DE102005028980A1

DE102005028980A1 - Adaptives Ultraschall-Bildgebungssystem

Info

Publication number: DE102005028980A1
Application number: DE102005028980A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Wayne Rigby
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2006-01-05
Also published as: JP4864353B2; KR101167308B1; CN1712988A; US20050283077A1; CN1712988B; US7128712B2; KR20060046482A; JP2006006931A

Abstract

Ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines Ultraschallsystems (10) werden geschaffen. Das Verfahren enthält das Schätzen einer relativen Bewegung zwischen einem Array aus Transducerelementen (18) und einem abzubildenden Objekt (16) und das Steuern eines adaptiven Beamformersystems (26) in Abhängigkeit von einer Schätzung der relativen Bewegung.

Description

Hintergrund
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Ultraschallsysteme und spezieller auf ein System und Verfahren zur Steuerung eines adaptiven Beamformersystems, das in dem Ultraschallsystem verwendet wird.

Ultraschallsysteme enthalten ein Feld oder Array von Transducerelementen, die zum Aussenden von Ultraschallenergie in ein abzubildendes Subjekt oder Objekt verwendet werden. Das Transducerarray sendet Ultraschallenergie aus und empfängt zurückgestreute Ultraschallsignale von dem abgebildeten Objekt, um ein Bild zu erzeugen und anzuzeigen. Die zurückgestreuten Signale werden zum Erzeugen und Anzeigen eines Bildes verarbeitet.

Typischerweise enthält ein Ultraschallsystem einen Sende-Beamformer oder -Strahlformer, um einen Strahl von Ultraschallenergie auszusenden. Das Ultraschallsystem enthält weiterhin einen Steuerungsprozessor, der Befehlsdaten an das Beamformersystem sendet, um einen Strahl einer gewünschten Form zu erzeugen. In ähnlicher Weise führt ein Empfangs-Beamformersystem gemäß den Anweisungen von dem Steuerungsprozessor Zeitverzögerungs- und Fokussierungsoperationen aus, um empfangene Strahlsignale zu erzeugen. Die empfangenen Strahlsignale werden dann zum Erzeugen des Ultraschallbildes verarbeitet.

Das oben beschriebene Ultraschall-Bildgebungssystem setzt voraus, dass es eine bekannte und konstante Schallgeschwindigkeit in dem Medium gibt, durch das die Ultraschallpulse übertragen werden. Wenn die Schallgeschwindigkeit nicht konstant ist, können die von bestimmten Elementen in dem Array ausgesandten Schallpulse früher oder später als erwartet an dem gewünschten Fokuspunkt ankommen und werden sich mit den anderen Pulsen nicht genau überlagern. Infolgedessen wird die effektiv oder netto ausgesandte Welle nicht optimal fokussiert. In ähnlicher Weise werden die Signale an jedem Element in dem Array beim Empfang vor der Summation nicht optimal zeitverzögert sein, so dass die Empfangsfokussierung verschlechtert wird. Wenn die Abweichungen von den angenommenen Ausbreitungszeiten gemessen oder geschätzt werden könnten, könnte das Ultraschallbild durch Korrigieren der auftretenden Zeitverzögerungen für die Abweichungen verbessert werden. Von einem solchen Bildgebungssystem wird gesagt, dass es ein „adaptives" Beamformersystem enthält, um es von einem Beamformersystem zu unterscheiden, bei dem die Zeitverzögerungen fest und vorbestimmt sind.

Ein Weg zum Korrigieren der fehlerhaften empfangenen Strahlsignale besteht im Messen der für eine akustische Linie in einem Bild gemessenen Ankunftszeitfehler und im Anwenden des gemessenen Fehlers auf dieselbe akustische Linie bei dem nächsten Bild. Ein solches Verfahren kann nicht ganz genau sein, wenn sich der Transducer schnell bewegt, weil die Ankunftszeitfehler im Allgemeinen mit der Position des Transducers bezogen auf das abgebildete Objekt variieren. Zusätzlich kann jedes adaptive Beamformersystem Bildartefakte erzeugen oder das Bild unter bestimmten Umständen auf andere Weise beeinträchtigen.

Es ist daher wünschenswert, ein adaptives Beamformersystem zur Verwendung in einem Ultraschallsystem zu entwerfen, wobei das adaptive Beamformersystem dementsprechend aktiviert oder deaktiviert werden kann. Es ist weiterhin wünschenswert, einem das Ultraschallsystem verwendenden Benutzer den Zustand des Beamformersystems anzuzeigen und es dem Bediener auch zu ermöglichen, das Beamformersystem auf Default-Zeitverzögerungen zurückzusetzen, wenn dies wünschenswert ist.

Kurze Beschreibung

Kurz gesagt wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Ultraschallsystems geschaffen. Das Verfahren enthält die Schätzung einer relativen Bewegung zwischen einem Array von Transducerelementen und einem abzubildenden Objekt und die Steuerung eines adaptiven Beamformersystems in Abhängigkeit von einer Schätzung de relativen Bewegung.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein automatisch gesteuertes Ultraschallsystem geschaffen. Das Ultraschallsystem enthält ein adaptives Beamformersystem, das zum Erzeugen des Ultraschallstrahls eingerichtet ist, und ein Array von Transducerelementen, das mit dem adaptiven Beamformersystem gekoppelt und zum Aussenden des Ultraschallstrahls auf ein abzubildendes Objekt sowie zum Empfangen der reflektierten Signale von dem abzubildenden Objekt eingerichtet ist. Das Ultraschallsystem enthält weiterhin ein Verarbeitungssystem, das zum Schätzen einer relativen Bewegung zwischen dem Array von Transducerelementen und einem abzubildenden Objekt sowie zum Steuern des adaptiven Beamformersystems in Abhängigkeit von der relativen Bewegung eingerichtet ist.

Zeichnungen
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei gleiche Zeichen in den Zeichnungen gleiche Teile repräsentieren:
1 zeigt eine Ausführungsform eines beispielhaften Ultraschallsystems, das gemäß einem Aspekt der Erfindung ausgeführt ist,
2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren darstellt, durch das ein adaptiver Beamformer gesteuert werden kann,
3 zeigt einen Graph, der einen summierten absoluten Differenzwert darstellt, der an aufeinanderfolgenden Bildern oder Image Frames berechnet worden ist, und
4 zeigt eine schematische Ansicht, die ein beispielhaftes Bild darstellt, das in eine Vielzahl rechteckiger Blöcke unterteilt ist.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Ultraschallsystems 10, das gemäß einem Aspekt der Erfindung ausgeführt ist. Das Ultraschallsystem enthält ein Akquisitionsteilsystem 12 und ein Verarbeitungsteilsystem 14. Das Akquisitionsteilsystem 12, enthält ein Array von Transducerelementen 18 (Transducerarray), einen Sende/Empfangs (T/R)-Umschaltungsschaltkreis 20, einen Sender 22, einen Empfänger 24 und einen Beamformer 26. Das Verarbeitungsteilsystem 14 enthält einen Steuerungsprozessor 28, einen Demodulator 30, einen Bildgebungsmodusprozessor 32, einen Scan Converter 34 und einen Anzeigeprozessor 36. Der Anzeigeprozessor ist weiterhin zum Anzeigen der Bilder mit einem Monitor gekoppelt. Eine Benutzerschnittstelle 40 tritt mit dem Steuerungsprozessor und dem Anzeigemonitor in Wechselwirkung. Der Steuerungsprozessor kann auch mit einem entfernten Verbindungsteilsystem 42 gekoppelt sein, das einen Webserver 44 und eine entfernte Verbindungsschnittstelle 46 enthält. Das Verarbeitungsteilsystem kann weiterhin mit einem Datenspeicher 48 gekoppelt sein, um Ultraschallbilddaten zu empfangen. Der Datenspeicher tritt mit einer Bildworkstation 50 in Interaktion.
Wenn hierin Ausdrücke wie „eingerichtet zu" oder dergleichen verwendet werden, beziehen sie sich auf mechanische oder strukturelle Verbindungen zwischen Elementen, um es zu ermöglichen, dass die Elemente zum Herbeiführen eines beschriebenen Effektes zusammenwirken; diese Ausdrücke beziehen sich auch auf die Betriebsfähigkeiten bzw. -eigenschaften von elektrischen Elementen, wie z. B. analogen oder digitalen Rechnern, oder von anwendungsspezifischen Vorrichtungen (wie z. B. einer anwendungspezifischen integrierten Schaltung oder Application Specific Integrated Circuit (ASIC)), die zum Ausführen einer Sequenz programmiert sind, um als Antwort auf gegebene Eingangssignale eine Ausgabe zu liefern.
Die Architekturen und Module können zugeordnete Hardwa reelemente, wie z. B. Leiterplatten mit digitalen Signalprozessoren, oder Software sein, die auf einem Vielzweckcomputer oder -prozessor, wie z. B. einem kommerziellen, handelsüblichen PC läuft. Die vielfältigen Architekturen und Module können gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kombiniert oder getrennt werden.
In dem Akquisitionsteilsystem 10 steht das Transducer-Array 18 mit dem abzubildenden Objekt 16 in Kontakt. Der Transducer 18 ist mit dem Sende/Empfangs (T/R)-Umschaltungsschaltkreis 20 gekoppelt. Der T/R-Umschaltungsschaltkreis 20 ist an den Ausgang des Senders 22 und den Eingang des Empfängers 24 angeschlossen. Der Ausgang des Empfängers 24 ist ein Eingang des adaptiven Beamformers 26. Der adaptive Beamformer 26 ist weiterhin an den Eingang des Senders 22 und den Eingang des Demodulators 30 angeschlossen. Der adaptive Beamformer ist auch mit dem Steuerungsprozessor gekoppelt, wie es in der Figur gezeigt ist.
In dem Verarbeitungsteilsystem 14 ist der Ausgang des Demodulators 30 an einen Eingang des Abbildungsmodusprozessors 32 angeschlossen. Der Steuerungsprozessor ist mit dem Abbildungsmodusprozessor 32, dem Scan Converter 34 und dem Anzeigeprozessor 36 verbunden. Ein Ausgang des Abbildungsmodusprozessors 32 ist an einen Eingang des Scan Converters 34 angeschlossen. Ein Ausgang des Scan Converters 34 ist an einen Eingang des Anzeigeprozessors 36 angeschlossen. Der Ausgang des Anzeigeprozessors 36 ist an den Monitor 38 angeschlossen.
Das Ultraschallsystem 10 sendet Ultraschallenergie in ein abzubildendes Objekt 16 hinein und empfängt und verarbeitet die von dem Objekt zurückgestreuten Ultraschall signale, um ein Bild zu erzeugen und anzuzeigen. Um einen gesendeten Strahl von Ultraschallenergie zu erzeugen, sendet der Steuerungsprozessor 28 Befehlsdaten an den adaptiven Beamformer 26, um die Sendeparameter zum Erzeugen eines Strahls von einer gewünschten Form zu erzeugen, der von einem bestimmten Punkt an der Oberfläche des Transducerarrays 18 unter einem gewünschten Ausrichtungswinkel ausgeht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der adaptive Beamformer 26 dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einer relativen Bewegung zwischen dem Transducer und dem abzubildenden Objekt aktiviert (oder eingeschaltet) und deaktiviert (oder ausgeschaltet) zu werden. Der Steuerungsprozessor ist dazu eingerichtet, Befehlsdaten zum Aktivieren des adaptiven Beamformersystems zu senden, wenn die relative Bewegung kleiner als ein Schwellenwert ist. In ähnlicher Weise ist der Steuerungsprozessor dazu eingerichtet, das adaptive Beamformersystem zu deaktivieren, wenn die relative Bewegung größer als der Schwellenwert ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der adaptive Beamformer 26 dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von einem Kontaktzustand zwischen dem Transducer und dem abzubildenden Objekt aktiviert oder deaktiviert zu werden. Die Art und Weise, in der der adaptive Beamformer gesteuert wird, wird mit Bezug auf 2 genauer beschrieben.
In einer spezielleren Ausführungsform enthält der adaptive Beamformer einrichtbare Verbindungen zwischen den Beamformerkanälen und den Transducuerelementen, um verschiedene Transduceröffnungsgrößen bei jeder aktustischen Linienakquisition zu unterstützen. Das adaptive Beamformersystem ent hält eine erste Vielzahl von Verbindungen zwischen Beamformerkanälen und Transducerelementen und ist zum Unterstützen einer ersten Öffnungsgröße des Transducers während des aktivierten Zustandes eingerichtet. Die erste Öffnung ist für eine hohe räumliche Abtastungsdichte der Ultraschallwellenfronten eingerichtet.
Das adaptive Beamformersystem enthält weiterhin eine zweite Vielzahl von Verbindungen zwischen Beamformerkanälen und den Transducerelementen, die zum Unterstützen einer zweiten Öffnungsgröße während des deaktivierten Zustands des adaptiven Beamformersystems eingerichtet sind. Die zweite Öffnung ist für eine hohe Fokussierungsauflösung eingerichtet.
In einer Ausführungsform wird die erste Vielzahl von Verbindungen in einer 1,75D- oder 2D-Verbindungstopologie hergestellt. In einer anderen Ausführungsform wird die zweite Vielzahl von Verbindungen in einer 1D-Verbindungstopologie hergestellt. In einer alternativen Ausführungsform wird die zweite Vielzahl von Verbindungen in einer 1,5D-Verbindungstopologie hergestellt.
Weiter zu 1: Die Sendeparameter werden von dem adaptiven Beamformer 26 an den Sender 22 gesandt. Der Sender 22 verwendet die Sendeparameter, um die durch den T/R-Umschaltungsschaltkreis 20 an das Transducer-Array 18 zu sendenden Sendesignale in geeigneter Weise zeitlich zu verzögern. Die Sendesignale werden bei bestimmten Pegeln und Zeitverzögerungen im Bezug zueinander festgesetzt und an die einzelnen Transducerelemente des Transducers 18 geliefert. Die Sendesignale erregen die Transducerelemente zum Aussenden von Ultraschallwellen mit denselben Zeitverzögerungs- und Pegelverhältnissen. In Folge dessen wird ein gesendeter Strahl von Ultraschallenergie in einem Objekt in einer Aufnahmeebene entlang einer Aufnahmelinie gebildet, wenn der Transducer 18, z. B. durch Verwendung eines Ultraschallgels, akustisch mit dem Objekt gekoppelt ist. Der Vorgang ist als elektronisches Scannen bekannt.
Typischerweise ist der Transducer 18 ein Zweirichtungs-Transducer. Wenn Ultraschallwellen in ein Objekt ausgesandt werden, werden die Ultraschallwellen von dem Gewebe und den Blutgefäßen innerhalb der Struktur zurückgestreut. Der Transducer 18 empfängt die zurückgestreuten Wellen in Abhängigkeit von der Entfernung in dem Gewebe, aus der sie zurückkehren, und dem Winkel, unter dem sie zurückkehren, im Hinblick auf die Oberfläche des Transducerarrays 18 zu verschiedenen Zeiten. Die Transducerelemente wandeln die Ultraschallenergie von den zurückgestreuten Wellen in elektrische Signale um.
Die empfangenen elektrischen Signale werden durch den T/R-Umschaltungsschaltkreis 20 zu dem Empfänger 24 geleitet. Der Empfänger 24 verstärkt und digitalisiert die empfangenen Signale und stellt weitere Funktionen, wie z. B. eine Gain Compensation zur Verfügung. Die digitalisierten, empfangenen Signale entsprechen den zurückgestreuten Wellen, die von jedem Transducerelement zu verschiedenen Zeiten empfangen worden sind, und erhalten die Amplituden- und Zeitverzögerungsinformationen der zurückgestreuten Wellen.
Die digitalisierten empfangenen Signale werden an den adaptiven Beamformer 26 gesandt. Der Steuerungsprozessor 28 sendet Befehlsdaten an den adaptiven Beamformer 26. Der adaptive Beamformer 26 verwendet die Befehlsdaten zur Bil dung eines Empfangsstrahls, der von einem Punkt auf der Oberfläche des Transducers 18 unter einem Ausrichtungswinkel ausgeht, wobei der Punkt und der Ausrichtungswinkel typischerweise dem Punkt und dem Ausrichtungswinkel des vorhergehenden, entlang einer Aufnahmelinie ausgesandten Ultraschallstrahl entsprechen. Der adaptive Beamformer 26 arbeitet an geeigneten empfangenen Signalen durch Durchführen der Zeitverzögerung und Fokussierung gemäß den Anweisungen der Befehlsdaten von dem Steuerungsprozessor 28, um die empfangenen Strahlsignale zu erzeugen, die zu den Probevolumina entlang einer Aufnahmelinie in der Aufnahmeebene innerhalb des Objektes gehören. Die Amplituden und die Zeitverzögerungen der empfangenen Signale von den verschiedenen Transducerelementen werden zur Erzeugung der empfangenen Strahlsignale verwendet.
Folglich ist der adaptive Beamformer zum Anwenden einer Menge von Zeitverzögerungen auf die gesendeten und empfangenen Signale und auch zum Schätzen des relativen Ankunftszeitfehlers bei den Empfangssignalen eingerichtet, nachdem die Beamformerzeitverzögerungen angelegt worden sind. Zusätzlich ist der adaptive Beamformer zum Verändern der Sende- und Empfangs-Beamformerzeitverzögerungen und zur Benutzung der Ankunftszeitfehlerschätzungen für folgende Sendeereignisse eingerichtet. Ein unkorrigiertes Default-Bild wird erzeugt, wenn das adaptive Beamformersystem deaktiviert ist.
Die empfangenen Strahlsignale werden an das Verarbeitungsteilsystem 14 gesendet. Der Demodulator 30 demoduliert die empfangenen Strahlsignale, um Paare von demodulierten I- und Q-Datenwerten zu erzeugen, die zu Probevolumina innerhalb der Aufnahmeebene gehören.
Die demodulierten Daten werden zu dem Abbildungsmodusprozessor 32 übertragen. Der Abbildungsmodusprozessor 32 verwendet Parameterschätzverfahren zur Erzeugung von Abbildungsparameterwerten aus den demodulierten Daten in einem Aufnahmesequenzformat. Die Abbildungsparameter können Parameter enthalten, die zu verschiedenen möglichen Abbildungsmodi, wie z. B. dem B-Modus, Color Velocity-Modus, Spektral-Doppler-Modus und dem Gewebsdopplerbildgebungs- bzw. Tissue Velocity Imaging-Modus gehören. Die Abbildungsparameterwerte werden zu dem Scan Converter 34 weitergeleitet. Der Scan Converter verarbeitet die Parameterdaten durch die Durchführung einer Transformation aus dem Aufnahmesequenzformat in ein Anzeigeformat. Die Übertragung enthält die Durchführung von Interpolationsoperationen an den Parameterdaten, um Anzeigepixeldaten in dem Anzeigeformat zu erzeugen.
Die durch die Scan Conversion transformierten Pixeldaten werden an einen Anzeigeprozessor 36 gesendet, um eine abschließende räumliche oder zeitliche Filterung der durch die Scan Conversion transformierten Aufnahmepixeldaten durchzuführen, um den durch die Scan Conversion transformierten Aufnahmepixeldaten Graustufen oder Farben zuzuordnen und um die digitalen Pixeldaten zur Anzeige auf einem Monitor 38 in analoge Daten umzuwandeln. Die Schnittstelleneinheit 40 tritt gestützt auf die auf dem Monitor 38 angezeigten Daten mit dem Steuerungsprozessor 28 in Interaktion. Die Schnittstelleneinheit 40 ist weiterhin dazu eingerichtet, einem das Ultraschallsystem verwendenden Benutzer einen Indikator oder Anzeiger auf dem Monitor 38 über den Betriebszustand des adaptiven Beamformersystems zu liefern. Der Indikator zeigt dem Benutzer an, ob der adaptive Beamformer 26 aktiviert oder deaktiviert ist. Der dem Benutzer gezeigte Indikator enthält entweder ein sichtbares Zeichen oder ein hörbares Signal oder Kombinationen davon.
Wie oben beschrieben wird der adaptive Beamformer in Abhängigkeit von der relativen Bewegung zwischen dem Transducer und dem abzubildenden Objekt aktiviert oder deaktiviert. Eine Art der Bestimmung der relativen Bewegung des Transducers gegenüber dem abzubildenden Objekt besteht in der Beobachtung von Pixelwerten in der Sequenz von Bildern oder Image Frames des abzubildenden Objektes 18.
An jedem Ort des Bildes wird sich der Pixelwert allgemein in jedem Bild in Folge der relativen Bewegung ändern. Zum Beispiel kann sich das Bildmuster als eine Einheit entweder in der Range- oder Azimutalrichtung oder Kombination davon über die Pixel des Bildes hinwegbewegen. Die Verschiebung der Pixel in Azimutalrichtung tritt näherungsweise z. B. dann auf, wenn der Bediener den Transducer in derselben Ebene wie die Ultraschallaufnahme über die Haut bzw. Oberfläche des abzubildenden Objektes hinweg bewegt. In ähnlicher Weise kann die Verschiebung der Pixel in Rangerichtung näherungsweise z. B. dann auftreten, wenn die Atmung des abzubildenden Objektes seine oder ihre Scheidewand bzw. das Zwerchfell und mit ihr die Leber bewegt . Eine andere Veränderung tritt auf, wenn der Transducer rechtwinklig zu der Aufnahmeebene, d. h. in der Elevationsrichtung bewegt oder wenn der Transducer gedreht wird. In solchen Fällen werden sich die Pixelwerte nicht über das Bild hinweg verschieben, sondern sich stattdessen langsam ändern.
Wenn die Bewegung jedoch, verglichen mit der akustischen Bildrate, relativ langsam ist, wird in jedem der oben genannten Fälle der Wert eines gegebenen Pixels dazu neigen, sich zwischen den Bildern langsam zu verändern, d. h. er wird korreliert sein. Das zu einem gegebenen Pixel beitragende, abzubildende Objekt liegt innerhalb eines Volumens, das in einer festen Lage relativ zu dem Transducer angeordnet ist. Das Volumen hat Ausmaße, die etwa gleich der azimutalen Strahlweite, der Elevations-Strahlweite und der Pulslänge sind. Wenn sich der Transducer bewegt, bewegt sich bei jedem Bild ein Teilbereich des abzubildenden Objektes in das Volumen hinein, und ein anderer Teilbereich des abzubildenden Objektes bewegt sich aus dem Volumen heraus. Wenn sich der Transducer langsam bewegt, wird bei jedem folgendem Bild ein kleiner Bruchteil des Volumens verschieden sein, so dass die Änderung eines Pixelwert bei jedem folgenden Bild gering sein wird. Je schneller sich der Transducer bewegt, desto größer wird der Anteil des abzubildenden Objektes, der in dem Volumen ersetzt worden ist, und desto stärker wird sich der Wert eines gegebenen Pixels im Durchschnitt ändern bis zu dem Punkt, an dem bei jedem Bild das gesamte abzubildende Objekt in dem Volumen ausgetauscht wird. In diesem Falle werden die Pixelwerte in benachbarten Bildern unkorreliert sein. Bei einer Verschiebung in der Azimutalrichtung von etwa einer azimutalen Strahlweite pro Bild werden die Pixelwerte in benachbarten Bildern unkorreliert sein. In ähnlicher Weise werden bei einer Verschiebung in der Elevationsrichtung von etwa einer Elevations-Strahlweite pro akustischem Bild oder bei einer Verschiebung in der Rangerichtung von etwa einer Pulsweite pro Bild die Pixelwerte unkorreliert sein.
Die Art und Weise, auf die die Messung der relativen Bewegung geschätzt wird, wird unten genauer mit Bezug auf 2 beschrieben. 2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren darstellt, durch das der adaptive Beamformer 26 in dem Ultraschallsystem 10 gesteuert wird. Jeder Schritt wird unten genauer beschrieben.
In dem Schritt 52 wird eine Vielzahl von Bildern des abzubildenden Objektes erzeugt. Das Bild enthält eine Vielzahl von Pixeln, und jedes Pixel weist einen zugehörigen Pixelwert auf.
In Schritt 54 tritt eine relative Bewegung zwischen dem Transducer und dem abzubildenden Objekt auf, und es wird eine zugehörige Verschiebung in dem Bild bestimmt. In einer Ausführungsform wird die Verschiebung durch einen Vergleich des Pixelwertes von wenigstens einem Pixel in einem ersten Bild und des Pixelwerts des einen Pixels in wenigstens einem folgenden Bild bestimmt. In einer speziellen Ausführungsform sind das erste Bild und das folgende Bild benachbart.
In dem Schritt 56 wird die Verschiebung durch die Berechnung einer Summe aus Absolutbeträgen von Differenz bestimmt. Die summierte absolute Differenz (SAD) enthält die Summe des Absolutbetrags einer Differenz der Pixelwerte von wenigstens einem Pixel aus einem Paar von aufeinanderfolgenden Bildern. In einer weiteren Ausführungsform wird die summierte absolute Differenz normiert, so dass der SAD-Wert zwischen Null und näherungsweise Eins liegt.
In dem Schritt 58 wird die geschätzte relative Bewegung mit einem Schwellenwert verglichen. Wenn die relative Bewegung kleiner als der Schwellenwert ist, wird das adaptive Beamformersystem aktiviert, wie es in Schritt 60 gezeigt ist. Wenn die relative Bewegung größer als der Schwellenwert ist, wird das adaptive Beamformersystem deaktiviert, wie es in Schritt 62 gezeigt ist.
Unter Bezug auf Schritt 56 aus 2 ist der summierte absolute Differenzwert eine Summe (über einer Menge von Pixelorten) der Absolutbeträge der Differenzen der Pixelwerte in aufeinanderfolgenden Bildern. Der SAD-Wert wird nach der folgenden Gleichung berechnet:
In der oben angegebenen Gleichung ist S_j der SAD-Wert für das j-te Bild, p_j[i] der i-te Pixelwert in dem j-ten Bild und p_j–1 [i] der i-te Pixelwert in dem (j–1)-ten Bild, und die Summe wird über einer Menge von N Pixelwerten in dem Bild gebildet.
Gemäß der obigen Erörterung wird der durch Gleichung 1 definierte SAD-Wert dazu neigen, klein zu sein, wenn die Bildverschiebung klein ist, und er wird dazu neigen, größer zu werden, sobald die Bildverschiebung größer wird. Der Anstieg des SAD-Wertes mit zunehmender Bildverschiebung setzt sich so lange fort, bis die Verschiebung so groß ist, dass die Pixelwerte in aufeinanderfolgenden Bilder unkorreliert sind. Die Verschiebung, bei der der SAD-Wert in die Sättigung gerät, ist etwa gleich dem zugehörigen Ausmaß des Auflösungsvolumens. Auf diese Weise ist eine obere Grenze für die relative Bewegung gegeben, die unter Verwendung der Gleichung 1 erkannt werden kann. In vielen Fällen ist die Obergrenze niedriger als erwünscht.
Die Verschiebung, bei der der SAD-Wert in die Sättigung gerät, kann durch eine Tiefpassfilterung der Pixelwerte in jedem Bild erhöht werden. Die Filterung führt zu einem Anstieg der Korrelationslänge der Pixelwerte innerhalb jedes Bildes und vergrößert dadurch die relative Verschiebung, bei der der SAD-Wert in die Sättigung gerät. Eine Art der Filterung des Bildes ist die Bildung eines „Blockmittelwertes" der Pixel in dem Bild. Wie in dem Block 68 in 4 gezeigt werden die Pixelwerte in jedem Block summiert. Die Menge der summierten Pixelwerte wird als eine neue, kleinere Menge von Pixelwerten für die Berechnung des SAD-Wertes verwendet. Der gefilterte SAD-Wert wird bei einer Verschiebung in Sättigung geraten, die etwa gleich der Blocklänge ist, die wesentlich größer als die Abmessungen des Pixelvolumens gemacht werden kann. Auf diese Weise wird die relative Bewegung, bei der der SAD-Wert in die Sättigung gerät, durch Verwendung einer Tiefpassfilterung vergrößert.
In einer Ausführungsform kann die relative Bewegung unter Verwendung eines SAD-Wertes geschätzt werden, der für Paare von aufeinanderfolgenden Bildern berechnet wird. Ein Bereich des Bildes wird in NBlock einander nicht überlappende Blöcke unterteilt, wobei jeder Block M Pixel enthält. 4 stellt ein Beispielbild 66 dar, das 16 einander nicht überlappende Blöcke ausweist, die jeweils 9 Pixel enthalten. Zum Beispiel enthält der Block 68 die Pixel 70–78.
Die M Pixelwerte P in jedem Block werden summiert, um NBlock Blocksummen B_i zu bilden:
Aus der Gleichung (2) kann der normierte, blockgemittelte SAD-Wert für das k-te Bild berechnet werden, wie es in der folgenden Gleichung gezeigt ist:
wobei B_i ^(k) die i-te Blocksumme für das Bild k, B_i ^(k–1) die i-te Blocksumme für das Bild k–1 und σ^(k) die Standardabweichung der Blocksummen für das Bild k ist.
Die Standardabweichung der Blocksummen ist durch die folgende Gleichung definiert:
Die Normierung durch die Standardabweichung, wie sie in den Gleichungen 3 und 4 gezeigt ist, lässt den SAD-Wert für unkorrelierte Bilder ungefähr zu Eins werden. Es kann erkannt werden, dass der SAD-Wert Null beträgt, wenn das Paar der Bilder identisch ist, und dass der SAD-Wert nicht negativ ist.
Als ein Beispiel betrachtet man ein Paar von Bildern, die durch Verschiebung eines einzigen Bildes im Bezug auf ein festes Gitter von Abtastpunkten gebildet wird. Der SAD-Wert für das Paar wird über Null ansteigen, sobald die Verschiebung über Null ansteigt. Für eine Verschiebung von etwa der Längenausdehnungen der Blockgröße und für jede größere Verschiebung wird der SAD-Wert im Durchschnitt etwa Eins betragen. Der SAD-Wert ist folglich eine Schätzung für die Verschiebung zwischen einem Paar von Bildern für Verschiebungen bis zu etwa der Größe des ausgewählten Blockes.
Ein Schwellenwert kann festgelegt werden, um zwei Klas sen der relativen Bewegung zwischen dem Transducer und dem abzubildenden Objekt zu unterscheiden. Ein erstes Maß bzw. ein erster Messwertbereich der Bewegung wird als ein Zustand definiert, in dem der SAD-Wert unter dem Schwellenwert liegt. In einer Ausführungsform enthält der erste Messwertbereich der Bewegung einen Langsambewegungszustand. Ein zweiter Messwertbereich der Bewegung wird als ein Zustand definiert, in dem der SAD-Wert oberhalb des Schwellenwertes liegt. In einer Ausführungsform enthält ein zweiter Messwertbereich der Bewegung einen Schnellbewegungszustand. In einer Ausführungsform kann der Schwellenwert so festgelegt sein, dass er etwa 1/2 beträgt, und die Ausdehnungen des Blockes (in Azimutal- und Rangerichtung) können zur Skalierung oder Zuordnung des Schwellenwertes zu einer gewünschten relativen Bewegung gewählt werden.
3 zeigt einen Graph, der für jedes Bild die SAD-Werte darstellt. Die X-Achse stellt die Bilder dar, und die Y-Achse stellt den SAD-Wert dar. Der Schwellenwert wird durch das Bezugszeichen 64 dargestellt. Wenn die relative Bewegung in einem Schnellbewegungszustand ist, d. h. wenn der SAD-Wert größer als der Schwellenwert ist, wird der adaptive Beamformer deaktiviert. In ähnlicher Weise wird der adaptive Beamformer aktiviert, wenn die relative Bewegung in einem Langsambewegungszustand ist, d. h. der SAD-Wert kleiner als der Schwellenwert ist.
Eine Hysterese kann verwendet werden, um ein schnelles Umschalten des Systems aus dem Schnellbewegungszustand in den Langsambewegungszustand und zurück zu verhindern. z. B. wird der Übergang von dem Schnellbewegungszustand in den Langsambewegungszustand nur vorgenommen, wenn der SAD-Wert für wenigstens A aufeinanderfolgende Bilder unter den Schwellenwert absinkt, wobei A eine geeignet gewählte, kleine natürliche Zahl ist. In ähnlicher Weise wird der Übergang aus dem Langsambewegungszustand in den Schnellbewegungszustand nur vorgenommen, wenn der SAD-Wert für wenigstens B aufeinanderfolgende Bilder über den Schwellenwert ansteigt, wobei B eine geeignet gewählte, kleine natürliche Zahl ist, die nicht notwendigerweise gleich A ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird der adaptive Beamformer in Abhängigkeit von einem Berührungs- oder Kontaktzustand zwischen dem Transducer und dem abzubildenden Objekt aktiviert und deaktiviert. Die Pixelwerte in der Sequenz von Bildern können verwendet werden, um abzuschätzen, ob der Transducer mit dem abzubildenden Objekt in Kontakt ist oder nicht. Wenn der Transducer mit dem abzubildenden Objekt in Kontakt ist, wird dies als der berührende Zustand bezeichnet. Wenn der Transducer mit dem abzubildenden Objekt nicht in Kontakt ist, wird dies als der nicht berührende Zustand bezeichnet.
Der Kontaktzustand kann in Abhängigkeit von der Beobachtung des Bildes durch das Ultraschallsystem bestimmt werden. Das Bild ist typischerweise dunkler, wenn der Transducer mit dem abzubildenden Objekt nicht in Kontakt ist, als wenn er in Kontakt ist und Signale empfängt. Durch Berechnen des durchschnittlichen Pixelwertes über einen Bereich des Bildes und Vergleichen des durchschnittlichen Pixelwertes mit einem Kontaktschwellenwert, wird der Kontaktzustand bestimmt.
Die Bestimmung des Kontaktzustandes kann durch Einführen einer Hysterese zuverlässiger bzw. unempfindlicher gegenüber kleinen, zufälligen Änderungen der Durchschnitts werte gemacht werden. Der Übergang von einem Zustand in den anderen, z. B. von dem berührenden in den nicht berührenden Zustand, wird nur dann vorgenommen, wenn der durchschnittliche Pixelwert für wenigstens X aufeinanderfolgende Bilder unter einen Kontaktschwellenwert absinkt, wobei X eine geeignet gewählte, kleine natürliche Zahl ist. In ähnlicher Weise wird der Übergang von dem nicht berührenden in den berührenden Zustand nur dann vorgenommen, wenn der Durchschnittspixelwert für eine Anzahl von wenigstens Y aufeinanderfolgenden Bildern über den Kontaktschwellenwert ansteigt, wobei Y eine geeignet gewählte, kleine natürliche Zahl ist, die nicht notwendigerweise gleich X ist.
Wie oben beschreiben wird der adaptive Beamformer aktiviert, wenn das Ultraschallsystem in einem berührenden Zustand und einem Langsambewegungszustand ist. In allen anderen Fällen wird der adaptive Beamformer deaktiviert.
Ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines Ultraschallsystems 10 werden geschaffen. Das Verfahren enthält das Schätzen einer relativen Bewegung zwischen einem Array aus Transducerelementen 18 und einem abzubildenden Objekt 16 und das Steuern eines adaptiven Beamformersystems 26 in Abhängigkeit von einer Schätzung der relativen Bewegung.
Während hierin nur bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, werden Fachleuten zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen einfallen. Es sollte daher verstanden werden, dass es beabsichtigt ist, alle solche Modifikationen und Abwandlungen zu umfassen, die innerhalb des wahren Geistes der Erfindung liege, wie er durch die beigefügten Ansprüche bestimmt ist.

10: Ultraschallsystem
12: Akquisitionsteilsystem
14: Verarbeitungsteilsystem
16: Objekt
18: Transducerarray
20: Sende/Empfangs-Umschaltungsschaltkreis
22: Sender
24: Empfänger
26: Beamformer
28: Steuerungsprozessor
30: Demodulator
32: Abbildungsmodusprozessor
34: Scan Converter
36: Anzeigeprozessor
38: Monitor
40: Schnittstelleneinheit
42: Verbindungsteilsystem
44: Webserver
46: Verbindungsschnittstelle
48: Datenspeicher
50: Bildworkstation
52: Schritt
54: Schritt
56: Schritt
58: Schritt
60: Schritt
62: Schritt
64: Schwellenwert
66: Bild
68: Block
70–78: Pixel

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Ultraschallsystems (10), wobei das Verfahren aufweist: Schätzen einer relativen Bewegung zwischen einem Array von Transducerelementen (18) und einem abzubildenden Objekt (16) und Steuern eines adaptiven Beamformersystems (26) in Abhängigkeit von einer Schätzung der relativen Bewegung, wobei der Schritt des Steuerns enthält: Deaktivieren des adaptiven Beamformersystems, wenn die relative Bewegung gleich oder größer als ein Schwellenwert ist, und Aktivieren des adaptiven Beamformersystems, wenn die relative Bewegung kleiner als der Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin aufweist: Erfassen eines Kontaktzustandes zwischen dem Transducerarray und dem abzubildenden Objekt und Steuern des adaptiven Beamformersystems in Abhängigkeit von dem Kontaktzustand, wobei der Schritt des Steuerns das Deaktivieren des adaptiven Beamformersystems, wenn das Transducerarray mit dem abzubildenden Objekt nicht in Kontakt ist, und das Aktivieren des adaptiven Beamformersystems enthält, wenn das Transducerarray mit dem abzubildenden Objekt in Kontakt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin das Liefern eines Indikators für einen Betriebszustand des adaptiven Beamformersystems an einen Benutzer, der das Ultraschallsystem benutzt, enthält, wobei der Indikator dem Benutzer als sichtbare Markierung, hörbares Zeichen oder Kombinationen davon präsentiert wird, wobei der Betriebszustand des adaptiven Beamformersystems deaktiviert und aktiviert enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Schätzens enthält: Erzeugen einer Vielzahl von Bilder (66) des abzubildenden Objektes, wobei das Bild eine Vielzahl von Pixeln (70) enthält und jedes Pixel einen zugehörigen Pixelwert aufweist, Bestimmen einer Verschiebung in dem Bild, wobei die Verschiebung durch Vergleich des Pixelwertes von wenigstens einem Pixel in einem ersten Bild und dem Pixelwert des einen Pixels in wenigstens einem folgenden Bild bestimmt wird, wobei die Bestimmung einer Verschiebung das Berechnen einer summierten absoluten Differenz enthält, wobei die summierte absolute Differenz die Summe der Absolutbeträge von Differenzen der Pixelwerte von wenigstens einem Pixel aus einem Paar von Bildern enthält, wobei das Berechnen der summierten absoluten Differenz weiterhin das Normieren der summierten absoluten Differenz enthält, so dass der Wert zwischen Null und Eins liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Steuerns die Verwendung einer Hysterese bei Übergängen zwischen einem ersten Messwertbereich der Bewegung und einem zweiten Messwertbereich der Bewegung enthält.
Automatisch gesteuertes Ultraschallsystem, das aufweist: ein adaptives Beamformersystem, das zur Erzeugung des Ultraschallstrahls eingerichtet ist, und ein Array von Transducerelementen, die mit dem adaptiven Beamformersystem gekoppelt und zum Aussenden eines Ultraschallstrahls zu einem abzubildenden Objekt und zum Empfangen von reflektierten Signalen von dem abzubildenden Objekt eingerichtet sind, ein Verarbeitungssystem, dass dazu eingerichtet ist, eine relative Bewegung zwischen dem Transducerarray und einem abzubildenden Objekt, zu schätzen und das adaptive Beamformersystem in Abhängigkeit von der relativen Bewegung zu steuern, wobei der Schritt des Steuerns das Deaktivieren des adaptiven Beamformersystems, wenn die relative Bewegung gleich oder größer als ein Schwellenwert ist, und das Aktivieren des adaptiven Beamformersystems enthält, wenn die relative Bewegung kleiner als der Schwellenwert ist, und eine Schnittstelleneinheit die mit dem Verarbeitungssystem gekoppelt und dazu eingerichtet ist, einen Indikator für einen Betriebszustand des adaptiven Beamfor mersystems an einen Benutzer zu liefern, der das Ultraschallsystem benutzt.
Ultraschallsystem nach Anspruch 6, bei dem das Verarbeitungssystem weiterhin dazu eingerichtet ist, einen Kontaktzustand zwischen dem Transducerelement und dem abzubildenden Objekt zu bestimmen, das Beamformersystem zu deaktivieren, wenn der Transducer mit dem abzubildenden Objekt nicht in Kontakt ist, und das adaptive Beamformersystem zu aktivieren, wenn der Transducer mit dem abzubildenden Objekt in Kontakt ist.
Ein System zum automatische Aktivieren und Deaktivieren eines adaptiven Beamformersystems, das zur Verwendung in einem Ultraschallsystem eingerichtet ist, wobei das System aufweist: Mittel zum Schätzen einer relativen Bewegung zwischen einem Array von Transducerelementen und einem abzubildenden Objekt und Mittel zum Steuern des adaptiven Beamformersystems in Abhängigkeit von einer Schätzung der relativen Bewegung.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Mittel zum Steuern umfassen: Mittel zum Deaktivieren des adaptiven Beamformersys tems, wenn die relative Bewegung größer als oder gleich einem Schwellenwert ist, und Mittel zum Aktivieren des adaptiven Beamformersystems, wenn die relative Bewegung kleiner als der Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, das weiterhin aufweist: Mittel zum Feststellen eines Kontaktzustandes zwischen dem Transducerelement und dem abzubildenden Objekt und Mittel zum Steuern des adaptiven Beamformersystems in Abhängigkeit von dem Kontaktzustand.