DE102014001994B4

DE102014001994B4 - Adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall

Info

Publication number: DE102014001994B4
Application number: DE102014001994.2A
Authority: DE
Inventors: Wilko Gerwin Wilkening
Original assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2034-02-18
Also published as: JP2014161735A; KR102223052B1; US20140243667A1; DE102014001994A1; JP6272707B2; US9168027B2; CN104013419A; KR20140105410A; CN104013419B

Abstract

Ein Verfahren für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
das Erfassen (32) von ersten Gewebeantworten bei einer ersten Frequenz für mehrere Orte;
das Erfassen (32) von zweiten Gewebeantworten bei einer zweiten Frequenz für die mehreren Orte;
das Schätzen (40), durch einen Prozessor (22), eines Schalldrucks an mindestens einem der Orte, wobei der Schalldruck in Abhängigkeit von den ersten und den zweiten Antworten geschätzt wird; und
das Einstellen (38) einer akustischen Ausgabe eines Wandlers (12) in Abhängigkeit von dem Schalldruck.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegenden Ausführungsformen betreffen den medizinischen Einsatz von Ultraschall. Im Speziellen das Anpassen des Schalldrucks von Ultraschall für den diagnostischen oder therapeutischen Bedarf.
Bei Ultraschall-Kontrastmitteln handelt es sich um stabilisierte Mikrobläschen. Kontrastmittel sind druckempfindlich. Hohe Schalldrücke zerstören die Mikrobläschen. Um keine Mikrobläschen zu zerstören, wird die Sendeleistung im Vergleich zu typischen B-Modus-Bildgebungsbedingungen typischerweise um 10 dB - 30 dB reduziert. Darüber hinaus kann in Geweben die nichtlineare Antwort eines Mikrobläschens schwächer sein als die lineare Antwort eines Streuers. Somit ist das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio, SNR) von Kontrastbildern niedrig, sodass es wünschenswert ist, die maximale Leistung zu nutzen, bei der die Mikrobläschen nicht platzen.
Ein Anpassen der Sendeleistung zum Verbessern des SNR oder zum Minimieren der Bläschenzerstörung beeinträchtigt die Datenerfassung, da die Anpassung nur durchgeführt werden kann, nachdem die Mikrobläschen in die Bildgebungsebene eingetreten sind. Eine derartige Anpassung der Sendeleistung ist beispielsweise aus der WO 2010 / 017 419 A2 oder der US 2006 / 0 030 779 A1 bekannt. Bevor eine Erfassung mit höherer Qualität wiederholt werden kann, haben die Mikrobläschen den Blutstrom verlassen (z. B. nach etwa 15 Minuten). Darüber hinaus ist die mehrfache Injektion von Kontrastmitteln unter dem Aspekt der Patientensicherheit und unter Kostenaspekten nicht wünschenswert.
Bei ihren Bemühungen, die Sendeleistung vor der Injektion von Kontrastmitteln einzustellen, verwenden Kliniker den MI-Wert (mechanischer Index) als Indikator für den Schalldruck. Der MI-Wert ist zwar an den Schalldruck gekoppelt, aber der MI-Wert berücksichtigt nicht die Anatomie des Patienten und liefert keine Informationen zu der Verteilung des Schalldrucks in der Bildgebungsebene. Erfahrene Kliniker können Anpassungen auf Basis des SNR des B-Modus-Bildes vornehmen; dies ist jedoch spekulativ.
Für die Ultraschalltherapie muss eine gewünschte thermische Dosis auf den Patienten angewendet werden. Eine zu hohe thermische Dosis kann gesundes Gewebe schädigen, und mit einer zu geringen thermischen Dosis wird gegebenenfalls keine vollständige Behandlung des Patienten erzielt. Allerdings können verschiedene dazwischen liegende Strukturen unerwartete thermische Dosen zur Folge haben. Wie bei der Kontrastmittel-Bildgebung ist die Möglichkeit, den tatsächlichen Druck vorherzusagen, eingeschränkt.
Andere therapeutische Anwendungen können bestimmte Schalldruckpegel erfordern, beispielsweise um Arzneimittel aus Mikrobläschen freizusetzen, indem deren Hülle zerstört wird, oder um eine stabile Kavitation herzustellen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Einleitend umfassen die nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen Verfahren, Systeme, computer-lesbare Medien und Anweisungen für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall. Die Gewebeantworten eines spezifischen Patienten bei unterschiedlichen Frequenzen werden gemessen. Die Antworten werden verwendet, um den Schalldruck zu bestimmen. Die Messung in einem spezifischen Patienten passt die Schätzung an den Patienten an. Der Schalldruck für die gewünschten Orte wird bestimmt, um die Sendeleistung auf den gewünschten Pegel einzustellen, beispielsweise für die Kontrastmittel-Bildgebung mit hohem SNR, aber mit begrenzter Zerstörung des Kontrastmittel, oder um die gewünschte thermische Dosis oder den gewünschten Schalldruck für therapeutische Zwecke bereitzustellen.
Bei einem ersten Aspekt wird ein Verfahren für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall bereitgestellt. Erste Antworten werden bei einer ersten Frequenz für mehrere Orte erfasst. Zweite Antworten werden bei einer zweiten Frequenz für die mehreren Orte erfasst. Ein Schalldruck an einem oder mehreren Orten wird geschätzt. Der Schalldruck wird in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Antworten geschätzt. Eine akustische Ausgabe wird in Abhängigkeit von dem Schalldruck festgelegt.
Bei einem zweiten Aspekt sind auf einem nichttransitorischen computer-lesbaren Speichermedium Daten gespeichert, welche Anweisungen repräsentieren, die von einem programmierten Prozessor für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall ausgeführt werden können. Das Speichermedium umfasst Anweisungen für das Bestimmen der Gewebeantwort auf akustische Energie in einem ersten und einem zweiten Frequenzband, wobei eine Sendeleistung in Abhängigkeit von der Gewebeantwort in dem ersten und dem zweiten Frequenzband eingestellt wird, und wobei eine Kontrastmittel-Bildgebung oder eine Schalltherapie unter Verwendung der Sendeleistung durchgeführt wird.
Bei einem dritten Aspekt wird ein Ultraschallsystem für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall bereitgestellt. Ein Sendeverstärker ist mit einem Wandler verbunden. Ein Prozessor ist so konfiguriert, dass er eine Sendeleistung des Sendeverstärkers in Abhängigkeit von einem ersten Amplitudenprofil in Abhängigkeit von der Tiefe bei einer ersten Frequenz und einem zweiten Amplitudenprofil in Abhängigkeit von der Tiefe bei einer zweiten, von der ersten Frequenz abweichenden Frequenz herstellt.
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden weiter unten in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen besprochen. Die vorliegende Erfindung ist durch die nachfolgenden Ansprüche definiert, und nichts in diesem Abschnitt sollte als Einschränkung dieser Ansprüche verstanden werden.
Figurenliste
Die Komponenten und Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet; Schwerpunkt ist vielmehr die Darstellung der Prinzipien der Ausführungsformen. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugsnummern die entsprechenden Teile in den verschiedenen Ansichten.

1 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall;
2 zeigt eine grafische Darstellung von beispielhaften Amplitudenprofilen bei unterschiedlichen Empfangsfrequenzen und Sendeleistungspegeln;
3 zeigt eine grafische Darstellung von anderen beispielhaften Amplitudenprofilen bei unterschiedlichen Empfangsfrequenzen und Sendeleistungspegeln, aber mit einer anderen Sendefokustiefe als in 2; und
4 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Ultraschall-Kontrastbildgebung erfordert eine sorgfältige Anpassung der akustischen Ausgangsleistung, um eine Zerstörung des Kontrastmittels zu vermeiden und die Empfindlichkeit zu maximieren. Ein Schalldruck unterhalb des Optimums kann eine verminderte Empfindlichkeit und/oder Penetration zur Folge haben. Ein Schalldruck oberhalb des Optimums kann eine zu starke Zerstörung der Kontrastmittel zur Folge haben. In ähnlicher Weise profitiert die Ultraschalltherapie von einer präzisen Einstellung der akustischen Energie, um die gewünschte Dosis oder den gewünschten Druck bereitzustellen.
Die Ausbreitung von Ultraschall in biologischem Gewebe erfolgt nichtlinear, woraus sich mehrere Spektralkomponenten in dem empfangenen Echosignal ergeben. Durch Analysieren der Amplituden von Spektralkomponenten, die unterschiedliche Abhängigkeiten von dem übertragenen Schalldruck aufweisen, beispielsweise linearer und quadratischer Art, kann der Schalldruck in einem Zielorgan geschätzt und angepasst werden, um die Kontrastbildgebung oder die Schalltherapie zu optimieren.
So kann beispielsweise der Schalldruck im Innern des Körpers durch Messen von Intensitätsprofilen (Intensität gegen Tiefe) für die Grundkomponente (Fundamentale) und die harmonische (z. B. zweite) Komponente von empfangenen Echos geschätzt werden. Die Fundamentale und die harmonischen Antworten werden an mehreren Orten in der Bildgebungsebene oder in dem Bildgebungsraum bestimmt. Diese Bestimmung kann in weniger als einer Minute oder in wenigen Minuten erfolgen, bevor das Kontrastmittel die Region von Interesse erreicht, so dass eine Ultraschalluntersuchung kaum länger dauert als üblich. Der absolute Schalldruck wird anhand der Antworten für mindestens einen Ort geschätzt. Die akustische Ausgabe wird als Antwort auf die Druckschätzung angepasst oder auf andere Weise eingestellt, um eine optimale Kontrastbildqualität zu erzielen.
Gewebe kann „dunkel“ sein, weil dort nicht viel Schall hingelangt oder weil das Gewebe nicht viel streut. Die nichtlineare Ausbreitung wird durch Streuung nicht stark beeinflusst. Aus diesem Grund kann eine starke zweite Harmonische im Vergleich zu der Fundamentalen aus „dunklem“ Gewebe resultieren, wodurch angezeigt wird, dass der Schalldruck tatsächlich hoch ist. Durch genaue Vorhersage des Drucks lässt sich die Echogenität des Gewebes besser bestimmen.
1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall. Die Gewebeantworten auf Ultraschall bei unterschiedlichen Frequenzen werden verwendet, um den Schalldruck zu schätzen. Die Sendeleistung für nachfolgende Übertragungen wird auf Basis dieses Schalldrucks eingestellt. Die Anpassung an den Schalldruck kann die Sendeleistung auf Basis der Antworten bei unterschiedlichen Frequenzen ohne eine direkte Schätzung des Schalldrucks einstellen.
Die Sendeleistung wird für eine beliebige Ultraschallübertragung eingestellt. So wird die Sendeleistung beispielsweise für therapeutische Zwecke eingestellt, um mit höherer Wahrscheinlichkeit die gewünschte Dosis bereitzustellen. In einem weiteren Beispiel wird die Sendeleistung bei der Kontrastmittel-Bildgebung eingestellt, um das SNR zu verbessern und hierbei gleichzeitig die Zerstörung des Kontrastmittels in einer gewünschten Region zu minimieren oder zu vermeiden.
Das Verfahren aus 1 wird mit dem System aus 4 implementiert, aber es können auch andere Systeme verwendet werden. Ein diagnostisches medizinisches Bildgebungssystem führt das Verfahren durch. Alternativ kann ein Ultraschalltherapie-System das Verfahren durchführen. In wieder anderen Ausführungsformen kann ein mit einem Wandler verbundener Computer mit oder ohne gesonderte Beamformer-Elektronik das Verfahren durchführen.
Das Verfahren wird in der gezeigten Reihenfolge oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt. So können beispielsweise die Handlungen 30, 34 und 36 in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig durchgeführt werden. Zusätzliche, andere oder weniger Handlungen können bereitgestellt werden. So werden beispielsweise eine oder beide der Handlungen 34 und 36 unter Umständen nicht durchgeführt. In einem weiteren Beispiel wird die Handlung 42 nicht durchgeführt. Handlung 40 wird unter Umständen nicht direkt durchgeführt, beispielsweise in den Fällen, in denen die Informationen, welche den Schalldruck angeben, verwendet werden, um den Sendeleistungspegel ohne eine spezifische Schätzung des tatsächlichen Schalldrucks einzustellen. In wieder einem anderen Beispiel werden eine Konfigurationshandlung und/oder eine oder mehrere Handlungen für das Erfassen weiterer Messungen oder Werte zum Schätzen des Schalldrucks durchgeführt.
Die Funktion zum Einstellen der Sendeleistung wird automatisch oder manuell initiiert. So drückt beispielsweise ein Benutzer eine Taste, er betätigt ein Fußpedal, er wählt eine Menüposition aus oder er spricht (z. B. bei Steuerung durch Sprachaktivierung). In einem anderen Beispiel wählt der Benutzer eine Kontrastmittel-Bildgebungssoftware oder eine spezifische Software für eine Kontrastmittel-Bildgebungsanwendung aus. In wieder einem anderen Beispiel wird die Anforderung durch eine dauerhaft aktive Software generiert. Kontrastmittel werden in einen Patienten vor oder nach der Anforderung injiziert. Als Reaktion auf die Anforderung wird eine beliebige aktuelle Bildgebung unterbrochen oder mit der Erfassung von Daten für das Einstellen des Sendeleistungspegels verschachtelt.
In Handlung 30 wird die Gewebeantwort auf akustische Energie bestimmt. Antworten werden für unterschiedliche Frequenzen bestimmt. Bei den unterschiedlichen Frequenzen handelt es sich um unterschiedliche Mittenfrequenzen und/oder unterschiedliche Frequenzbänder. Die Frequenzbänder können überlappen oder auch nicht. Das Verhältnis beispielsweise zwischen der zweiten harmonischen Echoamplitude und der fundamentalen Echoamplitude liefert einen Hinweis auf den absoluten fundamentalen Schalldruck im Innern des Gewebes.
Handlung 30 wird durch Erfassen der Antworten bei unterschiedlichen Frequenzen in Handlung 32 durchgeführt. In Handlung 32 werden Ultraschall-Echodaten erfasst. Beispielsweise werden Übertragungs- und Empfangsvorgänge im Sinne der Erkennungstechnik (z. B. mehrere Impulse für jede fundamentale Bezugsgröße, mehrere Impulse für jede harmonische Bezugsgröße oder ein Einzelimpuls für den B-Modus) für einen oder mehrere Orte durchgeführt. In einer Ausführungsform werden vier oder mehr Impulse verwendet, um die Fundamentale unter Ausschluss der zweiten Harmonischen und die zweite Harmonische unter Ausschluss der ersten Harmonischen von den vier oder mehr Echos abzuleiten.
Die Orte können entlang einer Abtastlinie oder Strahllinie liegen und/oder auf unterschiedliche Abtastlinien der Bildgebungsebene oder des Bildgebungsraums verteilt sein. Für dieselbe Abtastlinie kann derselbe Sendevorgang und ein entsprechender Empfangsvorgang verwendet werden, um die Antwort an unterschiedlichen Orten zu erhalten. Für Orte entlang getrennter Abtastlinien werden sequenzielle Sende- und Empfangsvorgänge für die unterschiedlichen Abtastlinien verwendet. Alternativ wird ein Sendevorgang mit einem breiten Strahl oder ein Sendevorgang mit mehreren Strahlen und einem entsprechendem Empfangsvorgang mit mehreren Strahlen durchgeführt.
Die Orte können sich an der Abtastdichte für die Bildgebung oder einer Untermenge dieser Orte befinden. Weniger Orte erfordern unter Umständen eine geringere Verarbeitung und/oder weniger Abtastzeit, so dass in einer Ausführungsform die Liniendichte eine mit Faktor eins zu vier geringere Dichte aufweist als die für die B-Modus-Gewebebildgebung verwendete Dichte. Andere Linien- oder Stichprobendichten können verwendet werden, beispielsweise beim Durchführen der Messung entlang einer Abtastlinie für die Bildgebungsebene oder den Bildgebungsraum. Für jede gegebene Linie kann eine beliebige Abtastdichte verwendet werden. So kann beispielsweise dieselbe Abtastdichte wie bei der B-Modus-Bildgebung verwendet werden. Echosignale von verschiedenen Tiefen entlang der Abtastlinie werden erfasst.
Die Abtastlinie oder die Abtastlinien, welche für die Stichprobenentnahme verwendet werden, und die Abtastorte entlang der Linien werden als Regionen mit bekannten Rückstreueigenschaften ausgewählt, beispielsweise als vollständig entwickeltes Speckle. In der Leber besteht der Großteil des Organs aus weichem Gewebe und weist somit bekannte Rückstreueigenschaften auf. Als Orte werden eher Weichgewebeorte ausgewählt als Großgefäßorte oder Venenorte. In alternativen Ausführungsformen sind die Orte an andere Gewebearten oder Strukturen gekoppelt.
Der Ausbreitungsweg kann ebenfalls berücksichtig werden. Es werden Strahlen oder Abtastlinien verwendet, die sich nur durch Gewebe ausbreiten, das vollständig entwickelte Speckles zeigt. Strahlen, welche Gefäße, Knochen, hartes Gewebe oder flüssiges Gewebe schneiden oder durchlaufen, um zu den Abtastorten zu gelangen, werden nicht verwendet. Alternativ werden Strahlen verwendet, die andere Arten von Gewebe durchlaufen. In vielen Fällen ist das Gewebe im Nahfeld nicht von Belang, solange das Nahfeld keinen Knochen einschließt und solange das Gewebe generell oder im Durchschnitt mit dem zu messenden Gewebe identisch ist. Die Stichproben werden entlang eines Bereichs des Strahls genommen, der „homogen“ ist.
Die Orte und/oder Abtastlinien werden manuell oder automatisch ausgewählt. So gibt ein Benutzer beispielsweise die zu verwendenden Abtastorte und/oder Strahlen für ein B-Modus-Bild oder ein kombiniertes B-Modus/Flussmodus-Bild an. In einem anderen Beispiel wird das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) für Orte in der gesamten Bildgebungsebene und/oder in dem gesamten Bildgebungsraum bestimmt. Speckle ist an eine (räumliche) Varianz des SNR gekoppelt. In den Fällen, in denen das Verhältnis der durchschnittlichen Varianz zur Standardabweichung etwa 1,9 beträgt, ist eine an weiches Gewebe gekoppelte Speckle-Region angezeigt.
Die Antworten für die Orte werden mit zwei oder mehr verschiedenen Frequenzen erfasst. In einem hier verwendeten Beispiel werden die Grund- oder Sendefrequenz (z. B. 2 MHz) und eine zweite Harmonische (z. B. 4 MHz) der Grundfrequenz verwendet. Die Fundamentalantwort dient als Maßstab für die Echogenität.
Anstelle der Fundamentalantwort (erste harmonische Antwort) und der zweiten harmonischen Antwort können andere Kombinationen von zwei oder mehr Harmonischen verwendet werden, um die absoluten Schalldrücke zu schätzen. Eine beliebige Kombination von Signalkomponenten in Bezug auf unterschiedliche Terme in der nichtlinearen Wellengleichung kann verwendet werden, beispielsweise die zweite Harmonische und die kubisch Fundamentale.
Um die Antwort bei unterschiedlichen Frequenzen zu isolieren, werden die empfangenen Signale, welche akustische Echos darstellen, verarbeitet. Dieselben Daten werden verwendet, um die Antworten bei den unterschiedlichen Frequenzen zu bestimmen. So wird beispielsweise das Echosignal durch Filter zerlegt, um die Amplituden der reflektierten harmonischen Wellen zu bestimmen. Die ungefilterten Signale werden für die Fundamentale verwendet; es kann jedoch auch eine Filterung erfolgen. In einem anderen Beispiel kommen codierte Sendeimpulsfolgen (z. B. Impulsumkehrung) zur Anwendung. Bei der Impulsumkehrung lauten die Amplituden von zwei ansonsten identischen Sendeimpulsen [1, -1]. Durch Subtrahieren der Empfangssignale werden Beiträge von geradzahligen Harmonischen aufgehoben, wodurch Information mit der Grundfrequenz bereitgestellt werden. Die Informationen mit anderen, ungeraden Harmonischen sind relativ klein und können daher beibehalten werden; sie können jedoch in anderen Ausführungsformen auch herausgefiltert werden. Durch Addieren der Empfangssignale werden Beiträge von ungeraden Harmonischen aufgehoben. In gleicher Weise sind die Informationen mit anderen geraden Harmonischen als der zweiten Harmonischen klein und können somit beibehalten werden; diese Informationen können jedoch auch herausgefiltert werden. Jede zusätzliche Filterung kann die Trennung zwischen den harmonischen Komponenten verbessern und Rauschen unterdrücken. Abfolgen mit drei oder mehr Sendeimpulsen mit unterschiedlichen Phasen, Amplituden oder Phasen und Amplituden, auf die bei Empfang eine Kombination (z. B. Gewichtung und Filterung) folgt, können verwendet werden, um Informationen in den gewünschten Bändern zu isolieren.
In alternativen Ausführungsformen werden unterschiedliche Sende- und Empfangsereignisse verwendet, um die unterschiedlichen Antworten zu erfassen. So wird beispielsweise ein Sendeimpuls verwendet und ein entsprechender Empfangsvorgang für das Abrufen der Antwort an den Orten für die Grundfrequenz durchgeführt. Ein getrennter oder sequenzieller Sende- und Empfangsvorgang wird für das Abrufen der Antwort an den Orten für die unterschiedliche Grundfrequenz oder harmonische Frequenz durchgeführt.
Die Antwort ist eine Amplitude in Abhängigkeit vom Ort. So ist beispielsweise die Antwort eine Amplitude in Abhängigkeit von der Tiefe. Strahlgeformte Stichproben vor oder nach Erkennung werden verwendet. So werden beispielsweise strahlgeformte Stichproben nach Intensität oder B-Modus-Erkennung verwendet. Jede tiefenselektive Verstärkung (Depth Gain Correction oder Depth Gain Compensation, DGC), die durch den Beamformer angewendet wird, kann entfernt werden. Alternativ wird die tiefenselektive Verstärkung nicht an erster Stelle bereitgestellt. In wieder anderen Ausführungsformen wird die tiefenselektive Verstärkung konsequent angewendet und die resultierenden Signale werden ohne Beseitigung der Verstärkung verwendet.
Die Amplitude in Abhängigkeit von der Tiefe wird mit demselben Sendefokusort erfasst. Es wird eine dynamische Empfangsfokussierung verwendet, aber es kann auch ein einzelner Empfangsfokus bereitgestellt werden. 2 zeigt Beispielantworten mit einem Sendefokus bei 20 mm. Es können auch andere Sendefokustiefen verwendet werden, beispielsweise der in 3 gezeigte 40-mm-Fokus.
Die Amplitude in Abhängigkeit von der Tiefe wird für die zwei oder mehr Frequenzbänder bereitgestellt. Die 2 und 3 zeigen Antworten für die Grundfrequenz und die zweite harmonische Frequenz.
Um die Genauigkeit der Schätzung oder Einstellung zu verbessern, können die Antworten bei unterschiedlichen Sendefokussen in sequenziellen Sende- und Empfangsereignissen erfasst werden. So können beispielsweise die Antworten von 2 und 3 erfasst werden. Die Sendefokustiefe wird variiert, um Messungen bei verschiedenen Tiefen zusammenzutragen, um Annahmen hinsichtlich B/A (nichtlinearer Parameter, wobei B und A die ersten beiden Koeffizienten einer Taylor-Reihe sind, welche die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit vom lokalen Druck beschreibt), Dämpfung und den absoluten Schalldruck bei unterschiedlichen Tiefen zu bestätigen.
Die Antworten gelten für Übertragungen bei einer gegebenen Sendeleistung. In alternativen Ausführungsformen werden Antworten bei den unterschiedlichen Frequenzen für jede der unterschiedlichen Sendeleistungen erfasst. Die Amplitude in Abhängigkeit vom Ort (z. B. Tiefe) wird für jeden der unterschiedlichen Sendepegel bestimmt. Die 2 und 3 zeigen ein Beispiel mit zwei Antworten für jede Frequenz, wobei die zwei Antworten zwei Sendeleistungen entsprechen. Eine Sendeleistung liegt -3 dB unter der anderen, aber die Differenz kann auch kleiner oder größer sein. Es können mehr als zwei unterschiedliche Sendeleistungspegel verwendet werden. Die Antworten für die unterschiedlichen Sendeleistungspegel werden sequenziell erfasst, beispielsweise als Antwort auf unterschiedliche Sendeereignisse.
Die 2 und 3 veranschaulichen einige der Phänomene bei der Schätzung von Schalldrücken. Bei Reduzierung der Sendeleistung um 3 dB fällt der Signalpegel der zweiten Harmonischen für klar getrennte Antworten bei der Fundamentalen im Vergleich zu der zweiten Harmonischen um 6 dB ab. Ohne Impulsumkehrung und schmale Impulse fällt die zweite Harmonische unter Umständen aufgrund von Fundamental-Leck-Effekten nur um 4 dB ab, wenn der Sendesignalpegel um 3 dB reduziert wird. Bei einer bestimmten Tiefe trifft das quadrierte Verhalten unter Umständen nicht mehr zu, da die zweite Harmonische fast bis auf das Grundrauschen abfällt. Durch Analyse der beiden Kurven bei zwei Leistungspegeln kann das System den SNR-Grenzwert identifizieren.
Der zweite harmonische Pegel steigt in der Nähe der Fokustiefe rasch an. Das Verhältnis (Differenz in dB) zwischen der zweiten Harmonischen und der Fundamentalen nimmt mit zunehmender Sendeleistung zu. Die Flanken für das zweite harmonische Signal und das Grundsignal über der Fokustiefe differieren infolge von Differenzen hinsichtlich Strahlenmuster und Dämpfung. Die Beispiele aus den 2 und 3 zeigen die Echointensität eines gewebeimitierenden Materials in Abhängigkeit von der Tiefe, aber in anderen Ausführungsformen wird die Antwort von einem tatsächlichen Patienten verwendet.
In Handlung 34 wird die Dämpfung bestimmt. Die Dämpfung kann verwendet werden, um das Verhältnis der Antworten bei unterschiedlichen Frequenzen genauer zu bestimmen. Die Dämpfung kann für das Schätzen des Schalldrucks verwendet werden.
Bei der Dämpfung kann es sich um einen angenommenen oder einen vorgegebenen Wert handeln. So kann es sich bei der Dämpfung beispielsweise um einen Wert handeln, der auf der Gewebeart basiert. Der Benutzer gibt die Gewebeart an, beispielsweise durch Auswählen einer Bildgebungsanwendung für Lebern. Die Gewebeart kann anhand von Ultraschallsignalen bestimmt werden und verwendet werden, um den vorgegebenen Dämpfungswert auszuwählen. Es können Dämpfungen für den Strahlenweg durch verschiedene Gewebearten verwendet werden. Alternativ handelt es sich bei der Dämpfung um einen vorgegebenen Wert, welcher an weiches Gewebe im Allgemeinen gekoppelt ist anstatt an eine bestimmte Gewebeart.
In anderen Ausführungsformen wird die Dämpfung anhand von den erfassten Antworten oder anderen Ultraschallmessungen bestimmt. So wird die Dämpfung beispielsweise anhand der Flanke der Antworten auf die unterschiedlichen Frequenzen bestimmt. Die Flanken der Grundsignale und der harmonischen Signale vor und nach einem Maximum werden bestimmt. Das Maximum der Amplitude befindet sich am oder in der Nähe des Sendefokus. Etwaige Nahfeldmaxima werden ignoriert.
In Gewebe ist die Dämpfung annähernd proportional zur Frequenz. Die harmonischen Wellen werden durch eine höhere Dämpfung in Mitleidenschaft gezogen. Die Ultraschallbildgebung arbeitet typischerweise mit fokussierten Strahlen. Wenn die f-Zahl niedrig ist, nimmt der Druck der Grundwelle in Richtung des Fokus zu und erreicht ein Maximum in der Nähe des Fokus oder am Fokus. Während die Amplitude der Grundwelle zunimmt, nehmen die Amplituden von harmonischen Wellen aufgrund des nichtlinearen und akkumulativen Charakters des Phänomens schnell zu. Nach dem Erreichen eines Maximums nehmen die Amplituden der harmonischen Wellen schnell ab, da die Umwandlung von der Grundwelle nachlässt und weil die harmonischen Wellen einer höheren Dämpfung unterliegen. An einem gegebenen Ort entlang eines Ultraschallstrahls ist die Amplitude der Grundwelle proportional zu der übertragenen Welle, wobei eine Fundamentalerschöpfung ignoriert wird, und die Amplitude der zweiten harmonischen Welle ist annähernd proportional zu der Amplitude des übertragenen Signals zum Quadrat.
Das Verhältnis der Antwortflanken bei gegebenem Gaußschen Sendeimpuls gibt die Dämpfung an. Die Flanke stammt von der Fernfeldregion, beispielsweise als passende Linien zu den Antworten nach dem Maximum. Ein relativ flacher Sendefokus kann verwendet werden, beispielsweise ein 20-mm-Fokus. In anderen Ausführungsformen kann auch das Nahfeld oder das Verhältnis am Maximum oder eine andere diskrete Tiefe verwendet werden. Die Dämpfung bei unterschiedlichen Tiefen kann berechnet werden. Andere Berechnungen der Dämpfung können verwendet werden, beispielsweise das Beobachten des Abfallens der Mittenfrequenz gegenüber der Tiefe. Es kann ein Messen bei zwei oder mehr verschiedenen Sendefrequenzen erfolgen.
In Handlung 36 wird ein Wert für einen Nichtlinearitätsparameter bestimmt. Die Wellenausbreitung in biologischem Gewebe oder in Flüssigkeiten erfolgt nichtlinear. Eine nichtlineare Ausbreitung bewirkt, dass eine Wellenform verzerrt, während sich die Wellenform durch das Medium ausbreitet. Die Verzerrung nimmt mit der Strecke zu, welche die Welle zurücklegt. Da es sich bei der Verzerrung um einen nichtlinearen Effekt handelt, nimmt die Verzerrung auch mit der Amplitude zu.
Die Verzerrung kann auch als die Generierung von harmonischen Wellen mit Frequenzen beschrieben werden, bei denen es sich um ganzzahlige Mehrfache der Frequenz der unverzerrten Welle (d. h. der Grundfrequenz) handelt. Die Energie der harmonischen Wellen stammt von der Grundwelle und ist auf Energieerhaltung zurückzuführen. Allerdings sind die Bedingungen im diagnostischen Ultraschall dergestalt, dass die harmonischen Wellen viel schwächer sind als die Grundwelle, und ferner dergestalt, dass der Amplitudenverlust der Grundwelle (d. h. die Fundamentalerschöpfung) unter Umständen nicht messbar ist.
Die Grundwellen und die harmonischen Wellen werden von Schnittstellen zwischen Medien reflektiert oder von Streuern gestreut und breiten sich rückwärts in Richtung Wandler aus und bilden auf diese Weise Echosignale. Diese Echos sind im Allgemeinen schwach genug, so dass eine nichtlineare Ausbreitung zu vernachlässigen ist. Die Streuung ist frequenzabhängig. Allerdings hängt die Streuung nicht von der Amplitude ab (d. h. die Streuung ist linear), und die Frequenzabhängigkeit für eine bestimmte Gewebeart kann durch eine Ultraschallmessung (z. B. Impuls-Echo-Messungen mit zwei Sendesignalen mit unterschiedlichen Frequenzen) bestimmt werden.
Die Nichtlinearität kann als die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von dem lokalen Druck ausgedrückt werden. Die Nichtlinearität ist oft gekennzeichnet durch das Verhältnis B/A, wobei B und A die ersten beiden Koeffizienten einer Taylor-Reihe sind, welche die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit vom lokalen Druck beschreibt. B/A hängt von der Gewebeart ab, und die Amplituden der harmonischen Welle hängen von B/A ab. B/A wird unter Verwendung von Impuls-Echo-Verfahren gemessen. Es werden die Antworten oder andere Ultraschalldaten verwendet. Alternativ sind die Werte für bestimmte Organe in einschlägiger Literatur zu finden. Ein vorgegebener Nichtlinearitätsparameterwert wird von dem Benutzer ausgewählt oder auf Basis der erkannten Gewebeart verwendet. Der Wert kann auf der abgetasteten Gewebeart basieren.
In Handlung 38 wird eine Sendeleistung in Abhängigkeit von der Gewebeantwort in den unterschiedlichen Frequenzbändern eingestellt. Die Sendeleistung kann ebenfalls auf Basis von Antworten bei unterschiedlichen Leistungen und/oder Sendefokussen eingestellt werden. Die Dämpfung und/oder die Nichtlinearitätsparameterwerte können auch für das Einstellen der Sendeleistung verwendet werden. Es können zusätzliche, andere oder weniger Eingaben verwendet werden.
Die Sendeleistung wird auf Basis des Schalldrucks eingestellt. Die Sendeleistung kann unter Verwendung von Eingaben eingestellt werden, welche die akustische Leistung angeben, beispielsweise die Antworten bei unterschiedlichen Frequenzen. Alternativ und wie durch Handlung 40 wiedergegeben kann der Schalldruck geschätzt werden, und die Druckschätzung kann verwendet werden, um die Sendeleistung einzustellen. Der Schalldruck wird geschätzt in Abhängigkeit von den Gewebeantworten bei unterschiedlichen Frequenzen, einer Dämpfung und einem Ultraschall-Nichtlinearitätsparameter.
Um ein anderes Beispiel zu nehmen, können Eigenschaften der Antwort anstelle der Antworten oder zusätzlich zu den Antworten verwendet werden. Eine Flanke, ein Mittelwert, eine Differenz oder andere Amplitudeneigenschaften in Abhängigkeit von Orten können berechnet werden. Die Eigenschaft kann für jede Antwort berechnet werden oder relativ sein (z. B. eine Ähnlichkeit oder Differenz zwischen den Antworten repräsentieren). In einem anderen Beispiel werden Parameter für die Sendestrahlformung verwendet. Die Fokustiefe, die Apodisationseigenschaft, die Apertur-Weite, der Akzeptanzwinkel der Elemente beim Senden und Empfangen, der Winkel des Sende- und/oder Empfangsstrahls zu dem Array und/oder andere Parameter, welche die Strahlformung repräsentieren, können an eine Druckmenge gekoppelt sein.
Der Schalldruck wird für mindestens einen der Orte geschätzt, für welche die Antwort abgetastet wird. So wird beispielsweise der Schalldruck für den Sendefokus geschätzt, aber auch flachere oder tiefere Orte können verwendet werden. Die Schalldrücke können für mehrere Orte geschätzt werden.
Die Eingaben werden für ein Modell bereitgestellt. Das Modell gibt den Schalldruck als Antwort auf die Eingaben aus. Bei dem Modell handelt es sich um ein Vorwärtsmodell, aber auch maschinell erlernte Modelle können verwendet werden. So kann beispielsweise eine Echtzeitsimulation verwendet werden, um nach Werten für Schalldruck, B/A und Dämpfung zu suchen, indem die Simulationsergebnisse mit den gemessenen Antworten abgeglichen werden.
In einer anderen Ausführungsform wird das Modell durch eine Nachschlagetabelle oder eine Datenbank repräsentiert. Der Schalldruck wird auf Basis der Antworten bei unterschiedlichen Frequenzen, der von den Antworten abgeleiteten Parameterwerte, dem Dämpfungswert, und/oder dem Nichtlinearitätsparameterwert aufgesucht. Zwei oder mehr an unterschiedliche Frequenzen gekoppelte Eingaben (z. B. Antworten bei unterschiedlichen Frequenzen) werden für das Aufsuchen der Ausgabeschätzung verwendet. Durch Vergleichen der Amplitudenprofile oder der von solchen Profilen abgeleiteten Parameter mit einer Nachschlagetabelle oder einer Datenbank können die absoluten Schalldrücke in Abhängigkeit von der Tiefe oder einer anderen Ortsverteilung bestimmt werden.
Die Werte in der Datenbank oder der Nachschlagetabelle werden experimentell bestimmt und/oder simuliert. So wird die Nachschlagetabelle beispielsweise durch Simulation unter Verwendung der KZK-Gleichung oder eines Array-Simulators (z. B. Field II) mit einem nichtlinearen Ausbreitungszusatz generiert.
Die Simulation oder experimentell bestimmte Nachschlagetabelle kann Eingaben für den Nichtlinearitätsparameter und/oder die Dämpfung umfassen. Alternativ werden getrennte Tabellen für unterschiedliche Nichtlinearitätsparameter und/oder Dämpfungswerte bereitgestellt. Eine beliebige Kombination von Tabellenkombinationen oder eine kombinierte Tabelle können verwendet werden.
In wieder einer anderen Ausführungsform repräsentiert das Modell die erwarteten Antworten bei unterschiedlichen Frequenzen für eine gegebene Sendekonfiguration und ein gegebenes Gewebe. Die Antworten werden bei unterschiedlichen Sendeleistungen erfasst. Die Sendeleistung wird variiert, bis die Antworten optimal oder in ausreichendem Maße den erwarteten Antworten entsprechen. Die an die Entsprechung gekoppelte Sendeleistung stellt die erwartete Beziehung zwischen dem Schalldruck und dem Sendepegel bereit.
Das Modell gibt den Schalldruck und/oder die Sendeleistung aus. Der Schalldruck an einem Ort wird auf Basis von Antworten an unterschiedlichen Orten und/oder demselben Ort geschätzt. Aufgrund der Dämpfung ist der Schalldruck an unterschiedlichen Orten unterschiedlich. Der Schalldruck an unterschiedlichen Orten kann durch das Modell geschätzt werden. So werden beispielsweise die Eingaben zum Ort für das Modell bereitgestellt. Alternativ wird der Schalldruck an anderen Orten auf Basis eines anderen geschätzten Schalldrucks bestimmt. Bei Vorliegen eines Dämpfungswerts kann der Schalldruck an einem Ort verwendet werden, um den Druck für andere Orte zu bestimmen. Die Dämpfung stellt einen Skalierungsfaktor für das Schätzen von Druck bereit, der durch dasselbe Sendeereignis verursacht wird.
In Handlung 38 wird die Sendeleistung auf Basis des Schalldrucks eingestellt. Sobald der Schalldruck bestimmt worden ist, wird die Sendeleistung für die kontrastmittelbasierte diagnostische medizinische Bildgebung, Therapie oder andere Verwendungsarten eingestellt. Eine Nachschlagetabelle, eine Funktion oder ein anderes Modell stellt die Beziehung zwischen dem Schalldruck und dem Sendeleistungspegel her. Bei der Einstellung kann es sich um einen absoluten Wert oder um eine Änderungsmenge handeln. Die Einstellung kann einmalig erfolgen oder als iterativer Prozess, bei dem unterschiedliche Sendepegel verwendet werden, bis ein gewünschter Druck erzielt wird.
In einem Beispiel wird die akustische Ausgabe für den Sendebetrieb eingestellt, um die Zerstörung von Kontrastmitteln zu vermeiden, während gleichzeitig versucht wird, eine im Wesentlichen maximale Ausgabe zu erhalten. Im Wesentlichen berücksichtigt Abweichungen oder eine Toleranz, um eine Fehlerspanne bereitzustellen, beispielsweise 10 %. Aufgrund von Schwankungen bei den Kontrastmitteln und/oder Ungenauigkeiten bei der Druckschätzung wird eine Toleranz bereitgestellt, um die Zerstörung einer Mehrzahl von Kontrastmitteln in einer Region von Interesse zu vermeiden. Durch Schätzen des Schalldrucks an der Region von Interesse kann die Sendeleistung, welche einen nichtzerstörenden, aber guten SNR-Druck ergibt, bereitgestellt werden. Die Schätzung wird an den Patienten, das System und/oder die Strahlenwegvariation angepasst.
In einem anderen Beispiel wird die akustische Ausgabe für den Sendebetrieb eingestellt, um eine gewünschte Dosis bereitzustellen. Die thermische Dosis entspricht dem an der Region von Interesse angewendeten Schalldruck. Durch Schätzen des Schalldrucks an der Region von Interesse ergibt die Sendeleistung eine gewünschte thermische Dosis, welche gesundes Gewebe mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit schädigt, aber nach wie vor in der Lage ist, krankes Gewebe vollständig zu behandeln. Die Schätzung wird an den Patienten, das System und/oder die Strahlenwegvariation angepasst.
In einer Ausführungsform wird die Sendeleistung auf Basis des geschätzten Drucks und zusätzlich auf Basis von Eingaben eingestellt. Für ein direktes Einstellen der Sendeleistung ohne getrenntes Schätzen des Drucks können die zusätzlichen Eingaben in das Modell für die Ausgabe des Sendepegels aufgenommen werden. Andernfalls wird eine weitere Berechnung oder Nachschlagefunktion durchgeführt. Die Einstellung berücksichtigt den Sendepegel, welcher verwendet wird, um den Druck und eine Beziehung zwischen Sendepegel und Druck zu generieren. Beliebige zusätzliche Eingaben können verwendet werden.
Eine Eingabe ist Rauschen. Das Rauschen kann gemessen werden. So werden beispielsweise die Empfangssignale ohne ein Sendeereignis gemessen. Beliebige Rauschmessungen können verwendet werden.
Eine andere Eingabe ist die Art des Kontrastmittels, die gewünschte Dosis über einen gegebenen Zeitraum oder eine andere Verwendung des Sendeereignisses, für das der Pegel eingestellt wurde. So können beispielsweise unterschiedliche Kontrastmittel bei unterschiedlichen Schwellmengen von akustischer Energie oder Schalldruck zerstört werden. Der mit der Zerstörung verbundene Pegel ist relativ, da Schwankungen bei den Mikrobläschen bei nahezu jedem Pegel eine gewisse Zerstörung zur Folge haben können. Der Druck und der entsprechende Sendepegel, bei dem 10 %, 1/3 oder ein anderes Maß an Kontrastmittel zerstört wird, können für unterschiedliche Arten von Kontrastmitteln unterschiedlich sein. Durch Angabe der Art des Kontrastmittels wird ein entsprechender gewünschter Druckpegel angegeben. In einem anderen Beispiel kann die anzuwendende thermische Dosis von der Art der Therapie, der Größe der zu behandelnden Region und der Nähe etwaiger Wärmesenken (z. B. Blutgefäße) abhängen. Der resultierende Druck und der entsprechende Sendepegel können für unterschiedliche Therapiesituationen unterschiedlich sein.
Auf Basis der Schalldruckverteilung in der Bildgebungsebene, der Art oder Eigenschaft des Kontrastmittels und der Grundrauschmessungen wird die Einstellung für die Sendeleistung ausgewählt. Zusätzliche Optimierungskriterien können durch den Kliniker eingestellt werden und/oder auf Basis der Anwendung vorgegeben werden. So kann beispielsweise die Sendeleistung auf Basis des Drucks eingestellt werden, um ein spezifisches Kriterium zu erfüllen, beispielsweise bestmögliches SNR, minimale Zerstörung oder maximale Penetration.
Zusätzlich kann der Algorithmus andere Parameter des Sendeimpulses optimieren, beispielsweise die Mittenfrequenz und/oder die Bandbreite. Empfangsbezogene Verarbeitungsparameter, beispielsweise die Empfangsbandbreite und/oder die Empfangsverstärkung, können optimiert werden, da die Empfangsspektren und oder das SNR auf Basis der gemessenen Parameter vorhergesagt oder modelliert werden können. Sind Schalldruck und Dämpfung bekannt, kann auch die Sendefokussierung angepasst werden.
In Handlung 42 wird eine Bildgebung oder Therapie durchgeführt. Die Bildgebung oder Therapie umfasst das Senden von akustischer Energie. Die akustische Energie wird mit einem in Handlung 38 eingestellten Leistungspegel übertragen. So werden beispielsweise ein oder mehrere Übertragungen für die Bildgebung von Kontrastmitteln in einer Leber durchgeführt. Optimierungsmuster in der arteriellen Phase und in der portalvenösen Phase werden verwendet, um Verletzungen zu diagnostizieren. Die Muster werden auf Basis von Antworten auf die Übertragungen bei dem eingestellten Sendepegel erkannt oder gesichtet. Ein oder mehrere Bilder des Kontrastmittels werden dem Benutzer angezeigt. In einer Ausführungsform wird dem Benutzer der mechanische Index oder Leistungspegel auf der Anzeige angegeben.
Der verwendete Sendeleistungspegel wird eingestellt, um den gewünschten Druckpegel für eine gegebene Situation bereitzustellen. Die Signalamplitude, die Apertur, die f-Zahl, die Apodisation oder andere Eigenschaften des Sendeereignisses werden konfiguriert, um den Sendeleistungspegel bereitzustellen.
4 zeigt ein Ultraschallsystem für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall. Das System implementiert das Verfahren aus 1. Das System umfasst einen Wandler 12, einen Sendeverstärker 14, einen Empfangs-Beamformer 16, einen Bildprozessor 18, einen Prozessor 22, eine Anzeige 20 und einen Speicher 24. Es können zusätzliche, andere oder weniger Komponenten bereitgestellt werden, beispielsweise mehrere an B-Modus und Flussbildgebung gekoppelte Detektoren. In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem System um ein Ultraschallsystem für die medizinische Diagnose. In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei dem System um ein therapeutisches Ultraschallsystem. In anderen Ausführungsformen besteht das System aus einem Computer oder einem Server.
Bei dem Wandler 12 handelt es sich um ein einzelnes Element oder mehrere Elemente aus piezoelektrischem Material. In alternativen Ausführungsformen umfasst der Wandler 12 kapazitive Membranstrukturen. In der Ausführung mit mehreren Elementen handelt es sich bei dem Wandler 12 um ein lineares, ein gekrümmt-lineares oder ein mehrdimensionales Array. Es können auch andere Wandler für das Umwandeln zwischen elektrischer und akustischer Energie verwendet werden. Der Wandler 12 erzeugt akustische Energie als Antwort auf elektrische Wellenformen. Die akustischen Wellenformen werden mit Leistungen ausgegeben, die durch den Sendeverstärker 14 eingestellt werden. Der Wandler 12 generiert Empfangssignale als Antwort auf akustische Echos, beispielsweise für das Messen der Antwort auf übertragene akustische Energie.
Der Sendeverstärker 14 ist mit dem Wandler 12 verbunden und als variabler Verstärker, als Digital/Analog-Wandler oder als sonstiges analoge oder digitale Vorrichtung für das Ändern oder Erhöhen einer Leistung, Spitzenspannung oder einer sonstigen Leistungscharakteristik einer Sendewellenform ausgeführt. In alternativen Ausführungsformen umfasst der Sendeverstärker 14 einen Spannungsteiler oder eine andere Vorrichtung für das Reduzieren der an die Sendewellenform gekoppelten Leistung. Ein getrennter Sendeverstärker 14 wird für jeden Systemkanal oder jedes Wandlerelement bereitgestellt, aber es kann auch ein Sendeverstärker 14 für mehrere Kanäle oder Elemente verwendet werden. In einer Ausführungsform wendet der Sendeverstärker 14 Apodisation für das Übertragen entlang eines Strahls an und ist Teil eines Sende-Beamformers.
Die von dem Sendeverstärker 14 ausgegebenen Sendewellenformen werden von dem Wandler 12 in akustische Energie umgewandelt. Echosignale, welche auf die akustische Energie und etwaige Kontrastmittel reagieren, werden von dem Wandler 12 empfangen. Der Wandler 12 wandelt die Echosignale in elektrische Signale oder Daten um.
Die Echosignale werden durch den Empfangs-Beamformer 16 strahlgeformt. Relative Verzögerungen oder Phase und Apodisation werden auf die Signale für die Empfangsapertur angewendet. Über einen bestimmten Zeitraum oder für unterschiedliche Tiefen variieren die relativen Verzögerungen und/oder Phasen, wodurch eine dynamische Empfangsfokussierung bereitgestellt wird. Die Signale werden zu einer Strahlenform kombiniert, beispielsweise summiert. Die resultierenden Stichproben oder Daten repräsentieren Orte bei unterschiedlichen Tiefen entlang einer Linie. Daten beinhalten eine oder mehrere digitale Stichproben oder analoge Informationen.
Für das Isolieren oder Unterscheiden von Informationen bei unterschiedlichen Frequenzen beinhaltet der Empfangs-Beamformer 16 einen Filter. Unter Verwendung eines Speichers können dieselben Daten mehrmals gefiltert werden. In anderen Ausführungsformen wird eine Parallelfilterung bereitgestellt. Bei dem Filter kann es sich um einen programmierbaren Filter oder um einen Festfilter handeln. So können beispielsweise Hochpassfilter und Tiefpassfilter für das Trennen von fundamentalen und harmonischen Informationen bereitgestellt werden. In einem anderen Beispiel werden ein oder mehrere Bandpassfilter oder Reihentiefpassfilter und Reihenhochpassfilter verwendet. Alternativ beinhaltet der Filter Speicher oder Puffer mit oder ohne Multiplikatoren für das Summieren oder Differenzieren von Empfangsdaten, welche an unterschiedliche Phasen, Amplituden und/oder Polaritäten beim Senden gekoppelt sind. Eine Impulsumkehrung, eine Amplitudencodierung oder eine andere frequenzisolierende Kombination wird durchgeführt. Andere Techniken und entsprechende Filter für das Identifizieren von Informationen bei einer Harmonischen, einschließlich Subharmonische (z. B. ½f), fraktional Harmonische (3/2f) und/oder ganzzahlige Harmonische (z. B. 2f) eines fundamentalen Sendefrequenzbands (f) können verwendet werden.
Nach einer Empfangsstrahlformung oder einer anderen Empfangstechnik werden Daten für den Bildprozessor 18 oder für den Prozessor 22 bereitgestellt. In den Fällen, in denen die Antworten für das Schätzen des Schalldrucks Intensitätswerte verwenden, werden die Daten vor dem Schätzen erkannt. Alternativ schätzt der Prozessor 22 den Druck auf Basis der strahlgeformten Daten vor der Erkennung.
Bei dem Bildprozessor 18 handelt es sich um einen Kontrastmitteldetektor, einen B-Modus-Detektor, einen Doppler-Detektor, einen Flussdetektor oder einen anderen Detektor zum Erkennen von einer oder mehreren Eigenschaften von zurückgegebenen Signalen. Bei dem Bildprozessor 18 kann es sich um denselben Detektor handeln, der für die Bildgebung von Kontrastmitteln verwendet wird. Alternativ wird der Bildprozessor 18 mit dem Prozessor 22 kombiniert und für das Einstellen der Sendeleistung verwendet und ist von den Detektoren für die Bildgebung getrennt.
Bei dem Prozessor 22 handelt es sich um eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, einen allgemeinen Prozessor, einen digitalen Signalprozessor, einen Steuerprozessor, eine analoge Schaltung, eine digitale Schaltung, ein feldprogrammierbares Gate-Array, eine Grafikverarbeitungseinheit, Kombinationen derselben oder eine andere Vorrichtung, welche betrieben werden kann, um eine Sendeleistung des Sendeverstärkers 14 einzustellen. Der Prozessor 22 steuert den Betrieb des Sende-Beamformers 14, des Empfangs-Beamformers 16 und/oder des Bildprozessors 18, um Antworten bei unterschiedlichen Frequenzen und andere Informationen zu erhalten, die verwendet werden, um den Druck zu schätzen und/oder den Sendepegel einzustellen. Der Prozessor 22 wird durch Software, Hardware, Entwurf oder Kombinationen derselben konfiguriert.
Der Prozessor 22 ist dafür konfiguriert, eine Sendeleistung des Sendeverstärkers 14 in Abhängigkeit von Amplitudenprofilen in Abhängigkeit von der Tiefe bei zwei oder mehr Frequenzen herzustellen. In anderen Ausführungsformen können auch an unterschiedliche Sendefokusse und/oder unterschiedliche Sendepegel gekoppelte Profile verwendet werden. Unter Verwendung einer gespeicherten Dämpfung, einer gemessenen Dämpfung, eines gespeicherten Nichtlinearitätsparameterwertes und/oder eines gemessenen Nichtlinearitätsparameterwertes schätzt der Prozessor 22 mit Hilfe der Amplitudenprofile einen Schalldruck durch Anwendung eines Modells. Der Schalldruck wird für einen oder mehrere Orte geschätzt. Der Druck an anderen Orten kann geschätzt, extrapoliert, interpoliert und/oder berechnet werden.
Unter Verwendung eines Optimierungsprozesses oder einer Optimierungsfunktion wird auf Basis des Schalldrucks der für weitere Übertragungen zu verwendende Sendeleistungspegel eingestellt. Der Prozessor 22 ist dafür konfiguriert, den Sendeleistungspegel einzustellen. Andere Informationen können für das Einstellen des Pegels verwendet werden, beispielsweise Rausch- und Anwendungsinformationen.
Der Speicher 24 speichert Nachschlagetabellen, Datenbanken oder andere Modellinformationen. Ausgabedrücke, Sendepegel, Sendeeigenschaften (z. B. Apertur, Apodisation, Fokuszone, Verzögerungsprofil und/oder f-Zahl) oder andere Ausgaben werden ebenfalls gespeichert. Die Ausgabewerte werden auf Basis von im Speicher 24 gespeicherten Eingabewerten aufgesucht. Die Sendeleistungspegel und/oder Druckschätzungen sind auf Basis der Eingangsamplitudenprofile mit oder ohne andere Informationen wählbar. Alternativ speichert der Speicher 24 einen Algorithmus oder eine andere Funktion für das Berechnen des Drucks oder des Sendepegels auf Basis von Eingaben.
Die Anweisungen für die Implementierung der vorstehend besprochenen Prozesse, Verfahren und/oder Techniken werden auf nichttransitorischen computer-lesbaren Speichermedien oder auf Speichern 24 bereitgestellt, beispielsweise einem Cache-Speicher, einem Pufferspeicher, einem RAM-Speicher, Wechselmedien, einem Festplattenlaufwerk oder anderen computer-lesbaren Speichermedien. Computer-lesbare Speichermedien umfassen verschiedene Arten von flüchtigen und nichtflüchtigen Speichermedien. Die in den Figuren dargestellten oder hierin beschriebenen Funktionen, Handlungen oder Aufgaben werden als Antwort auf einen oder mehrere Befehlssätze ausgeführt, die in oder auf computer-lesbaren Speichermedien gespeichert sind. Die Funktionen, Handlungen oder Aufgaben sind unabhängig von der jeweiligen Art von Befehlssatz, Speichermedien, Prozessor oder Verarbeitungsstrategie und können von Software, Hardware, integrierten Schaltungen, Firmware, Mikrocode und dergleichen ausgeführt werden, sei es im alleinigen oder kombinierten Betrieb. In gleicher Weise können die Verarbeitungsstrategien eine Simultanverarbeitung, einen Mehrprozessbetrieb, eine Parallelverarbeitung und dergleichen umfassen.
In einer Ausführungsform werden die Anweisungen auf einem Wechselmediengerät für das Auslesen durch lokale oder nichtlokale Systeme gespeichert. In anderen Ausführungsformen werden die Anweisungen an einem entfernten Standort für die Übertragung über ein Computernetzwerk oder über Telefonleitungen gespeichert. In wieder anderen Ausführungsformen werden die Anweisungen in einem gegebenen Computer, einer CPU, einer GPU oder einem System gespeichert.
Bei der Anzeige 20 handelt es sich um einen Monitor, eine Flüssigkristallanzeige, einen Plasmabildschirm, einen Projektor, einen Berührungsbildschirm, einen Flachbildschirm, einen Drucker oder einer anderen Vorrichtung für das Ausgeben von Information an den Benutzer. Die Anzeige 20 kann ein Bild generieren, beispielsweise ein Bild der Kontrastmittelantwort auf Ultraschall. Das Bild kann einen geschätzten Druck oder einen festgelegten Sendepegel beinhalten.
Auch wenn die vorliegende Erfindung vorstehend durch Verweise auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben wird, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorangehende ausführliche Beschreibung als Erläuterung der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verstanden wird und nicht als Definition der Erfindung. Nur die nachfolgenden Ansprüche, einschließlich aller Äquivalente, sind dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Erfindung zu definieren.

Claims

Ein Verfahren für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Erfassen (32) von ersten Gewebeantworten bei einer ersten Frequenz für mehrere Orte; das Erfassen (32) von zweiten Gewebeantworten bei einer zweiten Frequenz für die mehreren Orte; das Schätzen (40), durch einen Prozessor (22), eines Schalldrucks an mindestens einem der Orte, wobei der Schalldruck in Abhängigkeit von den ersten und den zweiten Antworten geschätzt wird; und das Einstellen (38) einer akustischen Ausgabe eines Wandlers (12) in Abhängigkeit von dem Schalldruck.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Erfassen (32) der ersten und der zweiten Antworten das Erfassen (32) bei einer Grundfrequenz bzw. einer zweiten harmonischen Frequenz umfasst.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Erfassen (32) der ersten und der zweiten Antworten das Erfassen (32) entlang einer Linie umfasst, wobei die Orte Stichprobenpositionen entlang der Linie umfassen.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Erfassen (32) der ersten und der zweiten Antworten jeweils das Erfassen (32) einer Amplitude in Abhängigkeit von der Tiefe mit demselben Sendefokusort umfasst.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Erfassen (32) der ersten Antworten das Erfassen (32) als Antwort auf unterschiedliche Sendeleistungen umfasst, und wobei das Erfassen (32) der zweiten Antworten das Erfassen (32) als Antwort auf die unterschiedlichen Sendeleistungen umfasst.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Schätzen (40) das Schätzen (40) in Abhängigkeit von der Dämpfung umfasst.
Verfahren aus Anspruch 6, welches ferner Folgendes umfasst: das Bestimmen (34) der Dämpfung anhand einer Flanke der ersten Antworten, wobei die Dämpfung durch das Verhältnis der Flanken der Antworten angegeben wird.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Schätzen (40) das Schätzen (40) in Abhängigkeit von einem Ultraschall-Nichtlinearitätsparameter eines Gewebes für die Orte umfasst.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Schätzen (40) das Eingeben der ersten und der zweiten Antworten in ein Modell sowie das Ausgeben des Schalldrucks von dem Modell umfasst.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Schätzen (40) das Aufsuchen des Schalldrucks auf Basis einer Kombination von zwei oder mehr der ersten Antworten, der zweiten Antworten, einem ersten, von den ersten Antworten abgeleiteten Parameterwert oder einem zweiten, von den zweiten Antworten abgeleiteten Parameterwert umfasst.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Schätzen (40) das Schätzen (40) des Schalldrucks an einem ersten der mehreren Orte umfasst; wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: das Bestimmen des Schalldrucks an anderen Orten als dem ersten der mehreren Orte, wobei das Bestimmen in Abhängigkeit von dem Schalldruck an dem ersten Ort erfolgt.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Einstellen (38) das Einstellen (38) der akustischen Ausgabe umfasst, um die Zerstörung von Kontrastmitteln zu vermeiden und gleichzeitig eine im Wesentlichen maximale Ausgabe zu erhalten.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Einstellen (38) das Einstellen (38) der akustischen Ausgabe in Abhängigkeit von dem Schalldruck und einer thermischen Dosis umfasst.
Verfahren aus Anspruch 1, wobei das Einstellen (38) Folgendes umfasst: das Messen von Rauschen; und das Einstellen (38) einer Sendeleistung in Abhängigkeit von dem Schalldruck und dem Rauschen
Nichttransitorisches computer-lesbares Speichermedium mit darin gespeicherten Daten, welche Anweisungen repräsentieren, die von einem programmierten Prozessor (22) für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall ausgeführt werden können, wobei das Speichermedium Anweisungen für Folgendes umfasst: das Bestimmen (30) von Gewebeantworten auf akustische Energie in einem ersten und einem zweiten Frequenzband; das Einstellen (38) einer Sendeleistung in Abhängigkeit von der Gewebeantwort in dem ersten und dem zweiten Frequenzband; und das Durchführen (42) einer Kontrastmittel-Bildgebung oder einer akustischen Therapie unter Verwendung der Sendeleistung, wobei das Einstellen (38) folgendes umfasst: das Schätzen (40) eines Schalldrucks in Abhängigkeit von der Gewebeantwort, einer Dämpfung und einem Ultraschall-Nichtlinearitätsparameter; und das Einstellen (38) der Sendeleistung in Abhängigkeit von dem Schalldruck.
Nichttransitorisches computer-lesbares Speichermedium aus Anspruch 15, wobei das Bestimmen (30) der Gewebeantwort das Bestimmen (30) der Gewebeantwort bei unterschiedlichen Tiefen als Antwort auf unterschiedliche Sendepegel für jedes Frequenzband, also das erste und zweite Frequenzband, umfasst.
Ein Ultraschallsystem für die adaptive Schalldruckschätzung im medizinischen Ultraschall, wobei das System Folgendes umfasst: einen Wandler (12); einen Sendeverstärker (14), welcher mit dem Wandler (12) verbunden ist; und einen Prozessor (22), der so konfiguriert ist, dass er eine Sendeleistung des Sendeverstärkers (14) in Abhängigkeit von einem ersten Amplitudenprofil in Abhängigkeit von der Tiefe bei einer ersten Frequenz und einem zweiten Amplitudenprofil in Abhängigkeit von der Tiefe bei einer zweiten, von der ersten Frequenz abweichenden Frequenz herstellt, wobei der Prozessor (22) ferner dafür konfiguriert ist, die Sendeleistung anhand eines Schalldrucks herzustellen, wobei der Schalldruck anhand des ersten und des zweiten Amplitudenprofils geschätzt wird.
System aus Anspruch 17, welches ferner einen Speicher (24) umfasst, wobei der Speicher (24) Sendeleistungen speichert, einschließlich der hergestellten Sendeleistung, die in Abhängigkeit von dem ersten und dem zweiten Amplitudenprofil wählbar ist, oder in Abhängigkeit von Parameterwerten, welche von dem ersten und dem zweiten Amplitudenprofil abgeleitet werden.