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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Bilds eines
Querschnitts eines kleinen Hohlraums, wie z. B. eines Koronargefäßes.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Entfernen von Artefakten
aus einem erzeugten Bild.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur
Lösung
dieser Aufgaben stellt die Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform
eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bereit.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
stellt die Erfindung eine Vorrichtung nach Anspruch 2 bereit.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der
folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen
offensichtlich.
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1 zeigt eine graphische
Darstellung einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Bilderzeugungsvorrichtung
mit Darstellung der Vorrichtung zum Erzeugen eines Bilds einer Koronararterie
bei einem PTCA-Verfahren;
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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;
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2b zeigt eine vergrößerte Ansicht
der in 2a gezeigten
Bilderzeugungssonde;
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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;
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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;
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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;
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5a zeigt einen in dem dem
Stand der Technik entsprechenden Bilderzeugungssystem zum Speichern
einer Referenz-Wellenform verwendeten 2048-Byte-Datenpuffer;
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5b zeigt einen bei der vorliegenden
Erfindung zum Speichern einer Referenz-Wellenform verwendeten 513-Byte-Datenpuffer;
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6 zeigt eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen Signalprozessors
zum Speichern der 513-Byte-Referenz-Wellenform und zum Verarbeiten
erfasster Echo-Wellenformen; und
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 50–53 ist über Leitungen 56 elektronisch
mit einer Gruppe der piezoelektrischen Elemente 54 verbunden.
Eine detaillierte Beschreibung der Chips 50–53,
piezoelektrischen Elemente 54 und der Interaktion zwischen
den beiden ist dem oben genannten Patent von Proudian et al. zu
entnehmen.
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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 50–53 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 50–53 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.