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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen
der Erfindung betreffen die Ultraschallbildgebung und insbesondere
die ARFI-Bildgebung (Acoustic Radiation Force Impulse Bildgebung).
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Es
hat sich gezeigt worden, dass Gewebesteifigkeit einen Marker für
eine Erkrankung darstellt. Beispielsweise sind einige Krebsgewebe
steifer als das normale umliegende Gewebe. Behandlungen bestimmter Zustände,
wie beispielsweise eine Ablation, erzeugen ebenfalls steifere Geweberegionen.
Acoustic Radiation Force Impulse Bildgebung (ARFI-Bildgebung) bezeichnet
ein Verfahren zum Drücken bzw. Verformen von Gewebe mit
einem relativ langen und eine relativ hohe Intensität aufweisenden
akustischen Impuls und anschließendem Verfolgen bzw. Messen
der Verschiebung des Gewebes. Das ARFI-Bildgebungsverfahren gibt
Aufschluss über die Steifigkeit des Gewebes.
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Die
langen und eine hohe Intensität aufweisenden Impulse, die
im ARFI-Verfahren verwendet werden, können thermische Probleme
in dem Bildgebungssystem sowie in dem Objekt, das abgebildet wird,
hervorrufen. Gewöhnlich kann die während des ARFI-Verfahrens
erzeugte Erwärmung auf eine Wandlererwärmung und
eine Gewebeerwärmung aufgeteilt werden.
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Ein
Teil der elektrischen Energie, die zur Erregung der Kristalle/Keramik
oder sonstiger Materialien in dem Wandler verwendet wird, geht in
Form von Wärme verloren, wodurch eine Erwärmung
des Wandlers hervorgerufen wird. In dem ARFI-Verfahren stellt die
Wandlererwärmung aufgrund der erforderlichen Impulse hoher
Amplitude und langer Dauer ein Problem dar. Die internationale elektrotechnische
Kommission (IEC, International Electrotechnical Commission) fordert,
dass die Temperatur einer Ultraschallsondenoberfläche,
die mit dem Patienten in Kontakt gelangt, nie 43°C übersteigt
(IEC 60601-1). Im Allgemeinen kann eine Erwärmung des
Wandlers durch Modifizierung des Materials oder der Gestaltung der
Linse, durch Einfügung von Wärmemanagementeinrichtungen
in dem akustischen Stapel und durch die Verwendung aktiver Kühlvorrichtungen reduziert
werden.
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Im
Unterschied hierzu stellt eine Gewebeerwärmung, die mit
ARFI-Druckimpulsen im Zusammenhang steht, ein schwieriger zu bewältigendes
Problem dar. Obwohl der Temperaturanstieg im Inneren eines Körpers, der
abgebildet wird, mit Ultraschall basierten und MRI-basierten Verfahren
zur Temperaturfernerfassung überwacht werden kann, sind
diese mühsam, unzuverlässig oder teuer. Gewöhnlich
muss der Temperaturanstieg in dem Körper basierend auf
Modellen und Annahmen geschätzt werden. Selbst wenn die
Temperatur überwacht werden kann, kann nur wenig getan
werden, um die Wärme abzuführen. Folglich werden
Wege zur Reduktion der in das Gewebe eingebrachten Energiemenge
benötigt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
einer Ausführungsform ist ein Ultraschallbildgebungsverfahren
geschaffen. Das Verfahren enthält ein Identifizieren einer
Mehrzahl von Stellen innerhalb eines interessierenden Bereiches,
ein Zuführen einer Impulssequenz zu zwei oder mehreren
der Mehrzahl der Stellen in einer bestimmten Reihenfolge, wobei
die Impulssequenz einen Verformungs- oder Druckim puls und einen
Mess- oder Verfolgungsimpuls aufweist, und ein Anwenden einer Bewegungskorrektursequenz
auf jede von der Mehrzahl von Stellen, denen die Impulssequenz zugeführt
wird.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist ein Ultraschallbildgebungssystem
geschaffen. Das System enthält ein Wandlerarray, das konfiguriert
ist, um eine ARFI-Impulssequenz zu mehreren Stellen in einem interessierenden
Bereich zu liefern, wobei die ARFI-Impulssequenz einen Verfolgungsimpuls
und einen Druckimpuls aufweist, eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung
der Zufuhr der ARFI-Impulssequenzen zu den mehreren Stellen in einer
bestimmten Reihenfolge und zur Steuerung der Zufuhr einer Bewegungskorrektursequenz
und zur Anwendung der Bewegungskorrektursequenz auf jede der mehreren
Stellen, denen die Impulssequenz zugeführt wird, und eine
Signalverarbeitungseinheit zur Verarbeitung von den mehreren Stellen
empfangener Daten als Reaktion auf die mehreren ARFI-Impulssequenzen
und die Bewegungskorrektursequenz.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird,
in denen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen durchwegs gleiche
Teile bezeichnen und in denen zeigen:
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1–2 schematisierte
Darstellungen eines Bildgebungsverfahrens zur Reduktion der Wärme oder
thermischen Dosis in einem interessierenden Bereich gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Technik;
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3–5 schematisierte
Darstellungen einer beispielhaften Anwendung eines 2D-Kreuzkorrelationsalgorithmus
zur Erzielung einer Bewegungskorrektur gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Technik;
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6 ein
Flussdiagramm, das einen beispielhaften Algorithmus veranschaulicht,
der verwendet wird, um eine Gewebeerwärmung in dem interessierenden
Bereich zu reduzieren, gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Technik;
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7–9 schematisierte
Darstellungen von Beispielen für das Zuführen
der Impulssequenzen zu mehreren Stellen gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Technik; und
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10 eine
schematisierte Darstellung eines Ultraschallbildgebungssystems zur
Reduktion der Wärme oder thermischen Dosis in einem interessierenden
Bereich gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technik.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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In
bestimmten Ausführungsformen sind ein Ultraschallbildgebungsverfahren
und -system geschaffen. Das Bildgebungsverfahren gemäß der
vorliegenden Technik kann eine Reduktion der Wärme in einem
interessierenden Bereich (ROI, Region of Interest), der abgebildet
wird, ermöglichen. Das Verfahren enthält ein Identifizieren
mehrerer Stellen innerhalb des interessierenden Bereiches, ein Liefern
einer Impulssequenz zu zwei oder mehreren der mehreren Stellen in
einer bestimmten Reihenfolge. Die mehreren Stellen können
manuell oder durch Verwenden eines automatisierten Algorithmus ausgewählt
werden. Der ROI besteht aus einer Reihe von Vektoren oder Strahlen.
In dem hier verwendeten Sinne bezeichnen Vektoren Stellen zum Drücken und
Verfolgen, die verwendet werden, um ein ARFI-Bild zu erzeugen. Gewöhnlich
wird in einer Ultraschallbildgebung der ROI wiederholt abgehört,
indem dieselbe Gruppe von Vektoren mehrere Male abgefeuert und die Ergebnisse
als eine Reihe von Bildern angezeigt werden, die sich im Laufe der
Zeit verändern. Gewöhnlich werden die Orte der
Vektoren vom Rahmen zum Rahmen (vom Frame zum Frame) konstant gehalten.
In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet ein Frame bzw. Rahmen eine
Sammlung von Vektoren, die einen ROI ausmacht, die zu einem ähnlichen
Zeitpunkt abgefeuert werden. In einer Ausführungsform können
die mehreren Orte bzw. Stellen in einem einzelnen Rahmen existieren.
Die Reihenfolge, in der die Vektoren abgefeuert werden, ist ausgewählt,
um die zugeführte Wärme auf ein Minimum zu reduzieren,
wobei jedoch die gleichen Orte vom Rahmen zum Rahmen verwendet werden.
In einer anderen Ausführungsform können die mehreren
Orte Zwischengitterstellen sein, um eine Reduktion der thermischen
Dosis zu unterstützen. In dieser Ausführungsform
ist nicht nur die Reihenfolge der Vektoren anders, sondern die Orte
der Vektoren können ebenfalls vom Rahmen zum Rahmen variieren.
Beispielsweise kann der zweite Feuerungsrahmen Vektoren an Orte
feuern, die sich zwischen den Orten der Feuerungen in einem ersten
Rahmen befinden würden. Dies ermöglicht es, die
Lage der höchsten Energieeinbringung vom Rahmen zum Rahmen
zu verändern.
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Die
bestimmte Reihenfolge, für die die Impulssequenzen geliefert
werden sollen, kann beispielsweise auf der Basis einer Kostenfunktion
ausgewählt werden, die entworfen sein kann, um die gesamte
Wärmemenge oder thermische Dosis für eine gegebene
Stelle zu minimieren. Die Impulssequenz kann zu einer bestimmten
Stelle einmal oder mehrere Male geliefert werden. In Ausführungsformen,
in denen die Impulssequenz zu den Stellen nur ein einziges Mal geliefert
wird, kann die Impulssequenz einen Referenzimpuls, einen Druckimpuls
und einen Verfolgungsimpuls enthalten. In Ausführungsformen,
in denen die Impulssequenzen zu den mehreren Stellen zwei oder mehrere
Male geliefert werden, können die unterschiedlichen Impulssequenzen den
Referenzimpuls enthalten oder auch gegebenenfalls nicht. In einer
Ausführungsform, in denen die Impulssequenzen den Referenzimpuls
nicht enthalten, kann der Referenzimpuls zu der Stelle am Anfang
geliefert werden, wenn die Impulssequenz das erste Mal der Stelle
zugeführt wird, während die nachfolgenden Impulssequenzen
ohne irgendeinen Referenzimpuls geliefert werden können.
In einer weiteren Ausführungsform, in der die Impulssequenzen
den Referenzimpuls aufweisen, kann der Referenzimpuls mit jeder
Impulssequenz geliefert werden.
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In
bestimmten Ausführungsformen kann eine Bewegungskorrektursequenz
auf jede der mehreren Stellen angewandt werden, zu denen die Impulssequenz
geliefert wird. Die Bewegungskorrektursequenz trägt jeder
unfreiwilligen Bewegung des Bildgebungsobjektes, beispielsweise
eines Patienten, oder der Wandlersonde oder der Person (beispielsweise
der Sonografiefachkraft oder des Arztes), die die Bildgebung vornimmt, Rechnung. Das
Wandlerarray kann ein eindimensionales oder ein zweidimensionales
Array sein. Die Bewegungskorrektursequenz kann zwischen den Impulssequenzen
geliefert werden. Die Bewegungskorrektursequenz kann unmittelbar
vor oder nach der Lieferung einer Impulssequenz zu einer bestimmten
Stelle geliefert werden. In einer Ausführungsform kann
die Bewegungskorrektursequenz eine B-Mode-Sequenz enthalten. Die
B-Mode-Sequenz kann eine vollständige B-Mode-Sequenz oder
eine partielle B-Mode-Sequenz oder eine Kombination aus einer vollständigen
und einer partiellen B-Mode-Sequenz sein.
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1 veranschaulicht
ein Beispiel für ein Bildgebungsverfahren, das verwendet
werden kann, um die Wärme oder thermische Dosis in einem
interessierenden Bereich zu reduzieren. Zu Beginn werden mehrere Stellen
innerhalb des interessierenden Bereichs identifiziert. Wie in 1 veranschaulicht,
wird eine B-Mode-Impulssequenz 10 eines Ursprungsrahmens
unter Verwendung einer Wandlersonde 12 zu einem interessierenden
Bereich in einem einzelnen Rahmen 14 geliefert, der mehrere
Stellen aufweist. Das auf diese Weise akquirierte B-Mode-Bild des
Ursprungsrahmens dient als ein Referenzbild zur Bewegungskorrektur
der nachfolgenden Bilder. Das B-Mode-Bild des Ursprungsrahmens kann
einen Bezug zur Bewegungskorrektur während nachfolgender
Bildgebung liefern. Als nächstes kann eine erste Impulssequenz,
wie sie durch den Vektor 16 dargestellt ist, zu einer ersten
Stelle 18 geliefert werden.
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Nachfolgend
kann eine partielle B-Mode-Sequenz, wie sie durch die drei Vektoren 20 dargestellt
ist, in und um dieselbe Stelle 18 herum geliefert werden,
zu der die erste Impulssequenz 16 geliefert wird. Das von der
partiellen B-Mode-Sequenz, wie beispielsweise der Sequenz 20,
erhaltene Bild, kann mit dem Bild, das von der B-Mode-Impulssequenz 10 des
Ursprungsrahmens erhalten wurde, korreliert werden, um die Stel le der
Impulssequenz, wie beispielsweise der Impulssequenz 16,
im realen Raum zu bestimmen. Ferner können alle nachfolgenden
Feuerungen der Impulssequenzen mit dem B-Mode-Bild des Ursprungsrahmens
ausgerichtet werden. Durch Bestimmen der Lage der Impulssequenz
in dem realen Raum können die nachfolgenden Feuerungsstellen
der Impulssequenzen hinsichtlich der neu charakterisierten Bewegung
korrigiert werden. Außerdem kann ein Algorithmus angewandt
werden, um ein Bild (z. B. ein zweidimensionales Bild) durch Interpolation
zu einem Gitter (beispielsweise einem zweidimensionalen Gitter)
oder Sektor angesichts der bekannten Lage der Impulssequenzen im
realen Raum zu erzeugen. Allgemein ist die Impulssequenz (Druckimpuls und
ein Verfolgungsimpuls) eine lange Reihe von Feuerungen, und die
zusätzliche partielle B-Mode-Sequenz, die unmittelbar vor
oder nach der Impulssequenz gefeuert wird, nutzt lediglich einen
Bruchteil der durch die Impulssequenz genutzten Zeitdauer.
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In
einer Ausführungsform ist die Größe des
partiellen B-Mode auf der Basis des bestimmten Wertes einer thermischen
Dosis, der Bildgebungszeit oder der Bewegung von Geweben an wenigstens
einer der mehreren Stellen ausgewählt. In dem hier verwendeten
Sinne bezeichnet der Ausdruck „Größe
des partiellen B-Mode” die laterale Weite des partiellen
B-Mode-Bildes, während der Ausdruck „Dichte des
partiellen B-Mode” die Anzahl von Vektoren in dem partiellen
B-Mode bezeichnet. Die Größe und Dichte der partiellen
B-Mode-Sequenz kann auf der Basis einer Reihe von Faktoren ausgewählt
werden. Beispielsweise liefert eine große partielle B-Mode-Sequenz
mehr Daten zur Korrelation als eine kleine partielle B-Mode-Sequenz,
was eine bessere Bewegungskorrektur ergibt. Jedoch liegt, wenn die
partielle B-Mode-Sequenz größer wird, weniger Raum
vor, um das Fenster des interessierenden Bereiches in der ursprünglichen
B-Mode-Sequenz zu verschieben, so dass folglich der Bewegungsbereich
reduziert ist. Ferner steigt, wenn die Größe der
par tiellen B-Mode-Sequenz größer wird, die zur
Erfassung der Daten benötigte Zeitdauer. Außerdem
wird die Erwärmung aus den partiellen B-Mode-Übertragungen
größer. Zusätzlich wird in dem Fall,
wenn die Bewegung des ROIs nicht starr ist, wenn die Größe
der partiellen B-Mode-Sequenz größer wird und
ein Vergleich gegen eine nun verzerrte Version des ursprünglichen
B-Mode vorgenommen wird, eine schlechte Korrelation erhalten. Wenn
die Bewegung eine einfache Translation des gesamten Sichtfeldes
ist, wird die Korrelationsverarbeitung die Bewegung gut verfolgen.
Wenn jedoch die Bewegung komplexer ist und unterschiedliche Teile
des Gewebes sich um unterschiedliche Ausmaße oder in unterschiedlichen
Richtungen bewegen, ist die Korrelationsverarbeitung weniger effektiv.
Ein kleinerer partieller B-Mode bedarf es, dass die Bewegung über
einen kleineren Bereich hinweg konstant ist, und wird folglich durch
die gesamte unstarre Bewegung weniger beeinflusst.
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Als
nächstes kann eine zweite Impulssequenz, die durch den
Vektor 22 repräsentiert ist, an einer zweiten
Stelle 24 geliefert werden, die um einen Abstand 28 von
der gewünschten Stelle 30 verschoben ist. Diese Verschiebung
zwischen der gewünschten Stelle 30 und der tatsächlichen
Stelle 24 kann beispielsweise infolge der unbeabsichtigten
Verschiebung 26 der Position der Wandlersonde 12 verursacht
sein.
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Eine
partielle B-Mode-Sequenz, wie sie durch die drei Vektoren 32 dargestellt
ist, wird anschließend an der und um die tatsächliche
Position 24 herum geliefert. Als nächstes kann
eine dritte Impulssequenz, die durch den Vektor 34 dargestellt
ist, anschließend zu einer tatsächlichen Stelle 36 geliefert
werden, die beispielsweise aufgrund einer unbeabsichtigten Verschiebung 44 der
Position der Wandlersonde 12 um einen Abstand 38 von
der gewünschten Stelle 40 verschoben sein kann.
Eine partielle B-Mode-Sequenz, wie sie durch die drei Vektoren 36 dargestellt
ist, kann an der und um die tatsächliche Stelle 36 herum
geliefert werden.
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Nachfolgend
kann eine vierte Impulssequenz, wie sie durch den Vektor 50 dargestellt
ist, zu einer Stelle geliefert werden, die außerhalb des
Rahmens 14 liegen kann, was auf eine weitere Verschiebung 52 der Sondenposition
zurückzuführen ist. Die Verschiebung 52 der
Sondenposition hat eine Verschiebung 54 der gewünschten
Stelle 56 zur Lieferung der Impulssequenz 50 zur
Folge. Aufgrund dieser Verschiebung 52 der Sonde 12 kann
die partielle B-Mode-Sequenz 60 an der und um die tatsächliche
Stelle herum geliefert werden. Demgemäß kann wenigstens
ein Teil der B-Mode-Sequenz 16 außerhalb des Rahmens 14 fallen.
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In
einigen Ausführungsformen enthält jede von der
ersten, zweiten, dritten und vierten Impulssequenz 16, 22, 34 bzw. 50 einen
Druckimpuls und einen Verfolgungsimpuls. In anderen Ausführungsformen
enthält die erste Impulssequenz einen Referenzimpuls zusätzlich
zu dem Druckimpuls und dem Verfolgungsimpuls, während die
restlichen Impulssequenzen lediglich den Druckimpuls und den Verfolgungsimpuls
enthalten. In einigen Ausführungsformen können
all die Impulssequenzen einen Referenzimpuls, einen Druckimpuls
und einen Verfolgungsimpuls enthalten. Der Referenzimpuls kann geliefert
werden, um eine anfängliche Position der Stelle zu detektieren,
während der Druckimpuls zu einer Stelle geliefert werden
kann, um das Gewebe der Stelle zu einer ersten verschobenen Position
zu verdrängen und der Verfolgungsimpuls zu einer Stelle
geliefert werden kann, um die erste verschobene Position der Zielregion
zu detektieren. Der Druckimpuls kann ein einzelner Impuls oder eine
Kombination von Impulsen sein. In ähnlicher Weise kann
der Verfolgungsimpuls entweder ein einzelner Impuls oder eine Impulsreihe
sein.
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Die
Zufuhr der Impulssequenzen zu einer bestimmten Stelle kann zeitlich
getrennt erfolgen. Diese Trennung kann durch die Zeitdauer bestimmt
sein, die erforderlich ist, um dem Gewebe zu ermöglichen,
sich in einen bestimmten Zustand zurückzuversetzen, der
entweder der Anfangszustand oder ein etwas verschobener Zustand
sein kann. In einer Ausführungsform kann zusätzliche
Zeit, die auch als Abkühlzeit bezeichnet wird, zwischen
der Lieferung der Impulssequenzen hinzugefügt werden, um
eine Reduktion der Gewebeerwärmung zu ermöglichen.
Gewöhnlich bestimmt die Amplitude und Länge des
Druckimpulses das Tempo, in dem sich das Gewebe aufheizt. In Ausführungsformen,
in denen ein einzelner Rahmen eines Bildes erwünscht ist, kann
es möglich sein, das Bild ohne wesentliche Erwärmung
des Gewebes zu akquirieren. Wenn jedoch mehrere Frames erwünscht
sind, um beispielsweise eine Veränderung im Laufe der Zeit
zu verfolgen oder um eine Mittelungsmöglichkeit zu bieten,
kann sich dann eine kumulative Aufheizung ergeben. In einer Ausführungsform
kann die Abkühlzeit zwischen den einzelnen Impulssequenzen
in Abhängigkeit von der für die Anwendung erforderlichen
Anzahl von Frames eingestellt werden. Wenn beispielsweise ein einzelner
Frame oder eine kleine Anzahl von Frames benötigt wird,
kann die Abkühlzeit kleiner sein, wodurch eine schnellere
Erfassung ermöglicht wird. Hingegen kann in dem Fall, wenn
eine große Anzahl von Frames erforderlich ist, die Abkühlzeit
zwischen den Impulssequenzen vergrößert werden,
um den kumulativen Aufheizeffekt zu reduzieren.
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2 stellt
das akquirierte Bild, das durch die Vektoren 16, 22, 34 und 50 erzeugt
wird, und das akquirierte Bild, das durch die Vektoren 16, 23, 35 und 51 erzeugt
wird, und die Scannsequenz mit Bewegungskorrektur dar. Wie durch
das Bezugszeichen 27 veranschaulicht, überlappen
die gewünschten und tatsächlichen Vektoren der
Impulssequenzen einander nach der Anwendung einer Bewegungskorrektursequenz.
Anfangs, wenn die Sondenposition nicht verändert ist, sind
die tatsächlichen und gewünschten Stellen zur
Feuerung der Impulssequenzen 16 die gleichen. Wenn eine
Abtastumsetzung vorgenommen wird, um das Bild mit den Impulssequenzen
zu erhalten, ohne die Bewegungskorrektursequenz zu verwenden, wie
beispielsweise mit der Sequenz 10, 20, 32, 46 und 60,
kann das erhaltene Bild verzerrt sein. Durch Bereitstellung einer
Bewegungskorrektursequenz kann jedoch die Korrektur für
die unbeabsichtigte Bewegung der Sonde oder des gerade abgebildeten
Objektes oder der Fachkraft, die den Bildgebungsvorgang durchführt,
vorgenommen werden. Die partiellen B-Mode-Bilder, die anhand der
Sequenzen 20, 32, 46 und 60 erfasst
werden, können in Bezug auf das B-Mode-Bild des Ursprungsrahmens
der B-Mode-Impulssequenz 10 des Ursprungsrahmens registriert
werden. Die Wiederausrichtung der Bilder auf der Basis der Bewegungskorrektursequenz
kann durch Verwenden von Algorithmen bewerkstelligt werden. Zu nicht
beschränkenden Beispielen für derartige Algorithmen
gehören 2D-Block-Einpassung, 3D-Block-Einpassung, 1D-Kreuzkorrelation,
2D-Kreuzkorrelation, 3D-Kreuzkorrelation, Summe der Absolutwerte
der Differenzen, Summe der Quadratwerte der Differenzen und minimale
Entropie.
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Die
veranschaulichte Ausführungsform gemäß den 1–2 ist
in Bezug auf einen einzelnen Rahmen beschrieben. Jedoch kann ein ähnliches
Verfahren für mehr als einen einzelnen Rahmen angewandt
werden. In dem Fall von mehr als einem einzelnen Rahmen kann das
gleiche Verfahren für jeden Rahmen in einer Reihe von Rahmen
wiederholt werden. Ferner kann ein B-Mode-Referenzrahmen zwischen
jedem ARFI-Rahmen gefeuert werden, wobei anschließend ein
Bewegungskorrekturprozess für die ARFI-Rahmen unter Verwendung
der Referenz, die zeitlich am nächsten liegt, angewandt
werden kann. Alternativ kann sich jeder ARFI- Rahmen zurück
auf einen älteren B-Mode-Referenzrahmen beziehen.
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3, 4 und 5 veranschaulichen
ein Beispiel für eine Anwendung eines 2D-Kreuzkorrelationsalgorithmus,
der angewandt wird, um eine Bewegungskorrektur zu erzielen. 3 veranschaulicht
eine B-Mode-Sequenz 100 eines einzelnen Rahmens 102,
die zu einem interessierenden Bereich 106 unter Verwendung
einer Wandlersonde 104 geliefert wird. Das B-Mode-Bild,
das durch die B-Mode-Sequenz 100 erzeugt wird, kann als
ein Referenzbild zur Ausrichtung der nachfolgenden Bilder verwendet
werden. Wie erkannt wird, können mehr als eine einzelne
Impulssequenz zu einer gegebenen Stelle geliefert werden. Der Vektor 108 repräsentiert
eine gewünschte Stelle für eine repräsentative
Impulssequenz in einer Reihe von Feuerungen, die zu unterschiedlichen
Stellen in dem Rahmen 102 geliefert werden, und der Vektor 110 repräsentiert
eine tatsächliche Stelle für die Impulssequenz 110.
Als nächstes wird eine partielle B-Mode-Sequenz 112 zu
dem gleichen interessierenden Bereich 114 wie die tatsächliche
Impulssequenz 110 geliefert. Die partielle B-Mode-Sequenz 112 wird
verwendet, um die Stelle der Impulssequenz 110 abzuschätzen.
Wie veranschaulicht, existiert eine Verschiebung zwischen der tatsächlichen
und der gewünschten Stelle der Impulssequenzen, wie sie
durch die Vektoren 110 bzw. 108 dargestellt sind.
Der interessierende Bereich 114 repräsentiert einen
Bereich, zu dem die partielle B-Mode-Sequenz 112 geliefert
wird. Um die Verschiebungsdifferenz zwischen der gewünschten
Stelle der Impulssequenz 108 und der tatsächlichen
Stelle der Impulssequenz 110 zu bestimmen, wird ein Kreuzkorrelationsalgorithmus
eingesetzt.
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4 veranschaulicht
eine beispielhafte Anwendung eines Kreuzkorrelationsalgorithmus
zur Bestimmung der Stelle des interessierenden Bereiches 114 relativ
zu dem interessierenden Bereich 106 des Referenzbildes.
In den veranschaulichten Ausführungsformen richtet der
Algorithmus den interessierenden Bereich 114 über
dem anfänglichen B-Mode-Bild 100 aus. An jeder
Stelle 120, 122, 124, 126 und 128 des
interessierenden Bereiches 114 in dem anfänglichen
B-Mode-Bild 100 wird die Größe bzw. der
Betrag der Kreuzkorrelation zwischen den Daten aus dem partiellen
B-Mode 112 und dem Bewegungsfenster des ROIs 114 in
dem anfänglichen B-Mode berechnet. Die Korrelationsgröße
ist in 5 veranschaulicht. Die Abszisse 130 repräsentiert
die Verschiebung des interessierenden Bereiches 114, und
die Ordinate 132 repräsentiert den Wert der Korrelationsgröße
bzw. des Korrelationsbetrages, der durch Anwenden des Kreuzkorrelationsalgorithmus abgeleitet
wird. Die Korrelationsgröße hat den Maximalwert
an der Stelle 134, an der der ROI 114 zu den B-Mode-Daten 106 am
besten ausgerichtet ist.
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Obwohl 4 den
ROI 114 veranschaulicht, wie er sich nur von links nach
rechts bewegt, sollte es verständlich sein, dass andere
Bewegungen des ROIs ebenfalls in Erwägung gezogen werden.
Beispielsweise ist es ferner möglich, den ROI nach oben
und nach unten zu bewegen. In dem Fall dreidimensionaler Daten ist
es möglich, den ROI in und außerhalb einer Ebene
zu bewegen.
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Wenn
die Verschiebungen für all die Vektoren in der Sequenz
bestimmt worden sind, kann die Abtastumsetzung ein Bild in der Ebene
unter Verwendung der tatsächlichen Stellen der Vektoren
interpolieren, wodurch jede Verzerrung, die durch die Bewegung eingebracht
wird, entfernt wird.
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In
bestimmten Ausführungsformen kann ein ähnliches
Verfahren, wie es im Zusammenhang mit den 3–5 beschrieben
ist, verwendet werden, um die Stelle der voraussichtlichen Feuerungen
auf der Basis der berechneten Lage der vorherigen Feuerungen anzupassen.
Auf diese Weise können Impulssequenzvektoren in dem Fall
einer Bewegung gleichmäßiger verteilt werden.
Ferner kann die Bewegung vorheriger Vektoren verwendet werden, um
die voraussichtliche Bewegung vorherzusagen, und die Anpassung der
Feuerungsstellen kann vorgenommen werden, um die voraussichtliche
Bewegung zu kompensieren. Ein Indikator für die Qualität
der Impulssequenzdaten kann auf einem Anzeigeschirm angezeigt werden,
um einem Benutzer eine Rückmeldung über das Bild
zu liefern. Dieser Qualitätsindikator kann auf Korrelationsgrößen
der Impulssequenzverfolgung basieren. Der Qualitätsindikator
kann auf der in 5 beschriebenen Korrelationsgröße des
Bewegungskompensationsalgorithmus basieren. Ein derartiger Qualitätsfaktor
kann angezeigt werden, um die Technik des Benutzers zu verbessern
und um Daten schlechter Qualität zu verwerfen.
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Wie
oben erwähnt, kann die Scannsequenz in bestimmten Ausführungsformen
modifiziert werden, um die Erwärmung des Gewebes in dem
interessierenden Bereich auf ein Minimum zu reduzieren. Das Zuführen einer
Impulssequenz in wiederholter Weise in der gleichen Richtung hat
eine gesteigerte Gewebeerwärmung zur Folge, weil die gesamte
Energie an der gleichen Stelle eingebracht wird. Jedoch kann die
Zufuhr von Impulssequenzen an räumlich nahegelegenen Stellen
zeitnah zueinander ebenfalls zu einer gesteigerten Gewebeerwärmung
führen. Folglich kann die Scannsequenz gewählt
werden, um die Gewebeerwärmung zu minimieren. 6 zeigt
ein Flussdiagramm 140 eines Beispiels für einen
Algorithmus, der verwendet werden kann, um die Gewebeerwärmung
in dem interessierenden Bereich zu reduzieren. In der veranschaulichten
Ausführungsform beginnt das Verfahren mit dem Auswählen
eines interessierenden Bereiches (Block 142). Der interessierende
Bereich kann beispielsweise durch den Bediener ausgewählt
werden. In Block 144 wird für das Bild ein gewünschtes
Qualitätsniveau ausgewählt. Bei der Auswahl des
Qualitätsniveaus kann ein Kompromiss zwischen der zulässigen
thermischen Dosis für das Gewebe und der Qualität
oder Art von aus dem Bild akquirierten Informationen getroffen werden.
Der Bediener, beispielsweise der Arzt, muss gegebenenfalls die thermische
Dosis und die Gefahr einer Beschädigung gegen den möglichen
Nutzen aus der Diagnose abwägen. In Block 146 werden
mehrere Stellen innerhalb des interessierenden Bereiches zur Zuführung
der Impulssequenzen bestimmt. Für einen gegebenen interessierenden
Bereich können die Stellen auf der Basis der gewünschten
Qualität des Bildes ausgewählt werden.
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In
Block 148 wird eine Reihenfolge der Zufuhr der Impulssequenzen
zu den mehreren Stellen bestimmt. Die erste Druckstelle der bestimmten
Reihenfolge kann entweder willkürlich gewählt
werden, oder sie kann eine Druckstelle aus einem vorherigen Rahmen
sein oder durch den Bediener ausgewählt werden. Die bestimmte
Reihenfolge kann auf einer Kostenfunktion basieren, die für
jede der möglichen Stellen, an denen die Impulssequenz
geliefert werden soll, ausgewertet werden kann. Die Kostenfunktion
kann entwickelt sein, um die gesamte thermische Dosis und den Höchsttemperaturanstieg
zu minimieren. In einer Ausführungsform basiert die Kostenfunktion
auf thermischen Modellen des Systems. Im Block 150 werden
die Impulssequenzen zu jeder der mehreren Stellen geliefert. Die
Druckstelle, die die Kostenfunktion minimiert (und folglich die
thermische Belastung minimiert), wird als die nächste Druckstelle
ausgewählt. Optional kann in Block 152 auf der Basis
thermischer Modelle oder absoluter Regeln eine Abkühlverzögerung
vorhanden sein, die an jedem beliebigen Punkt in der obigen Scannsequenz
eingefügt sein kann um sicherzustellen, dass der Temperaturanstieg
ein akzeptables Niveau hat. Wenn beispielsweise die Kostenfunktion
für die nächste Position höher ist als
ein Schwellenwert (d. h., wenn die thermische Dosis mit der nächsten
Feuerung deutlich ansteigt), dann kann eine Abkühlverzögerung durch
den Algorithmus eingefügt werden. Dieser Prozess wird wiederholt,
bis der gesamte interessierende Bereich in der Reihenfolge der Feuerung
platziert worden ist. Eine Abkühlverzögerung kann
beispielsweise eingefügt werden, indem die Wandlersonde
zwischen der Lieferung von zwei oder mehreren Impulssequenzen abgeschaltet
wird. In Block 152 wird eine Bewegungskorrektursequenz
auf die mehreren Stellen angewandt. Die Bewegungskorrektursequenz
kann auf eine ähnliche Weise angewandt werden, wie sie
in Bezug auf die 1–5 erläutert
ist.
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In
Ausführungsformen, in denen mehrere Rahmen abzubilden sind,
wird der in dem Flussdiagramm 140 veranschaulichte Prozess über
die nachfolgenden Rahmen wiederholt. In einigen dieser Ausführungsformen
können die Druckstellen zu Zwischengitterstellen überführt
werden, um eine Reduktion der Erwärmung an dem Höchstwert
reduzieren zu helfen. Diese Verschiebung kann in der Abtastumsetzung
berücksichtigt werden. Diese Bewegung kann die gesamte
thermische Dosis reduzieren.
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In
einer Ausführungsform basiert die Kostenfunktion auf einem
Finite-Elemente-Modell der räumlich-zeitlichen Temperaturverteilung.
In dieser Ausführungsform kann das Finite-Elemente-Modell
ein/eine oder mehrere von einem Wandlerfeld, einem Ultraschallfeld
und einer durch die Ultraschallübertragung erzeugten Wärmeverteilung
modellieren. In einer anderen Ausführungsform können
im Verhältnis einfachere Ultraschallfeldmodelle, die schneller
berechnet werden können, als Eingaben zu einem Finite-Elemente-Modell verwendet
werden, das die Temperaturverteilung berechnet. Das Finite-Elemente-Modell
kann ein einfaches homogenes Material modellieren, oder es kann
eine typische Konfiguration, wie beispielsweise eine Hautschicht,
eine Fettschicht und eine Weichgewebeschicht annehmen, oder es könnte
auf einem komplizierten Modell beruhen, das aus einem Ultraschall-,
CT-, MR-Bildgebungs- oder sonstigen Bild geschaffen wird.
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In
einer Ausführungsform kann ein vereinfachtes Modell verwendet
werden, um die thermischen Kosten einer Feuerung zu bestimmen. In
dieser Ausführungsform wird angenommen, dass die thermische
Dosis, die durch eine Druckimpulsfeuerung zugeführt wird,
eine Gaußsche räumliche Verteilung in der Querabmessung
(lateralen Dimension) aufweist. In der vorliegenden Ausführungsform
wird der Einfachheit halber ein Modell für die Querverteilung
(laterale Verteilung) bereitgestellt. Gleichwohl können
auch die Verteilungen in Axialrichtung und in Evelationsrichtung
modelliert werden. Es wird angenommen, dass die Temperatur- oder
Wärmeverteilung die Formen einnimmt, die durch die Gleichung
1 angegeben wird:
wobei
S(x) die räumliche Variation in der Wärmeverteilung
ist, x die laterale Raumkoordinate ist, x
o die
spätere Position des Fokus des Ultraschall-Druckstrahlbündels
ist und σ die charakteristische Weite des thermischen Strahls
ist. σ ist eine Funktion des Gewebes und eine Funktion
des Druckimpulses.
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Es
wird angenommen, dass der Zeitabschnitt der räumlich-zeitlichen
Verteilung anhand einer exponentiellen Abklingfunktion der durch
die Gleichung 2 angegebenen Form modelliert wird.
wobei
T(t) die zeitliche Variation der Wärmeverteilung ist, t
die Zeit ist und τ die charakteristische Abklingzeit ist,
die eine Funktion des Gewebes ist.
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Ferner
wird angenommen, dass der thermische Beitrag von einem bestimmten
Druckimpuls an einer bestimmten Stelle und zu einem gegebenen Zeitpunkt
das Produkt aus dem räumlichen und dem zeitlichen Faktor
ist. D(x, t) = S(x)·T(t) Gleichung 3.
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Alternativ
wird angenommen, dass der gesamte thermische Beitrag an einer bestimmten
räumlichen Stelle und zu einem bestimmten Zeitpunkt durch
die Summe der thermischen Beiträge all der zuvor gefeuerten Druckstrahlen
ist.
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Bei
einem gegebenen Satz von Vektoren in einem interessierenden Bereich
kann die Feuerungsreihenfolge wie folgt bestimmt werden. Um zu beginnen,
wird ein erster zu feuernder Vektor ausgewählt. Es werden
Werte D(x, t) für jeden der restlichen möglichen
Vektoren unter Verwendung der Gleichung (3) berechnet, worin x die
Stelle der möglichen Feuerung ist und t die derzeitige
Feuerungszeit ist. Die Summe der Werte D(x, t) für jeden
der zuvor gefeuerten Druckvektoren wird bestimmt, und der Vektor
mit der minimalen Summe ist der nächste zu feuernde Vektor.
In Ausführungsformen, in denen die Summe der Werte D(x,
t) größer ist als ein Schwellenwert, kann anschließend
eine Verzögerung eingeführt werden, bevor die
nächste Impulssequenz abgefeuert wird.
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Als
nächstes wird eine Feststellung getroffen, welcher der
möglichen Vektoren die minimale Summe der thermischen Beiträge
aufweist. Der Vektor mit der minimalen Summe wird der nächste
zu feuernde Vektor. Wenn die Summe größer ist
als ein Schwel lenwert, wird anschließend eine Abkühlverzögerung
eingeführt, bevor die Impulssequenz an der nächsten
Stelle geliefert wird. Die Abkühlverzögerung kann
derart bestimmt werden, dass die Summe von D(x, t) für
den nächsten Wert von t unter dem Schwellenwert liegt.
Dieser Prozess wird anschließend wiederholt, bis all die
Vektoren in dem interessierenden Bereich einer Feuerung in einem bestimmten
Zeitpunkt zugewiesen worden sind.
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Der
räumliche charakteristische Abstand, σ, und die
zeitliche charakteristische Zeit, τ, beeinflussen gewöhnlich
die Feuerungsreihenfolge. Diese Werte sollten für die bestimmten
Gewebe und Ultraschallstrahlparameter, die verwendet werden, bestimmt
werden. 7–9 veranschaulichen
Beispiele für die Lieferung der Impulssequenzen zu den
mehreren Stellen in einer bestimmten Reihenfolge. In den veranschaulichten Ausführungsformen
gemäß den 7–9 werden
die Werte von σ variiert. In der veranschaulichten Ausführungsform
nach 7 wird der Wert von σ bei 5 gehalten,
während in 8 der Wert von σ bei
25 gehalten wird und in 9 der Wert von σ bei
50 gehalten wird. Die Abszisse 170 repräsentiert
die bestimmte Reihenfolge der Impulssequenz, und die Ordinate 172 repräsentiert
die Stelle, zu der die Impulssequenz der bestimmten Nummer geliefert
wird. In den Ausführungsformen sind die mehreren Stellen,
zu denen die Impulssequenzen geliefert werden sollen, um 1 Abstandseinheit
voneinander getrennt, und die Zeitpunkte zwischen der Lieferung
der Impulssequenzen zu den mehreren Stellen sind durch 1 Zeiteinheit
voneinander getrennt. In diesen Ausführungsformen wird τ konstant
bei 10 Zeiteinheiten gehalten. Wie in 7 veranschaulicht,
variiert die bestimmte Reihenfolge mehr für kleinere Werte
von σ (σ = 5), d. h. für eine schmale
Weite des Strahlbündels. Hingegen pendelt die bestimmte
Reihenfolge zwischen den Extremwerten hin und her, wenn der Wert
von σ vergrößert wird, d. h., wenn die
Weite des Strahls von 5 (7) zu 50 (9)
vergrößert wird. Der be schriebene Algorithmus
kann von der Auswahl der Kostenfunktion zur Bestimmung der Reihenfolge
der Lieferung von Impulssequenzen zu den mehreren Stellen abhängig
sein.
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10 veranschaulicht
ein Ultraschallbildgebungssystem 180, das ein Wandlerarray 182 aufweist. Das
Wandlerarray 182 kann ein eindimensionales oder ein zweidimensionales
Array sein. Das Wandlerarray 182 kann auf eine zweidimensionale
Ebene gerichtet sein, die eine oder mehrere Zielregionen aufweist.
Der Referenzimpuls, der Druckimpuls und der Verfolgungsimpuls können
unter Verwendung des Wandlerarrays 182 geliefert werden.
Gewöhnlich steht das Wandlerarray 182 in physischem
Kontakt mit dem Objekt, während es die Impulse liefert.
Das Ultraschallbildgebungssystem 180 kann ferner Sendeschaltkreise 184 und
Empfangsschaltkreise 186 in betriebsfähiger Verbindung
mit dem Wandlerarray 182 enthalten, um jeweils die Impulse
zu liefern und Informationen von den mehreren Stellen, zu denen
die Impulssequenz geliefert wird, zu empfangen. Sowohl die Sendeschaltung 184 als
auch die Empfangsschaltung 186 sind mit einer Steuerungseinrichtung 188 elektronisch
gekoppelt. Die Steuerungseinrichtung 188 steuert die Impulssequenzen,
einschließlich des Zeitpunkts der Lieferung des Verfolgungsimpulses
nach der Lieferung des Druckimpulses und der Lieferung der Bewegungskorrektursequenz.
Ferner kann die Steuerungseinrichtung 188 eine Indexierung und
Speicherung von Informationen, die von den mehreren Stellen empfangen
werden, an denen die Impulssequenz geliefert wird, unterstützen
oder ermöglichen. Die von den mehreren Stellen empfangenen
Informationen können in der Speichervorrichtung 190 gespeichert
werden, um später im Laufe der Zeit verarbeitet zu werden.
In einem Beispiel kann die Speichervorrichtung 190 einen
Direktzugriffsspeicher enthalten, wobei jedoch andere Speichervorrichtungen
verwendet werden können. Die Speichervorrichtung 190 kann
verwendet werden, um Informationen, wie beispielswei se die Anfangsposition
der Zielregion und die verschobene Position der Zielregion, zu speichern.
Eine Signalverarbeitungseinheit 192 verarbeitet anschließend
die in der Speichervorrichtung 190 abgespeicherten Informationen.
Alternativ kann die Signalverarbeitungseinheit 192 die
Informationen von der Steuerungseinrichtung 188 unmittelbar
nutzen, um Bilder für die mehreren Stellen zu erzeugen.
Das verarbeitete Bild wird unter Verwendung einer Anzeigevorrichtung 194,
wie beispielsweise eines Monitors, angezeigt. Obwohl dies nicht
veranschaulicht ist, kann anstelle der Anzeigevorrichtung 194 eine Messvorrichtung
für eine Punktmessung einer Verschiebung der Zielregion
eingesetzt werden. Bestimmte Elemente, die in 10 veranschaulicht
sind, können weggelassen werden, oder die Funktionalität
bestimmter Elemente kann mit denen anderer Elemente kombiniert werden.
Beispielsweise kann die Signalverarbeitungseinheit 418 als ein Teil
der Steuerungseinrichtung 188 bereitgestellt werden.
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In
einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere
Parameter des Druckimpulses oder des Verfolgungsimpulses von einer
Stelle zu einer anderen geändert werden. In einer anderen
Ausführungsform können die Parameter des Druckimpulses
oder des Verfolgungsimpulses variiert werden, während ein
nachfolgender Impuls zu derselben Stelle geliefert wird. In einer
Ausführungsform kann der eine oder können die
mehreren Parameter, die variiert werden können, eine Amplitude,
eine Höchstleistung, eine mittlere Leistung, eine Länge
(Länge des Druckimpulses oder die Länge des Druckimpulspaketes),
eine Frequenz, eine Wellenform oder Kombinationen von diesen enthalten.
In einer anderen Ausführungsform kann die Pulswiederholfrequenz (PWF)
des Verfolgungsimpulses variiert werden.
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Während
lediglich bestimmte Merkmale der Erfindung hierin veranschaulicht
und beschrieben sind, werden Fachleuten auf dem Fachgebiet viele
Modifikationen und Veränderungen einfallen. Es ist deshalb
zu verstehen, dass die beigefügten Ansprüche all
derartige Modifikationen und Veränderungen, sofern sie
in den Rahmen der Erfindung fallen, mit umfassen sollen.
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Es
ist ein Ultraschallbildgebungsverfahren geschaffen. Das Verfahren
enthält: Identifizieren mehrerer Stellen innerhalb eines
interessierenden Bereiches, Liefern einer Impulssequenz zu zwei
oder mehreren der mehreren Stellen in einer bestimmten Reihenfolge,
wobei die Impulssequenz einen Druckimpuls und einen Verfolgungsimpuls
aufweist, und Anwenden einer Bewegungskorrektursequenz auf jede
der mehreren Stellen, wohin die Impulssequenz geliefert wird.
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- 10
- B-Mode-Impulssequenz
- 12
- Wandlersonde
- 14
- Einzelner
Rahmen, Frame
- 16
- Erste
Impulssequenz
- 18
- Erste
Stelle
- 20
- Partielle
B-Mode-Sequenz
- 22
- Zweite
Impulssequenz
- 24
- Zweite
Stelle
- 26
- Verschiebung
- 27
- Überlappung
zwischen tatsächlichen und gewünschten Stellen
- 28
- Abstand
- 30
- Gewünschte
Stelle
- 32
- Partielle
B-Mode-Sequenz
- 34
- Dritte
Impulssequenz
- 36
- Tatsächliche
Stelle
- 38
- Abstand
- 40
- Gewünschte
Stelle
- 44
- Unbeabsichtigte
Verschiebung
- 46
- Partielle
B-Mode-Sequenz
- 52
- Verschiebung
- 54
- Verschiebung
- 56
- Gewünschte
Stelle
- 60
- B-Mode-Sequenz
- 100
- B-Mode-Sequenz
- 102
- Einzelner
Rahmen, Frame
- 104
- Wandlersonde
- 106
- Interessierender
Bereich
- 108
- Gewünschte
Stelle
- 110
- Tatsächliche
Position
- 112
- Partielle
B-Mode-Sequenz
- 114
- Interessierender
Bereich
- 120–128
- Stellen
- 130
- Abszisse
- 132
- Ordinate
- 134
- Höchstwert
- 140
- Flussdiagramm
- 142–152
- In
dem Verfahren nach dem Flussdiagramm umfasste Schritte
- 170
- Abszisse
- 172
- Ordinate
- 180
- Ultraschallbildgebungssystem
- 182
- Wandlerarray
- 184
- Sendeschaltkreise
- 186
- Empfangsschaltkreise
- 188
- Steuerungseinrichtung
- 190
- Speichervorrichtung
- 192
- Signalverarbeitungseinheit
- 194
- Anzeigevorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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