DE102006027992A1

DE102006027992A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Echtzeit-Bewegungskorrektur für Spatial-Compound-Ultraschallbildgebung

Info

Publication number: DE102006027992A1
Application number: DE102006027992A
Authority: DE
Inventors: Feng Waukesha Lin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2006-12-21
Also published as: JP2006346459A; US20070014445A1; US8068647B2

Abstract

Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben ein Verfahren (500) und ein System (300) zur Echtzeit-Bewegungskorrektur in einer Compound-Ultraschallbildgebung. Bestimmte Ausführungsformen enthalten einen Empfang eines Bildframes (510), eine Schätzung einer Bewegung zwischen dem Bildframe und einem vorhergehenden Bildframe (525), eine Aktualisierung eines vorhergehenden Bewegungsschätzwertes mit Hilfe der geschätzten Bewegung, um einen aktualisierten Bewegungsschätzwert (530) zu erzeugen, und eine Korrektur des Bildframes und des vorhergehenden Bildframes unter Verwendung des aktualisierten Bewegungsschätzwertes (535). Das Verfahren kann ferner eine Erzeugung eines Compound-Bildes aus den Bildframes enthalten (540). In einer Ausführungsform kann eine Bewegung zwischen dem Bildframe und einem vorhergehenden Bildframe beispielsweise unter Verwendung einer Kreuzkorrelation, einer Referenzpunktregistrierung und/oder anderer Schätzverfahren geschätzt werden. Der Bildframe und der vorhergehende Bildframe können korrigiert werden, indem der aktualisierte Bewegungsschätzwert beispielsweise in einer Affintransformation oder einem anderen Korrekturverfahren verwendet wird. In einer Ausführungsform erzielt das Verfahren (500) eine Korrektur in Echtzeit, während Bildframes empfangen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Ultraschallbildgebung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Echtzeit-Bewegungskorrektur für Spatial-Compound-Ultraschallbildgebung, also die Zusammensetzung eines Bildes aus durch unterschiedliche Anschallwinkel erzeugten Einzelbildern.

Ultraschall ist ein Schall mit einer Frequenz, die höher ist als die, die eine normale Person hören kann. Ultraschallbildgebung verwendet Ultraschallwellen oder -schwingungen in dem Frequenzspektrum oberhalb eines normalen menschlichen Wahrnehmungsvermögens, beispielsweise in dem Bereich von 2,5-10 MHz. Ultraschallbildgebungssysteme senden einen Ultraschall in ein Objekt, beispielsweise einen Patienten, in Form kurzer Impulsstöße oder Bursts aus. Von dem Objekt werden Echos zu dem System zurück reflektiert. Aus den Echos können diagnostische Bilder erzeugt werden. Ultraschallbildgebungstechniken sind denjenigen ähnlich, die in einem Sonar und Radar verwendet werden.

Ein medizinisches Ultraschallsystem erzeugt ein Bild durch eine sequentielle Akquisition von Echosignalen von Ultraschallstrahlen, die zu einem gerade abgebildeten Objekt ausgesandt werden. Ein einzelner Strahl wird gebildet, in dem ein fokussierter Impuls ausgesandt und die Echosignale über einem kontinuierlichen Tiefenbereich empfangen werden. Eine Amplitude eines Echosignals nimmt aufgrund ei ner erhöhten Signalabschwächung durch einwirkende Strukturen, beispielsweise einwirkende Gewebestrukturen, für Signalreflektoren, die tiefer in dem Objekt angeordnet sind, deutlich ab. Deshalb verringert sich das Signal-Rausch-Verhältnis, weil beispielsweise durch die Signalverstärker des Ultraschallsystems erzeugtes Rauschen beispielsweise nicht auf beliebige niedrige Niveaus reduziert werden kann.

Die Erzeugung des bestmöglichen Bildes zu jeder Zeit für unterschiedliche Anatomien und Patiententypen ist für diagnostische Bildgebungssysteme von großer Bedeutung. Eine schlechte Bildqualität kann eine verlässliche Analyse des Bildes verhindern. Beispielsweise kann eine Verringerung der Bildkontrastqualität ein unzuverlässiges Bild ergeben, das für klinische Zwecke nicht verwendbar ist. Außerdem hat das Aufkommen von Echtzeit-Bildgebungssystemen die Wichtigkeit der Erzeugung deutlicher, klarer, hochqualitativer Bilder gesteigert.

Der B-Mode oder „Helligkeits"-Modus ist eine übliche Darstellungsform für ein Ultraschallbild. Gegenwärtig feuern Wandler von B-Mode-Ultraschallbildgebungssystemen einen schmalen Ultraschallstrahl oder -vektor in einer einzelnen Richtung ab. Das Wandlerarray wartet anschließend ab, um nach sämtlichen Echos zu hören bzw. sämtliche Echos zu empfangen, die von Reflektoren entlang derselben geraden Linie zurückkehren. Die Stärke der rücklaufenden Echos wird dazu verwendet, einen Reflektionsgrad bzw. ein Reflektionsvermögen eines Objektes darzustellen. Ein Reflektionsgrad bzw. Reflektionsvermögen eines Objektes, beispielsweise einer Anatomie eines Patienten, wird gewöhnlich unter Verwendung einer Entfernungsgleichung berechnet. Die Entfernungsgleichung legt fest, dass die Zeit gleich dem Hin- und Rück laufweg des Signals dividiert durch die Geschwindigkeit des Schalls in einem Objektmedium ist. Gegenwärtige Ultraschallsysteme verwenden eine Empfangsstrahlformung zur Rekonstruktion eines abgebildeten Objektes. Dies bedeutet, dass ein Ultraschallsystem nach Echosignalen unter Verwendung eines Empfängers „horcht", der anschließend zur Strahlrekonstruktion und zur Strahlrichtungsbestimmung verwendet wird. Das Schema der Abfeuerung bzw. Pulsung eines Ultraschallstrahls und des Horchens nach bzw. Empfangs von reflektierten Echos wird sequentiell in einer Anzahl von Richtungen wiederholt, um einen zweidimensionalen Abschnitt in einem Objektraum, beispielsweise einem anatomischen Raum, aufzuspannen. Das Ultraschallsystem zeichnet jede Linie, die aus den reflektierten Echosignalen bestimmt wird, mit einem Helligkeitspegel auf, der einer Signalstärke des Rücklaufechos entspricht. Ein kompletter Satz von Vektoren, die einen Abschnitt eines Raums überstreichen, bildet einen B-Mode-Frame. Der Rekonstruktionsprozess wird wiederholt, um aufeinander folgend Frames aufzuzeichnen und eine standardgemäße B-Mode-Anzeige in Echtzeit zu erzielen.

„Spatial Compounding" (Räumliche Zusammensetzung) ist zu einem fortschrittlichen und bedeutenden diagnostischen Werkzeug in einer weiten Vielfalt von Anwendungen bei der Ultraschallbildgebung geworden. Beim Spatial-Compounding wird ein Ziel von mehreren Anschall- oder Abstrahlwinkeln aus mit einem Schall oder sonstigen derartigen Wellen gescannt. Mehrere empfangene Bilder werden anschließend kombiniert oder gemittelt, um ein einzelnes Bild zu erzeugen. Ein zusammengesetztes Bild oder Compound-Bild zeigt gewöhnlich weniger als Speckle bezeichnete Sprenkel oder Tupfen oder Bildstörungen, die durch Rückstreuung eingebracht werden und die die Bildauflösung verschlechtern. Ein zusammen gesetztes Bild kann ferner im Vergleich zu herkömmlichen Ultraschallbildern unter einem einzelnen Winkel eine bessere Abgrenzung oder Darstellung eines Lichtreflektors ergeben. In einigen Ultraschallapparaten ist ein Mehrwinkel-Spatial-Compoundultraschall an unterschiedlichen Arten von Wandlern, beispielsweise einem eindimensionalen linearen Array und einem eindimensionalen gekrümmten linearen Array, implementiert worden.

Spatial-Compound-Bildgebung verbessert die Kontrastauflösung durch Reduktion von Specklen und durch Verstärkung von Gewebegrenzen. Jedoch ist ein Spatial-Compound-Bild durch eine Summation einer Reihe von Frames gebildet, die zu unterschiedlichen Zeiten gewonnen werden. Demgemäß ist Spatial-Compoundultraschall auf Bewegung, beispielsweise Gewebe- oder Sondenbewegung, anfällig. Außerdem führt eine Bilderzeugung mit einem erweiterten Sichtfeld (Field of View) zu Unschärfe oder Artefakten, die von einer normalen Bewegung herrühren. Deshalb ist ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Reduktion oder Beseitigung von Bewegungseffekten, beispielsweise Unschärfe, in einem Spatial-Compoundbild höchst erwünscht.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben ein Verfahren und ein System zur Echtzeit-Bewegungskorrektur bei einer Compound-Ultraschallbildgebung. Bestimmte Ausführungsformen ergeben ein Verfahren, das einen Empfang eines Bildframes, eine Schätzung der Bewegung zwischen dem Bildframe und einem vorhergehenden Bildframe, eine Aktualisierung eines vorhergehenden Bewegungsschätzwertes mit der geschätzten Bewegung zur Bildung eines aktu alisierten Bewegungsschätzwertes und eine Korrektur eines oder mehrerer vorhergehenden Bildframes unter Verwendung des aktualisierten Bewegungsschätzwertes. Das Verfahren kann ferner die Erzeugung eines Compoundbildes aus den Bildframes enthalten.

In einer Ausführungsform kann eine Bewegung zwischen dem Bildframe und einem vorhergehenden Frame beispielsweise unter Verwendung einer Kreuzkorrelation, einer Referenzpunktregistrierung und/oder eines sonstigen Schätzverfahrens geschätzt bzw. bestimmt werden. Der Bildframe und der vorhergehende Bildframe können korrigiert werden, indem der aktualisierte Bewegungsschätzwert beispielsweise in einer Affintransformation oder einem sonstigen Korrekturverfahren verwendet wird. In einer Ausführungsform erzielt das Verfahren eine Echtzeit-Korrektur, wenn Bildframes empfangen werden.

Bestimmte Ausführungsformen ergeben ein Verfahren zur verbesserten Compound-Ultraschallbildgebung. Das Verfahren enthält, dass ein Bildframe empfangen wird, eine Bewegung zwischen dem Bildframe und einem vorhergehenden Bildframe geschätzt bzw. berechnet wird, das Bildframe und das vorhergehende Bildframe unter Verwendung des Bewegungsschätzwertes korrigiert werden und ein Compound-Bild aus den Bildframes erzeugt wird. Das Verfahren kann ferner eine Aktualisierung eines vorhergehenden Bewegungsschätzwertes mit Hilfe des Bewegungsschätzwertes zur Erzeugung eines aktualisierten Bewegungsschätzwertes enthalten. In einer Ausführungsform kann eine Bewegung zwischen dem Bildframe und einem vorhergehenden Bildframe geschätzt werden, indem beispielsweise wenigstens entweder eine Kreuzkorrelation und/oder eine Referenzpunktregistrierung verwendet wird. In einer Ausführungsform können der Bildframe und der vorhergehende Bildframe unter Verwendung des Bewegungsschätzwertes beispielsweise in einer Affintransformation korrigiert werden.

Bestimmte Ausführungsformen ergeben bzw. betreffen ein Computer lesbares Medium, das einen Satz von Anweisungen zur Ausführung auf einem Computer bzw. Rechner enthält. Der Satz von Anweisungen enthält eine Bewegungsschätzroutine, die konfiguriert ist, um eine Bewegung zwischen einem neuen Frame und einem vorhergehenden Frame in einem Compound-Bildsatz zu schätzen, eine Bewegungskorrekturroutine, die konfiguriert ist, um Frames in dem Compound-Bildsatz auf der Basis der geschätzten Bewegung zu korrigieren, und eine Bild-Compounding- bzw. Bild-Zusammensetzungs-Routine, die konfiguriert ist, um Frames in dem Compound-Bildsatz miteinander zu kombinieren, um ein Compound-Bild zu erzeugen. Der Satz von Instruktionen kann ferner eine Anzeigeroutine zur Darstellung beispielsweise eines Spatial-Compound-Bildes enthalten.

In einer Ausführungsform passt die Bewegungskorrekturroutine basierend auf der geschätzten Bewegung alte Frames an den neuen Frame an bzw. richtet diese an den neuen Frame aus. In einer Ausführungsform aktualisiert die Bewegungsschätzroutine eine früher geschätzte Bewegung mit der geschätzten Bewegung, um einen aktualisierten Bewegungsschätzwert zu erzeugen. In einer Ausführungsform wählt die Bewegungsschätzroutine den vorhergehenden Frame beispielsweise aus wenigstens entweder einem zeitlich benachbarten Frame, einem räumlich benachbarten Frame, einem letzten Frame unter dem gleichen Winkel und/oder einem zuletzt zusammengesetzten Bild aus.

Bestimmte Ausführungsformen ergeben bzw. betreffen ein System zur Spatial-Compound-Ultraschallbildgebung. Das System enthält einen Framepuffer, der in der Lage ist, mehrere Frames zur Bildung eines Compound-Ultraschallbildes zu speichern, einen Speicher, der in der Lage ist, Daten, einschließlich eines Bewegungsschätzwertes, zu speichern, und einen Prozessor, der konfiguriert ist, um eine Bewegung zwischen einem neuen Frame und einem vorhergehenden Frame aus dem Framepuffer zu schätzen bzw. zu berechnen. Der Prozessor ist in der Lage, Frames in dem Framepuffer auf der Basis der geschätzten Bewegung zu korrigieren. Der Prozessor kombiniert Frames in dem Framepuffer zur Bildung eines Spatial-Compound-Bildes bzw. räumlich zusammengesetzten Bildes.

In einer Ausführungsform ersetzt der neue Frame beispielsweise einen ältesten Frame in dem Framepuffer. Der Prozessor kann Frames in dem Framepuffer aufsummieren, um das Spatial-Compound-Bild zu erzeugen. Der Prozessor kann den vorhergehenden Frame beispielsweise aus wenigstens einem der folgenden Frames auswählen: einem zeitlich benachbarten Frame, einem räumlich benachbarten Frame, einem letzten Frame unter dem gleichen Winkel und einem zuletzt zusammengesetzten Bild. In einer Ausführungsform modelliert der Prozessor die geschätzte Bewegung beispielsweise entweder als steif, als affin und/oder als elastisch. Der Prozessor kann ferner ein räumlich variantes Shadingverfahren auf Framedaten in dem Framepuffer anwenden.

KURZE BESCHREIBUNG MEHRERER ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines Ultraschallbildgebungssystems, das entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Ultraschallbildgebung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 veranschaulicht ein verbessertes Spatial-Compound-System, das entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
4 zeigt eine zeitliche Sequenz von Frames, die entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
5 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur verbesserten Compound-Bildgebung mit Bewegungskorrektur, das entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Die vorstehende Kurzbeschreibung, sowie die folgende detaillierte Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden. Für die Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung sind in den Zeichnungen bestimmte Ausführungsformen veranschaulicht. Es sollte jedoch verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Anordnungen, Einrichtungen und Mittel, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, beschränkt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines Ultraschallbildgebungssystems 5, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das System 5 enthält einen Wandler 10, einen Vorrechner bzw. ein Front-End 20, einen Bildgebungsmodusprozessor 30, eine Benutzerschnittstelle 60, einen Steuerungsprozessor 50 und eine Anzeige bzw. ein Display 75. Der Bildgebungsprozessor 30 und der Steuerungsprozessor 50 können beispielsweise Teil eines Nachrechner- bzw. Back-End-Systems sein. Der Wandler 10 wird dazu verwendet, Ultraschallwellen in ein Objekt auszusenden, indem er elektrische analoge Signale in Ultraschallenergie umwandelt. Der Wandler 10 kann ferner dazu verwendet werden, Ultraschallwellen, die von dem Objekt rückgestreut werden, zu empfangen, indem er Ultraschallenergie in analoge elektrische Signale umwandelt. Das Front-End-Subsystem 20, einschließlich eines Empfängers, eines Senders und eines Strahlformers, wird dazu verwendet, ausgesandte Wellenformen, Strahlmuster, Empfänger-Filtertechniken und Demodulationsschemen zu erzeugen, die für verschiedene Bildgebungsmodi verwendet werden. Das Front-End 20 wandelt digitale Daten in analoge Daten und umgekehrt um. Das Front-End 20 ist mit dem Wandler 10 über eine analoge Schnittstelle 15 verbunden. Das Front-End 20 ist mit dem Bildgebungsmodusprozessor 30 und dem Steuerungsprozessor 50 über einen digitalen Bus 70 verbunden. Der digitale Bus 70 kann mehrere digitale Teilbusse enthalten. Die digitalen Teilbusse können gesonderte Konfigurationen aufweisen und digitale Datenschnittstellen für verschiedene Teile des Ultraschallbildgebungssystems 5 bereitstellen.
Der Bildgebungsmodusprozessor 30 sorgt für eine Amplitudendetektion und Datenkompression für einen Bildgebungsmodus, beispielsweise eine B-Mode-Bildgebung, M-Mode-Bildgebung, BM-Mode-Bildgebung, harmonische Bildgebung (Harmonic Imaging), Doppler-Bildgebung, eine Farb-Doppler bzw. Farbflussbildgebung und/oder einen sonstigen Ultraschall-Bildgebungsmodus. Der Bildgebungsmodusprozessor 30 empfängt digitale Signaldaten von dem Front-End 20. Der Bildgebunsmodusprozessor 30 verarbeitet die empfangenen digitalen Signaldaten, um geschätzte oder errechnete Parameterwerte zu erzeugen. Die geschätzten Parameterwerte können unter Verwendung der empfangenen digitalen Signaldaten erzeugt werden. Die digitalen Signaldaten können in Frequenzbändern analysiert werden, die in Bezug auf die Grundfrequenz, die Harmonischen oder Subharmonischen des ausgesandten Signals zentriert sind, um die geschätzten Parameterwerte zu erzeugen. Der Bildgebungsmodusprozessor 30 übergibt die geschätzten Parameterwerte einem Steuerungsprozessor 50 über den digitalen Bus 70. Der Bildgebungsmodusprozessor 30 kann ferner die geschätzten Parameterwerte über den digitalen Bus 70 an die Anzeige 75 übermitteln.
Die Anzeige 75 enthält einen Anzeigeprozessor 80 und einen Monitor 90. Der Anzeigeprozessor 80 nimmt digitale Parameterwerte von dem Bildgebungsmodusprozessor 30 und dem Steuerungsprozessor 50 entgegen. Der Anzeigeprozessor 80 kann beispielsweise Scannumwandlungsfunktionen, Farbabbildungsfunktionen und Gewebe/Strömung-Unterteilungsfunktionen ausführen. Der Anzeigeprozessor 80 verarbeitet die digitalen Daten, bildet sie ab und formatiert diese für eine Anzeige, wandelt die digitalen Anzeigedaten in analoge Anzeigesignale um und übergibt die analogen Anzeigesignale an den Monitor 90. Der Monitor 90 nimmt die analogen Anzeige signale von dem Anzeigeprozessor 80 entgegen und zeigt das resultierende Bild an. Ein Bediener kann das Bild auf dem Monitor 90 betrachten.
Die Benutzerschnittstelle 60 ermöglicht eine Eingabe von Befehlen durch den Bediener in das Ultraschallbildgebungssystem 5 durch den Steuerungsprozessor 50. Die Benutzerschnittstelle 60 kann z.B. eine Tastatur, eine Maus, Schalter, Drehknöpfe, Druckknöpfe, einen Trackball und/oder Bildschirmmenüs enthalten.
Der Steuerungsprozessor 50 ist der zentrale Prozessor des Ultraschallbildgebungssystems 5. Der Steuerungsprozessor 50 ist unter Verwendung des digitalen Busses 70 an die weiteren Komponenten des Ultraschallbildgebungssystems angekoppelt. Der Steuerungsprozessor 50 führt unterschiedliche Datenalgorithmen und -funktionen für verschiedene Bildgebungs- und Diagnostikmodi aus. Digitale Daten und Befehle können zwischen dem Steuerungsprozessor 50 und anderen Komponenten des Ultraschallbildgebungssystems 5 übermittelt und von diesen empfangen werden. In einer alternativen Ausführungsform können die durch den Steuerungsprozessor 50 durchgeführten Funktionen durch mehrere Prozessoren ausgeführt werden und/oder in dem Bildgebungsmodusprozessor 30 und/oder dem Anzeigeprozessor 80 integriert sein. In einer weiteren Ausführungsform können die Funktionen der Prozessoren 30, 50 und 80 in einem einzelnen Back-End-Personalcomputer (PC) bzw. Nachrechner integriert sein.
2 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zur Ultraschallbildgebung entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zunächst sendet der Wandler 10 in Schritt 210 Ultraschallenergie zu einem Objekt, beispielsweise einem Patienten, aus. In Schritt 220 wird anschließend Ultraschallenergie oder werden Echos, die von dem Objekt rückgestreut wird bzw. werden, an dem Wandler 10 empfangen. Signale werden an dem Front-End 20 in Abhängigkeit von von dem Objekt rückgestreuten Ultraschallwellen empfangen.
In Schritt 230 werden anschließend die empfangenen Signale von dem Front-End 20 zu dem Bildgebungsmodusprozessor 30 unter Verwendung des digitalen Busses 70 übermittelt. In Schritt 240 erzeugt der Bildgebungsmodusprozessor 30 Parameterwerte auf der Basis der empfangenen Signale. Anschließend werden in Schritt 250 die Parameterwerte zu dem Steuerungsprozessor 50 übermittelt.
In Schritt 260 verarbeitet der Steuerungsprozessor 50 die Parameterwerte zur Verwendung zur Anzeige, Speicherung und Diagnostik an dem Display 75. Der Steuerungsprozessor 50 verarbeitet die Bilddatenparameterwerte, um Artefakte zu reduzieren und ein resultierendes Bild bzw. resultierende Bilder zu verarbeiten. Der Steuerungsprozessor 50 und/oder Bildgebungsmodusprozessor 30 kann Bilddaten zusammensetzen, um ein zusammengesetztes Bild bzw. ein Compound-Bild zu erzeugen. Beispielsweise können Bilddaten von mehreren Winkeln miteinander kombiniert oder gemittelt werden, um ein räumlich zusammengesetztes oder Spatial-Compound-Bild zu erzeugen.
Als nächstes werden in Schritt 270 die verarbeiteten Parameterwerte zu der Anzeige 75 übermittelt. Der Anzeigeprozessor 80 kann ferner Parameterwerte von mehreren Fokuszonenbildern verarbeiten, um in Verbindung mit und/oder zu sätzlich zu dem Steuerungsprozessor 50 ein kombiniertes Bild zu erzeugen.
Schließlich wird in Schritt 280 ein diagnostisches Bild erzeugt und auf dem Monitor 90 ausgegeben. Das Bild kann beispielsweise abgespeichert, angezeigt, gedruckt und/oder weiter übermittelt werden. Der Anzeigeprozessor 80 kann das Diagnostikbild unter Verwendung der verarbeiteten Parameterwerte von den digitalen Signaldaten erzeugen.
Zur Implementierung der Spatial-Compound-Bildgebung verwenden einige Ultraschallbildgebungssysteme eine Übertragung mit voller Grundfrequenz oder voller Harmonischen in sämtlichen Richtungen. Empfangene Echosignaldaten werden anschließend miteinander kombiniert, um ein Bild zu erzeugen. Die Verwendung einer einzelnen Sende-Grundfrequenz kann zu schweren Rasterkeulenartefakten führen. Eine Verringerung der Sendesignalfrequenz bei einer Abnahme des Sendewinkels hilft, die Rasterkeulen zu reduzieren. Jedoch führt eine Verringerung der Sende-Signalfrequenz zu einer Verschlechterung der Signalauflösung. Auf der anderen Seite weisen harmonische Sendungen bzw. Oberwellensendungen weniger Rasterkeulen als Grundfrequenzsendungen auf. Jedoch ergibt eine Harmonischen-Sendung eine kleinere Durchdringung als eine Grundfrequenzsendung.
In einer Ausführungsform werden Grund- und harmonische Frequenzsendungen miteinander kombiniert, um ein resultierendes Bild zu erzeugen. Für kleine Ablenk- bzw. Steuerwinkel mit wenigen oder keinen Rasterkeulen können Grundfrequenzen ausgesandt werden. Bei großen Ablenk- bzw. Steuerwinkeln werden mehr Rasterkeulen erzeugt, so dass harmonische Frequenzen ausgesandt werden können. Grund- und harmo nische Echosignale können verarbeitet und miteinander kombiniert werden, um ein oder mehrere Bilder zu erzeugen. Durch Kombination von Grundfrequenz- und harmonischen Frequenz-Signalen in der geeigneten Weise basierend auf dem Ablenk- bzw. Steuerwinkel des Strahls können ferner Speckle in effektiver Weise geglättet werden. Es können Sendungen mit niedriger oder hoher Grundfrequenz sowie auch einzelne, doppelte oder kodierte Harmonische, wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Tissue Harmonic Imaging with Natural (Tissue) Decoded Coded Excitation", Vertreteraktenzeichen 137741UL, eingereicht am 7. Oktober 2003, von Xiaohui Hao et. al. beschrieben, die hier durch ausdrückliche Bezugnahme mit aufgenommen ist, verwendet und mit anderen Grundfrequenz- und/oder Oberschwingungssignalen kombiniert werden. Der Bildgebungsmodusprozessor 30 oder eine sonstige Hardware oder Software bestimmt, welche Art von Signalen von dem Wandler 10 in ein abzubildendes Objekt abzufeuern ist.
Bestimmte Ausführungsformen ergeben eine Compound-Bildgebungstechnik, die eine räumliche Auflösung bei gleichzeitiger Reduktion von Rasterkeulen aufrechterhält. Beispielsweise werden für eine Winkelsteuerung Frequenzen verringert, und eine harmonische Bildgebung wird verwendet, wenn der Steuerungswinkel größer ist als null. In einer Ausführungsform kann ein Frequenzcompounding (oder eine Bildgebung mit variabler Frequenz) verwendet werden, wie es in einer Patentanmeldung mit dem „Method and Apparatus for Ultrasonic Speckle Reduction Using Wideband Frequency Compounding with Tissue-Generated Harmonics", Anmeldenr. 10/335,277, eingereicht am 31. Dezember 2002, von Feng Lin et. al., beschrieben ist, die hier durch Verweis ausdrücklich mit aufgenommen ist. Außerdem kann eine Compound- Ultraschallbildgebung mit kombinierten Grundfrequenz- und Oberschwingungssignalen, wie sie in der Patentanmeldung „Method and Apparatus for Ultrasound Compound Imaging with Combined Fundametal and Harmonic Signals", Anmeldenr. 10/703,903, eingereicht am 7. November 2003, von Xiaohui Hao et al, beschrieben ist und die hier durch Bezugnahme ausdrücklich mit aufgenommen ist, verwendet werden um eine Verbesserung der Speckle-Unterdrückung zu unterstützen.
3 veranschaulicht ein verbessertes Spatial-Compound-System 300, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Das System 300 kann dazu verwendet werden, eine Bewegung zwischen Frames für einen Spatial-Compound-Ultraschall zu schätzen und zu kompensieren. Das System 300 enthält eine Sonde 310, ein Strahlformungsmodul 320, ein B-Mode-Verarbeitungsmodul 330, ein Framepuffer-Aktualisierungsmodul 340, ein Bewegungsschätzmodul 350, ein Speicheraktualisierungsmodul 360, ein Bewegungskompensationsmodul 370, ein Framesummationsmodul 380 und eine Anzeige 390. Komponenten des Systems 300 können in Software und/oder in Hardware realisiert sein. Komponenten des Systems 300 können gesondert voneinander und/oder beispielsweise in unterschiedlichen Formen miteinander kombiniert implementiert sein. Während das System 300 unter Verwendung eines beliebigen Ultraschallbildgebungsmodus arbeiten kann, ist die nachstehende Beschreibung lediglich für beispielshafte Zwecke anhand der B-Mode-Ultraschallbildgebung veranschaulicht.
Im Betrieb werden Echos, die von der Sonde 310 empfangen werden, zuerst in dem Strahlformungsblock 320 fokussiert. B-Mode-Frames werden anschließend in dem B-Mode-Verarbeitungsblock 330 gebildet und in dem Framepuffer 340 gespeichert. Eine Anzahl der Gesamtframes in dem Framepuffer 340 kann N + 1 betragen, wobei N eine Anzahl von Frames darstellt, die zur Bildung eines zusammengesetzten Bildes verwendet werden. Jedes Mal, wenn ein neuer Frame gebildet wird, wird der älteste Frame in dem Framepuffer 340 entfernt und durch den neuen Frame ersetzt. In dem Bewegungsschätzblock 350 wird die Bewegung zwischen dem neuen Frame und einem vorhergehenden Frame geschätzt bzw. berechnet. Die geschätzte Bewegung wird anschließend dazu verwendet, die vorhandene Bewegungsinformation, die in dem Bewegungsspeicher 360 abgespeichert ist, zu aktualisieren. Die Bewegungsinformation beschreibt die Bewegung zwischen all den Frames, die zur Bildung eines zusammengesetzten Bildes verwendet werden sollen. In dem Bewegungskompensationsblock 370 werden alte Frames auf der Basis der aktualisierten Bewegungsinformation an den neuen Frame angepasst bzw. mit diesem abgestimmt. Die zugewiesenen Frames werden in dem Compounding- bzw. Zusammensetzungsblock 380 aufsummiert. Das zusammengesetzte Bild wird schließlich auf der Anzeige 390 angezeigt.
Bestimmte Ausführungsformen arbeiten in einem „Aktualisierungs"-Modus. Da eine Bewegung zwischen alten Frames geschätzt bzw. bestimmt worden ist, bevor der neue Frame empfangen wird, wird jedes Mal, wenn ein neuer Frame ankommt, lediglich eine einzelne Bewegung zwischen dem neuen Frame und einem vorhergehenden Frame geschätzt. Der vorhergehende Frame kann ausgewählt sein, um ein zeitlich benachbarter Frame, ein räumlich benachbarter Frame, ein letzter Frame mit dem gleichen Winkel oder beispielsweise ein letztes zusammengesetztes Bild zu sein. Falls beispielsweise ein zeitlich benachbarter Frame ausgewählt wird, weist ein Gewebe eine minimale Bewegung und Verzerrung auf, jedoch können Bilder einander nicht gleichen, weil die Bilder aus unterschiedlichen Winkeln gescannt sein können. Falls ein Gleicher-Winkel-Frame ausgewählt wird, ähneln gescannte Bilder einander, weil die Ablenk- bzw. Steuerwinkel die gleichen sind, wobei jedoch die Bilder zeitlich weit voneinander beabstandet sein können. Charakteristische Eigenschaften eines räumlich benachbarten Frames und eines zuletzt zusammengesetzten Bildes können beispielsweise zwischen denen des Gleicher-Winkel-Frames und des zeitlich benachbarten Frames liegen.
4 zeigt eine zeitliche Sequenz von fünf Compound-Frames, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Für einen neuen Frame F_n stellt ein Frame F_n-1 einen zeitlichen Nachbar dar, während Frames F_n-2 und F_n-3 räumliche Nachbarn darstellen, Frame F_n-5 einen Gleicher-Winkel-Frame bildet und das zuletzt zusammengesetzte Bild bzw. letzte Compound-Bild durch eine Summation von F_n-5 bis F_n-1 nach einer Registrierung gebildet ist. Die Bewegung kann durch beliebige existierende Verfahren, z.B. ein Kreuzkorrelationsverfahren, geschätzt werden. Die Bewegung kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem gewünschten Kompromiss zwischen Genauigkeit und Komplexität als steif, affin oder elastisch modelliert werden.
In einer Ausführungsform kann ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit eine Bewegung von einem Frame j zu einem Frame i als U_ij gekennzeichnet sein, eine Bewegung vom Frame i zum Frame j als U_ji = U^–1 _ij gekennzeichnet sein und eine Zuweisung kann durch f'_j = U_ijf_j gekennzeichnet sein, wobei f_j den ursprünglichen Frame bildet, während f'_j den an den Frame i angepassten Frame j bildet. Die Bewegung U_ik kann aus U_ij und U_jk unter Verwendung der Beziehung U_ik = U_ijU_jk hergeleitet werden. In einer Ausführungsform ist die Bewegung zwischen dem gleichen Frame U_ii eine Einheit und wird als 1 bezeichnet.
In dem Bewegungsspeicher 360 wird die Bewegung zwischen jedem vorhergehenden Frame und dem momentanen Frame {U_ni, i = n, n – 1, n – 2, ...} abgespeichert, wobei n der momentane Frame ist. Wenn ein neuer Frame n + 1 gebildet wird, wird zunächst die Bewegung U_{(n + 1)j} geschätzt, wobei j ein ausgewählter früherer Frame ist. Der neue Bewegungssatz kann anschließend durch die folgende Gleichung berechnet werden:
Auf die Framedaten kann beispielsweise ein räumlich variantes Shading angewandt werden. Das Shading kann mehrere Vorteile, wie beispielsweise eine Reduktion von Kantenartefakten und eine Verbesserung der Bildgleichmäßigkeit, aufweisen. Ein Beispiel für ein Shadingverfahren zur Spatial-Compound-Bildgebung unter Verwendung gewichteter Bilddaten ist in einer Patentanmeldung mit dem Titel „Range Dependent Weighting for Spatial Compound Imaging", Anmeldenr. 10/914,326, eingereicht am 9. August 2004, von Michael Washburn et. al., beschrieben, die hier durch ausdrücklichen Verweis mit aufgenommen ist. Um unerwünschte Artefakte zu vermeiden, kann das Shading zunächst auf die Framedaten angewandt werden, während anschließend eine Bewegungskorrektur sowohl an dem Shading unterworfenen Daten als auch dem Shading selbst vorgenommen werden kann. Die angepassten Framedaten und das Shading werden aufsummiert, und die zusammengesetzten Daten werden durch Normalisierung der Framesumme unter Verwendung der Shadingsumme berechnet:
5 veranschaulicht ein Flussdiagramm für ein Verfahren 500 zur verbesserten Compound-Bildgebung mit Bewegungskorrektur, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Zunächst wird in Schritt 505 eine Bewegungskorrektur initialisiert. Beispielsweise werden der Framepuffer und der Bewegungsspeicher zurückgesetzt. Anschließend wird in Schritt 510 der Empfang eines neuen Frames festgestellt. Falls ein neuer Frame nicht empfangen worden ist, kann das Bewegungskorrekturverfahren enden oder kann beispielsweise warten, bis ein neuer Frame empfangen wird. Wenn ein neuer Frame empfangen worden ist, wird anschließend in Schritt 515 ein Shading auf die neuen Framedaten angewandt. Ein Shading, beispielsweise ein räumlich variantes Shading, kann verwendet werden, um Kantenartefakte zu verringern und ein Bild zu glätten, um die Gleichförmigkeit zu fördern. In Schritt 520 wird der Framepuffer mit den dem Shading unterworfenen Daten aktualisiert.
Als nächstes wird in Schritt 525 eine Bewegung zwischen dem neuen Frame und einem vorhergehenden Frame geschätzt bzw. berechnet. Da Frames in unterschiedlichen Zeitpunkten akquiriert werden können, kann beispielsweise eine Bewegung eines Gewebes und/oder einer Sonde Bewegungsartefakte oder Unterschiede von Objekten zwischen Frames hervorrufen. Ein Vergleich des neuen Frames mit einem vorhergehenden Frame, beispielsweise ein Vergleich von Bilddaten, kann einen geschätzten Bewegungseffekt zwischen den Frames erkennen lassen. In bestimmten Ausführungsformen können ein oder mehrere Verfahren, beispielsweise eine Kreuzkorrelation und/oder eine Registrierung auf der Basis von Referenzpunkten dazu verwendet werden, eine Bewegung zwischen Frames zu schätzen. In Schritt 530 wird der Bewegungsspeicher mit dem Bewegungsschätzwert aktualisiert. Beispielsweise wird eine in dem Bewegungsspeicher abgespeicherte Bewegungsinformation mit dem Bewegungsschätzwert aktualisiert oder in sonstiger Weise modifiziert.
Anschließend wird in Schritt 535 eine Bewegungskompensation an den Bildframes durchgeführt. Beispielsweise wird die Bewegungsinformation dazu verwendet, Bewegungseffekte in den Frames zu kompensieren. Die alten Frames können beispielsweise unter Verwendung einer Bewegungsinformation an den neuen Frame angepasst bzw. abgestimmt werden. Es können unterschiedliche Verfahren zur Bewegungskorrektur verwendet werden, um die Bewegungseffekte zwischen Frames zu kompensieren.
Zum Beispiel kann eine Affintransformation dazu verwendet werden, die Bewegungseffekte in den Frames auszugleichen. Eine Affintransformation ist eine beliebige Transformation, die eine Kolliniarität und Abstandsverhältnisse in einem Bild aufrechterhält. Dies bedeutet, dass alle Punkte, die anfänglich entlang einer Linie angeordnet waren, nach einer Transformation weiterhin entlang dieser Linie angeordnet sind, und ein Mittelpunkt eines Liniensegmentes der Mittelpunkt des Liniensegmentes nach der Transformation bleibt. Beispiele für Affintransformationen umfassen eine geometrische Kontraktion, Expansion, Dilatation, Reflexion, Rotation, Scherung, Ähnlichkeitstransformationen, Spiralähnlichkeiten, Translation, Kombinationen des Vorstehenden und/oder andere Zusammensetzungen von Rotatio nen, Translationen, Dilatationen und Scherungen. Wenn beispielsweise die Bewegung zwischen Frames mittels einer Affintransformation modelliert wird, dann werden zuerst ein Skallierungsfaktor s, ein Rotationswinkel alpha, eine anfängliche x-Koordinatenposition x0 und eine anfängliche y-Koordinatenposition y0 bei der Bewegungsschätzung festgesetzt bzw. berechnet. Bei der Bewegungskompensation wird eine Affintransformation unter Verwendung der berechneten s, alpha, x0, y in der in den folgenden Gleichungen veranschaulichten Weise vorgenommen: x' = (scosα)x + (ssinα)y – s(x0cosα + y0sinα) y' = (–ssinα)x + (scosα)y + s(x0sinα – y0cosα).
In Schritt 540 werden Frames aufsummiert, um ein zusammengesetztes Bild bzw. Compound-Bild zu erzeugen. Beispielsweise können die angepassten Frames räumlich aufsummiert werden, um ein räumlich zusammengesetztes Bild bzw. ein Spatial-Compound-Bild zu erzeugen. Anschließend, nachdem das Compound-Bild erzeugt worden ist, werden die Compoundbilddaten in Schritt 545 normalisiert. Als nächstes wiederholt das Verfahren in Schritt 550, falls weitere neue Bildframes zu verarbeiten sind, das Verfahren beginnend mit Schritt 510. Das Shading, die Bewegungsinformation, die Bewegungskompensation etc. werden auf der Basis des neuen Frames angepasst bzw. eingestellt. Falls keine neuen Bildframes mehr zu verarbeiten sind, endet die Bewegungskorrektur für das Compound-Bild. Das korrigierte Compound-Bild kann beispielsweise abgespeichert, angezeigt und/oder weiter übermittelt werden.
Somit ergeben bestimmte Ausführungsformen ein effizientes Verfahren und System zur Echtzeit-Bewegungskorrektur für Spatial-Compound-Ultraschallbilder. Bestimmte Ausführungsformen erzielen eine Bewegungskorrektur, während Frames empfangen werden und/oder nachdem Frames empfangen worden sind, und können zur Verarbeitung eine beliebige Anzahl von Frames heranziehen. Bestimmte Ausführungsformen erzeugen ein Compound-Bild, das vor dem Compounding richtig angepasst worden ist.
Bestimmte Ausführungsformen erhalten einen einzigen Bewegungsschätzwert pro Frameaktualisierung, weil ein vorheriger Schätzwert abgespeichert wird. Unter Verwendung des Versatzes zwischen vorhergehenden Framer ermöglicht ein einzelner Schätzwert unter Vergleich des neuen Frames mit einem vorherigen Frame eine Identifizierung von Beziehungen zwischen den Framer und eine Ausrichtungs- bzw. Abstimmungsanpassung für ein Compound-Bild bei reduzierten Bewegungseffekten.
Während die Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich für einen Fachmann, das verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können und Teile durch ihre äquivalente Mittel ersetzt werden können, ohne dass dadurch der Schutzumfang der Erfindung berührt wird. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Kern abzurücken. Deshalb besteht die Absicht, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt sein soll, sondern dass die Erfindung sämtliche Ausführungsformen mit umfassen soll, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben ein Verfahren 500 und ein System 300 zur Echtzeit-Bewegungskorrektur in einer Compound-Ultraschallbildgebung. Bestimmte Ausführungsformen enthalten einen Empfang eines Bildframes 510, eine Schätzung einer Bewegung zwischen dem Bildframe und einem vorhergehenden Bildframe 525, eine Aktualisierung eines vorhergehenden Bewegungsschätzwertes mit Hilfe der geschätzten Bewegung, um einen aktualisierten Bewegungsschätzwert 530 zu erzeugen, und eine Korrektur des Bildframes und des vorhergehenden Bildframes unter Verwendung des aktualisierten Bewegungsschätzwertes 535. Das Verfahren kann ferner eine Erzeugung eines Compound-Bildes aus den Bildframes enthalten 540. In einer Ausführungsform kann eine Bewegung zwischen dem Bildframe und einem vorhergehenden Bildframe beispielsweise unter Verwendung einer Kreuzkorrelation, einer Referenzpunktregistrierung und/oder anderer Schätzverfahren geschätzt werden. Der Bildframe und der vorhergehende Bildframe können korrigiert werden, indem der aktualisierte Bewegungsschätzwert beispielsweise in einer Affintransformation oder einem anderen Korrekturverfahren verwendet wird. In einer Ausführungsform erzielt das Verfahren 500 eine Korrektur in Echtzeit, während Bildframes empfangen werden.

2 Flussdiagramm

300: Spatial-Compound-System
: (räumliches Zusammensetzungssystem)
310: Sonde
320: Strahlformungsmodul
330: B-Mode-Verarbeitungsmodul
340: Framepuffer-Aktualisierungsmodul
350: Bewegungsschätzmodul
360: Speicheraktualisierungsmodul
370: Bewegungskompensationsmodul
380: Framesummationsmodul
390: Anzeige

4 Darstellung

5 Flussdiagramm

Claims

Verfahren (500) zur Echtzeit-Bewegungskorrektur bei einer Compound-Ultraschallbildgebung, wobei das Verfahren (500) aufweist: Empfang eines Bildframes (510); Schätzung einer Bewegung zwischen dem Bildframe und einem vorhergehenden Bildframe (525); Aktualisierung eines vorherigen Bewegungsschätzwertes mit der geschätzten Bewegung zur Erzeugung eines aktualisierten Bewegungsschätzwertes (530); und Korrektur des Bildframes und des vorhergehenden Bildframes unter Verwendung des aktualisierten Bewegungsschätzwertes (535).
Verfahren (500) nach Anspruch 1, das ferner eine Erzeugung eines Compound-Bildes aus den Bildframes (540) aufweist.
Verfahren (500) nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Schätzung (525) ferner eine Schätzung der Bewegung zwischen dem Bildframe und einem vorhergehenden Bildframe unter Verwendung wenigstens entweder einer Kreuzkorrelation und/oder einer Referenzpunktregistrierung aufweist.
Verfahren (500) nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Korrektur (535) ferner eine Korrektur des Bildframes und des vorhergehenden Bildframes unter Verwen dung des aktualisierten Bewegungsschätzwerts in einer Affintransformation aufweist.
Verfahren (500) nach Anspruch 1, wobei der Korrekturschritt (535) eine Echtzeit-Korrektur erzielt, wenn Bildframes empfangen werden.
Verfahren (500) zur verbesserten Compound-Ultraschall-Bildgebung, wobei das Verfahren (500) aufweist: Empfang eines Bildframes (510); Schätzung einer Bewegung zwischen dem Bildframe und einem vorhergehenden Bildframe (525); Korrektur des vorhergehenden Bildframes unter Verwendung des Bewegungsschätzwertes (535); und Erzeugung eines Compound-Bildes aus den Bildframes (540).
Verfahren (500) nach Anspruch 6, das ferner eine Aktualisierung eines vorherigen Bewegungsschätzwertes mit dem Bewegungsschätzwert aufweist, um einen aktualisierten Bewegungsschätzwert zu erzeugen (530).
System (300) zur Spatial-Compound-Ultraschallbildgebung, wobei das System (300) aufweist: einen Framepuffer (340), der in der Lage ist, mehrere Frames zu speichern, um ein Compound-Ultraschallbild zu bilden; einen Speicher (360), der in der Lage ist, Daten, einschließlich eines Bewegungsschätzwertes, zu speichern; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, um eine Bewegung zwischen einem neuen Frame und einem vorhergehenden Frame aus dem Framepuffer zu schätzen, wobei der Prozessor in der Lage ist, Frames in dem Framepuffer (340) auf der Basis der geschätzten Bewegung zu korrigieren, und wobei der Prozessor Frames in dem Framepuffer (340) miteinander kombiniert, um ein Spatial-Compound-Bild zu erzeugen.
System (300) nach Anspruch 8, wobei der Prozessor den vorhergehenden Frame aus entweder einem zeitlich benachbarten Frame, einem räumlich benachbarten Frame, einem letzten Frame unter dem gleichen Winkel und/oder einem zuletzt zusammengesetzten Bild auswählt.
System (300) nach Anspruch 8, wobei der Prozessor die geschätzte Bewegung als entweder steif, affin und/oder elastisch modelliert.