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HINTERGRUND
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Die vorliegenden Ausführungsformen betreffen Ultraschalluntersuchungen zu medizinischen Diagnosezwecken. Insbesondere wird Ultraschall verwendet, um quantitative Ultraschall (QUS) -Bildgebung bereitzustellen. In der QUS-Bildgebung wird die Ultraschallinformation weiter verarbeitet, um einen Biomarker oder ein Merkmal des abgebildeten Gewebes zu quantifizieren. Anstatt lediglich ein B-Modus-Bild des Gewebes zu liefern, wird ein Merkmal des betreffenden Gewebes abgebildet. Beispielsweise wird die Scherwellengeschwindigkeit im Gewebe mittels Ultraschallbildgebung berechnet. Weitere Beispiele sind Dehnungs-, Dämpfungs- oder Rückstreuungsmessungen.
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Die QUS-Bildgebung ermöglicht die Beurteilung und den Vergleich von Gewebeeigenschaften unter verschiedenen Bedingungen. Ein Beispiel sind Änderungen der Scherwellengeschwindigkeit oder Rückstreuung während Muskelkontraktions- und -relaxationszyklen. Ein weiteres Beispiel sind Elastizität, Fettanteil, Scherwellenviskosität, Modul oder Rückstreuungskoeffizient, gemessen für einen Muskel oder zwischen verschiedenen Geweben. Bei der Bildgebung des Muskels ergeben sich Inkonsistenzen bei der Quantifizierung aus der Messung und/oder dem Vergleich von Quantitäten anhand eines unbekannten Kontraktionszustandes des Muskels.
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KURZFASSUNG
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Zur Einführung beinhalten die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen ein Verfahren, ein System, ein computerlesbares Medium und Anweisungen zur quantitativen Ultraschallbildgebung mit einem Ultraschallscanner für medizinische Diagnostik. Muskelgewebe wird abgetastet, um den Kontraktionszustand zu bestimmen. Sobald der gewünschte Zustand identifiziert ist, wird die QUS-Bildgebung ausgelöst, um eine Gewebeeigenschaft zu quantifizieren oder zu messen, während sich der Muskel im gewünschten Zustand befindet. Die Werte der Gewebeeigenschaft bei einem bekannten Kontraktionszustand können diagnostisch nützlicher oder informativer sein. Vergleiche der Gewebeeigenschaften über die Zeit und/oder den Ort können aufgrund der Auslösung diagnostische Informationen genauer wiedergeben.
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In einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur quantitativen Ultraschallbildgebung mit einem Ultraschallscanner für medizinische Diagnostik bereitgestellt. Der Ultraschallscanner für medizinische Diagnostik tastet Muskelgewebe eines Patienten mit Ultraschall ab. Ein Bildprozessor erkennt einen Kontraktionszustand des Muskelgewebes anhand der Ultraschalldaten aus der Abtastung. Der Bildprozessor löst die quantitative Ultraschallbildgebung durch den Ultraschallscanner für medizinische Diagnostik aus. Die quantitative Ultraschallbildgebung wird in Reaktion auf die Erkennung des Kontraktionszustandes ausgelöst. Es wird ein quantitatives Ultraschallbild aus der ausgelösten quantitativen Ultraschallbildgebung angezeigt.
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In einem zweiten Aspekt enthält ein nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium darauf gespeicherte Daten, die Anweisungen darstellen, die von einem programmierten Prozessor für die quantitative Ultraschallbildgebung ausgeführt werden können. Das Speichermedium enthält Anweisungen zum: Auslösen der quantitativen Ultraschallbildgebung in Reaktion auf die Erkennung eines Muskelkontraktionszustandes; Vergleichen einer ersten Quantität aus der ausgelösten quantitativen Ultraschallbildgebung mit einer zweiten Quantität; und Erzeugen eines Bildes, das den Vergleich zeigt.
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In einem dritten Aspekt wird ein System zum Auslösen der quantitativen Ultraschallbildgebung bereitgestellt. Ein Sendestrahlformer ist dafür ausgelegt, Ultraschall in einen Patienten zu übertragen. Ein Empfangsstrahlformer ist dafür ausgelegt, Abtastwerte anhand von Echos des Ultraschalls auszugeben. Ein Bildprozessor ist dafür ausgelegt, einen Zustand eines Muskels anhand der ausgegebenen Abtastwerte oder Daten aus der Erkennung der ausgegebenen Abtastwerte der ersten Abtastung durch den Sende- und den Empfangsstrahlformer zu bestimmen, ist dafür ausgelegt, den Sende- und den Empfangsstrahlformer zu veranlassen, eine zweite Abtastung basierend auf dem Zustand des Muskels durchzuführen, wobei die zweite Abtastung für die quantitative Ultraschallbildgebung vorgesehen ist, und ist dafür ausgelegt, einen Wert für eine Gewebeeigenschaft anhand der quantitativen Ultraschallbildgebung zu bestimmen. Eine Anzeige ist dafür ausgelegt, den Wert der Gewebeeigenschaft anzuzeigen.
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Die vorliegende Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche definiert, und nichts in diesem Abschnitt sollte als eine Einschränkung dieser Ansprüche verstanden werden. Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsformen erörtert.
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Figurenliste
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Die Komponenten und Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, vielmehr liegt der Schwerpunkt darauf, die Prinzipien der Erfindung zu verdeutlichen. Weiterhin bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugsnummern einander entsprechende Teile in den verschiedenen Darstellungen.
- 1 ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur quantitativen Ultraschallbildgebung mit einem Ultraschallscanner für medizinische Diagnostik; und
- 2 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems für ausgelöste quantitative Ultraschallbildgebung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN UND DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein Muskelkontraktionszustand wird automatisch erkannt und löst eine Scherwellen- und/oder Rückstreuungserfassung aus. Die Erkennung des Kontraktionszustandes basiert auf Hochfrequenz (HF) und/oder Bildanalyse zur Abschätzung der Gewebebewegung, -verformung oder -dehnung (Speckle-Tracking, normalisierte Kreuzkorrelation, etc....). Ein trainierter Algorithmus künstlicher Intelligenz (maschinell gelerntes Modell) kann den Kontraktionszustand anhand von HF-, Bild- und/oder Videodaten (z.B. Sequenz) erkennen. Die ausgelöste QUS verwendet spezialisierte (z.B. feste) Sequenzen, die basierend auf dem erkannten Muskelkontraktionszustand ausgelöst werden. Ein Analyse-Tool liefert Messinformationen von Scherwelle- und/oder Rückstreuungsbasierten Gewebeeigenschaften während eines bekannten Muskelkontraktions- oder Belastungszyklus.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines Ablaufdiagramms eines Verfahrens zur QUS-Bildgebung mit einem Ultraschallscanner für medizinische Diagnostik. Der Muskelkontraktionszustand wird automatisch erkannt. Die Erfassung von Scherwelle, Rückstreuung und/oder andere QUS wird basierend auf der Erkennung eines gegebenen Kontraktionszustandes ausgelöst.
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Das Verfahren wird durch das Ultraschallbildgebungssystem 20 von 5, den Bildprozessor 25 oder ein anderes System und/oder einen anderen Prozessor durchgeführt. Das Ultraschallbildgebungssystem 20 beispielsweise tastet ab, erkennt, löst sich selbst aus für QUS, vergleicht Quantitäten und zeigt die Beziehung aus dem Vergleich an.
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Die Aktionen von 1 werden in der angegebenen Reihenfolge (von oben nach unten) oder in einer anderen Reihenfolge durchgeführt. Beispielsweise kann ein QUS-Bild in Aktion 18 vor dem Vergleich der Quantitäten von Aktion 16 angezeigt werden.
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Es können zusätzliche, andere oder weniger Aktionen als in 1 dargestellt verwendet werden. Beispielsweise wird Aktion 16 nicht durchgeführt. Als weiteres Beispiel können Aktionen zum Abtasten und Erzeugen von B-Modus- oder anderen Ultraschallbildern zum Identifizieren eines interessierenden Bereichs hinzugefügt werden.
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In Aktion 10 tastet der Ultraschallscanner für medizinische Diagnostik Muskelgewebe eines Patienten mit Ultraschall ab. Ein Transducer wird relativ zum Patienten angeordnet. Die Ultraschallvorrichtung tastet einen planaren Bereich oder einen Volumenbereich des Patienten einschließlich Muskelgewebe ab. Beispielsweise wird der Transducer an einem Arm oder einem Bein angeordnet. Der Benutzer aktiviert die Abtastung. Akustische Energie wird in den Patienten übertragen, und akustische Echos werden empfangen. Die Echos werden strahlgeformt, um den Abtastbereich abzutasten.
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Es kann eine beliebige Abtastart verwendet werden. Beispielsweise wird B-Modus-Abtasten verwendet. B-Modus-Bilder werden erzeugt, um das Körperinnere des Patienten zu betrachten, so dass der Benutzer einen Bereich des Muskelgewebes als interessierenden Bereich anzeigen kann. Alternativ dazu erkennt ein Bildprozessor den Bereich des Muskelgewebes anhand von strahlgeformten Abtastwerten, erfassten Daten und/oder Bilddaten.
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Das Abtasten erfolgt einmalig, oder es wird eine Sequenz von Abtastungen durchgeführt. Beispielsweise wird das Abtasten fortlaufend oder verschachtelt wiederholt. Es kann eine beliebige Bildfrequenz verwendet werden, etwa 20 Hz oder mehr.
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In Aktion 12 erkennt ein Bildprozessor einen Kontraktionszustand des Muskelgewebes anhand der Ultraschalldaten aus der Abtastung. Die zur Detektion verwendeten Ultraschalldaten stammen aus dem Abtasten. Strahlgeformte Daten vor der Erkennung (z.B. vor der B-Modus- oder Intensitätserkennung) können verwendet werden. Beispielsweise werden Hochfrequenz- oder Inphasen- und Quadraturdaten für strahlgeformte Abtastwerte verwendet. Erkennungs- oder Bilddaten wie etwa B-Modus-Daten können verwendet werden. Die Bilddaten können von nach der Erkennung (z.B. B-Modus oder Intensitätserkennung) und von vor der Konvertierung der Abtastung und/oder Anzeigezuordnung stammen. Es können Bilddaten nach Konvertierung der Abtastung und/oder Anzeigezuordnung verwendet werden.
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Die Erkennung erfolgt aus einem Rahmen von Daten, die etwa den Patienten zu einem bestimmten Zeitpunkt oder einem bestimmten Zeitraum repräsentieren. In anderen Ausführungsformen wird eine Folge von Rahmen (z.B. Videodaten oder Rahmen von Ultraschalldaten im Zeitverlauf) verwendet. Der Wechsel über die Zeit oder zwischen den Rahmen von Ultraschalldaten wird verwendet, um den Kontraktionszustand zu erkennen.
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In einer Ausführungsform basiert die Erkennung des Kontraktionszustandes auf der Gewebebewegung. Der Patient wird aufgefordert, eine Bewegung auszuführen. Das Abtasten des Muskels erfolgt während der Bewegung. Die Gewebebewegung während der Bewegung wird erfasst, um den Kontraktionszustand zu bestimmen. Beispielsweise werden mit Hilfe von Speckle-Tracking, normalisierter Kreuzkorrelation, Korrelation oder anderen Ähnlichkeitsmaßen eine Positionsänderung, Dehnung, Ausdehnung oder Reduktion des Muskelgewebes über die Zeit bestimmt. Die Ähnlichkeiten für einen oder mehrere lokalisierte Bereiche im Zeitverlauf werden bestimmt.
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Verfolgung der Gewebebewegung in einer, zwei oder drei Dimensionen kann verwendet werden. Beispielsweise wird die Gewebebewegung mit Korrelation entlang von Abtastlinien zur eindimensionalen Erkennung verfolgt.
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Die Veränderung über die Zeit zeigt den Muskelkontraktionszustand an. Beispielsweise entspricht die maximale Ausdehnung einem belasteten oder kontrahierten Zustand, während die minimale Ausdehnung einem unbelasteten oder entspannten Zustand entspricht.
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In anderen Ausführungsformen wird Bildverarbeitung verwendet. Beispielsweise wird der Muskel in Segmente untergliedert. Die Formveränderung oder die Form des Muskels kann herangezogen werden, um den Kontraktionszustand zu bestimmen, etwa durch Abgleich mit einer Schablone.
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In einer anderen Ausführungsform wird eine Sequenz von Rahmen von Ultraschalldaten aus der wiederholten Durchführung von Abtastungen verwendet, um den Kontraktionszustand zu erkennen. Diese Sequenz wird in ein maschinell gelerntes Modell eingegeben. Das maschinell gelernte Modell ist anhand von Trainingsdaten dafür trainiert, den Kontraktionszustand zu erkennen und/oder zu identifizieren, wann in der Sequenz der Kontraktionszustand einen gegebenen Wert hat, wie etwa entspannt oder belastet. Das maschinell gelernte Modell ist ein neuronales Netz, eine Support-Vector (Stützvektor) -Maschine oder ein anderes maschinelles Lernmodell. Zum maschinellen Trainieren des Modells werden die Trainingsdaten vieler Abtastwerte von Sequenzen mit Ground-Truth (Grundwahrheit) -Kontraktionszuständen für jeden Rahmen der Sequenz verwendet. Einmal trainiert, zeigt oder erkennt das maschinell gelernte Modell den Kontraktionszustand basierend auf der Eingabe von Ultraschalldaten einer Sequenz für einen Patienten. In alternativen Ausführungsformen wird das maschinell gelernte Modell darauf trainiert, den Kontraktionszustand bei Eingabe eines Rahmens von Ultraschalldaten auszugeben.
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Der Kontraktionszustand wird als kontrahiert oder belastet, entspannt oder als ein Zustand dazwischen erkannt. Der Grad oder Umfang der Kontraktion, etwa in einem Bereich zwischen entspannt und voll belastet, kann als Kontraktionszustand bestimmt werden. In einer Ausführungsform wird eine binäre Bestimmung zwischen kontrahiert und entspannt vorgenommen. Der Kontraktionszustand kann über die Zeit bestimmt werden.
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In Aktion 14 löst der Bildprozessor die QUS-Bildgebung in Reaktion auf die Erkennung eines Muskelkontraktionszustandes aus. Die QUS soll bei einem bestimmten Kontraktionszustand durchgeführt werden, wie etwa das Quantifizieren einer Gewebeeigenschaft, während sich der Muskel im belasteten und/oder entspannten Zustand befindet. Alternativ ist die QUS über die Zeit durchzuführen, um Werte der Gewebeeigenschaft zu messen, wobei sich die Werte auf verschiedene Kontraktionszustände über diesen Zeitraum beziehen.
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Der Ultraschallscanner für medizinische Diagnostik wird ausgelöst, um die QUS durchzuführen. In Reaktion auf die Erkennung des Kontraktionszustandes durch Korrelation oder Speckle-Tracking von Hochfrequenz-Ultraschalldaten oder Bild-Ultraschalldaten, in Reaktion auf die Erkennung durch das maschinell gelernte Modell oder eine andere Erkennung des Kontraktionszustandes wird der Scanner ausgelöst, um eine QUS durchzuführen.
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Die Auslösung erfolgt unmittelbar oder innerhalb eines kurzen Zeitraums (z.B. 0,5 Sekunden). Die QUS wird durchgeführt, bevor sich der Muskelkontraktionszustand verändert oder stark verändert. Alternativ wird die Auslösung verzögert, etwa indem frühere Zyklen der Kontraktionszustandsänderung verwendet werden, um vorherzusagen, wann der Muskel in einem gewünschten Kontraktionszustand sein wird. In einer anderen Ausführungsform bestätigt die Auslösung die Kontraktionsänderung, so dass eine fortgesetzte QUS ausgelöst (d.h. nicht gestoppt) wird.
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Nach der Auslösung sendet und empfängt der Ultraschallscanner akustische Energie und berechnet einen oder mehrere Werte einer oder mehrerer Gewebeeigenschaften. Die Gewebeeigenschaften werden für einen Ort, entlang einer Linie, über einen Bereich oder über ein ganzes Volumen gemessen. Die QUS wird für einen beliebigen interessierenden Bereich durchgeführt, etwa für einen interessierenden Bereich des Muskels.
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Es kann eine beliebige Art von QUS durchgeführt werden. Beispielsweise wird eine Scherwellen-Bildgebung durchgeführt. Es wird ein akustischer Strahlungskraftimpuls übertragen. In Reaktion darauf wird im Gewebe eine Scherwelle erzeugt. Die Scherwelle breitet sich von einem Ursprungspunkt aus. Mittels Ultraschall-Abtasten werden die Gewebeverschiebungen aufgrund der Scherwelle verfolgt. Basierend auf den Verschiebungen wird die Geschwindigkeit der Scherwelle bestimmt. Andere Gewebeeigenschaften können anhand der Scherwelle und/oder der Scherwellengeschwindigkeit bestimmt werden, wie etwa der Youngsche Modul, die viskoelastische Eigenschaft und/oder die Dämpfung. Als weiteres Beispiel wird eine Bildgebung der Elastizität, Dämpfung oder Dehnung durchgeführt.
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In einer Ausführungsform wird als die ausgelöste QUS eine Rückstreuungs-Bildgebung durchgeführt. Zur Quantifizierung eines Rückstreuungskoeffizienten oder einer Dämpfung wird eine B-Modus-Abtastung durchgeführt. Anstatt eine B-Modus-Erkennung (z.B. Erkennung der Stärke oder Intensität des Rücksignals) durchzuführen, werden die strahlgeformten Abtastwerte vor der Erkennung verarbeitet. Mit einer schnellen Fourier-Transformation wird ein Stärkespektrum des Rücksignals als Funktion der Zeit erzeugt. Die Änderung nach Tiefe ergibt eine Dämpfung, etwa basierend auf einer exponentiellen Anpassung. Eine Dämpfungskompensation wird dann angewendet, um die Stärke des Signals am Ziel als Rückstreuungskoeffizient zu bestimmen. Der Rückstreuungskoeffizient als Funktion der Frequenz kann herangezogen werden, um die Streuung zu bestimmen.
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Die QUS-Bildgebung kann auf der Kalibrierung oder auf Informationen, die für die in der QUS-Bildgebung verwendeten Einstellungen spezifisch sind, basieren. Beispielsweise wird eine gegebene Intensität aus der Impulsbildgebung, ARFI, oder eine Kalibrierung aus der Phantombildgebung verwendet. Um Fehler aufgrund von Änderungen zu vermeiden, kann die Abtastsequenz und/oder die Bildverarbeitung für QUS eingestellt werden. Die ausgelöste Sequenz für das Abtasten basiert auf dem Muskelkontraktionszustand. Die Sequenz ist für den jeweiligen Zustand spezifisch. Anstatt Benutzeränderungen zuzulassen, ist das ausgelöste Abtasten eingestellt oder festgelegt. In alternativen Ausführungsformen kann der Benutzer eine oder mehrere Abtastungs- oder Bildverarbeitungseinstellungen festlegen.
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In Aktion 16 vergleicht der Bildprozessor eine Quantität aus der ausgelösten QUS mit einer anderen Quantität. Zwischen den Quantitäten wird eine Beziehung bestimmt. Diese Beziehung kann eine Differenz, ein Verhältnis oder eine andere Funktion sein. Die Beziehung wird berechnet.
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Diese Beziehung ist ein Analysemittel, das Messinformationen für Gewebeeigenschaften während der Muskelkontraktion oder des Belastungszyklus oder bei einem anderen Muskelzustand bereitstellt. Eine Online- oder Offline-Analyse der QUS-Messungen (z.B. QUS-Bilder oder -Werte) wird bereitgestellt.
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Der Vergleich wird für Quantitäten an verschiedenen Orten, zu verschiedenen Zeiten und/oder unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Wenn es zwei Bereiche gibt, vergleicht die Beziehung die Quantität für einen Bereich mit der Quantität für den anderen Bereich, wie etwa verschiedene Muskelpartien, verschiedene Muskeln, Muskeln in verschiedenen Kontraktionszuständen oder Muskeln im Vergleich zu anderen Gewebetypen. Die Beziehungen zwischen drei oder mehr Bereichen können als verschiedene Sätze von Beziehungen oder als eine einzige Beziehung zwischen den drei oder mehr Bereichen bestimmt werden. Die Beziehung zwischen den Quantitäten bei verschiedenen Frequenzen kann bestimmt werden. Die Beziehung zwischen den Quantitäten zu verschiedenen Zeiten kann bestimmt werden. Beispielsweise wird die Beziehung zwischen den Rückstreuungskoeffizienten für dasselbe Muskelgewebe während der Kontraktion und im Entspannungszustand bestimmt. Für die Rückstreuung kann die Beziehung zwischen Spektren bestehen.
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In Aktion 18 erzeugt der Bildprozessor ein Bild. Das Bild ist ein QUS-Bild, wie etwa ein Bild der Scherwellengeschwindigkeit oder ein Bild des Rückstreuungskoeffizienten. Das QUS-Bild enthält die Werte des oder der quantitativen Parameter(s). Beispielsweise ist die Scherwellengeschwindigkeit als Funktion des Ortes in einer, zwei oder drei Dimensionen im QUS-Bild enthalten. Das Bild wird verwendet, um Ultraschalldaten, die zur Bildung eines Anzeigebildes verwendet werden können, oder Ultraschalldaten, die so formatiert sind, dass sie angezeigt werden oder angezeigt worden sind, widerzuspiegeln. Die Scherwellen-, Rückstreuungs- oder andere QUS-Bildgebung kann Werte für Gewebeeigenschaften für einen Ort oder mehrere Orte in einer, zwei oder drei Dimensionen bestimmen. In einem anderen Beispiel enthält das QUS-Bild einen quantitativen Wert für einen gesamten interessierenden Bereich, ROI (Region of Interest), oder einen Ort (z.B. Punkt).
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Das QUS-Bild kann weitere Informationen aufweisen. Beispielsweise werden QUS-Werte für einen interessierenden Bereich verwendet, und Orte im Sichtfeld außerhalb des interessierenden Bereichs werden aus dem B-Modus-Bild gebildet.
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Das QUS-Bild kann Ergebnisse des Vergleichs darstellen. Beispielsweise wird der Wert des Verhältnisses oder der Differenz mit oder ohne gleichzeitige Anzeige der beiden Quantitäten als Teil des Bildes angezeigt. Die Ergebnisse können eine Anmerkung, ein Diagramm, eine Hervorhebung oder eine Zuordnung sein. Beispielsweise wird Muskelgewebe, dessen Quantität und/oder Vergleichsergebnis über oder unter einem Schwellenwert liegt, hervorgehoben oder von anderem Gewebe unterschieden, um anzuzeigen, dass die Quantität oder das Vergleichsergebnis über oder unter dem Schwellenwert liegt.
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Die Vergleichsergebnisse, Quantität, Quantitäten und/oder daraus abgeleitete Informationen können als Anmerkung (z.B. alphanumerischer Text), Graph und/oder Zuordnung von Farbe zu Pixeln angezeigt werden. Das Bild kann auch den für den Muskel erkannten Kontraktionszustand zeigen. Beispielsweise wird eine Anmerkung als Etikett bereitgestellt, das den Kontraktionszustand und die Quantität aus der QUS-Messung angibt.
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Das Bild wird auf einer Anzeige angezeigt, etwa auf einer Anzeige des Ultraschallscanners. Das Bild kann über ein Computernetz übertragen und/oder in einem Speicher, etwa einer elektronischen Patientenakte oder einer Datenbank eines Bildarchivierungs- und Kommunikationssystems, gespeichert werden.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines medizinischen Systems 20 zum Auslösen der QUS-Bildgebung. Das medizinische System 20 ist ein Ultraschallscanner zum Erkennen eines Kontraktionszustandes von Muskeln und reagiert mit QUS-Bildgebung oder Messung basierend auf (ausgelöst und/oder markiert) dem Kontraktionszustand. Das medizinische System 20 implementiert das Verfahren nach 1 oder ein anderes Verfahren.
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Das medizinische System 20 weist einen Sendestrahlformer 22, einen Transducer 23, einen Empfangsstrahlformer 24, einen Bildprozessor 25, einen Speicher 26 und eine Anzeige 27 auf. Weitere, andere oder weniger Komponenten können bereitgestellt werden. Beispielsweise weist das medizinische System 20 einen vom Bildprozessor 25 getrennten B-Modus- oder anderen Detektor auf. Als weiteres Beispiel werden der Bildprozessor 25, der Speicher 26 und/oder die Anzeige 27 ohne die Frontend-Komponenten, wie etwa Sende- und Empfangsstrahlformer 12, 16, bereitgestellt. In noch einem weiteren Beispiel wird eine Benutzerschnittstelle mit einem Benutzereingabemittel (z.B. Maus, Trackball, Tastatur, Tasten, Knöpfe, Schieberegler und/oder Touchpad) für die Anzeige eines interessierenden Bereichs oder andere Eingaben durch den Benutzer bereitgestellt.
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In einer Ausführungsform ist das medizinische System 20 ein Ultraschallsystem für medizinische Diagnosezwecke. In einer alternativen Ausführungsform ist das System 20 ein Computer oder eine Arbeitsstation.
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Der Transducer 23 ist eine Anordnung mehrerer Elemente. Bei diesen Elementen handelt es sich um piezoelektrische oder kapazitive Membranelemente. Die Anordnung ist als eindimensionale Anordnung, zweidimensionale Anordnung, 1,5D-Anordnung, 1,25D-Anordnung, 1,75D-Anordnung, ringförmige Anordnung, mehrdimensionale Anordnung, Wobbler-Anordnung, Kombinationen davon oder eine beliebige derzeit bekannte oder künftig zu entwickelnde Anordnung ausgestaltet. Die Transducerelemente wandeln zwischen akustischer und elektrischer Energie um. Der Transducer 23 ist über einen Sende-/Empfangsschalter mit dem Sendestrahlformer 22 und dem Empfangsstrahlformer 24 verbunden, aber in anderen Ausführungsformen können separate Verbindungen verwendet werden.
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Der Sende- und der Empfangsstrahlformer 22, 24 sind Strahlformer zum Abtasten mit dem Transducer 23. Der Sendestrahlformer 22 sendet mit Hilfe des Transducers 23 einen oder mehrere Strahlen aus, um einen Bereich abzutasten. Es können Vector®-, Sektor-, lineare oder andere Abtastformate verwendet werden. Die Empfangslinien und/oder Sendestrahlen sind im Abtastbereich verteilt. Der Empfangsstrahlformer 24 tastet die Empfangsstrahlen in verschiedenen Tiefen ab.
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Der Sendestrahlformer 22 ist ein Prozessor, ein Verzögerungsglied, ein Filter, ein Wellenformgenerator, ein Speicher, ein Phasendreher, ein Digital-Analog-Wandler, ein Verstärker, Kombinationen davon oder beliebiger anderer derzeit bekannter oder künftig zu entwickelnder Sendestrahlformer-Komponenten. In einer Ausführungsform erzeugt der Sendestrahlformer 22 digital Hüllkurvenabtastwerte. Mittels Filterung, Verzögerungen, Phasendrehung, Digital-Analog-Wandlung und Verstärkung wird die gewünschte Sendewellenform erzeugt. Es können auch andere Wellenformgeneratoren verwendet werden, etwa Schaltpulser oder Wellenformspeicher.
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Der Sendestrahlformer 22 ist in Form mehrerer Kanäle zum Erzeugen elektrischer Signale einer Sendewellenform für jedes Element einer Sendeapertur am Transducer 23 ausgestaltet. Bei den Wellenformen handelt es sich um unipolare, bipolare, gestufte, sinusförmige oder andere Wellenformen einer gewünschten Mittenfrequenz oder eines gewünschten Frequenzbandes mit einem, mehreren oder einer Bruchzahl von Zyklen. Die Wellenformen haben eine relative Verzögerung und/oder Phasenlage und Amplitude zum Fokussieren der akustischen Energie. Der Sendestrahlformer 22 weist eine Steuerung auf, um eine Apertur (z.B. der Anzahl aktiver Elemente), ein Apodisationsprofil (z.B. Typ oder Massenschwerpunkt) über die mehreren Kanäle, ein Verzögerungsprofil über die mehreren Kanäle, ein Phasenprofil über die mehreren Kanäle, die Mittenfrequenz, das Frequenzband, die Wellenform, die Anzahl der Zyklen und/oder Kombinationen davon zu ändern. Eine Amplitude kann geändert oder eingestellt werden. Basierend auf diesen Strahlformungsparametern werden Ursprung, Orientierung und Fokus eines Sendestrahls erzeugt.
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Der Empfangsstrahlformer 24 ist ein Vorverstärker, Filter, Phasendreher, Verzögerungsglied, Summierer, Basisbandfilter, Prozessor, Puffer, Speicher, Kombinationen davon oder beliebiger anderer derzeit bekannter oder künftig zu entwickelnder Empfangsstrahlformer-Komponenten. Der Empfangsstrahlformer 24 ist in Form mehrerer Kanäle zum Empfangen elektrischer Signale ausgestaltet, die Echos oder akustische Energie darstellen, die auf den Transducer 23 auftreffen. Ein Kanal jedes der Elemente der Empfangsapertur innerhalb des Transducers 23 ist mit einem Verstärker und/oder einem Verzögerungsglied verbunden. Ein Analog-Digital-Wandler digitalisiert das verstärkte Echosignal. Die digitalen Hochfrequenz-Empfangsdaten werden zu einer Basisbandfrequenz demoduliert. Dann werden beliebige Empfangsverzögerungen, wie etwa dynamische Empfangsverzögerungen, und/oder Phasendrehungen durch den Verstärker und/oder das Verzögerungsglied angewendet. Ein digitaler oder analoger Summierer kombiniert Daten von verschiedenen Kanälen der Empfangsapertur, um einen oder mehrere Empfangsstrahlen zu bilden. Der Summierer ist ein einzelner Summierer oder ein kaskadierter Summierer. In einer Ausführungsform ist der Strahlformsummierer dafür ausgelegt, Inphase- und Quadratur-Kanaldaten in komplexer Weise so zu summieren, dass die Phaseninformation für den geformten Strahl erhalten bleibt. In alternativen Ausführungsformen summiert der Empfangsstrahlformer Hochfrequenzdaten. Andere Empfangsstrahlformer können verwendet werden.
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Der Empfangsstrahlformer 24 ist dafür ausgelegt, Empfangsstrahlen in Reaktion auf die Sendestrahlen zu bilden. Beispielsweise empfängt der Empfangsstrahlformer 24 in Reaktion auf jeden Sendestrahl einen, zwei oder mehr Empfangsstrahlen. Die Phasendreher, Verzögerungsglieder und/oder Summierer können für parallele Empfangsstrahlformung wiederholt sein. Einer oder mehrere der parallelen Empfangsstrahlformer können Teile von Kanälen gemeinsam nutzen, etwa die Anfangsverstärkung gemeinsam nutzen. Die Empfangsstrahlen sind kollinear, parallel und versetzt oder nichtparallel zu den entsprechenden Sendestrahlen.
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Der Empfangsstrahlformer 24 ist dafür ausgelegt, Abtastwerte für einen Ort oder verschiedene Orte in einem Patienten auszugeben. Der Empfangsstrahlformer 24 gibt räumliche Abtastwerte aus, die verschiedene räumliche Orte eines abgetasteten Bereichs repräsentieren, oder Abtastwerte, die nur einen Ort repräsentieren. Sobald die Kanaldaten strahlgeformt oder anderweitig kombiniert sind, um räumliche Orte entlang der Abtastlinien 21 darzustellen, werden die Daten von der Kanaldomäne in die Bilddatendomäne konvertiert. Durch Abtastung mit Sende- und Empfangsstrahlformung in einem beliebigen Muster (z.B. Sektor, Vektor oder linear) wird ein Sichtfeld abgetastet.
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Der Sende- und der Empfangsstrahlformer 22, 24 sind dafür ausgelegt, Abtastungen in verschiedenen Modi durchzuführen. Beispielsweise wird eine B-Modus-Abtastung durchgeführt, um einen Kontraktionszustand zu erkennen. Als weiteres Beispiel werden Sende- und Empfangssequenzen für QUS durchgeführt. Eine Strahlformersteuerung konfiguriert die Strahlformer 22, 24 zum Abtasten in einem gegebenen Modus, etwa wiederholtes B-Modus-Abtasten bis zur Erkennung der Muskelkontraktion in einem gegebenen Zustand, und anschließend wird die QUS-Abtastung allein oder verschachtelt mit der B-Modus-Abtastung durchgeführt, während sich der Muskel in dem/den gewünschten Zustand/Zuständen befindet.
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Der Bildprozessor 25 ist ein Digitalsignalprozessor, ein allgemeiner Prozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, Application Specific Integrated Circuit), eine feldprogrammierbare Gatteranordnung (FPGA, Field Programmable Gate Array), ein Prozessor für künstliche Intelligenz, ein Steuerprozessor, eine digitale Schaltanordnung, eine analoge Schaltanordnung, eine Grafikverarbeitungseinheit, Kombinationen davon oder eine andere derzeit bekannte oder künftig zu entwickelnde Vorrichtung zum Berechnen von Quantitäten in der QUS und zum Bestimmen von Beziehungen zwischen Quantitäten. Der Bildprozessor 25 ist mittels Hardware, Firmware und/oder Software ausgestaltet, etwa für den Betrieb gemäß Anweisungen, die im Speicher 26 oder einem anderen Speicher bereitgestellt sind. In einer Ausführungsform ist der Bildprozessor 25 ein Digitalsignalprozessor, eine ASIC oder eine FPGA speziell für die Anwendung einer Fourier-Transformation, und eine andere Vorrichtung (z. B. Rechner oder Prozessor) berechnet einen Rückstreuungskoeffizienten anhand einer Ausgabe der Transformationsvorrichtung. In anderen Ausführungsformen ist der Bildprozessor 25 eine programmierbare Vorrichtung, die Bildverarbeitung für Scherwelle, Dehnung, Elastizität und/oder andere QUS-Bildgebung durchführt.
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Der Bildprozessor 25 ist dafür ausgelegt, einen Zustand eines Muskels anhand (1) der ausgegebenen Abtastwerte oder von (2) Daten aus der Erkennung der ausgegebenen Abtastwerte zu bestimmen. Der Bildprozessor 25 bestimmt den Zustand anhand von strahlgeformten Abtastwerten (z.B. Hochfrequenz oder Inphase- und Quadratur-Informationen) oder anhand von Bilddaten nach der Erkennung (z.B. nach B-Modus-Erkennung). Der Zustand wird mittels Speckle-Tracking, Korrelation oder anderer Ähnlichkeitsmaße in einer, zwei oder drei Dimensionen bestimmt. Andere Erkennungsarten können verwendet werden. Eine Form (z.B. Segmentierung) kann identifiziert werden, und der Kontraktionszustand kann basierend auf der Form erkannt werden. In einer Ausführungsform bestimmt ein maschinell gelernter Detektor den Kontraktionszustand und/oder identifiziert eine(n) oder mehrere Zeiten oder Rahmen von Daten in einer Sequenz, die den Muskel in einem gegebenen Kontraktionszustand repräsentieren, in Reaktion auf die Eingabe eines Rahmens von Ultraschalldaten (z.B. Bildrahmen) oder einer Sequenz solcher Rahmen.
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Der Bildprozessor 25 ist dafür ausgelegt, den Sende- und Empfangsstrahlformer 22, 24 dazu zu veranlassen, eine Abtastung basierend auf dem Zustand des Muskels durchzuführen. Der Bildprozessor 25 steuert das Abtasten, um QUS für den Muskel bereitzustellen, wenn dieser sich in einem gewünschten Zustand befindet. Die QUS-Abtastung wird basierend auf der Erkennung ausgelöst.
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Der Bildprozessor 25 ist dafür ausgelegt, einen Wert für eine Gewebeeigenschaft anhand der QUS-Bildgebung zu bestimmen. Strahlgeformte Abtastwerte für einen oder mehrere Orte werden erfasst. Vor einer Erkennung werden die Abtastwerte herangezogen, um eine Quantität zu berechnen. Bei alternativen Ausführungsformen wird die Quantität nach der Erkennung aus den Bilddaten berechnet.
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Ein Wert oder Werte einer beliebigen Gewebeeigenschaft wird/werden quantifiziert. Beispielsweise werden Dehnung, Elastizität, Rückstreuungskoeffizient, Streuung, Dämpfung, Viskoelastizität, Youngscher Modul, Scherwellengeschwindigkeit oder eine andere Art von Gewebeeigenschaften berechnet. Ein Wert wird für einen Ort oder repräsentativ für eine Gruppe von Orten bestimmt. Werte können für verschiedene Zeiten und/oder Orte berechnet werden.
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In einer Ausführungsform ist der Bildprozessor 25 dafür ausgelegt, eine Beziehung zwischen dem Wert für die Gewebeeigenschaft und einem anderen Wert für die Gewebeeigenschaft von einer anderen Zeit oder einem anderen Ort zu bestimmen. Es wird ein Verhältnis, eine Differenz oder eine andere Beziehung zwischen Quantitäten über Zeit und/oder Ort gefunden. Für Spektralinformationen kann ein Verhältnis von Spektren bestimmt werden. Eine frequenzabhängige Beziehung kann bestimmt werden.
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Die Ultraschalldaten und/oder Quantitäten können zum Erzeugen eines Bildes verwendet werden. Ein B-Modus-Detektor, ein Flussschätzer (z.B. Doppler-Prozessor) oder ein anderer Detektor kann zum Erkennen von Merkmalen aus den empfangenen strahlgeformten Abtastwerte bereitgestellt werden. Ein B-Modus-Detektor erkennt die Intensität oder Stärke der akustischen Rückstreuung. Ein Flussschätzer erkennt die Geschwindigkeit, Energie oder Varianz von sich bewegenden Objekten (z. B. Gewebe oder Flüssigkeit). Die Erkennung kann dazu verwendet werden, ein Bild zu erzeugen, aus dem interessierende Bereiche ausgewählt werden. Die QUS stellt einen Wert oder Werte für einen interessierenden Bereich bereit. Der Wert oder die Werte können getrennt von anderen Bildgebungsmodalitäten angezeigt oder überlagert werden, wie etwa eine Farbüberlagerung oder eine Anmerkung auf einem B-Modus-Bild.
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Der Bildprozessor 25 ist dafür ausgelegt, ein Bild zu erzeugen. Das Bild enthält einen Wert einer Quantität der Gewebeeigenschaft, mehrere solcher Werte von verschiedenen Orten oder Zeiten und/oder eine Beziehung zwischen Werten (z.B. Verhältnis). Beispielsweise wird ein Graph des Rückstreuungskoeffizienten als Funktion der Zeit als Bild erzeugt. Als weiteres Beispiel wird ein alphanumerischer Text als Bild generiert, etwa ein alphanumerischer Text, der den Wert der Gewebeeigenschaft aus der QUS für den Muskel angibt. Eine Tabelle kann erzeugt werden. In einer anderen Ausführungsform wird die Gewebeeigenschaft als Funktion des Ortes innerhalb eines oder mehrerer interessierender Bereiche Farben oder Graustufen zugeordnet, wobei die zugeordneten Werte verwendet werden, um eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Verteilung der Werte im Muskelgewebe zu erzeugen.
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Der Speicher 26 ist ein Video-Direktzugriffsspeicher, ein Direktzugriffsspeicher, ein Wechseldatenträger (z. B. Diskette oder Kompaktdiskette), eine Festplatte, eine Datenbank oder eine anderes Speichervorrichtung zum Speichern von Abtastwerte, Spektren, Werten von Quantitäten, die Gewebeeigenschaften darstellen, Beziehungen zwischen Quantitäten und/oder Bildern. Der Speicher 26 wird vom Bildprozessor 25 für durch Muskelkontraktionszustände ausgelöste QUS oder andere für 1 beschriebene Aktionen verwendet.
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Die Anweisungen zum Implementieren der weiter oben erörterten Prozesse, Verfahren und/oder Techniken (z.B. QUS-Bildgebung ausgelöst basierend auf dem Kontraktionszustand des Muskels) werden auf computerlesbaren Speichermedien oder in Speichern bereitgestellt, wie etwa einem Cache, Puffer, RAM, Wechselmedien, Festplatte oder anderen computerlesbaren Speichermedien, wie etwa durch Speicher 26 repräsentiert. Zu den computerlesbaren Speichermedien zählen verschiedene Arten von flüchtigen und nicht flüchtigen Speichermedien. Die Funktionen, Aktionen oder Aufgaben, die in den Figuren dargestellt oder in der vorliegenden Patentschrift beschrieben sind, werden in Reaktion auf einen oder mehrere Sätze von Anweisungen ausgeführt, die in oder auf computerlesbaren Speichermedien gespeichert sind. Die Funktionen, Aktionen oder Aufgaben sind unabhängig von der jeweiligen Art des Anweisungssatzes, des Speichermediums, des Prozessors oder der Verarbeitungsstrategie und können von Software, Hardware, integrierten Schaltungen, Firmware, Mikrocode und dergleichen allein oder in Kombination durchgeführt werden. Ebenso können die Verarbeitungsstrategien Multiprocessing, Multitasking, Parallelverarbeitung und ähnliches umfassen. In einer Ausführungsform werden die Anweisungen auf einer Wechseldatenträgervorrichtung zum Lesen durch lokale oder entfernte Systeme gespeichert. In anderen Ausführungsformen werden die Anweisungen an einem entfernten Ort zur Übertragung über ein Computernetz oder über Telefonleitungen gespeichert. In noch anderen Ausführungsformen werden die Anweisungen innerhalb eines/einer bestimmten Computers, CPU, GPU oder Systems gespeichert.
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Die Anzeige 27 ist ein CRT, LCD, Plasmabildschirm, Projektor, Monitor, Drucker, Berührungsschirm oder eine andere derzeit bekannte oder künftig zu entwickelnde Anzeigevorrichtung. Die Anzeige 27 empfängt RGB- oder andere Farbwerte oder andere Werte und gibt ein Bild aus. Das Bild kann ein Graustufen- oder Farbbild sein. Das Bild zeigt Informationen an, die eine Funktion der QUS sind, wie etwa die Anzeige eines oder mehrerer Werte der Gewebeeigenschaft des Muskels in einem gegebenen Zustand. Ein Wert oder Werte für eine Beziehung der Werte von verschiedenen Zeiten und/oder Orten können angezeigt werden. Alphanumerische, grafische, kommentierende oder andere Darstellungen des Wertes oder der Werte werden in einem Bild auf der Anzeige 27 angezeigt. Das Bild kann, muss aber nicht zusätzlich den Bereich des Patienten darstellen, der mit dem Strahlformer 22, 16 und dem Transducer 23 abgetastet wurde.
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In einer Ausführungsform wird ein Bild, das wenigstens einen der interessierenden Bereiche darstellt, mit Anmerkungen versehen oder farblich codiert, um ein Niveau des Wertes zu einer Referenz anzuzeigen. Beispielsweise repräsentieren verschiedene Bereiche der Gewebeeigenschaften verschiedene Stadien einer Muskelerkrankung. Das Bild oder der interessierende Bereich ist farblich codiert mit einer Farbe, einem Farbton oder einer Helligkeit, der/die ein gegebenes Stadium repräsentiert. Verschiedene Farben, Schattierungen und/oder Helligkeiten repräsentieren verschiedene Krankheitsstadien. Das Stadium für den betreffenden Patienten wird durch Farbe oder eine andere Modulation der Pixel im Bereich angezeigt. Eine Textanzeige kann verwendet werden.
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Obwohl die Erfindung oben unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass viele Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorstehende ausführliche Beschreibung als veranschaulichend und nicht als einschränkend betrachtet werden soll, und es versteht sich, dass die folgenden Ansprüche einschließlich aller Äquivalente den Geist und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung definieren sollen.
