-Bildgeräte vorgesehen sein.There can also be interfaces for connection to known ones Ultrasound B imaging devices may be provided.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Untersuchung von Hautgewebe mit folgen­ den Merkmalen:
  • a) Es ist ein Applikator (2) vorgesehen, der eine Ultra­ schallwandleranordnung zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen mit einer Betriebsfrequenz von wenigstens 20 MHz enthält;
  • b) es ist eine elektronische Signalverarbeitungseinheit (12) zum Umwandeln der von der Ultraschallwandleran­ ordnung gelieferten Signale in B-Bildsignale vorge­ sehen;
  • c) es ist ein Bildanzeigegerät (4) mit einem Bildschirm (5) zur Darstellung dieser B-Bildsignale vorgesehen, das mit dem Applikator (2) eine mit der Hand über das Hautgewebe führbare Diagnoseeinheit (6) bildet.
1. Device for examining skin tissue with the following features:
  • a) an applicator ( 2 ) is provided which contains an ultrasound transducer arrangement for transmitting and receiving ultrasound signals with an operating frequency of at least 20 MHz;
  • b) there is an electronic signal processing unit ( 12 ) for converting the signals supplied by the ultrasonic transducer arrangement into B-image signals;
  • c) there is an image display device ( 4 ) with a screen ( 5 ) for displaying these B-image signals, which, together with the applicator ( 2 ), forms a diagnostic unit ( 6 ) that can be passed over the skin tissue by hand.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Ultraschallwandleran­ ordnung ein lateral bewegbares Wandlerelement zum mecha­ nischen Abtasten des Hautgewebes vorgesehen ist.2. Device according to claim 1, characterized ge indicates that as an ultrasonic transducer order a laterally movable transducer element to the mecha African scanning of the skin tissue is provided. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Ultraschallwandleran­ ordnung ein lineares Ultraschallwandler-Array zum elek­ tronischen Abtasten des Hautgewebes vorgesehen ist.3. Device according to claim 1, characterized ge indicates that as an ultrasonic transducer order a linear ultrasonic transducer array for elec tronic palpation of the skin tissue is provided. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Katho­ denstrahlmonitor als Bildanzeigegerät (4) vorgesehen ist. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a Katho denstrahlmonitor is provided as an image display device ( 4 ). 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Flach­ bildschirm als Bildschirm (5) des Bildanzeigegerätes (4) vorgesehen ist.5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a flat screen is provided as a screen ( 5 ) of the image display device ( 4 ). 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dia­ gnoseeinheit (6) über ein Kabel (8) mit einem Hauptgerät (9) verbunden ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the diagnosis unit ( 6 ) via a cable ( 8 ) is connected to a main unit ( 9 ). 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (12) in dem Hauptgerät (9) in­ tegriert ist.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the signal processing unit ( 12 ) in the main unit ( 9 ) is integrated. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sig­ nalverarbeitungseinheit (12) in der Diagnoseeinheit (6) integriert ist.8. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the signal processing unit ( 12 ) is integrated in the diagnostic unit ( 6 ). 9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bildanzeigegerät (4) und der Applikator (2) lösbar ver­ bunden sind.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the image display device ( 4 ) and the applicator ( 2 ) are releasably connected ver.
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