DE102008025674B4 - Verfahren, Vorrichtung und Computerprogrammprodukt zur Aufnahme von medizinischen Bildern eines sich bewegenden Objekts - Google Patents

Verfahren, Vorrichtung und Computerprogrammprodukt zur Aufnahme von medizinischen Bildern eines sich bewegenden Objekts Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Aufnahme von medizinischen Bildern eines sich mehr oder weniger periodisch bewegenden Objekts mit den folgenden Schritten:- Erzeugen eines Bewegungssignals, das den Bewegungszustand des sich bewegenden Objekts dynamisch abbildet, wobei das Bewegungssignal mittels der Durchführung und Auswertung eines ersten Scans an dem sich bewegenden Objekt oder durch die Auswertung eines zur Verfügung stehenden EKG-Signals gewonnen wird,- Identifizieren der Phasenlage und der Frequenz des sich bewegenden Objekts anhand des Bewegungssignals,- Durchführen mindestens eines weiteren Scans bzw. eines Scans des sich bewegenden Objekts unter Einstellung der Aufnahmezeitpunkte entsprechend der Phasenlage und der Frequenz des sich bewegenden Objekts,- wobei bei dem weiteren Scan bzw. dem Scan eine Scanebene mit einem Winkelvorschub rotiert wird, sodass das Bildaufnahmegerät eine Frequenz und eine Phasenlage aufweist,- wobei eine Rückkopplung vom Bewegungszustand des sich bewegenden Objekts auf die Parameter der Aufnahme, nämlich auf die Frequenz und Phasenlage des Bildaufnahmegeräts, erfolgt,- wobei nachfolgende kontinuierliche Scans mit einer geringfügig geänderten Phasenlage durchgeführt werden, sodass die gleiche Phasenlage der Objektbewegung bei anderen Winkelpositionen der Scanebene erreicht wird,- umfassend den weiteren Schritt des Zusammensetzens der Scanebenen in einem Datenverarbeitungssystem zu dreidimensionalen Volumenbildern.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme von medizinischen Bildern, insbesondere von Ultraschallbildern, eines sich bewegenden Objekts, insbesondere eines Herzens.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft insbesondere das Problem, an einem sich ggf. unregelmäßig bewegenden Objekt, beispielsweise an einem Herz, eine Bildaufnahme durchzuführen, die eine gute räumliche Auflösung über mehrere Zyklen hinweg gewährleistet. Des Weiteren ist es erwünscht, die Bildaufnahmezeit zu verkürzen.
  • In der Kardiologie sind bildgebende Verfahren gebräuchlich, die für ausreichende räumliche und zeitliche Auflösung über mehrere Herzzyklen hinweg akquirieren müssen. Aus diesem Grund werden Bilder und Herzschlag synchron aufgenommen, dabei werden die Bilder mit einer festen Bildwiederholfrequenz aufgezeichnet.
  • Speziell in der Echokardiographie sind derzeit solche Verfahren üblich, die aus einer fortlaufenden Sequenz von 2D Bildern respektive 3D Volumina solche auswählen, die innerhalb eines Herzintervalls aufgenommen wurden. Im Weiteren wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass ein Herzzyklus exakt von einer R-Zacke des EKG-Signals bis zur nächsten geht.
  • Das Patent DE 197 32 125 C1 betrifft ein Verfahren zur Aufnahme von Ultraschallbildern bewegter Objekte, wobei während der größten Bewegungen des Objekts keine oder nur wenige Aufnahmen und zu den Zeitpunkten geringerer Bewegung des Objekts mehrere Aufnahmen erstellt werden. Durch Kopplung der Aufnahmezeiten mit dem EKG des Lebewesens wird die Systole ausgelassen, d.h. es werden für einen kurzen Zeitraum keine Aufnahmen erstellt, um anschließend entsprechend dem Elektrokardiogramm während der Diastole mehrere Aufnahmen zu erstellen. Dies ist auch durch eine kontinuierliche Aufnahme des Organs möglich, wobei das Datenverarbeitungssystem die entsprechenden Aufnahmen ausselektiert und die gewünschten Aufnahmen verarbeitet. Solche medizinischen Bildverarbeitungsverfahren bzw. Ultraschallaufnahmeverfahren auf der Grundlage von Elektrokardiographie-Informationen sind auch aus dem US-Patent US 6 673 017 B1 und der US-Patentanmeldung US 2005/ 0 238 216 A1 bekannt. EKGgetriggerte Bildaufnahmen sind in der US-Patentanmeldung US 5 159 931 A beschrieben. Ein Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass sie meist dem Bewegungszyklus hinterherlaufen, d.h. dass die Totzeit zwischen der Auswertung des Herzzyklus und der Umsetzung zur Regelung der Aufnahmezeitpunkte relativ groß ist.
  • Das US-Patent US 6 966 878 B2 beschreibt ein Verfahren zum Akquirieren und Verarbeiten eines Volumenscans eines sich periodisch bewegenden Objekts. Dazu wird ein Volumenscan an einem sich periodisch bewegenden Objekt durchgeführt, wobei innerhalb des Volumenscans ein Zeitintervall der periodischen Bewegung des Objekts identifiziert wird und anschließend der Volumenscan basierend auf diesem Zeitintervall umgruppiert wird.
  • Da die Bewegungen des sich bewegenden Objekts, beispielsweise die Wiederholung des Herzschlags, und die Aufnahmezeitpunkte der Bilder oft nicht synchron und da auch die Bewegungen selbst nicht regelmäßig sind, kann der Zeitpunkt der ersten Aufnahme in jedem Zyklus, bezogen auf den jeweiligen Bewegungszustand des sich bewegenden Objekts, variabel sein. Je nach Aufnahmeverfahren (nächstgelegene oder nachfolgende Aufnahme) beträgt die Variationsbreite [-Δt/2... Δt/2] oder [0... Δt], wenn Δt der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Aufnahmen ist. Insbesondere bei sich rasch und/oder unregelmäßig bewegenden Objekten führt diese zeitliche Variation zu Artefakten bei der späteren räumlichen Rekonstruktion.
  • Daher werden die Bilder von Objekten, die durch ihre Eigenbewegungen eine Bewegungsunschärfe erzeugen, üblicherweise auf diese Bewegung synchronisiert aufgenommen. Ohne die Synchronisierung auf die entsprechende Bewegung des Objekts (stroboskopartige Aufnahme) ergibt sich ein unscharfes Bild bzw. eine Darstellung des Objekts in jedem seiner Bewegungszustände. Bei einer der Bewegung des Objekts angepassten Aufnahme (eine exakte Synchronisierung ist mit den Mitteln des Stands der Technik derzeit nicht möglich) entsteht je Bewegungszustand des sich bewegenden Objekts eine Bildaufnahme. Ein Beispiel dafür ist die dreidimensionale Ultraschallbildaufnahme des Herzens. Die entsprechenden Bildaufnahmen des Herzens zeigen nacheinander alle Stufen (Phasen) zwischen Kontraktion (Systole) und Erschlaffung des Herzens (Diastole). Die sukzessive Darstellung einzelner Bildaufnahmen des Herzens entspricht einer vierdimensionalen Darstellung des Herzens, wobei die vierte Dimension die entsprechende Bewegung des Herzens repräsentiert (Zeitachse).
  • Die aus der DE 197 32 125 C1 bekannte Lösung baut daher darauf auf, die Aufnahmezeitpunkte des sich bewegenden Objekts mit dem EKG des Lebewesens zu koppeln. Die Durchführung erfolgt dadurch, dass beispielsweise der Patient mit EKG-Elektroden abgetastet wird. Aus dem gemessenen EKG wird die R-Zacke - oder ein anderer ausgezeichneter Punkt - bestimmt. Die zeitliche Position der R-Zacke wird verwendet, um kontinuierliche Ultraschall-Aufnahmen des Herzens entsprechend den Herzzyklen zu synchronisieren bzw. die Akquisition der Ultraschalldaten wird mit der Detektion der R-Zacke gestartet. Das Ende des Herzzyklus ergibt sich dann entweder durch die Verwendung einer gleitenden Mittelwertbildung der Herz-Zyklusdauer (wie aus den R-Zacken über die Zeit gewonnen) bzw. wird die folgende R-Zacke als Ende des begonnenen Herzzyklus herangezogen. Steht das EKG nicht zur Verfügung, so müssen die Bilddaten in einem Nachverarbeitungsschritt manuell vom Arzt unter Sichtkontrolle auf einen Herzzyklus zurechtgeschnitten werden. So kann die Zykluslänge retrospektiv aus dem Bildinhalt manuell oder auch automatisch (mit geeigneten Bilderkennungsverfahren) ermittelt werden.
  • Die EKG-Elektroden können sich aber insbesondere während der Belastungsstufen („Belastungs-EKG“) lösen, wodurch das EKG nicht mehr erfasst werden kann und somit die Akquisition der Daten behindert wird. Des Weiteren sind die Elektroden ein Kostenfaktor, da sowohl die Elektroden nicht billig sind, als auch die Anbringung am Patienten Zeit in Anspruch nimmt und damit Personalkosten erzeugt bzw. den Durchsatz an Untersuchungen vermindert. Für den Fall, dass Probleme mit der EKG-Akquise auftreten, verursacht die manuelle Trimmung der Bilddaten einen erheblichen Arbeitsaufwand durch eine hoch spezialisierte Arbeitskraft.
  • Die aus der US 6 966 878 B2 bekannte Lösung besteht darin, ein Zeitintervall aus den Bilddaten, beispielsweise anhand bestimmter Intensitätswerte bzw. der Intensitätskurve, einer zeitbasierten Akquisition von Ultraschallbildern im Rahmen einer Untersuchung zu bestimmen. Das Zeitintervall ist das Raster, in dem der kontinuierliche Bilddatenstrom in Herzzyklen unterteilt wird, d.h. die Bilddaten werden einer Position im Herzzyklus zugewiesen. Die Position des Rasters, d.h. die Phasenlage, wird dabei außer Acht gelassen.
  • Jedoch ist eine bessere räumliche Auflösung besonders in Bezug auf verschiedene Belastungsstufen erwünscht. Dadurch werden Artefakte bei bildgebenden Verfahren in der Kardiologie verhindert/vermindert. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich das Objekt nicht streng periodisch, sondern nur quasiperiodisch oder gar aperiodisch verhält, wie dies bei Herzfehlern oft der Fall ist. Des Weiteren werden die Nachteile, die mit der Nutzung der Elektroden beim EKG verbunden sind, durch die Synchronisation ohne EKG vermieden.
  • Die US 5 993 390 A offenbart ein Verfahren zur Akquisition von Ultraschall-Bilddaten, die dreidimensionale Volumensegmente eines interessierenden Bildvolumens in einem Patienten repräsentieren, synchron zu den entsprechenden Herzzyklen des Patienten. Die zu einem Bildsegment gehörigen Bilddaten werden über mehrere Phasen eines einzigen Herzzyklus akquiriert, und die zu den verschiedenen Volumensegmenten gehörigen Bilddaten werden kombiniert, um Bilddaten bereitzustellen, die ein dreidimensionales Bild des Bildvolumens repräsentieren.
  • Aus der DE 196 08 971 A1 ist ein Verfahren zur Generierung eines dreidimensionalen Bild-Datensatzes unter Verwendung eines Ultraschallgerätes mit frei geführtem Ultraschall-Kopf zur Erzeugung einer Sequenz einer Vielzahl von Ultraschall-Bildern von dem zu untersuchenden Volumen bekannt. Dabei wird ein Positions-Sensorsystem verwendet, welches die Position und Orientierung des Ultraschallkopfes und damit die räumliche Lage der Bildebene des jeweils generierten Ultraschallbildes bestimmt. Um ein Bild z.B. des Herzens zu erfassen, wird der Herzzyklus mit einem EKG-Gerät erfasst. Durch Triggerung kann dann der Bildeinzug zu einem genau definierten Zeitfenster innerhalb des Herzzyklus erfolgen, so dass diese Einzelbilder zu einem dreidimensionalen, statischen Datensatz umgewandelt werden können.
  • Die DE 10 2005 014 445 A1 offenbart eine bildgebende medizintechnische Anlage, die eine Steuereinrichtung, mindestens eine Bilderfassungseinrichtung und eine Triggereinrichtung aufweist. Die Triggereinrichtung erfasst dabei die Phasenlagen des Objekts, z.B. des Herzens, und führt der Steuereinrichtung sequentiell mehrere Triggerimpulse zu. Die Triggerimpulse korrespondieren alle mit einer vorbestimmten Phasenlage (Referenzphasenlage) des Objekts, z.B. dem Beginn der Systole des Herzens. Für den typischen Fall, dass das Objekt ein schlagendes Herz ist, erfolgt eine EKG-Triggerung. Die Triggereinrichtung erfasst aber nur die Phasenlage des Objekts. Die Startzeitpunkte für die Bilderfassung sind entweder mit den Zeiten, zu denen die auslösenden Triggerimpulse auftreten, identisch oder weisen gegenüber diesen Zeiten eine vorbestimmte Verzögerungszeit auf. Die Erfassung der Sequenzen von Bildern wird jeweils bei Erreichen eines Stoppzeitpunktes beendet. Dies führt dazu, dass die Sequenzen ggf. nicht die gleiche Anzahl von Bildern aufweisen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die räumliche Auflösung von medizinischen Bildern, insbesondere Ultraschallbildern, eines sich bewegenden Objektes zu optimieren und/oder die Bildaufnahmezeit zu verkürzen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 6 gelöst. Besondere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der entsprechenden Vorrichtung lassen sich die Aufnahmezeitpunkte synchron zur Phasenlage und zur Frequenz des sich bewegenden Objekts legen bzw. ist eine entsprechende Zuordnung der Bilddaten möglich, so dass jeder Aufnahmezeitpunkt einzelner Bild-Teilbereiche, die zu einem Bewegungszustand des Objekts gehören, auch demselben Bewegungszustand des Herzens entspricht und entsprechend zugeordnet werden kann. Bildebenen gleicher Phasenlagen stimmen dann mit einem bestimmten Bewegungszustand innerhalb der periodischen Bewegung des Objekts überein. Somit ist es möglich, auch bei den normalen Varianzen der Zykluslänge aufeinanderfolgender Herzschläge (und teilweise auch bei Patienten, die unter Arrhythmie leiden), präzise Bilder der einzelnen Bewegungszustände des Herzens zu erstellen.
  • Das Verfahren umfasst folgende wesentliche Schritte:
    • - Erzeugen eines Bewegungssignals, das den Bewegungszustand des sich bewegenden Objekts dynamisch abbildet, wobei das Bewegungssignal mittels der Durchführung und Auswertung eines ersten Scans an dem sich bewegenden Objekt oder durch die Auswertung eines zur Verfügung stehenden EKG-Signals gewonnen wird,
    • - Identifizieren der Phasenlage und der Frequenz des sich bewegenden Objekts anhand des Bewegungssignals,
    • - Durchführen mindestens eines weiteren Scans bzw. eines Scans des sich bewegenden Objekts unter Einstellung der Aufnahmezeitpunkte entsprechend der Phasenlage und der Frequenz des sich bewegenden Objekts,
    • - wobei bei dem weiteren Scan bzw. dem Scan eine Scanebene mit einem Winkelvorschub rotiert wird, sodass das Bildaufnahmegerät eine Frequenz und eine Phasenlage aufweist,
    • - wobei eine Rückkopplung vom Bewegungszustand des sich bewegenden Objekts auf die Parameter der Aufnahme, nämlich auf die Frequenz und Phasenlage des Bildaufnahmegeräts, erfolgt,
    • - wobei nachfolgende kontinuierliche Scans mit einer geringfügig geänderten Phasenlage durchgeführt werden, sodass die gleiche Phasenlage der Objektbewegung bei anderen Winkelpositionen der Scanebene erreicht wird,
    • - umfassend den weiteren Schritt des Zusammensetzens der Scanebenen in einem Datenverarbeitungssystem zu dreidimensionalen Volumenbildern.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bewegungssignal anhand eines ersten Scans des Objekts gewonnen: Während das Gerät, beispielsweise der Ultraschallkopf, zur Aufnahme von einzelnen Bild-Teilbereichen des sich bewegenden Objekts entlang dem Objekt verfahren wird und dabei zu bestimmten Zeitpunkten Aufnahmen des Objekts erstellt, die die einzelnen „Schichten“ des Objekts darstellen und die in einem Datenverarbeitungssystem zu einem dreidimensionalen Volumenbild zusammengesetzt werden, werden aus dem Bildinhalt die momentane Frequenz f(t) der Bewegung und die zeitliche Phasenlage p(t) abgeleitet. Es werden sowohl die Frequenz als auch die Phasenlage abgeleitet. Sogenannte 3-D-Wobbler erfassen die Bilder dabei automatisch, ein manuelles Verfahren ist dabei nicht mehr notwendig.
  • Natürlich lassen sich die momentane Frequenz f(t) der Bewegung und die zeitliche Phasenlage p(t) auch aus dem EKG-Signal ableiten.
  • Das Volumenbild kann durch vielfältige Techniken gewonnen werden (z.B. dreidimensionales Scannen, 3D-Bildgebung in Echtzeit, Volumenscannen, 2D-Scannen mit Transducern, die Positionierungssensoren aufweisen, Freihandscannen unter Verwendung eines Volumenelementkorrelationsverfahrens, 2D- oder Matrix-Array-Transducer und dergleichen).
  • Die Position jedes Volumenelements ist durch geometrische Genauigkeit (d.h. den Abstand von einem Volumenelement zum nächsten), durch beispielsweise eine Ultraschallantwort und durch von der Ultraschallantwort abgeleitete Werte, definiert. Geeignete Ultraschallantworten können beispielsweise B-, Flow-, Graustufen-, Colour-Flow-Werte und Angio- oder Power-Doppler-Daten sein.
  • In der Ableitung aus dem Bildinhalt werden beispielsweise die R-Trigger durch „Zeitpunkte gleicher Phasenlage“ ersetzt. In einer Ausführungsform werden die lokalen Extrema (Maximum oder Minimum) des Signals abgeleitet, da diese leichter mit dem physiologischen Zustand des Herzens (Enddiastole oder Endsystole) korreliert werden können. Wesentlich ist jedoch die Rückkopplung vom Bewegungszustand des aufgenommenen Objekts auf die Parameter der Aufnahme, d.h. Frequenz und Phasenlage des Bild-Aufnahmegeräts, selbst.
  • Bei mechanischen Wobblern (und äquivalent bei elektronisch gesteuerten Matrixsonden) kommt eine weitere Komponente hinzu: Frequenz und Phasenlage der Positionsänderung in Elevationsrichtung (senkrecht zur 2D-Bildebene).
  • Die Aufnahmen können nun frequenz- und phasensynchron verschoben werden. Alternativ können in einem weiteren Scan die Aufnahmezeitpunkte synchron mit der Phasenlage und der Frequenz gewählt werden, so dass es möglich ist, Aufnahmen zu erhalten, die dem Bewegungszustand des Objekts zum jeweiligen Zeitpunkt entsprechen. Bildebenen gleicher Phasenlagen stimmen dann mit einem bestimmten Bewegungszustand, z.B. der Enddiastole oder Endsystole des Herzens, innerhalb der periodischen Bewegung des Objekts überein.
  • Anstatt daher aufeinander folgende Aufnahmen aus einer Serie auszuwählen, sieht die vorliegende Erfindung vor, bereits die Aufnahmezeitpunkte selbst aus dem Herzschlag zu synchronisieren. Dafür gibt es z.B. die folgenden zwei Möglichkeiten:
    1. (1) die Bilderzeugung wird auf den Herzschlag synchronisiert, d.h. es genügt nur den Startzeitpunkt synchron zur R-Zacke zu verschieben, die Aufnahmerate selbst kann dann konstant gehalten werden;
    2. (2) in speziellen Anwendungen der intrakardialen Echokardiographie kann der Herzschlag auf die Bilderzeugung synchronisiert werden z.B. durch Synchronisation eines Schrittmachers mit der Bildquelle.
  • Es kann vorteilhaft sein, auch die Aufnahmerate selbst an eine periodische Herzbewegung anzupassen. Die optimale Lösung hängt daher vom aufzunehmenden Bewegungsmuster ab. Dabei kann zum einen der Bewegungszyklus mit der R-Zacke starten, wobei der zeitliche Ablauf unabhängig vom jeweiligen R-R Intervall stets gleich bleibt (d.h. die Aufnahmerate ist konstant, der Startzeitpunkt jedoch variabel). Des Weiteren kann das R-R Intervall vorgegeben werden (z.B. Herzschrittmacher). Zum anderen kann die Bewegung linear vom R-R Intervall abhängen (d.h. es erfolgt eine gleiche Anzahl von Aufnahmen pro Zyklus).
  • Die Erfindung betrifft auch eine geeignete Vorrichtung gemäß Anspruch 6.
  • Besondere Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnungen wie folgt erläutert:
    • 1 zeigt eine schematische Darstellung des Signals S(t), welches aus dem Bildinhalt abgleitet wurde und dessen Analyse die Frequenz f(t) und die Phasenlage p(t) liefert, die „realen“ Aufnahmezeitpunkte (t) mit Variationsbreite Δt sowie die erfindungsgemäßen Aufnahmezeitpunkte (tsynchron) einzelner Bewegungszustände und deren Zuordnung.
    • 2 zeigt die erfindungsgemäßen Aufnahmezeitpunkte (tsyn chron), wobei die Aufnahmerate konstant ist und der Startzeitpunkt der Aufnahme variabel.
    • 3 zeigt die erfindungsgemäßen Aufnahmezeitpunkte (tsynchron), wobei innerhalb eines Zyklus (= R-R Intervall) die gleiche Anzahl von Aufnahmen durchgeführt werden.
    • 4 zeigt die Scanebene mit der Frequenz fscan und der Winkelposition φ in einem unidirektionalen Scan, wobei a das Objekt ist, welches mit der Frequenz fobjekt pulsiert.
  • 1 zeigt die schematische Darstellung des Signals (S), das aus dem Bildinhalt der Ultraschallaufnahmen des Herzens extrahiert wurde und dessen Analyse die momentane Frequenz der periodischen Bewegung f(t) und deren zeitliche Phasenlage p(t) liefert. Des Weiteren werden die „realen“ Aufnahmezeitpunkte (t) gezeigt, welche nicht synchronisiert sind und daher eine Variationsbreite Δt (Δ1; Δ2) aufweisen. Durch die Rückkopplung vom Bewegungszustand des Herzens auf die Parameter der Aufnahme selbst (hier die Frequenz und Phasenlage der Aufnahme) können entweder rückbezogen oder in einem weiteren Ultraschallscan die Aufnahmezeitpunkte mit der Frequenz und der Phasenlage des Herzens synchronisiert werden (tsynchron) und somit die räumliche Auflösung der Aufnahme um ein Vielfaches erhöhen.
  • 2 zeigt eine Variante der Aufnahmezeitpunkte (tsynchron) in einem weiteren Ultraschallscan. Die Aufnahmezeitpunkte (tsynchron) starten mit der R-Zacke des Bewegungszyklus des Herzens, wobei jedoch der zeitliche Ablauf der Aufnahmen unabhängig vom R-R Intervall stets gleich bleibt. Somit ist die Aufnahmerate konstant, der Startzeitpunkt jedoch variabel. Wahlweise wird das R-R Intervall bzw. der Startzeitpunkt (z.B. durch einen Herzschrittmacher) vorgegeben, so dass sich die Steuerung der Aufnahmezeitpunkte durch den Herzschrittmacher ergibt (dynamische Bildakquise).
  • 3 zeigt eine weitere Variante der Aufnahmezeitpunkte (tsynchron) in einem weiteren Ultraschallscan. Die Aufnahmezeitpunkte (tsynchron) (hier 3 äquidistante Aufnahmezeitpunkte) hängen linear vom R-R Intervall des Herzens ab, wobei der Bewegungsablauf exakt periodisch ist. Somit ergibt sich eine gleiche Anzahl von Aufnahmen pro Herzzyklus.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • In dem Ausführungsbeispiel nach 4 der vorliegenden Erfindung ist die Frequenz des Ultraschallscanners (fscan) ein ganzzahliger Teiler der Frequenz des sich bewegenden Objektes (fob jekt) (z.B. fobjekt = 1 Hz, fscan = 1/10 fobjekt) und die relative Phasenlage ist konstant. Es wird rotierend mit entsprechender Winkelposition (= Vorschub) aufgenommen. Folglich wird die Scanebene das sich bewegende Objekt bei einer bestimmten Winkelposition φ stets in derselben Phasenlage (= Bewegungszustand) treffen. Bildebenen mit gleicher Phasenlage (hier 10 Stück) können dann als 3D-Repräsentation eines Bewegungszustandes (= zeitliche Phase der Bewegung) interpretiert und entsprechend rekonstruiert werden. Werden nachfolgende kontinuierliche Scans mit einer geringfügig geänderten Phasenlage durchgeführt, dann wird die gleiche Phasenlage der Objektbewegung nun bei anderen Winkelpositionen erreicht. Bei geeigneter Wahl der Phasenänderung pro Scan können aufeinander folgende Scans so zu einem Volumen mit höherer Winkelauflösung kombiniert werden. Erhöht man nun die Frequenz fscan auf z.B. fscan = 2 × fobjekt, dann kann man mit nun 20 Scans bei gleicher Aufnahmezeit den ursprünglichen Datensatz gewinnen. Ist jedoch die Bildfrequenz sehr hoch (z.B. 200 Hz), dann liefert das Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei dem der Winkelvorschub bezogen auf die Herzbewegung 20 mal schneller als oben beschrieben erfolgt, einen Datensatz mit 20 Ebenen. Dabei können benachbarte Winkelebenen nun als zum „praktisch gleichen“ Bewegungszustand gehörend betrachtet werden. Dadurch lässt sich dann bei gleicher Scanzeit die Winkelauflösung erhöhen. Hingegen liefert das Verfahren im Stand der Technik bei gleicher Bildrate zwar 2000 Einzelbilder mit 200 Volumina pro Herzschlag aber nur mit 10 Ebenen pro Datensatz.
  • Ausführungsbeispiel 1A
  • Im folgenden Beispiel ist die Herzfrequenz fobjekt = 1 Hz und die Bildfrequenz fScan = 2 Hz. Der Scanwinkel beträgt 40°, wobei die Phasenänderung Δφ so gewählt ist, dass pro Scan die korrespondierende Bewegungsphase des Objekts 2° später erreicht wird. Bei 10 „Herzschlägen“ können nun 20 Scans untergebracht werden, damit 20 Ebenen pro 3D-Datensatz erhalten werden. Im Ergebnis hat sich die Winkelauflösung verdoppelt, während sich die zeitliche Auflösung auf 100 Volumina halbiert hat.
  • Ausführungsbeispiel 1B
  • Bei 200 Hz Bildfrequenz werden pro Scan 100 Bilder aufgenommen und in 40 Blöcke aufgeteilt. Der korrespondierende Zeitschritt zwischen zwei Blöcken von 12,5 ms ist dabei so kurz, dass er für die Herzbewegung als „momentan“ betrachtet wird. Der zurückgelegte Winkel zwischen benachbarten Blöcken ist jeweils 1°. Benachbarte Blöcke werden paarweise zusammengefasst und als jeweils zum selben Aufnahmezeitpunkt aufgenommen definiert - aber mit räumlicher Winkeldifferenz von 1°. Pro Scan entstehen so 20 zeitliche Phasen mit 40 Winkelpositionen (1° Inkrement). Fasst man jetzt alle 20 Scans zusammen, erhält man 40 unterschiedliche Winkelpositionen pro 3D-Datenblock bei 20 zeitlichen Phasen. Die Winkelauflösung wurde abermals verdoppelt - zu Lasten der zeitlichen Auflösung.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Hier ist fscan kein ganzzahliger Teiler von fobjekt. Nach Aufnahme der Ultraschallbilder wird die zeitliche Phasenlage p(t) und die momentane Frequenz f(t) aus dem Bildinhalt abgeleitet. In einem weiteren Scan bleibt die Aufnahmerate dann unabhängig vom jeweiligen R-R Intervall stets gleich, jedoch wird der Startzeitpunkt der Aufnahme bezogen auf die R-Zacke variiert (siehe 2).
  • Ausführungsbeispiel 3
  • Bei einem „Belastungs-EKG“ (Stress-Echo) ändert sich die Herzfrequenz bei den unterschiedlichen Belastungsstufen (beispielsweise Puls 60, Puls 120, Puls 140). Nach Aufnahme der Ultraschallbilder wird die zeitliche Phasenlage p(t) und die momentane Frequenz f(t) aus dem Bildinhalt abgeleitet. In einem weiteren Scan hängen die Aufnahmezeitpunkte dann linear vom R-R Intervall ab, d.h. eine gleiche Anzahl von Aufnahmen wird pro Herzzyklus aufgenommen (siehe 3). Durch das vorliegende Verfahren ist es möglich alle Belastungsstufen „phasengleich“ aufzunehmen, so dass alle Bilder der gleichen Position nebeneinander dargestellt werden können. Damit ergibt sich eine wesentlich bessere Vergleichbarkeit der Herzbilder unterschiedlicher Belastung, da z.B. bei schnellem Herzschlag gleich viele Bilder wie bei langsamen Herzschlag frequenzsynchron, d.h. schneller aufgenommen werden und somit für alle Belastungsstufen gleichwertige Gesamtbilder gewonnen werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Aufnahme von medizinischen Bildern eines sich mehr oder weniger periodisch bewegenden Objekts mit den folgenden Schritten: - Erzeugen eines Bewegungssignals, das den Bewegungszustand des sich bewegenden Objekts dynamisch abbildet, wobei das Bewegungssignal mittels der Durchführung und Auswertung eines ersten Scans an dem sich bewegenden Objekt oder durch die Auswertung eines zur Verfügung stehenden EKG-Signals gewonnen wird, - Identifizieren der Phasenlage und der Frequenz des sich bewegenden Objekts anhand des Bewegungssignals, - Durchführen mindestens eines weiteren Scans bzw. eines Scans des sich bewegenden Objekts unter Einstellung der Aufnahmezeitpunkte entsprechend der Phasenlage und der Frequenz des sich bewegenden Objekts, - wobei bei dem weiteren Scan bzw. dem Scan eine Scanebene mit einem Winkelvorschub rotiert wird, sodass das Bildaufnahmegerät eine Frequenz und eine Phasenlage aufweist, - wobei eine Rückkopplung vom Bewegungszustand des sich bewegenden Objekts auf die Parameter der Aufnahme, nämlich auf die Frequenz und Phasenlage des Bildaufnahmegeräts, erfolgt, - wobei nachfolgende kontinuierliche Scans mit einer geringfügig geänderten Phasenlage durchgeführt werden, sodass die gleiche Phasenlage der Objektbewegung bei anderen Winkelpositionen der Scanebene erreicht wird, - umfassend den weiteren Schritt des Zusammensetzens der Scanebenen in einem Datenverarbeitungssystem zu dreidimensionalen Volumenbildern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das sich bewegende Objekt ein Herz ist.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei während der Durchführung des weiteren Scans bzw. des Scans die Aufnahmerate konstant bleibt, während der Startzeitpunkt der jeweiligen Aufnahme variabel ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei während der Durchführung des weiteren Scans bzw. des Scans pro Zyklus des sich bewegenden Objekts eine gleiche Anzahl von Aufnahmen entsteht, wobei das sich bewegende Objekt ein Herz ist, dessen Frequenz durch einen Herzschrittmacher vorgegeben ist.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste und jeder weitere Scan mittels 2D oder 3D Ultraschallgeräten durchgeführt wird.
  6. Vorrichtung zur Aufnahme und zum Auswerten von medizinischen Bildern eines sich mehr oder weniger periodisch bewegenden Objekts, welche zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 geeignet ist, mit: - Messmitteln zum Erzeugen eines Bewegungssignals, das den Bewegungszustand des sich bewegenden Objekts dynamisch abbildet, wobei die Messmittel dazu konfiguriert sind, das Bewegungssignal mittels der Durchführung und Auswertung eines ersten Scans an dem sich bewegenden Objekt oder durch die Auswertung eines zur Verfügung stehenden EKG Signals zu erzeugen, - Auswertemitteln zum Identifizieren der Phasenlage und der Frequenz des sich bewegenden Objekts anhand des Bewegungssignals, und - einem Bildaufnahmegerät zum Durchführen mindestens eines weiteren Scans bzw. eines Scans des sich bewegenden Objekts unter Einstellung der Aufnahmezeitpunkte entsprechend der Phasenlage und der Frequenz des sich bewegenden Objekts, wobei das Bildaufnahmegerät dazu konfiguriert ist, bei dem weiteren Scan bzw. dem Scan eine Scanebene mit einem Winkelvorschub zu rotieren, sodass das Bildaufnahmegerät eine Frequenz und eine Phasenlage aufweist, wobei eine Rückkopplung vom Bewegungszustand des sich bewegenden Objekts auf die Parameter der Aufnahme, nämlich auf die Frequenz und Phasenlage des Bildaufnahmegeräts, erfolgt, wobei nachfolgende kontinuierliche Scans mit einer geringfügig geänderten Phasenlage durchgeführt werden, sodass die gleiche Phasenlage der Objektbewegung bei anderen Winkelpositionen der Scanebene erreicht wird, und - Rekonstruktionsmittel zum Zusammensetzen der Scanebenen in einem Datenverarbeitungssystem zu dreidimensionalen Volumenbildern.
  7. Computerprogrammprodukt, welches einen auf einem computerlesbaren Medium gespeicherten Programmcode enthält, der eine Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bewirkt, wenn der Programmcode auf einem Computer ausgeführt wird.
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