DE10303797A1 - Doppler ultrasound system for three-dimensional (3D) acquisition and evaluation of object movement data for e.g. medical application, has ultrasound head mounted to enable 3D funnel-directed scanning of object - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung dreidimensionaler Geschwindigkeitssätze von Objekten mittels Ultraschallwellen unter Verwendung der Dopplermethode gemäß Anspruch 1 und 3, ein Ultraschallsystem zur Erfassung und Auswertung dreidimensionaler Geschwindigkeitsdatensätze von Objekten mittels Ultraschallwellen unter Verwendung der Dopplermethode gemäß Ansprüchen 15 und 17 sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß Ansprüchen 31 und 32.The invention relates to a method for recording and evaluating three-dimensional speed sets from Objects using ultrasonic waves using the Doppler method according to claim 1 and 3, an ultrasound system for recording and evaluating three-dimensional Speed records from Objects using ultrasonic waves using the Doppler method according to claims 15 and 17 and a corresponding computer program product according to claims 31 and 32.
Doppler-Ultraschallverfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeiten von Objekten sind bekannt. Bei diesen Verfahren werden Ultraschallwellen von einer Ultraschallquelle auf das zu untersuchenden Objekt geleitet und die davon reflektierten Ultraschallwellen mittels eines Ultraschallempfängers frequenzselektiv detektiert. Falls sich das zu untersuchende Objekt bezüglich der Ultraschallquelle bzw. dem Ultraschallempfänger bewegt, tritt eine Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffektes auf, aus welchem bei bekannter geometrischer Konfiguration die Geschwindigkeit des zu untersuchenden Objekts ermittelt werden kann. Insbesondere in der Medizin ist die Doppler-Ultraschalltechnik ein bevorzugtes bildgebendes Verfahren und nimmt vor allem bei Herz- und Gefäßerkrankungen eine wachsende Bedeutung ein.Doppler ultrasound method for Determination of speeds of objects is known. With these Procedures are based on ultrasonic waves from an ultrasonic source guided the object to be examined and reflected from it Ultrasound waves detected frequency-selectively by means of an ultrasound receiver. If the object to be examined is related to the ultrasound source or moved the ultrasound receiver, there is a frequency shift due to the Doppler effect, from which the speed with known geometric configuration of the object to be examined can be determined. In particular Doppler ultrasound technology is preferred in medicine imaging process and takes especially in cardiac and vascular diseases a growing importance.
Herkömmliche Ultraschallsysteme, wie sie beispielsweise in der Medizintechnik verwendet werden, gestatten jedoch nicht die Ermittlung des vollständigen dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes eines Objekts, wie beispielsweise der Blutströmung durch Gefäße oder der Wandbewegung des Herzens. So sind bekannte Ultraschallsysteme nicht geeignet, die vollständige vektorielle Bewegungsrichtung sowie den Geschwindigkeitsbetrag des Objekts an jedem dreidimensionalen Ortspunkt innerhalb des Untersuchungsbereichs zu erfassen. Derartige vollständige dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfelder können lediglich mit teuren Magnetresonanzverfahren (MR-Methoden, Phasenkontrastverfahren, MR-tagging) bestimmt werden, wie beispielsweise in Ozturk et al. in "4-dimensional B-spline based motion analysis of tagged MR images: introduction and in vivo validation", Phys. Med. Biol., Juni 2000, 45 (6): Seiten 1683–1702.Conventional ultrasound systems, as they are used for example in medical technology however, not determining the full three-dimensional vectorial Velocity field of an object, such as the blood flow through Vessels or the wall movement of the heart. Such are known ultrasound systems not suitable the full vectorial direction of movement and the speed of the Object at every three-dimensional location within the examination area capture. Such complete three-dimensional vectorial velocity fields can only with expensive magnetic resonance methods (MR methods, phase contrast methods, MR tagging) can be determined, as for example in Ozturk et al. in "4-dimensional B-spline based motion analysis of tagged MR images: introduction and in vivo validation ", Phys. Med. Biol., June 2000, 45 (6): pages 1683-1702.
Ein Ultraschallsystem sowie ein zugeordnetes Verfahren zur Erfassung der vollständigen dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsinformation eines Objekts mittels Ultraschall weist jedoch insbesondere in einem gesundheitspolitischen Kontext eine besondere Relevanz auf. Es werden daher in jüngerer Zeit intensive Anstrengungen unternommen, Ultraschallsysteme zu entwickeln, welche zur Erfassung vollständiger, dreidimensionaler, vektoriellen Geschwindigkeitsinformationen ausgelegt sind. Derartige vollständige Geschwindigkeitsinformationen könnten die zuverlässige, kostengünstige und schnell erhältliche Grundlage für die Diagnose von "Volkserkrankungen", wie beispielsweise KHK, Herzinfarkt und Klappenerkrankungen, sowie als Grundlage für die Früherkennung von speziellen, seltenen Herzfehlern, wie beispielsweise angeborenen Herzfehler sein. Eine Vision ist, in Zukunft auf alternative, radiologische oder nuklearmedizinische Verfahren wie MRT, CT, PET, SPECT oder Herzkatheteruntersuchungen ganz verzichten zu können, da diese schädliche kurzwellige, insbesondere radioaktive Strahlung verwenden, kostspielig sind und bei akuten, lebensbedrohlichen Zuständen wegen der umständlichen Logistik wenig praktikabel sind. Darüber hinaus bergen beispielsweise Herzkatheteruntersuchungen die bekannten Risiken eines invasiven Eingriffs.An ultrasound system and an associated one Procedure for capturing the complete three-dimensional vectorial Indicates the speed information of an object using ultrasound however, especially in a health policy context special relevance. There have therefore been intense efforts in recent times undertook to develop ultrasound systems which are used for detection more complete, three-dimensional, vectorial speed information are designed. such full Speed information could the reliable, inexpensive and quickly available Basis for the Diagnosis of "common diseases", such as CHD, heart attack and valve disorders, and as a basis for early detection of special, rare heart defects, such as congenital heart defects his. A future vision is on alternative, radiological or nuclear medicine procedures such as MRI, CT, PET, SPECT or To be able to do without cardiac catheter examinations completely, because these harmful short-wave, especially use radioactive radiation, are expensive and in acute, life-threatening conditions because of the cumbersome Logistics are not very practical. In addition, for example Cardiac catheterization the known risks of an invasive Intervention.
Ein weiteres gesundheitspolitisches Vorhaben ist, die Handhabung und Durchführung der Ultraschalluntersuchung medizinischem Hilfspersonal zu übertragen. In einigen Ländern, wie beispielsweise Großbritannien oder Holland, in welchen teures, ärztliches Personal rar ist, führen schon jetzt technische Assistenten (sogenannte "Sonographer") derartige Ultraschalluntersuchungen durch. Diese organisatorische Vorgehensweise hat jedoch den entscheidenden Nachteil, daß nach Abschluß der Untersuchung die aufgezeichneten Ultraschalldaten, insbesondere Geschwindigkeitsinformationen, vom Arzt für seine Diagnosestellung auf Basis dieser Daten nicht nachträglich verändert werden können. Die Aussagekraft herkömmlicher, zweidimensionaler Ultraschallverfahren ist demgemäß wesentlich von dem Können bzw. der Übung des Untersuchers abhängig. Ein möglichst genaues und unabhängiges Meßverfahren ist jedoch nur möglich, wenn die praktische Handhabung möglichst einfach gestaltet wird und vom Untersucher möglichst wenig beeinflußt werden kann.Another health policy The project is the handling and implementation of the ultrasound examination to transfer medical support personnel. In some countries, such as Britain or Holland, where expensive medical staff is rare, to lead already technical assistants (so-called "sonographers") of such ultrasound examinations by. However, this organizational approach has the decisive one Disadvantage that after Completion of the Examination of the recorded ultrasound data, in particular Speed information, from the doctor for his diagnosis Based on this data not retrospectively changed can be. The informative value of conventional, two-dimensional ultrasound is accordingly essential of skill or the exercise dependent on the examiner. On preferably accurate and independent measurement methods is only possible if practical handling if possible is simply designed and influenced as little as possible by the examiner can.
Ein Lösungsansatz ist die Entwicklung von speziellen Ultraschallsonden, welche als 3D+t-Sonden bezeichnet werden. Diese Sonden sollen den Einfluß des Untersuchers auf die aufgenommenen Ultraschalldaten minimieren. Der Ansatz ist vor allem bei der Darstellung der Morphologie des zu untersuchenden Objekts vielversprechend. Bei Ultraschall-Dopplerverfahren limitiert jedoch die streng genommen lediglich eindimensionale Geschwindigkeitsinformation in Bezug auf den Schallkopf weitere Entwicklungen.One solution is development of special ultrasonic probes, which are referred to as 3D + t probes become. These probes are intended to influence the investigator's influence on the minimize recorded ultrasound data. The approach is above all in the representation of the morphology of the object to be examined promising. Limited with ultrasonic Doppler methods, however strictly speaking, only one-dimensional speed information further developments regarding the transducer.
Aus den obengenannten Erwägungen wird deutlich, daß ein Doppler-Ultraschallverfahren eine bevorzugte Methode zur Erfassung der vollständigen dreidimensionalen Geschwindigkeitsinformation von zu untersuchenden Objekten darstellen würde, wobei derartige Geschwindigkeitsinformationen insbesondere die Grundlage für eine nachfolgende Diagnosestellung durch einen Arzt gestatten würden.The above considerations become clearly that a Doppler ultrasound method a preferred method for collecting the complete three-dimensional speed information of objects to be examined would represent such speed information especially the basis for would allow a subsequent diagnosis by a doctor.
Herkömmliche Ultraschallsysteme, wie sie in der Medizintechnik verwendet werden, können jedoch streng genommen lediglich eindimensionale Geschwindigkeitsinformationen liefern, da nur die Geschwindigkeitskomponente parallel zu der Anschallrichtung des verwendeten Schallkopfs erfaßt wird. Derartige Ultraschallsysteme sind unter "colour Doppler" sowie "tissue Doppler" bekannt. Da beim Doppler-Ultraschallverfahren lediglich Geschwindigkeitskomponenten in Anschallrichtung Dopplerverschiebungen der reflektierten Ultraschallwellen bewirken, verursachen Objekte, welche sich senkrecht zur Anschallrichtung bewegen, keine Dopplerverschiebung. Somit können für Objekte, welche sich senkrecht zur Anschallrichtung bewegen, keine Geschwindigkeitsinformationen erfaßt werden. Im sogenannten Farb- Dopplerverfahren ("colour Doppler") sind beispielsweise die Bewegungsrichtungen auf den Ultraschallkopf zu rot kodiert, während die vom Schallkopf weggerichteten Bewegungsrichtungen blau dargestellt werden ("BART" für "blue away, red towards"). Auch bei laminaren, nahezu turbulenzfreien Flüssen ist in der Mitte zwischen roter und blauer Geschwindigkeitskodierung deutlich eine senkrechte "schwarze Zone" zu sehen. In dieser Zone bewegt sich das Objekt genau senkrecht zur Anschallrichtung, wodurch die ermittelbare, resultierende Geschwindigkeitsinformation gleich null ist. Vergleichbares läßt sich auch am Beispiel des Gewebe-Dopplers zeigen.Strictly speaking, conventional ultrasound systems, such as those used in medical technology, can only provide one-dimensional speed information, since only the speed component is recorded parallel to the direction of sound of the transducer used. Such ultrasound systems are known under "color Doppler" and "tissue Doppler". Since in the Doppler ultrasound process ren only speed components in the direction of sound cause Doppler shifts of the reflected ultrasound waves, objects that move perpendicular to the sound direction do not cause a Doppler shift. Thus, no speed information can be acquired for objects that move perpendicular to the direction of sound. In the so-called color Doppler method ("color Doppler"), for example, the directions of movement towards the ultrasound head are coded too red, while the directions of movement away from the transducer are shown in blue ("BART" for "blue away, red towards"). Even with laminar, almost turbulence-free flows, a vertical "black zone" can clearly be seen in the middle between red and blue speed coding. In this zone, the object moves exactly perpendicular to the direction of sound, which means that the determinable, resulting speed information is zero. Comparable can also be shown using the example of the tissue Doppler.
Das medizinische Hauptproblem bei Doppler-Ultraschallverfahren und -systemen liegt aber in der Tatsache begründet, daß Bewegungsrichtungen von Flüssen oder Geweben in der Realität nicht nur in Richtung von oder zu der Ultraschallquelle verlaufen, sondern zu dieser eine beliebige Winkelorientierung aufweisen können. Erwünscht ist vielmehr die allgemeine Bewegungsinformation der Flüsse bzw. Gewebe im dreidimensionalen Raum.The main medical problem at However, Doppler ultrasound processes and systems lie in the fact justified that directions of movement of rivers or tissues in reality not only run towards or towards the ultrasound source, but can have any angular orientation to it. Is desired rather the general movement information of the rivers or Tissue in three-dimensional space.
Erste Ansätze zur Lösung dieses Problems mittels des sogenannten "3D-Farb-Dopplerverfahrens" erfolgten bereits.First approaches to solve this problem using the so-called "3D color Doppler process" have already been carried out.
Auch bei den gemäß diesem herkömmlichen Verfahren verwendeten dreidimensionalen Schallkegeln werden jedoch streng genommen lediglich die Objektgeschwindigkeiten eindimensional in Richtung auf den Schallkopf dargestellt. Im Fall des Mitralklappenflusses entspricht dies auch der klinisch interessanten Richtung, da der Fluß durch die Mitralklappe weitgehend parallel zur Anschallrichtung verläuft. Beim Aortenfluß bedient man sich der sogenannten "Winkelkorrektur". Die Winkelkorrektur ist ein zulässiges Hilfsverfahren unter der Annahme, daß Fluidflüsse in der "schwarzen Zone" weiterlaufen und nicht abrupt abbrechen. Jedoch stellt auch dieses Verfahren streng genommen lediglich eine eindimensionale Geschwindigkeitsinformation in Bezug auf die Anschallrichtung bereit.Even in accordance with this conventional However, three-dimensional sound cones are used strictly speaking, only the object speeds are one-dimensional shown towards the transducer. In the case of the mitral valve flow this also corresponds to the clinically interesting direction, since the Flow through the mitral valve runs largely parallel to the direction of sound. At the Aortic river operated one looks at the so-called "angle correction". The angle correction is an allowable Auxiliary processes assuming that fluid flows continue in the "black zone" and do not abruptly stop. However, strictly speaking, this procedure also represents only one one-dimensional speed information in relation to the direction of sound ready.
Nicht alle medizinischen Fragestellungen im Themenbereich von "Flüssen" können jedoch zufriedenstellend mit den oben genannten, herkömmlichen Verfahren gelöst werden. Als problematisch hat sich beispielsweise das Gebiet der komplexen angeborenen Herzfehler, wie beispielsweise Vorhof- oder Ventrikelseptumdefekte, offener Duktus, Transposition der großen Gefäße sowie Aortenisthmusstenose oder DORV erwiesen. Zur Darstellung derartiger komplexer Flußmuster, welche nicht laminar verlaufen und deren Richtung sich nicht in einfacher Weise logisch erschließen läßt, wird bislang vom Untersucher viel Zeit und Erfahrung benötigt. Da es sich jedoch bei den Patienten mit komplexen angeborenen Herzfehlern zumeist um Kinder handelt, ist insbesondere die benötigte Zeit bei der praktischen Durchführung der Ultraschalluntersuchung ein limitierender Faktor. Darüber hinaus gestatten die herkömmlichen Verfahren bislang keine Möglichkeit zur Darstellung des zeitlichen Ablaufs des Flusses oder gar ein räumliches Verfolgen seines Verlaufs. Dies wäre insbesondere bei der Darstellung der Herzkranzgefäße (Koronarien) von besonderer Bedeutung. Da es sich bei den Koronarien jedoch um vom Schallkopf relativ weit entfernte Gefäße handelt, ist deren Doppler-Untersuchbarkeit mittels herkömmlichen Verfahren nur grob an deren Ursprung aus der Hauptschlagader (Aorta) möglich. Eine Aussage über die Strömungsverhältnisse oder gar die Darstellung von Stenosen (Engstellen) im weiteren Verlauf der Koronarien, beispielsweise bei koronarer Herzkrankheit, sind bislang nicht möglich.Not all medical issues in the subject area of "rivers", however can be satisfactorily solved with the above-mentioned conventional methods. For example, the area of complex has been problematic congenital heart defects, such as atrial or ventricular septal defects, open duct, transposition of the large vessels and aortic stenosis or DORV proven. To represent such complex flow patterns, which are not laminar and whose direction is not in So far, the investigator has been able to easily identify logically takes a lot of time and experience. However, since it is in patients with complex congenital heart defects is mostly about children, especially the time required in the practical implementation ultrasound examination is a limiting factor. Furthermore allow the conventional So far no procedure to represent the timing of the river or even a spatial Track its course. This would be particularly the case with the presentation the coronary arteries really important. However, since the coronaries are vessels that are relatively far away from the transducer are their Doppler investigability using conventional Procedure only roughly at its origin from the main artery (aorta) possible. A Statement about the flow conditions or even the presentation of stenoses (constrictions) in the further course the coronaries, for example in coronary artery disease so far not possible.
Im Themenbereich "Gewebe-Doppler" ist es insbesondere möglich, die sogenannte "Strain Rate" (Deformationsrate des Herzgewebes) darzustellen. Diese gestattet eine Einschätzung der Vitalität des Herzmuskels, beispielsweise bei Patienten mit koronarer Herzkrankheit oder Herzinfarkt. Die Bewegungen der Wandschichten beim gesunden Herzen sind in der Systole zwar im groben von allen Seiten zur Mitte der Herzhöhle gerichtet. In Wirklichkeit beschreibt die Herzwand jedoch eine erhebliche Torsion, ähnlich einem Auswringvorgang. Besonders bei Minderversorgung des Herzmuskels (Myokard) kann sich dieses Bewegungsmuster deutlich ändern. Geschwindigkeiten innerhalb des Myokards zur Bestimmung des Bewegungsmusters werden herkömmlich insbesondere mit Hilfe der Tissue Doppler Echokardiographie, auch Tissue Velocity Imaging (TVI) oder Doppler Myocardial Imaging (DMI) genannt, gewonnen.In the subject area "Tissue Doppler" it is particularly possible to: so called "strain Rate "(deformation rate of the heart tissue). This allows an assessment of the vitality of the heart muscle, for example in patients with coronary artery disease or heart attack. The movements of the wall layers in the healthy Hearts in the systole are roughly from all sides to the center the cardiac cavity. In reality, however, the heart wall describes a significant torsion, similar to one Wringing. Especially when there is insufficient supply to the heart muscle (Myocardium) this movement pattern can change significantly. speeds within the myocardium for determining the movement pattern are conventionally in particular with the help of tissue Doppler echocardiography, also tissue velocity Imaging (TVI) or Doppler Myocardial Imaging (DMI).
Strain Rate Imaging (SRI) ist eine neue, auf der Tissue Doppler Echokardiographie aufbauende Technik zur Diagnose der Myokardvitalität. Hier werden in Ergänzung zu den Geschwindigkeitsinformationen lokale Kontraktionsmaße bestimmt. Die Deformation eines Objektes in Bezug auf den Ausgangszustand bezeichnet man als Strain. Als Strain Rate wird die Änderungsgeschwindigkeit des Strains bezeichnet und entspricht somit der zeitlichen Ableitung. Die (natürliche) Strain Rate innerhalb des Herzmuskels kann mittels Tissue Doppler als myokardialer Geschwindigkeitsgradient auf dem Schallstrahl berechnet werden zu (v1 – v2)/x wobei v1 und v2 gegebene Geschwindigkeiten an zwei Punkten und x die Distanz zwischen den beiden Punkten darstellt. Die Strain Rate stellt somit ein Maß für die lokale Kontraktion dar.Strain Rate Imaging (SRI) is a new technique based on Tissue Doppler Echocardiography for the diagnosis of myocardial vitality. In addition to the speed information, local contraction measures are determined here. The deformation of an object in relation to the initial state is called strain. The rate of change of the strain is referred to as the strain rate and thus corresponds to the time derivative. The (natural) strain rate within the heart muscle can be calculated using tissue Doppler as a myocardial velocity gradient on the sound beam to (v 1 - v 2 ) / x where v 1 and v 2 are given speeds at two points and x the distance between the two points represents. The strain rate is therefore a measure of the local contraction.
Die Untersuchungsverfahren mittels Doppler-Echokardiographie und darauf aufbauenden Verfahren, wie das beschriebene Strain-Rate Imaging, sind jedoch ebenfalls dadurch limitiert, daß herkömmliche Ultraschallsysteme die Geschwindigkeiten nur entlang des Schallstrahls bestimmen können. Die gemessene Geschwindigkeit ist somit nur die Projektion des tatsächlichen Geschwindigkeitsvektors auf den Schallstrahl. Hiermit ergibt sich eine große Winkelabhängigkeit der gemessenen Geschwindigkeiten und der daraus berechneten Werte, insbesondere der Strain Rate. Des weiteren sind quantitative Aussagen nur eingeschränkt möglich, da die wahre Geschwindigkeitsinformation nicht vorliegt und beispielsweise das Strain Rate Verfahren nur einen Wert des Strain Rate Tensors bestimmen kann. Als Grundlage für Diagnosestellungen wäre insbesondere auch die Darstellung von Scherbewegungen wichtig, die bisher mittels herkömmlicher Ultraschallverfahren jedoch nicht möglich ist. Ein weiterer Nachteil ist die hohe Intra- sowie Interobservervariabilität, da bei jeder Aufnahme ein ander Schallwinkel gewählt wird und somit die gemessenen Dopplerdaten abweichen.The examination methods using Doppler echocardiography and methods based thereon, such as the strain-rate imaging described, are also limited, however, by the fact that conventional ultrasound systems can only determine the speeds along the sound beam. The measured Ge Speed is therefore only the projection of the actual speed vector onto the sound beam. This results in a large angular dependence of the measured speeds and the values calculated therefrom, in particular the strain rate. Furthermore, quantitative statements are only possible to a limited extent, since the true speed information is not available and, for example, the strain rate method can only determine a value of the strain rate tensor. The representation of shear movements would also be particularly important as a basis for diagnosis, which, however, has so far not been possible using conventional ultrasound methods. Another disadvantage is the high intra and interobserver variability, since a different sound angle is selected for each exposure and the measured Doppler data thus deviate.
Gelingt es, ein echt dreidimensionales Geschwindigkeitsfeld innerhalb des Myokards zu bestimmen, wäre die Limitation der Winkelabhängigkeit des Doppler-Verfahrens beseitigt, womit quantitative Aussagen mittels Doppler-Ultraschall möglich wären. Desweiteren wäre eine Bestimmung des kompletten Strain sowie Strain Rate Tensors möglich. Auf Basis des erfaßten vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes könnte anhand der Lokalisation von pathologischen Bewegungsmustern dann in einem nachfolgenden Schritt eine diagnostische Aussage über die regionale Myokardfunktion und die Vitalität sowie die Planung einer entsprechenden Therapie (medikamentös, katheterinterventionell mit Ballondilation oder operativ) möglich sein.A really three-dimensional one succeeds To determine the speed field within the myocardium would be the limitation the angle dependency the Doppler method fixed, with which quantitative statements by means of Doppler ultrasound possible would. Furthermore would be a determination of the complete strain and strain rate tensor possible. Based on the captured vectorial velocity field could be based on the localization of pathological movement patterns then in a subsequent one Step a diagnostic statement about the regional myocardial function and vitality as well as the planning of an appropriate therapy (medication, catheter intervention with balloon dilation or surgery).
Im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Themenbereich "Flüsse" besteht beim Gewebe-Doppler keine Möglichkeit zur Kompensation der fehlenden Geschwindigkeitsvektoren, da die Positionierung des Schallkopfs niemals optimal in Bezug auf die Geschwindigkeitsrichtung erfolgen kann. Das Herz führt, wie eingangs beschrieben, Torsionsbewegungen im Raum aus, wobei jede einzelne Wandschicht aufgrund verschiedener Faserorientierungen seine eigene Hauptbewegungsrichtung aufweist.In contrast to the previously described There is no subject area "Rivers" in the tissue Doppler possibility to compensate for the missing speed vectors, since the Positioning the transducer never optimal with respect to the Direction of speed can take place. The heart guides how described in the beginning, torsional movements in space, each single wall layer due to different fiber orientations has its own main direction of movement.
Das beschriebene technische Problem limitiert hierbei folglich den praktischen Einsatz der Echokardiographie bei der Frage der Kontraktilität und Vitalität des Herzen erheblich. Somit versagen herkömmliche 3D-Dopplerverfahren sowohl bei der Darstellung komplexer Flußverläufe als auch bei der Bestimmung der Myokardvitalität, da die vollständige dreidimensionale, vektorielle Geschwindigkeitsinformation im virtuellen Raum fehlt.The technical problem described therefore limits the practical use of echocardiography on the question of contractility and vitality of the heart considerably. Conventional 3D Doppler methods therefore fail both in the representation of complex flow profiles and in the determination myocardial vitality, since the full three-dimensional, vectorial speed information in virtual space is missing.
Angesichts der eingangs genannten Nachteile ist es demgemäß eine Aufgabe der Erfindung, ein Ultraschallverfahren sowie ein zugeordnetes Ultraschallsystem anzugeben, mit welchem das vollständige, dreidimensionale, vektorielle Geschwindigkeitsfeld eines zu untersuchenden Objekts ermittelt werden kann.In view of the above Accordingly, disadvantages are a task the invention, an ultrasound method and an associated ultrasound system indicate with which the complete, three-dimensional, vectorial Velocity field of an object to be examined can be determined can.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und 3 sowie ein Ultraschallsystem gemäß Ansprüchen 15 und 17 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This task is accomplished through a process according to claim 1 and 3 and an ultrasound system according to claims 15 and 17 solved. preferred embodiments are subject to the dependent Expectations.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung dreidimensionaler Geschwindigkeitsdatensätze von Objekten mittels Ultraschallwellen unter Verwendung der Dopplermethode folgende Schritte:
- – Bereitstellen zumindest einer Ultraschallquelle, welche zum Senden eines dreidimensionalen Ultraschalltrichters entlang einer Schalltrichterhauptrichtung ausgelegt ist;
- – Bereitstellen zumindest eines Ultraschallempfängers, welcher zum Detektieren von an dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen und deren Dopplerverschiebung ausgelegt ist;
- – Anschallen des Objekts mit der Ultraschallquelle aus zumindest drei vorbestimmten Anschallpositionen in drei zueinander linear unabhängigen Schalltrichterhauptrichtungen, wobei die von der Ultraschallquelle aus jeder der Anschallpositionen ausgesendeten und an dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen mit dem Ultraschallempfänger zur Erfassung von skalaren dreidimensionalen Geschwindigkeitsdatensätzen des Objekts mittels der Dopplermethode detektiert werden; und
- – Berechnen des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes des Objekts aus den erfaßten skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen.
- - Providing at least one ultrasound source, which is designed to transmit a three-dimensional ultrasound funnel along a main direction of the horn.
- - Providing at least one ultrasound receiver, which is designed to detect ultrasound waves reflected on the object and their Doppler shift;
- - Sounding the object with the ultrasound source from at least three predetermined sound positions in three main directions of the horns which are linearly independent of one another, the ultrasound waves emitted by the ultrasound source from each of the sound positions and reflected on the object being detected by the ultrasound receiver for the acquisition of scalar three-dimensional speed data records of the object by means of the Doppler method become; and
- - Calculate the three-dimensional vectorial speed field of the object from the acquired scalar speed data sets.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erfolgt das Anschallen des Objekts mit Ultraschallwellen von drei vorbestimmten, zueinander verschiedenen Anschallpositionen in drei zueinander linear unabhängigen Schalltrichterhauptrichtungen mittels zumindest einer Ultraschallquelle, welche einen dreidimensionalen Ultraschalltrichter aussenden kann. Die Ultraschallquelle erzeugt beispielsweise eine trichter- bzw. kegelförmige Ultraschallpyramide entlang einer Schalltrichterhauptrichtung. Die Schalltrichterhauptrichtung fällt beispielsweise mit der Kegel- bzw. Pyramidenachse des Ultraschalltrichters zusammen. Da der Ultraschalltrichter einen von Null Grad unterschiedlichen Schalltrichteröffnungswinkel aufweist, sind die Anschallrichtungen zweier Orte des zu untersuchenden Objekts im Bereich des Ultraschalltrichters im allgemeinen voneinander verschieden. Mittels der zumindest einen Ultraschallquelle wird das Objekt aus drei zueinander linear unabhängigen Schalltrichterhauptrichtungen angeschallt. Demgemäß wird die Ultraschallquelle beim Anschallen des Objekts derart angeordnet, daß die Schalltrichterhauptrichtungen den gesamten dreidimensionalen euklidischen Raum aufspannen.According to the first aspect of the invention the object is sonicated with ultrasonic waves from three predetermined, different sound positions in three mutually linear main horn directions by means of at least one ultrasound source, which is a three-dimensional one Can emit ultrasonic funnel. The ultrasound source generates for example along a funnel-shaped or conical ultrasound pyramid a main direction of the horn. The main direction of the horn falls for example with the cone or pyramid axis of the ultrasonic funnel. Because the ultrasonic funnel has a non-zero degree Bell opening angle has the sound directions of two locations of the to be examined Object in the area of the ultrasonic funnel in general from each other different. By means of the at least one ultrasound source the object from three mutually linear main directions of the horn be echoed. Accordingly, the Ultrasound source arranged when the object is sonicated, that the Main horn directions the entire three-dimensional Euclidean Open space.
Mittels des Ultraschallempfängers, welcher zur Detektion von an dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen und deren Dopplerverschiebung ausgelegt ist, können skalare dreidimensionale Geschwindigkeitsdatensätze des zu untersuchenden Objekts mittels der Dopplermethode detektiert werden. Der Ultraschallempfänger befindet sich hierbei an einer bekannten, vorbestimmten Position relativ zu der Ultraschallquelle, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zur Ultraschallquelle. Hierdurch läßt sich von jeder Anschallposition ein skalarer dreidimensionaler Geschwindigkeitsdatensatz erfassen, d.h. eine skalare Geschwindigkeitsinformation v(x, y, z) für Ortspunkte (x, y, z) innerhalb des Schalltrichters. Jeder skalare Geschwindigkeitsdatensatz enthält die Bewegungs- bzw. Geschwindigkeitsinformation des Objekts in Abhängigkeit von der jeweiligen Anschallrichtung und der räumlichen Lage des Ultraschallempfängers. Mathematisch ausgedrückt liefert jeder skalare Geschwindigkeitsdatensatz somit für jeden dreidimensionalen Ortspunkt innerhalb des Schalltrichters eine eindimensionale Geschwindigkeitsinformation.By means of the ultrasound receiver, which is designed for the detection of ultrasound waves reflected on the object and their Doppler shift, scalar three-dimensional speed data records of the object to be examined can be detected using the Doppler method. The ultrasonic temperature catcher is located at a known, predetermined position relative to the ultrasound source, preferably in the immediate vicinity of the ultrasound source. In this way, a scalar three-dimensional speed data record can be acquired from each sound position, ie scalar speed information v (x, y, z) for location points (x, y, z) within the horn. Each scalar speed data record contains the movement or speed information of the object depending on the respective direction of sound and the spatial position of the ultrasound receiver. Expressed mathematically, each scalar speed data set thus provides one-dimensional speed information for every three-dimensional location point within the horn.
Aus den zumindest drei skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen, welche aus unterschiedlichen Anschallpositionen und unterschiedlichen Anschallrichtungen aufgenommen wurden, wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung das dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfeld berechnet. Vorzugsweise wird das rekonstruierte, dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfeld in Echtzeit als virtuelles Geschwindigkeitsfeld auf einem Monitor angezeigt. Zusätzlich oder alternativ wird das dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfeld insbesondere in elektronischer Form gespeichert, so daß zu einem späteren Zeitpunkt virtuelle Ansichten der Geschwindigkeits- bzw. Bewegungskomponenten des Objekts aus verschiedenen Richtungen in verschiedenen Schnittebenen erzeugt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert somit das vollständige dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfeld eines zu untersuchenden Objekts und kann vorzugsweise als nicht-diagnostisches Verfahren eingesetzt werden, um die Grundlage für eine spätere Diagnosestellung durch einen Arzt auf Basis des berechneten Geschwindigkeitsfeldes zu gestatten. Jedoch sind auch außerhalb der Medizintechnik Einsatzmöglichkeiten gegeben, beispielsweise in der Meeresströmungsforschung.From the at least three scalar speed data sets, which from different sound positions and different sound directions were recorded according to the first Aspect of the invention the three-dimensional vectorial velocity field calculated. Preferably, the reconstructed, three-dimensional vectorial speed field in real time as a virtual speed field displayed on a monitor. additionally or alternatively, the three-dimensional vectorial velocity field especially stored in electronic form, so that at a later Time virtual views of the speed or motion components of the object from different directions in different sectional planes can be generated. The method according to the invention thus delivers the complete three-dimensional vectorial velocity field of an object to be examined Object and can preferably be used as a non-diagnostic method be used to establish the basis for a later diagnosis allow a doctor based on the calculated speed field. However, are also outside of medical technology applications given, for example in ocean current research.
Zur Verbesserung der Rekonstruktionsstabilität des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes aus den erfaßten skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen kann es vorteilhaft sein, skalare Geschwindigkeitsdatensätze aus mehr als drei vorbestimmten Anschallpositionen entlang weiterer Schalltrichterhauptrichtungen zu erfassen. Bei den Ultraschallquellen handelt es sich vorzugsweise um sogenannte 3D oder 4D-Sonden.To improve the reconstruction stability of the three-dimensional vectorial speed field from the acquired scalar speed data sets it may be advantageous to make scalar speed records more than three predetermined sound positions along others To record the main horn directions. At the ultrasound sources it is preferably so-called 3D or 4D probes.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Berechnen des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes eine Regularisierung, vorzugsweise eine Tikhonov-Regularisierung, basierend auf vorbestimmten Topologie- und/oder Bewegungsinformationen des Objekts. Die vorbestimmten Topologie- und/oder Bewegungsinformationen des Objekts (sogenannte a-priori Informationen), bei welchem es sich beispielsweise um ein zu untersuchendes menschliches Herz handelt, stellen insbesondere biomechanische Eigenschaften des Objekts dar, welche ähnlich zu Rand- bzw. Zwangsbedingungen in den Rekonstruktionsprozeß der Berechnung des vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes aus den skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen eingehen. Die Topologie- und/oder Bewegungsinformationen spiegeln vorteilhafterweise physikalisch und/oder physiologisch bedingten Gesetzmäßigkeiten der Bewegung des zu untersuchenden Objekts wieder. Eine derartige Regularisierung auf Basis zusätzlicher Topologie- und/oder Bewegungsinformationen des Objekts ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die erfaßten skalaren Geschwindigkeitsdatensätze durch ungünstige Meßverhältnisse bzw. schlechte Meßsignale Ungenauigkeiten bzw. Fehler aufweisen. Die Regularisierung bei der Berechnung des vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes bewirkt eine Stabilisierung des Rekonstruktionsprozesses. Die Topologie- bzw. Morphologieinformationen können beispielsweise Annahmen über die räumliche Form, Größe und Beschaffenheit des Objekts umfassen. Die Bewegungsinformationen können beispielsweise Annahmen über das typische Bewegungsmuster des Objekts umfassen.According to a preferred embodiment comprises computing the three-dimensional vectorial velocity field regularization, preferably Tikhonov regularization, based on predetermined topology and / or motion information of the object. The predetermined topology and / or motion information of the object (so-called a priori information) for which it is for example a human heart to be examined, represent in particular biomechanical properties of the object, which are similar on boundary or constraint conditions in the reconstruction process of the calculation the vectorial velocity field from the scalar velocity data records. The topology and / or Movement information advantageously mirrors physically and / or physiological rules the movement of the object to be examined again. Such one Regularization based on additional Topology and / or movement information of the object is special then advantageous if the detected scalar speed records by unfavorable Meßverhältnisse or bad measurement signals Have inaccuracies or errors. The regularization at Calculation of the vectorial speed field causes a Stabilization of the reconstruction process. The topology or Morphology information can for example, assumptions about the spatial Shape, size and nature of the object. The movement information can, for example Assumptions about include the typical movement pattern of the object.
Die Topologie- und/oder Bewegungsinformationen können insbesondere Annahmen über die Korrelation der Bewegung benachbarter Ortspunkte des Objekts umfassen. Insbesondere kann als grundlegende Annahme einfließen, daß benachbarte Teile des Objekts zueinander ähnliche Geschwindigkeitsrichtungen und -beträge aufweisen, so daß das Geschwindigkeitsfeld einen stetigen und insbesondere einen differenzierbaren (glatten) Verlauf aufweist. Mathematisch ausgedrückt kann somit beispielsweise die a-priori Information darin bestehen, daß für das zu bestimmende dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfeld ein Minimum aufweisen soll. Hierbei bezeichnet ui den Ort (bzw. die Verschiebung) eines Massenpunktes des zu untersuchenden Objekts, xj die Raumrichtungen, wobei i, j = 1, 2, 3 und das Integral ein Volumenintegral über den interessierenden zu untersuchenden Ortsraum ist. Zusätzlich kann vorteilhafterweise eine zeitliche Glattheit berücksichtigt werden.The topology and / or movement information can in particular include assumptions about the correlation of the movement of adjacent location points of the object. In particular, the basic assumption can be that neighboring parts of the object have similar directions and amounts of speed, so that the speed field has a continuous and in particular a differentiable (smooth) course. Expressed mathematically, for example, the a priori information can consist in that should have a minimum for the three-dimensional vectorial velocity field to be determined. Here u i denotes the location (or the displacement) of a mass point of the object to be examined, x j the spatial directions, where i, j = 1, 2, 3 and the integral is a volume integral over the location space of interest to be examined. In addition, temporal smoothness can advantageously be taken into account.
Für die Rekonstruktion des vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes von Gewebe, insbesondere eines Herzmuskels oder der Herzwand, oder der Herzkavität für den Blutfluß kann eine sogenannte diskontinuitätenerhaltende Regularisierung vorteilhaft sein. Hierbei erfolgt nur an denjenigen Orten eine Regularisierung, wo eine Bewegung von Gewebe bzw. ein Fluidfluß zu erwarten ist.For the reconstruction of the vectorial velocity field of tissue, in particular a heart muscle or the heart wall, or the heart cavity for blood flow can be a so-called discontinuity-maintaining Regularization can be beneficial. This is done only on those Locate a regularization where there is a movement of tissue or an Fluid flow too is expected.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfaßt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung und Auswertung dreidimensionaler Geschwindigkeitsdatensätze von Objekten mittels Ultraschallwellen unter Verwendung der Doppler-Methode folgende Schritte:
- – Bereitstellen zumindest einer Ultraschallquelle, welche zum Senden eines dreidimensionalen Ultraschalltrichters entlang einer Schalltrichterhauptrichtung ausgelegt ist;
- – Bereitstellen zumindest eines Ultraschallempfängers, welcher zum Detektieren von an dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen und deren Dopplerverschiebung ausgelegt ist;
- – Anschalten des Objekts mit der Ultraschallquelle aus zumindest einer vorbestimmten Anschallposition in zumindest einer vorbestimmten Schalltrichterhauptrichtung, wobei die von der Ultraschallquelle ausgesendeten und an dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen mit dem Ultraschallempfänger zur Erfassung zumindest eines skalaren dreidimensionalen Geschwindigkeitsdatensatzes des Objekts mittels der Dopplermethode detektiert werden; und
- – Berechnen des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes des Objekts aus dem zumindest einen erfaßten skalaren Geschwindigkeitsdatensatz, wobei das Berechnen des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes eine Regularisierung, vorzugsweise eine Tikhonov-Regularisierung, basierend auf vorbestimmten Topologie- und/oder Bewegungsinformationen des Objekts umfaßt.
- - Providing at least one ultrasound source, which is designed to transmit a three-dimensional ultrasound funnel along a main direction of the horn.
- - Providing at least one ultrasound receiver, which is designed to detect ultrasound waves reflected on the object and their Doppler shift;
- - Switching on the object with the ultrasound source from at least one predetermined sound position in at least one predetermined main horn direction, the ultrasound waves emitted by the ultrasound source and reflected on the object being detected with the ultrasound receiver for recording at least one scalar three-dimensional speed data record of the object by means of the Doppler method; and
- - Calculation of the three-dimensional vector speed field of the object from the at least one acquired scalar speed data record, wherein the calculation of the three-dimensional vectorial speed field comprises regularization, preferably Tikhonov regularization, based on predetermined topology and / or movement information of the object.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erfolgt das Anschalten des Objekts mit Ultraschallwellen aus zumindest einer Anschallpositionen mittels zumindest einer Ultraschallquelle, welche einen dreidimensionalen Ultraschalltrichter aussenden kann. Die Ultraschallquelle erzeugt beispielsweise eine trichter- bzw. kegelförmige Ultraschallpyramide entlang einer Schalltrichterhauptrichtung. Die Schalltrichterhauptrichtung fällt beispielsweise mit der Kegel- bzw. Pyramidenachse des Ultraschalltrichters zusammen. Da der Ultraschalltrichter einen von Null Grad unterschiedlichen Schalltrichteröffnungswinkel aufweist, ist die Anschallrichtung zweier Orte des zu untersuchenden Objekts im Bereich des Ultraschalltrichters im allgemeinen voneinander verschieden.According to the second aspect of the invention the object is switched on with ultrasonic waves from at least an ultrasound position by means of at least one ultrasound source, which can send out a three-dimensional ultrasonic funnel. The ultrasound source generates, for example, a funnel or conical Ultrasound pyramid along a main direction of the horn. The For example, the main direction of the horn falls with the cone or pyramid axis of the ultrasonic funnel. Because the ultrasonic funnel has a non-zero degree Bell opening angle has the sound direction of two locations of the to be examined Object in the area of the ultrasonic funnel generally different from one another.
Mittels des Ultraschallempfängers, welcher zur Detektion von an dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen und deren Dopplerverschiebung ausgelegt ist, können skalare dreidimensionale Geschwindigkeitsdatensätze des zu untersuchenden Objekts mittels der Dopplermethode detektiert werden. Der Ultraschallempfänger befindet sich hierbei an einer bekannten, vorbestimmten Position relativ zu der Ultraschallquelle, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe zur Ultraschallquelle. Hierdurch läßt sich ein skalarer Geschwindigkeitsdatensatz erfassen, d.h. eine skalare Geschwindigkeitsinformation vi(x, y, z) für Ortspunkte (x, y, z) innerhalb des Schalltrichters. Der skalare Geschwindigkeitsdatensatz enthält die Bewegungs- bzw. Geschwindigkeitsinformation des Objekts in Abhängigkeit von der vorliegenden Anschallrichtung und der räumlichen Lage des Ultraschallempfängers. Mathematisch ausgedrückt liefert der skalare Geschwindigkeitsdatensatz somit für jeden dreidimensionalen Ortspunkt innerhalb des Schalltrichters eine eindimensionale Geschwindigkeitsinformation.By means of the ultrasound receiver, which is designed for the detection of ultrasound waves reflected on the object and their Doppler shift, scalar three-dimensional speed data records of the object to be examined can be detected using the Doppler method. The ultrasound receiver is located at a known, predetermined position relative to the ultrasound source, preferably in the immediate vicinity of the ultrasound source. In this way, a scalar speed data record can be acquired, ie scalar speed information v i (x, y, z) for location points (x, y, z) within the horn. The scalar speed data record contains the movement or speed information of the object depending on the current direction of sound and the spatial position of the ultrasound receiver. Expressed mathematically, the scalar speed data set thus provides one-dimensional speed information for each three-dimensional location point within the horn.
Das Berechnen des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes umfaßt eine Regularisierung, vorzugsweise eine Tikhonov-Regularisierung, basierend auf vorbestimmten Topologie- und/oder Bewegungsinformationen (sogenannten a-priori Informationen) des Objekts. Die vorbestimmten Topologie- und/oder Bewegungsinformationen des Objekts, bei welchem es sich beispielsweise um ein zu untersuchendes menschliches Herz handelt, stellen insbesondere biomechanische Eigenschaften des Objekts dar, welche ähnlich zu Rand- bzw. Zwangsbedingungen in den Rekonstruktionsprozeß der Berechnung des vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes aus den skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen eingehen. Die Topologie- und/oder Bewegungsinformationen spiegeln vorteilhafterweise physikalisch und/oder physiologisch bedingten Gesetzmäßigkeiten der Bewegung des zu untersuchenden Objekts wieder. Die Regularisierung bei der Berechnung des vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes bewirkt eine Stabilisierung des Rekonstruktionsprozesses, so daß selbst bei Vorliegen lediglich eines einzigen skalaren Geschwindigkeitsdatensatzes das sich ergebende unterbestimme Gleichungssystem für das vektorielle Geschwindigkeitsfeld eindeutig lösen läßt. Die Topologie- bzw. Morphologieinformationen können beispielsweise Annahmen über die räumliche Form, Größe und Beschaffenheit des Objekts umfassen. Die Bewegungsinformationen können beispielsweise Annahmen über das typische Bewegungsmuster des Objekts umfassen.Calculating the three-dimensional vectorial velocity field includes regularization, preferably Tikhonov regularization based on predetermined topology and / or movement information (so-called a priori information) of the object. The predetermined topology and / or movement information of the Object, which is, for example, an object to be examined human heart, especially biomechanical properties of the object, which are similar on boundary or constraint conditions in the reconstruction process of the calculation the vectorial velocity field from the scalar velocity data records. The topology and / or movement information advantageously mirror physical and / or physiological laws the movement of the object to be examined again. The regularization when calculating the vectorial velocity field a stabilization of the reconstruction process so that even if only a single scalar speed data record is available the resulting sub-system of equations for the vectorial Clearly solve the speed field leaves. The Topology or morphology information can, for example, make assumptions about the spatial Shape, size and nature of the object. The movement information can, for example Assumptions about include the typical movement pattern of the object.
Die Topologie- und/oder Bewegungsinformationen können insbesondere Annahmen über die Korrelation der Bewegung benachbarter Ortspunkte des Objekts umfassen. Insbesondere kann als grundlegende Annahme einfließen, daß benachbarte Teile des Objekts zueinander ähnliche Geschwindigkeitsrichtungen und -beträge aufweisen, so daß das Geschwindigkeitsfeld einen stetigen und insbesondere einen differenzierbaren (glatten) Verlauf aufweist. Mathematisch ausgedrückt kann somit beispielsweise die a-priori Information darin bestehen, daß für das zu bestimmende dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfeld ein Minimum aufweisen soll. Hierbei bezeichent ui den Ort (bzw. die Verschiebung) eines Massenpunktes des zu untersuchenden Objekts, xj die Raumrichtungen, wobei i, j = 1, 2, 3 und das Integral ein Volumenintegral über den interessierenden zu untersuchenden Ortsraum ist. Zusätzlich kann vorteilhafterweise eine zeitliche Glattheit berücksichtigt werden.The topology and / or movement information can in particular include assumptions about the correlation of the movement of adjacent location points of the object. In particular, the basic assumption can be that neighboring parts of the object have similar directions and amounts of speed, so that the speed field has a continuous and in particular a differentiable (smooth) course. Expressed mathematically, for example, the a priori information can consist in that should have a minimum for the three-dimensional vectorial velocity field to be determined. Here u i denotes the location (or the displacement) of a mass point of the object to be examined, x j the spatial directions, where i, j = 1, 2, 3 and the integral is a volume integral over the location space of interest to be examined. In addition, temporal smoothness can advantageously be taken into account.
Für die Rekonstruktion des vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes von Gewebe, insbesondere eines Herzmuskels oder der Herzwand, oder der Herzkavität für den Blutfluß kann eine sogenannte diskontinuitätenerhaltende Regularisierung vorteilhaft sein. Hierbei erfolgt nur an denjenigen Orten eine Regularisierung, wo eine Bewegung von Gewebe bzw. ein Fluidfluß zu erwarten ist.For the reconstruction of the vectorial velocity field of tissue, in particular a heart muscle or the heart wall, or the heart cavity for blood flow can be a so-called discontinuity-maintaining Regularization can be beneficial. This is done only on those Locate a regularization where there is a movement of tissue or an Fluid flow too is expected.
Vorzugsweise erfolgt bei dem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung das Anschallen des Objekts mit der Ultraschallquelle aus zwei vorbestimmten Anschallpositionen in zwei zueinander linear unabhängigen Schalltrichterhauptrichtungen, so daß zwei skalare dreidimensionale Geschwindigkeitsdatensätze erfaßt werden. Weiter bevorzugt erfolgt das Anschallen des Objekts mit der Ultraschallquelle aus zumindest drei vorbestimmten Anschallpositionen in drei zueinander linear unabhängigen Schalltrichterhauptrichtungen, so daß zumindest drei skalare dreidimensionale Geschwindigkeitsdatensätze erfaßt werden.Preferably takes place in the method according to the second Aspect of the invention the sonication of the object with the ultrasound source linear from two predetermined sound positions in two to each other independent Main horn directions, making two scalar three-dimensional Velocity data records are recorded. The object is also preferably sonicated with the ultrasound source from at least three predetermined sound positions in three to each other linearly independent Main horn directions, so that at least three scalar three-dimensional Speed records detected become.
Aus den zumindest zwei, vorzugsweise drei skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen, welche aus unterschiedlichen Anschallpositionen und unterschiedlichen Anschallrichtungen aufgenommen wurden, wird unter Berücksichtigung der in die Regularisierung eingehenden Topologie- und/oder Bewegungsinformationen des Objekts gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung das dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfeld berechnet. Vorzugsweise wird das rekonstruierte, dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfeld in Echtzeit als virtuelles Geschwindigkeitsfeld auf einem Monitor angezeigt. Zusätzlich oder alternativ wird das dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfeld insbesondere in elektronischer Form gespeichert, so daß zu einem späteren Zeitpunkt virtuelle Ansichten der Geschwindigkeits- bzw.From the at least two, preferably three scalar speed data sets, which come from different Sound positions and different sound directions added were taken into account the topology and / or movement information of the Object according to the second Aspect of the invention calculates the three-dimensional vectorial velocity field. Preferably, the reconstructed, three-dimensional vectorial Speed field in real time as a virtual speed field displayed on a monitor. additionally or alternatively, the three-dimensional vectorial velocity field especially stored in electronic form, so that at a later Time virtual views of the speed or
Bewegungskomponenten des Objekts aus verschiedenen Richtungen in verschiedenen Schnittebenen erzeugt werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert somit das vollständige dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfeld eines zu untersuchenden Objekts und kann vorzugsweise als nicht-diagnostisches Verfahren eingesetzt werden, um die Grundlage für eine spätere Diagnosestellung durch einen Arzt auf Basis des berechneten Geschwindigkeitsfeldes zu gestatten. Jedoch sind auch außerhalb der Medizintechnik Einsatzmöglichkeiten gegeben, beispielsweise in der Meeresströmungsforschung.Movement components of the object generated from different directions in different cutting planes can be. The method according to the invention thus delivers the complete three-dimensional vectorial velocity field of an object to be examined Object and can preferably be used as a non-diagnostic method be used to establish the basis for a later diagnosis allow a doctor based on the calculated speed field. However, are also outside of medical technology applications given, for example in ocean current research.
Zur Verbesserung der Rekonstruktionsstabilität des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes aus den erfaßten skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen kann es vorteilhaft sein, skalare Geschwindigkeitsdatensätze aus mehr als drei vorbestimmten Anschallpositionen entlang weiterer Schalltrichterhauptrichtungen zu erfassen. Bei den Ultraschallquellen handelt es sich vorzugsweise um sogenannte 3D-Sonden.To improve the reconstruction stability of the three-dimensional vectorial speed field from the acquired scalar speed data sets it may be advantageous to make scalar speed records more than three predetermined sound positions along others To record the main horn directions. At the ultrasound sources it is preferably so-called 3D probes.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Anschallen aus zumindest zwei Schalltrichterhauptrichtungen wird bei dem Schritt des Anschallens die zumindest eine Ultraschallquelle an den Anschallpositionen derart ausgerichtet, daß die zugeordneten Schalltrichterhauptrichtungen im wesentlichen orthogonal zueinander verlaufen.According to a preferred embodiment of a method according to the invention with a sound from at least two main directions of the horn in the step of sonication, the at least one ultrasound source aligned at the sound positions such that the assigned Main horn directions essentially orthogonal to each other run.
Bei einem Anschallen des zu untersuchenden Objekts aus drei Anschallpositionen in drei zueinander unterschiedlichen Schalltrichterhauptrichtungen werden die Schalltrichterhauptrichtungen vorzugsweise derartig gewählt, daß sie jeweils orthogonal aufeinander stehen. Die orthogonale Anordnung der Schalltrichterhauptrichtungen bewirkt, daß diese linear unabhängig zueinander sind und zu einer bestmöglichen Erfassung der Bewegungskomponenten des zu untersuchenden Objekts angeordnet sind. Die Orthogonalität zwischen den Schalltrichterhauptrichtungen muß hierbei nicht in einem strengen Sinne eingehalten werden. Jedoch wird bevorzugt, daß zwischen den Schalltrichterhauptrichtungen zumindest Winkel von 50°, vorzugsweise 80° vorhanden sind, um so eine genaue Erfassung der Bewegung des zu untersuchenden Objekts zu gewährleisten.If the subject to be examined is sonicated Object from three sound positions in three mutually different Main horn directions become main horn directions preferably chosen such that she are each orthogonal to each other. The orthogonal arrangement the main directions of the horns cause them to be linearly independent of one another are and at the best possible Detection of the movement components of the object to be examined are arranged. The orthogonality between the main horn directions must do this are not adhered to in a strict sense. However, it is preferred that between the main directions of the horn at least 50 °, preferably 80 ° available are so as to accurately record the movement of the person to be examined Ensure object.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest ein Ultraschallkopf vorgesehen, welcher eine Ultraschallquelle und einen Ultraschallempfänger umfaßt. Ultraschallquelle und -empfänger sind vorzugsweise in einem Ultraschallkopf integriert, welcher somit als Ultraschalltransceiver fungiert. Vorzugsweise kommt für einen derartigen Ultraschallkopf ein sogenannter 3D+T Transceiver zum Einsatz. Ultraschallquelle und -empfänger sind bei einem derartigen Ultraschallkopf vorzugsweise dicht beisammen angeordnet, so daß der Abstand zwischen Ultraschallquelle und -empfänger wesentlich geringer als der typische Abstand zwischen dem Ultraschallkopf und dem zu untersuchenden Objekt ist.According to another preferred embodiment at least one ultrasound head is provided, which has an ultrasound source and an ultrasound receiver includes. Ultrasound source and receiver are preferably integrated in an ultrasound head, which thus acts as an ultrasound transceiver. Preferably comes for one such an ultrasound head a so-called 3D + T transceiver for Commitment. Ultrasound source and receiver are in one Ultrasound head preferably arranged close together so that the distance between ultrasound source and receiver much less than the typical distance between the ultrasound head and the one to be examined Object is.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Anschalten aus zumindest zwei Schalltrichterhauptrichtungen ist genau ein Ultraschallkopf vorgesehen, welcher zur Erfassung der dreidimensionalen skalaren Geschwindigkeitsdatensätze sequentiell an die Anschallpositionen positioniert wird. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist lediglich ein einziger Ultraschallkopf vorgesehen, welcher an die zumindest zwei Anschallpositionen positioniert wird, um aus unterschiedlichen Schalltrichterhauptrichtungen die dreidimensionalen skalaren Geschwindigkeitsdatensätze zu erfassen. Die Aufnahme der skalaren Geschwindigkeitsdatensätze erfolgt hierbei sequentiell, d.h. es wird zunächst aus einer ersten Anschallposition in einer ersten Schalltrichterhauptrichtung eine Erfassung der Bewegung des zu untersuchenden Objekts vorgenommen, indem in vorbestimmten Zeitintervallen skalare Geschwindigkeitsdatensätze aus dieser Anschallposition erfaßt werden. Nachfolgend wird der Ultraschallkopf an die zweite Anschallposition angeordnet, aus der wiederum mit zugeordneter vorbestimmter Schalltrichterhauptrichtung in vorbestimmten Zeitabständen weitere skalare Geschwindigkeitsdatensätze erfaßt werden. Falls eine dritte Anschallposition mit einer dritten Schalltrichterhauptrichtung vorgesehen ist, wird aus der dritten Anschallposition gleichermaßen verfahren.According to a further preferred embodiment of a method according to the invention with a connection from at least two main directions of the horn, exactly one ultrasound head is provided, which is positioned sequentially at the sound positions for recording the three-dimensional scalar speed data sets. In this preferred embodiment, only a single ultrasound head is provided, which is positioned at the at least two sound positions in order to acquire the three-dimensional scalar speed data sets from different directions of the horn. The recording of the scalar speed data records takes place sequentially, that is to say the movement of the object to be examined is first detected from a first sound position in a first direction of the horn by scalar speed data at predetermined time intervals records are recorded from this sound position. Subsequently, the ultrasound head is arranged at the second sound position, from which further scalar speed data records are in turn acquired with the assigned predetermined direction of the main horn at predetermined time intervals. If a third sound position is provided with a third direction of the horn, the procedure is the same from the third sound position.
Bei dieser Ausführungsform wird die Tatsache ausgenutzt, daß Bewegungsabläufe einer Vielzahl von zu untersuchenden Objekten einen zeitlich periodischen Verlauf aufweisen. Ist das zu untersuchende Objekt beispielsweise ein menschliches Herz, so können die sequentiell aufgenommenen Geschwindigkeitsdatensätze aus den unterschiedlichen Anschallpositionen zeitlich miteinander korreliert werden, indem beispielsweise eine vorbestimmte auf- oder absteigende Flanke des Herzschlagzyklusses als jeweiliger Referenzzeitpunkt gewählt wird. Unter der Annahme, daß die Bewegungs- bzw. Geschwindigkeitsfelder zeitlich eng benachbarter Herzschlagperioden ähnlich sind, kann somit mit lediglich einem einzigen Ultraschallkopf eine sequentielle Erfassung von skalarer Geschwindigkeitsdatensätzen aus unterschiedlichen Anschallpositionen vorgenommen werden. Besonders vorteilhaft an einer derartigen Ausführungsform ist, daß unter Umständen die wesentlichen Systemkomponenten eines herkömmlichen Ultraschallsystems mit einem einzigen Ultraschallkopf verwendet werden können, sofern eine Auswerteeinrichtung vorgesehen wird, welche zu der erfindungsgemäßen Berechnung des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes des zu untersuchenden Objekts ausgelegt ist.In this embodiment, the fact exploited that movements one A large number of objects to be examined have a periodic period Show course. For example, is the object to be examined a human heart, so can the sequentially recorded speed data records the different sound positions correlated in time be, for example, by a predetermined ascending or descending Edge of the heartbeat cycle is selected as the respective reference time. Assuming that the Movement or speed fields are similar in temporally closely adjacent heartbeat periods, can therefore be sequential with just a single ultrasound head Acquisition of scalar speed data sets from different Sonic positions are made. Particularly advantageous such an embodiment is that under circumstances the essential system components of a conventional ultrasound system can be used with a single ultrasound head, provided an evaluation device is provided which is used for the calculation according to the invention of the three-dimensional vectorial velocity field of the investigating object is designed.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Anschalten aus zumindest zwei Schalltrichterhauptrichtungen sind zumindest drei Ultraschallköpfe vorgesehen, so daß an jeder der Anschallpositionen ein Ultraschallkopf angeordnet wird. Bei einer derartigen Ausführungsform können die skalaren Geschwindigkeitsdatensätze aus den drei zueinander verschiedenen Anschallpositionen entlang der zueinander verschiedenen Schalltrichterhauptrichtungen vorzugsweise gleichzeitig aufgenommen werden. Eine Periodizität des Bewegungsmusters des zu untersuchenden Objekts ist somit keine notwendige Voraussetzung. Zwar ist eine derartige Ausführungsform mit einem größerem "Hardware-Aufwand" verbunden, jedoch gestattet eine derartige Anordnung die schnellere, zuverlässigere und genauere Erfassung der skalaren Geschwindigkeitsdatensätze aus den unterschiedlichen Anschallpositionen.According to a preferred embodiment of a method according to the invention with switching on from at least two main directions of the horn are at least three ultrasound heads provided so that at an ultrasound head is arranged in each of the sound positions. In such an embodiment can the scalar speed records from the three to each other different sound positions along the mutually different Main horn directions preferably added simultaneously become. A periodicity the movement pattern of the object to be examined is therefore not necessary Requirement. Such an embodiment is associated with a greater "hardware outlay", however such an arrangement allows faster, more reliable and more accurate acquisition of the scalar speed data sets the different sound positions.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Anschalten aus zumindest zwei Schalltrichterhauptrichtungen wird bei dem Anschallen des Objekts eine Positioniereinrichtung zur Positionierung der zumindest einen Ultraschallquelle verwendet, um die Anschallpositionen und die Schalltrichterhauptrichtungen relativ zueinander festzulegen. Vorzugsweise ist die Positioniereinrichtung derart ausgelegt, daß sie Halteaufnahmen für die zumindest eine Ultraschallquelle, vorzugsweise drei Ultraschallquellen, aufweist, so daß deren Anschallposition sowie Schalltrichterhauptrichtung durch die Halteaufnahme eindeutig festgelegt wird. Besonders bevorzugt ist die Positioniereinrichtung zur Positionierung von Ultraschallköpfen ausgelegt. Vorzugsweise liegt die Positioniereinrichtung die Schalltrichterhauptrichtungen an den jeweiligen Anschallpositionen derartig fest, daß diese im wesentlichen orthogonal zueinander verlaufen. Der Mindestabstand zwischen den Schallköpfen beträgt vorzugsweise zumindest 100% des mittleren Abstands eines jeden Schallkopfes zu dem Zentrum des zu untersuchenden Objekts, vorzugsweise zumindest 140% dieses Abstandes. Ist das zu untersuchende Objekt beispielsweise ein menschliches Herz eines Erwachsenen beträgt der Mindestabstand zwischen den Schallköpfen 10 cm, vorzugsweise 15 cm, weiter bevorzugt zumindest 20 cm.According to a particularly preferred embodiment of a method according to the invention with switching on from at least two main directions of the horn becomes a positioning device when the object is sonicated used to position the at least one ultrasound source, around the sound positions and the main directions of the horns relative to each other. The positioning device is preferably designed so that they Stop shots for the at least one ultrasound source, preferably three ultrasound sources, has so that their Sound position and main direction of the funnel through the holding fixture is clearly defined. The positioning device is particularly preferred designed for positioning ultrasound heads. Preferably the positioning device is the main direction of the horn so firmly at the respective sound positions that these are essentially orthogonal to each other. The minimum distance between the transducers is preferably at least 100% of the mean distance of each transducer to the center of the object to be examined, preferably at least 140% this distance. For example, is the object to be examined a human heart of an adult is the minimum distance between the transducers 10 cm, preferably 15 cm, more preferably at least 20 cm.
Vorzugsweise ist die Positioniereinrichtung ein Dreibein, welches an seinen Beinenden Halteaufnahmen für die zumindest eine Ultraschallquelle aufweist. Ein derartiges Dreibein eignet sich insbesondere dann als Positioniereinrichtung, wenn es sich bei dem zu untersuchenden Objekt um ein menschliches oder tierisches Organ, insbesondere um ein menschliches Herz handelt. Bevorzugt sind die Beine des Dreibeins teleskopartig ausgebildet, um so an unterschiedliche anatomische Gegebenheiten der zu untersuchenden Personen angepaßt werden zu können. Ferner sind vorzugsweise die Winkel zwischen den Beinen des Dreibeins einstellbar. Zur besseren Fixierung des Dreibeins an dem Torso der zu untersuchenden Person kann ein viertes Bein mit einer Fixierungsvorrichtung vorgesehen sein, bei welcher es sich beispielsweise um eine Unterdruckfixiereinrichtung handeln kann.The positioning device is preferably a tripod, which at its leg ends holds for the least has an ultrasound source. Such a tripod is suitable in particular as a positioning device if it is the object to be examined is a human or animal Organ, especially a human heart. Prefers the legs of the tripod are telescopic, so as to different anatomical conditions of the examined Adapted to people to be able to. Furthermore, the angles between the legs of the tripod are preferably adjustable. For better fixation of the tripod to the torso of the patient to be examined Person can provide a fourth leg with a fixation device be, for example, a vacuum fixing device can act.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Anschallen aus zumindest zwei Schalltrichterhauptrichtungen sind eine Vielzahl von Ultraschallquellen und Ultraschallempfängern in einer flächigen, flexiblen Positioniereinrichtung integriert, welche vor dem Schritt des Anschalten an dem Objekt angeordnet wird. Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform sind vorzugsweise eine große Anzahl von Ultraschallquellen und -empfängern als Ultraschallelemente in einer flächigen, flexiblen Positioniereinrichtung integriert, welche um das zu untersuchende Objekt angeordnet werden kann. Somit ist es bei dieser Ausführungsform nicht unbedingt notwendig, bestimmte Ultraschallquellen bzw. -empfänger an vorbestimmten Anschallpositionen zu positionieren, um die skalaren Geschwindigkeitsdatensätze zu erfassen. Stattdessen kann aufgrund der großen Anzahl der Ultraschallelemente in der flächigen Positioniereinrichtung darauf vertraut werden, daß es immer Ultraschallquellen und -empfänger gibt, welche sich an günstigen Anschallpositionen mit günstigen Schalltrichterhauptrichtungen befinden, um zu einer effizienten und störungsfreien Erfassung der skalaren Geschwindigkeitsdatensätze angeordnet zu sein.According to a particularly preferred embodiment of a method according to the invention with a sonication from at least two main directions of the horn, a multiplicity of ultrasound sources and ultrasound receivers are integrated in a flat, flexible positioning device which is arranged on the object before the step of switching on. In this particularly preferred embodiment, a large number of ultrasound sources and receivers are preferably integrated as ultrasound elements in a flat, flexible positioning device which can be arranged around the object to be examined. It is therefore not absolutely necessary in this embodiment to position certain ultrasound sources or receivers at predetermined sound positions in order to record the scalar speed data sets. Instead, due to the large number of ultrasound elements in the flat positioning device, it can be trusted that there are always ultrasound sources and receivers, which are mutually exclusive located at favorable sound positions with favorable horn main directions in order to be arranged for an efficient and trouble-free acquisition of the scalar speed data sets.
Ähnlich zu der oben beschriebenen Ausführungsform, welche als Positioniereinrichtung ein Dreibein verwendet, ist die flächige, flexible Positioniereinrichtung besonders bedienerfreundlich, da ein unter Umständen schwieriges, exaktes Positionieren herkömmlicher Ultraschallköpfe für eine optimale Datenakquisition entbehrlich ist. Stattdessen kann die flächige, flexible Positioniereinrichtung auch von Personen angelegt werden, welche eine vergleichsweise geringe entsprechende Erfahrung und Vorbildung aufweisen, insbesondere medizinisches Pflegepersonal.Similar to the embodiment described above, which uses a tripod as the positioning device is the area, flexible positioning device particularly user-friendly, because a possibly difficult, exact positioning of conventional ultrasound heads for an optimal one Data acquisition is unnecessary. Instead, the flat, flexible Positioning device can also be created by people who a comparatively low corresponding experience and previous education have, especially medical nursing staff.
Vorzugsweise ist die flächige, flexible Positioniereinrichtung ein Gürtel, welcher insbesondere um den Torso eines Menschen anlegbar ist. In den Gürtel sind beispielsweise in regelmäßigen Positionen Ultraschallelemente (Ultraschallquellen und -empfänger) mit einer derartigen Dichte angeordnet, daß der Gürtel vorzugsweise in einer nahezu beliebigen Weise um den Torso angeordnet werden kann und dennoch Ultraschallelemente an nahezu optimalen Anschallpositionen zu liegen kommen. Der Gürtel ist mit einer Auswerteeinrichtung des Ultraschallsystems verbindbar.The flat is preferably flexible Positioning device a belt, which can be put on the torso of a person in particular. In the belt are in regular positions, for example Ultrasound elements (ultrasound sources and receivers) with arranged in such a density that the belt is preferably in a can be arranged almost any way around the torso and nevertheless, ultrasonic elements at almost optimal sound positions come to rest. The belt can be connected to an evaluation device of the ultrasound system.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die zumindest eine Anschallposition und die zumindest eine Schalltrichterhauptrichtung der Ultraschallquelle mittels eines Trackingsystems erfaßt. Ein derartiges Trackingsystem umfaßt vorzugsweise einen Trackingsensor, welcher an der Ultraschallquelle mit einer bekannten Orientierung angeordnet wird und eine Sensorausleseeinrichtung, welche bezüglich zu einem vorbestimmten Koordinatensystem die Orts- und Lageposition des Trackingsensors bestimmen kann. Derartige Trackingsysteme können beispielsweise optisch oder magnetisch ausgeführt sein. Gleichermaßen können auch die Orts- und Lagepositionen von Ultraschallempfängern bzw. Ultraschallköpfen erfaßt werden. Die Verwendung eines Trackingsystems ermöglicht es, beispielsweise einen Ultraschallkopf manuell in drei zueinander unterschiedliche Anschallpositionen zu bringen, um das zu untersuchende Objekt aus drei zueinander verschiedenen Schalltrichterhauptrichtungen anzuschallen, ohne daß diese Anschallpositionen bzw. Schalltrichterhauptrichtungen vor dem Verfahren genau bekannt sein müssen. Vielmehr werden die Orts- und Lagepositionen des Ultraschallkopfes in jeder der Anschallpositionen durch das Trackingsystem genau erfaßt, so daß die zur Berechnung des vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes notwendigen Orts- und Lagepositionen des Ultraschallkopfs vorliegen.According to another preferred embodiment the at least one sound position and the at least one Main horn direction of the ultrasound source by means of a Tracking systems recorded. Such a tracking system preferably comprises a tracking sensor, which at the ultrasound source with a known orientation is arranged and a sensor readout device which with respect to a predetermined coordinate system, the location and position of the tracking sensor can determine. Such tracking systems can, for example optically or magnetically executed his. equally can also the location and position of ultrasound receivers or ultrasound heads are detected. The use of a tracking system enables, for example, one Manual ultrasound head in three different sound positions bring to the object to be examined from three different from each other Sound the main direction of the horn without this Sound positions or main directions of the horn before the procedure must be known exactly. Rather, the location and location positions of the ultrasound head in each of the sound positions accurately recorded by the tracking system, so that the Calculation of the vectorial speed field necessary and positional positions of the ultrasound head are present.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Ultraschallsystem zur Erfassung und Auswertung dreidimensionaler Geschwindigkeitsdatensätze von Objekten mittels Ultraschallwellen unter Verwendung der Dopplermethode vorgeschlagen, wobei das Ultraschallsystem umfaßt:
- – zumindest eine Ultraschallquelle, welche zum Senden eines dreidimensionalen Ultraschalltrichters entlang einer Schalltrichterhauptrichtung ausgelegt ist;
- – zumindest einen Ultraschallempfänger, welcher zum Detektieren von an dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen und deren Dopplerverschiebung ausgelegt ist;
- – eine Auswerteeinrichtung, welche mit der Ultraschallquelle und dem Ultraschallempfänger in Signalverbindung steht und ausgelegt ist, ein dreidimensionales vektorielles Geschwindigkeitsfeld des Objekts aus zumindest drei skalaren dreidimensionalen Geschwindigkeitsdatensätzen zu berechnen, welche durch Anschallen des Objekts mit der Ultraschallquelle aus zumindest drei vorbestimmten Anschallpositionen in drei zueinander linear unabhängigen Schalltrichterhauptrichtungen und Empfangen von an dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen mit dem Ultraschallempfänger aus der Dopplerverschiebung der reflektierten Ultraschallwellen erfaßbar sind.
- - At least one ultrasound source, which is designed to transmit a three-dimensional ultrasound funnel along a main direction of the horn;
- - At least one ultrasound receiver, which is designed to detect ultrasound waves reflected on the object and their Doppler shift;
- - An evaluation device, which is in signal connection with the ultrasound source and the ultrasound receiver and is designed to calculate a three-dimensional vectorial velocity field of the object from at least three scalar three-dimensional velocity data sets, which are linearly linearly in three to one another by sonicating the object with the ultrasound source independent trumpet main directions and receiving ultrasound waves reflected on the object can be detected with the ultrasound receiver from the Doppler shift of the reflected ultrasound waves.
Das Ultraschallsystem gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ist insbesondere zur Durchführung des eingangs im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung beschriebenen Verfahrens geeignet. Zur Vermeidung von Wiederholungen bei der folgenden Beschreibung erfindungsgemäßer Vorrichtungen wird daher auf die entsprechenden obigen Ausführungen zu den erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen. Die Auswerteeinrichtung umfaßt vorzugsweise eine Computereinheit mit einem dafür ausgelegten ladbaren Computerprogramm, welches zur Berechnung des vektoriellen dreidimensionalen Geschwindigkeitsfelds aus den skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen ausgelegt ist.The ultrasound system according to the third Aspect of the invention is particularly related to performing the input method described with the first aspect of the invention. to Avoid repetitions in the following description of devices according to the invention is therefore based on the corresponding statements above on the method according to the invention directed. The evaluation device preferably comprises a computer unit with one for it designed loadable computer program, which is used to calculate the vectorial three-dimensional velocity field from the scalars Speed records is designed.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Ultraschallsystems gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung umfaßt die Auswerteeinrichtung einen Objektspeicher zum Speichern vorbestimmter Topologie- und/oder Bewegungsinformationen des Objekts und ist ausgelegt, bei dem Berechnen des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes eine Regularisierung, vorzugsweise eine Tikhonov-Regularisierung, der Geschwindigkeitsdatensätze basierend auf den gespeicherten Topologie- und/oder Bewegungsinformationen des Objekts vorzunehmen. Der Objektspeicher ist vorzugsweise ein nicht-flüchtiger Halbleiterspeicher bzw. ein Computerdatenträger (z.B. Festplatte), welche mit einer Recheneinheit der Auswerteeinrichtung verbunden ist.According to a preferred embodiment of the ultrasound system according to the third Aspect of the invention includes the evaluation device has an object memory for storing predetermined ones Topology and / or movement information of the object and is designed to when calculating the three-dimensional vectorial velocity field a regularization, preferably a Tikhonov regularization, based on the speed data records on the stored topology and / or movement information of the Object. The object store is preferably a non-volatile one Semiconductor memory or a computer data carrier (e.g. hard disk), which is connected to a computing unit of the evaluation device.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Ultraschallsystem zur Erfassung und Auswertung dreidimensionaler Geschwindigkeitsdatensätze von Objekten mittels Ultraschallwellen unter Verwendung der Dopplermethode vorgeschlagen, wobei das Ultraschallsystem umfaßt:
- – zumindest eine Ultraschallquelle, welche zum Senden eines dreidimensionalen Ultraschalltrichters entlang einer Schalltrichterhauptrichtung ausgelegt ist;
- – zumindest einen Ultraschallempfänger, welcher zum Detektieren von an dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen und deren Dopplerverschiebung ausgelegt ist;
- – eine Auswerteeinrichtung, welche mit der Ultraschallquelle und dem Ultraschallempfänger in Signalverbindung steht und ausgelegt ist, ein dreidimensionales vektorielles Geschwindigkeitsfeld des Objekts aus zumindest einem skalaren dreidimensionalen Geschwindigkeitsdatensatz zu berechnen, welcher durch Anschallen des Objekts mit der Ultraschallquelle aus einer vorbestimmten Anschallposition und Schalltrichterhauptrichtung und Empfangen von an dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen mit dem Ultraschallempfänger aus der Dopplerverschiebung der reflektierten Ultraschallwellen erfaßbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung einen Objektspeicher zum Speichern vorbestimmter Topologie- und/oder Bewegungsinformationen des Objekts aufweist und eingerichtet ist, bei dem Berechnen des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes eine Regularisierung, vorzugsweise eine Tikhonov-Regularisierung, der Geschwindigkeitsdatensätze basierend auf den gespeicherten Topologie- und/oder Bewegungsinformationen des Objekts vorzunehmen.
- - At least one ultrasound source, which is designed to transmit a three-dimensional ultrasound funnel along a main direction of the horn;
- - At least one ultrasound receiver, which is designed to detect ultrasound waves reflected on the object and their Doppler shift;
- - An evaluation device which is in signal connection with the ultrasound source and the ultrasound receiver and is designed to calculate a three-dimensional vectorial speed field of the object from at least one scalar three-dimensional speed data record, which is obtained by sonicating the object with the ultrasound source from a predetermined sonication position and main direction of the horn and receiving Ultrasound waves reflected on the object can be detected with the ultrasound receiver from the Doppler shift of the reflected ultrasound waves, the evaluation device having an object memory for storing predetermined topology and / or movement information of the object and being set up, when calculating the three-dimensional vectorial speed field, a regularization, preferably a Tikhonov regularization, the speed data records based on the stored topology and / or movement gsinformation of the object.
Das Ultraschallsystem gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung ist insbesondere zur Durchführung des eingangs im Zusammenhang mit dem zweiten Aspekt der Erfindung beschriebenen Verfahrens geeignet. Zur Vermeidung von Wiederholungen bei der folgenden Beschreibung erfindungsgemäßer Vorrichtungen wird daher auf die entsprechenden obigen Ausführungen zu den erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen. Die Auswerteeinrichtung umfaßt vorzugsweise eine Computereinheit mit einem dafür ausgelegten ladbaren Computerprogramm, welches zur Berechnung des vektoriellen dreidimensionalen Geschwindigkeitsfelds aus den skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen ausgelegt ist.The ultrasound system according to the fourth Aspect of the invention is particularly related to performing the input method described with the second aspect of the invention. to Avoid repetitions in the following description of devices according to the invention is therefore based on the corresponding statements above on the method according to the invention directed. The evaluation device preferably comprises a computer unit with one for it designed loadable computer program, which is used to calculate the vectorial three-dimensional velocity field from the scalars Speed records is designed.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Ultraschallsystems gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung ausgelegt, das vektorielle Geschwindigkeitsfeld aus zumindest zwei skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen zu berechnen, welche durch Anschallen des Objekts mit der Ultraschallquelle aus zwei vorbestimmten Anschallpositionen in zwei zueinander linear unabhängigen Schalltrichterhauptrichtungen erfaßbar sind.According to a preferred embodiment of the ultrasound system according to the fourth Aspect of the invention, the evaluation device is designed that vectorial velocity field from at least two scalar velocity data sets calculate which by sonicating the object with the ultrasound source linear from two predetermined sound positions in two to each other independent Main horn directions are detectable.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Ultraschallsystems gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung ausgelegt, das vektorielle Geschwindigkeitsfeld aus zumindest drei skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen zu berechnen, welche durch Anschallen des Objekts mit der Ultraschallquelle aus zumindest drei vorbestimmten Anschallpositionen in drei zueinander linear unabhängigen Schalltrichterhauptrichtungen erfaßbar sind.According to a preferred embodiment of the ultrasound system according to the fourth Aspect of the invention, the evaluation device is designed that vectorial velocity field from at least three scalar velocity data sets calculate which by sonicating the object with the ultrasound source from at least three predetermined sound positions in three to each other linearly independent Main horn directions are detectable.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Ultraschallsystem zumindest zwei, vorzugsweise drei, Ultraschallquellen, welche zum Anschallen des Objekts an den Anschallpositionen derart ausgerichtet sind, daß die zugeordneten Schalltrichterhauptrichtungen im wesentlichen orthogonal zueinander verlaufen.According to another preferred embodiment comprises the ultrasound system has at least two, preferably three, ultrasound sources, which are aligned in this way for sonication of the object at the sonication positions are that the assigned main horn directions essentially orthogonal to each other.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Ultraschallsystem zumindest einen Ultraschallkopf, welcher eine Ultraschallquelle und einen Ultraschallempfänger umfaßt.According to another preferred embodiment comprises the ultrasound system has at least one ultrasound head, which is a Ultrasound source and an ultrasound receiver comprises.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Ultraschallsystem genau einen Ultraschallkopf, welcher zur Erfassung der dreidimensionalen skalaren Geschwindigkeitsdatensätze sequentiell an die Anschallpositionen positionierbar ist. Alternativ umfaßt das Ultraschallsystem zumindest drei Ultraschallköpfe, welche an den Anschallpositionen angeordnet sind.According to another preferred embodiment comprises the ultrasound system is exactly one ultrasound head, which is used for detection of the three-dimensional scalar speed data sets sequentially the sound positions can be positioned. Alternatively, the ultrasound system includes at least three ultrasound heads, which are arranged at the sound positions.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Ultraschallsystem eine Positioniereinrichtung zur Positionierung der zumindest einen Ultraschallquelle bzw. des zumindest einen Ultraschallkopfes, wobei die Positioniereinrichtung zum relativen Festlegen der Anschallpositionen und der Schalltrichterhauptrichtungen zueinander ausgelegt ist. Vorzugsweise ist die Positioniereinrichtung ein Dreibein, welches an seinen Beinenden Halteaufnahmen für die zumindest eine Ultraschallquelle aufweist.According to a particularly preferred embodiment comprises the ultrasound system has a positioning device for positioning the at least one ultrasound source or the at least one ultrasound head, wherein the positioning device for the relative determination of the sound positions and the main direction of the bell is designed for each other. The positioning device is preferably a tripod which is attached to his leg ends holding recordings for the at least one ultrasound source having.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform sind eine Vielzahl der Ultraschallquellen und der Ultraschallempfänger (bzw. der Ultraschallköpfe) in einer flächigen, flexiblen Positioniereinrichtung integriert, welche zum Anordnen an dem Objekt eingerichtet ist. Vorzugsweise ist die flächige, flexible Positioniereinrichtung ein Gürtel, welcher insbesondere um den Torso eines Menschen anlegbar ist.According to another particularly preferred embodiment are a variety of ultrasound sources and ultrasound receivers (or the ultrasound heads) in a flat, integrated flexible positioning device, which can be arranged is set up on the object. The flat is preferably flexible Positioning device a belt, which can be put on the torso of a person in particular.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Ultraschallsystem ein Trackingsystem, welches zur Erfassung der zumindest einen Anschallposition und der zumindest einen Schalltrichterhauptrichtung der Ultraschallquelle (bzw. des Ultraschallkopfes) ausgelegt ist.According to another preferred embodiment comprises the ultrasound system is a tracking system which is used for recording the at least one sound position and the at least one main direction of the horn the ultrasound source (or the ultrasound head) is designed.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung eines oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ultraschallsystems zur Erfassung und Berechnung des dreidimensionalen Geschwindigkeitsfeldes von Flüssigkeiten, Organen und/oder Geweben des menschlichen oder tierischen Körpers vorgeschlagen.According to another aspect of Invention is the use of an ultrasound system according to the invention described above for recording and calculating the three-dimensional speed field of liquids, Organs and / or tissues of the human or animal body proposed.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt zur Auswertung dreidimensionaler Geschwindigkeitsdatensätze von Objekten vorgeschlagen, wobei das Computerprogrammprodukt folgende Schritte umfaßt:
- – Eingeben von skalaren dreidimensionalen Geschwindigkeitsdatensätzen des Objekts, welche durch Anschalten des Objekts mit einer 3D-Ultraschallquelle aus zumindest drei vorbestimmten Anschallpositionen in drei zueinander linear unabhängigen Schalltrichterhauptrichtungen und Detektieren von an dem Objekt reflektierten Ultraschallwellen mit einem Ultraschallempfänger mittels der Dopplermethode bestimmt wurden; und
- – Berechnen des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes des Objekts aus den erfaßten skalaren dreidimensionalen Geschwindigkeitsdatensätzen.
- Entering scalar three-dimensional speed data records of the object, which were determined by switching on the object with a 3D ultrasound source from at least three predetermined sound positions in three mutually linear main directions of the horn and detecting ultrasound waves reflected on the object with an ultrasound receiver using the Doppler method; and
- - Calculate the three-dimensional vectorial velocity field of the object from the acquired scalar three-dimensional velocity data sets.
Das Computerprogrammprodukt gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist besonders für eine Verwendung in Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und einem Ultraschallsystem gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung geeignet. Auf die diesbezüglichen Beschreibungsteile wird in diesem Zusammenhang verwiesen. Das Computerprogrammprodukt ist zur Berechnung des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes auf Basis von zumindest drei dreidimensionalen, skalaren Geschwindigkeitsdatensätzen ausgelegt. Die skalaren Geschwindigkeitsdatensätze, welche mittels der oben beschriebenen Dopplertechnik bestimmt wurden, werden zur Berechnung dem Programm zugeführt bzw. von dem Programm erfaßt.The computer program product according to this Aspect of the invention is particularly related to use with the procedure according to the first Aspect of the invention and an ultrasound system according to the third Aspect of the invention suitable. On the relevant parts of the description is referred to in this context. The computer program product is for the calculation of the three-dimensional vectorial velocity field designed on the basis of at least three three-dimensional, scalar speed data sets. The scalar speed data sets, which are created using the above Doppler technology described are used for calculation fed into the program or recorded by the program.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt zur Auswertung dreidimensionaler Geschwindigkeitsdatensätze von Objekten, vorgeschlagen, wobei das Computerprogrammprodukt folgende Schritte umfaßt:
- – Eingeben
zumindest eines skalaren dreidimensionalen Geschwindigkeitsdatensatzes
des Objekts (H), welcher durch Anschalten des Objekts (H) mit einer
3D-Ultraschallquelle (
28 ) aus einer vorbestimmten Anschallpositionen (A, B, C) in einer vorbestimmten Schalltrichterhauptrichtung (RA, RB, RC) und Detektieren von an dem Objekt (H) reflektierten Ultraschallwellen mit einem Ultraschallempfänger (28 ) mittels der Dopplermethode bestimmt wurde; und - – Berechnen des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes des Objekts (H) aus den erfaßten skalaren dreidimensionalen Geschwindigkeitsdatensätzen, wobei das Berechnen des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes eine Regularisierung, vorzugsweise eine Tikhonov-Regularisierung, basierend auf vorbestimmten Topologie- und/oder Bewegungsinformationen des Objekts (H) umfaßt.
- - Entering at least one scalar three-dimensional speed data record of the object (H), which is generated by switching on the object (H) with a 3D ultrasound source (
28 ) from a predetermined sound position (A, B, C) in a predetermined direction of the main horn (RA, RB, RC) and detecting ultrasound waves reflected on the object (H) with an ultrasound receiver (28 ) was determined using the Doppler method; and - - Calculating the three-dimensional vector speed field of the object (H) from the acquired scalar three-dimensional speed data records, the calculation of the three-dimensional vectorial speed field comprising regularization, preferably a Tikhonov regularization, based on predetermined topology and / or movement information of the object (H).
Das Computerprogrammprodukt gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist besonders für eine Verwendung in Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und einem Ultraschallsystem gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung geeignet. Auf die diesbezüglichen Beschreibungsteile wird in diesem Zusammenhang verwiesen. Das Compterprogrammprodukt ist zur Berechnung des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes auf Basis von zumindest eines dreidimensionalen, skalaren Geschwindigkeitsdatensatzes ausgelegt. Die skalaren Geschwindigkeitsdatensätze, welche mittels der oben beschriebenen Dopplertechnik bestimmt wurden, werden zur Berechnung dem Programm zugeführt bzw. von dem Programm erfaßt. Bei der Berechnung des vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes erfolgt eine Regularisierung auf Basis von sogenannten a-priori Informationen, welche insbesondere physikalisch oder physiologisch motiviert sein können.The computer program product according to this Aspect of the invention is particularly related to use with the method according to the second Aspect of the invention and an ultrasound system according to the fourth Aspect of the invention suitable. On the relevant parts of the description is referred to in this context. The computer program product is for the calculation of the three-dimensional vectorial velocity field based on at least one three-dimensional, scalar speed data set designed. The scalar speed data sets, which are created using the above Doppler technology described are used for calculation fed into the program or recorded by the program. When calculating the vectorial speed field is done regularization based on so-called a priori information, which are particularly physically or physiologically motivated can.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf begleitende Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigt:The invention is described below Described by way of example with reference to accompanying drawings. It shows:
In
Ferner verfügt die Positioniereinrichtung
In der Anschallposition A entlang
der Schalltrichterhauptrichtung RA werden nunmehr in vorbestimmten
Zeitintervallen skalare, dreidimensionale Geschwindigkeitsdatensätze aufgezeichnet
und gespeichert. Zu jedem skalaren dreidimensionalen Geschwindigkeitsdatensatz
wird zusätzlich
eine Relativzeit bezüglich
zu einem Referenzzeitpunkt gespeichert. Die Relativzeit, welche
von einem Referenzzeitpunkt (beispielsweise einer aufsteigenden
Flanke des Herzschlags) zu laufen beginnt, stellt die Zeit dar,
zu welcher der skalare dreidimensionale Geschwindigkeitsdatensatz
während
des Herzschlagzyklusses erfaßt
wird. Nachdem eine gewissen Anzahl von skalaren, dreidimensionalen
Geschwindigkeitsdatensätzen
aus der Anschallposition A entlang der Schalltrichterhauptrichtung
RA aufgenommen wurde, wird der Ultraschallkopf
Bei dem anhand von
Zur besseren Anpassung an die anatomischen
Gegebenheiten der zu untersuchenden Person sind die Haltearme
Anhand von
Der Gürtel
Weiterer entscheidender Vorteil des
Gürtels
Vorzugsweise kommen bei den erfindungsgemäßen Verfahren und bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallsystem Ultraschallköpfe zum Einsatz, welche je zumindest eine Ultraschallquelle und einen Ultraschallempfänger aufweisen. Voraussetzung ist, daß die Ultraschallköpfe sogenannte 3D-Ultraschallköpfe sind, welche somit nicht lediglich zu einer linienförmigen (1D) oder flächenartigen (2D) Erfassung des Objekts, sondern zu einer vollständigen dreidimensionalen (3D) Erfassung des zu untersuchenden Objekts in einem vorbestimmten Anschallbereich führen. Zu diesem Zweck wird von dem Ultraschallkopf ein dreidimensionaler Schallkegel ausgesendet, welcher eine kegel- bzw. trichterförmige Anordnung aufweisen kann. Nachfolgend soll am Beispiel des menschlichen Herzen als zu untersuchendes Objekt beschrieben werden, welche Ultraschallköpfe bzw. -sonden sich zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren bzw. für das erfindungsgemäße Ultraschallsystem eignen.Preferably come in the method according to the invention and in the ultrasound system according to the invention ultrasound probes used, which each have at least one ultrasound source and one ultrasonic receiver exhibit. The prerequisite is that the ultrasound heads are so-called 3D ultrasound heads which are not just a linear (1D) or area-like (2D) capture of the object, but to a full three-dimensional (3D) detection of the object to be examined in a predetermined Lead sound area. For this purpose, a three-dimensional sound cone is made from the ultrasound head emitted, which may have a conical or funnel-shaped arrangement. The following is to be examined using the example of the human heart Described object, which ultrasound heads or probes to perform the method according to the invention or for the ultrasound system according to the invention suitable.
Um Ultraschallbilder des menschlichen Herzens zu erhalten, gibt es prinzipiell zwei mögliche Zugangswege. Zum einen kann man die Ultraschallsonde auf den Brustkorb aufbringen (sogenannte transthoraktale Echokardiographie, TTE). Zum anderen kann man spezielle sogenannte TEE-Ultraschallsonden (transösophageale Echokardiographie) in die Speiseröhre einführen. In gewohnter Weise wird auf den jeweiligen Sondenkopf vor der Untersuchung Gel aufgebracht, um Luftartefakte an der Auflagefläche zu minimieren. Der 3D-Effekt entsteht durch Aufnahme verschiedener 2D-Schichten, meistens durch Rotation um eine Achse, so daß ein Schallkegel entsteht. Dies gilt sowohl für TTE als auch für TEE. Zur Rotation gibt es hierbei mehrere Möglichkeiten. Die älteste bekannte Methode ist, einen 2D-Schallkopf in eine entsprechende Rotationvorrichtung einzubringen. Ferner gibt es transthoraktale omniplanare Sonden, welche die Rotation innerhalb des Schallkopfes vollführen, so daß der Schallkopf nicht mehr direkt auf der Haut gedreht werden muß. Auch eine sogenannte 4D-Akquisition in Echtzeit ist mittels speziellen Ultraschallköpfen möglich. Hierbei erfolgt keine Drehung einer 2D Aufnahme zur Erstellung eines 3D-Schalltrichters, sondern es wird eine vollständige dreidimensionale Schallpyramide zu einem einzigen Zeitpunkt aufgenommen. Die Schallköpfe können mit einem Trackingsystem ausgerüstet werden, welches die Position des Schallkopfes im Raum bestimmt. Dadurch kann die Sonde frei über die Untersuchungsfläche bewegt werden, so daß eine sogenannte "free hand Akquisition" möglich ist.To ultrasound images of the human In principle, there are two possible access routes to maintain. On the one hand you can apply the ultrasound probe to the chest (so-called transthoractal echocardiography, TTE). Second, you can have special ones so-called TEE ultrasound probes (transesophageal echocardiography) into the esophagus introduce. In the usual way, the respective probe head is examined before the examination Gel applied to minimize air artifacts on the contact surface. The 3D effect is created by recording different 2D layers, mostly by rotation around an axis, so that a sound cone is created. This applies to both TTE for as well TEA. There are several options for rotation. The oldest known The method is to place a 2D transducer in an appropriate rotating device contribute. There are also transthoractal omniplanar probes which perform the rotation within the transducer, so that the Transducer no longer has to be turned directly on the skin. Also a so-called 4D acquisition in real time is by means of special ultrasound heads possible. There is no rotation of a 2D image to create one 3D horn, but it becomes a complete three-dimensional pyramid recorded at a single time. The transducers can with equipped with a tracking system which determines the position of the transducer in the room. This allows the probe to freely move over the examination area be moved so that a so called "free hand acquisition "is possible.
Als Trackingsysteme werden vorzugsweise sowohl magnetische als auch optische Systeme eingesetzt. Sie dienen zur Positionbestimmung des Ultraschallelements im dreidimensionalen Raum. Bei optischen Trackingsystemen wird das Objekt mittels zweier Spezialkameras aufgenommen. Aus dem Blickwinkel der beiden Kameras sowie deren Abstand und Position zueinander kann die Position des Gegenstands errechnet werden. Bei magnetischen Trackingsystemen wird die Position eines kleinen Trackingsensors, beispielsweise einer Spule, elektromagnetisch in Abhängigkeit zu einem Bezugspunkt des Systems bestimmt.As tracking systems are preferred both magnetic and optical systems are used. You serve for determining the position of the ultrasound element in three dimensions Room. In optical tracking systems, the object is determined using two Special cameras added. From the perspective of the two cameras as well as their distance and position to each other, the position of the Object can be calculated. With magnetic tracking systems the position of a small tracking sensor, for example one Coil, electromagnetic depending determined to a reference point of the system.
Nachfolgend sollen bevorzugte erfindungsgemäße Ultraschallverfahren sowie Ultraschallsysteme am Beispiel der Erfassung des vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes des menschlichen Herzens zu nicht-diagnostischen Zwecken beispielhaft näher beschrieben werden.Preferred ultrasound methods according to the invention are described below and ultrasound systems using the example of the detection of the vectorial Velocity field of the human heart to non-diagnostic Examples in more detail to be discribed.
Das Doppler-Ultraschallverfahren,
auf welches gemäß der Erfindung
zur Bestimmung des dreidimensionalen vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes
zurückgegriffen
wird, beruht auf der Dopplerverschiebung (Frequenzverschiebung)
der ausgesendeten Schallwelle. Diese Frequenzverschiebung wird von
der Bewegung des untersuchten Objekts relativ zum Ultraschallkopf
Man kann dementsprechend nicht die "wahre" Geschwindigkeit vv =
(vx, vy, vz), sondern nur die Projektion vm = < v , n
b > auf einen Einheitsrichtungsvektor n
b = f(x, y, z),∥n
b∥ = 1 in Richtung
zum Schallkopf messen, wie schematisch in
Dieses einfache Verfahren liefert jedoch nur für einfache laminare Flüsse zufriedenstellende Ergebnisse und ist für die komplexe Wandbewegung sowie komplexere intrakardiale Flüsse nur bedingt anwendbar.This simple procedure delivers however only for simple laminar flows satisfactory results and is for the complex wall movement and more complex intracardiac flows can only be used to a limited extent.
Mittels sogenannter Continuous wave Doppler-Methoden wird die Geschwindigkeitsverteilung entlang der sogenannten Scan Linie gemessen. Im Gegensatz dazu wird mittels sogenannter Pulsed wave Doppler die (mittlere) Geschwindigkeit an einem festgelegten Raumpunkt (volume sample) gemessen. Bei der Farb-Doppler Echokardiographie werden die Geschwindigkeiten für eine komplette Schicht (Volumen) mittels der Pulsed wave Methode bestimmt und farbkodiert dargestellt. Per Konvention wird Fluß in Richtung Schallkopf rot und Fluss weg vom Schallkopf blau kodiert. Diese Farbkodierung kann alleine oder als Überlagerung der Grauwert-Morphologie Daten visualisiert werden. Farb-Doppler wurde ursprünglich zur Flußbestimmung eingesetzt. Mittels geeigneter Filter, welche Flußgeschwindigkeit und Gewebegeschwindigkeit trennen, kann so aber auch die Herzwandbewegung dargestellt werden. Dies wird als Gewebe-Doppler, Tissue-Doppler, Tissue-velocity Imaging, Doppler myocardial imaging oder Myocardial Doppler bezeichnet. Dreidimensionale skalare Ultraschalldaten können mit den bekannten Methoden akquiriert werden (Rotationsakquisition, Real-time Schallköpfe) aus transthorakaler (von außen), transösophagealer (durch die Speiseröhre) sowie transgastrischer (über die Speiseröhre vom Magen) Position akquiriert werden.Using a so-called continuous wave Doppler methods is the speed distribution along the so-called scan line measured. In contrast, means so-called pulsed wave Doppler the (average) speed measured at a fixed point in space (volume sample). With the color Doppler Echocardiography is the velocities for a complete layer (volume) determined using the pulsed wave method and color-coded. By convention, river is in Direction red to transducer and blue coded flow away from transducer. This color coding can be used alone or as a superimposition of the gray value morphology Data can be visualized. Color Doppler was originally used Flow determination used. Using a suitable filter, what flow rate and tissue speed separate, the heart wall movement can also be represented in this way. This is called tissue doppler, tissue doppler, tissue velocity imaging, Doppler called myocardial imaging or myocardial doppler. Three-dimensional scalar ultrasound data can can be acquired with the known methods (rotation acquisition, Real-time transducers) from transthoracic (from outside), transesophageal (through the esophagus) as well as transgastric (via the esophagus from the stomach) position can be acquired.
Somit ist die Aufgabe zur Bestimmung
des wahren Geschwindigkeitsvektors v = (vx,
vy, vz) einen Geschwindigkeitsvektor
v zu finden, welcher
Anhand dieser Projektion ist der
wahre Geschwindigkeitsvektor nicht eindeutig bestimmbar. Man hat es
somit mit einem schlecht gestellten Problem im Sinne nicht eindeutiger
Lösbarkeit
zu tun. Alle auf einer zur Projektion senkrecht stehenden Ebene
liegen Vektoren kommen in Frage. Dies ist schematisch in
Im folgenden werden erfindungsgemäße Methoden
zur Rekonstruktion von Geschwindigkeitsfeldern, insbesondere von
Blutfluß bzw.
von Gewebebewegungen basierend auf Ultraschall-Doppleraufnahmen
näher beschrieben.
Wie oben dargestellt, kann aus den Dopplermessungen der wahre Geschwindigkeitsvektor
nicht eindeutig rekonstruiert werden. Das Problem ist unterbestimmt
und folglich nicht eindeutig lösbar.
Für einen einzelnen
Punkt ist dies leicht einzusehen:
Zur Bestimmung der drei Unbekannten, d.h. der Komponenten des wahren Geschwindigkeitsvektors, liegt nur eine einzige Gleichung vor.To determine the three unknowns, i.e. of the components of the true speed vector is just a single equation.
Wird nicht nur ein einzelnen Punkt,
sondern das gesamte zu untersuchende Volumen des Objekts betrachtet,
so ergibt sich in einer diskreten, vektormäßigen Formulierung: das folgende Rang-defiziente
Gleichungssystem:
Mit IR wird hierbei der Raum der reellen Zahlen bezeichnet. Dieses Gleichungssystem ist offensichtlich nicht eindeutig lösbar. Die Unterbestimmtheit ist durch eine Rangbestimmung, beispielsweise eine Singulärwertzerlegung, des Gleichungssystems nachweisbar. Durch die Modellierung des Dopplerprozesses als Projektion ergibt sich ein inverses Problem. Insbesondere ist dieses Problem schlecht gestellt im Sinne nicht eindeutiger Lösbarkeit (schlecht gestellte Probleme sind entweder nicht lösbar, nicht eindeutig lösbar oder die Lösung hängt nicht stetig von den Daten ab). Falls skalare Geschwindigkeitsdatensätze aus drei zueinander unterschiedlichen Richtungen vorliegen ist das Gleichungssystem eindeutig bestimmt und das dreidimensionale vektorielle Geschwindigkeitsfeld kann ohne zusätzliche Informationen errechnet werden.With IR the space of the real numbers. This system of equations is obviously not clearly solvable. The indeterminacy is due to a ranking, for example a singular value decomposition, of the system of equations detectable. By modeling the Doppler process an inverse problem arises as a projection. In particular is this problem is poorly posed in terms of ambiguity (Badly posed problems cannot be solved, either clearly solvable or the solution does not hang continuously from the data). If scalar speed records are off The system of equations is in three different directions clearly determined and the three-dimensional vectorial velocity field can without additional Information can be calculated.
Ist jedoch, wie oben dargestellt,
die Inversion der Gleichung wegen der Unterbestimmtheit nicht möglich, kommen
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung Lösungsverfahren
aus der Theorie schlecht gestellter Probleme zum Einsatz. Bei diesen
Verfahren handelt es sich insbesondere um sogenannte Regularisierungsverfahren.
Es gilt eine Matrix (verallgemeinerte Inverse) zu finden mit
Ein bevorzugtes mögliches Verfahren, um das Problem
zu lösen
ist eine sogenannte Tikhonov-Regularisierung. Hierbei wird nicht
versucht, vm = Pv zu lösen, sondern das Funktional
Anhand von
Neben der obigen diskreten Betrachtungsweise
ist auch eine kontinuierliche Formulierung des Problems möglich und
sinnvoll. Betrachtet werden im folgenden Skalar- und Vektorfelder
sowie ein Projektionsoperator
Durch diese Variationsformulierung
werden oben beschriebenen sogenannten "Doppler Constraints" aufgeweicht bzw. gelockert. Die wahre
Geschwindigkeit wird nicht mehr nur auf einer von der gemessenen
Geschwindigkeit aufgespannten Ebene, sondern in einem Quader um
diese Ebene gesucht. Die Größe dieses Quaders
wird durch den Parameter λ bestimmt.
Diese "Lockerung" der Doppler Constraints
ist für
den 2D-Fall in
Die allgemeinste Tikhonov Regularisierung unter Verwendung von Linear-Kombinationen von Ableitungen für eine Funktion v : IR → IR (p-order, gewichtete Sobolev-Norm mit einem Gewichtsfaktor w(x)) lautet: The most general Tikhonov regularization using linear combinations of derivatives for a function v: IR → IR (p-order, weighted Sobolev norm with a weight factor w (x)) is:
Die allgemeinste Tikhonov Regularisierung unter Verwendung von Linear-Kombinationen von Ableitungen für eine Funktion v : R3 → R3 lautet: The most general Tikhonov regularization using linear combinations of derivatives for a function v: R 3 → R 3 is:
Die allgemeinste Tikhonov Regularisierung für eine Funktion v : R3 → R3 lautet: The most general Tikhonov regularization for a function v: R 3 → R 3 is:
Vorzugsweise werden die a-priori Informationen ω(v) unter Verwendung einer derartigen allgemeinen Tikhonov Regularisierung dargestellt.Preferably, the a priori Information ω (v) using such a general Tikhonov regularization shown.
Eine besonders bevorzugte physikalisch motivierte Topologie- bzw. Bewegungsinformation stellt die einfache räumliche Glattheit dar. Im Speziellen führt eine Tikhonov Regularisierung für eine Funktion v : R3 → R3 mit einfacher räumlicher Glattheit zu Simple spatial smoothness represents a particularly preferred physically motivated topology or movement information. In particular, a Tikhonov regularization leads to a function v: R 3 → R 3 with simple spatial smoothness
Neben der beschriebenen Tikhonov Regularisierung sind aber auch alle Varianten der Tikhonov-Regularisierung, insbesondere die Verwendung von Seminormen, totale Variation, usw. sowie andere bekannten Methoden zur Regularisierung anwendbar, beispielsweise eine abgeschnittene Singulärwertzerlegung, stochastische Verfahren, Projektionsverfahren, Mollifier-Methoden und iterative Methoden.In addition to the described Tikhonov Regularization is also all variants of Tikhonov regularization, especially the use of seminars, total variation, etc. as well as other known methods for regularization, for example a truncated singular value decomposition, stochastic methods, projection methods, mollifier methods and iterative methods.
Im folgenden soll das vektorielle Geschwindigkeitsfeld nur innerhalb des Herzmuskels bzw. innerhalb der Herzkavitäten für den Blutfluß rekonstruiert werden. Hierzu ist eine diskontinuitätenerhaltende Regularisierung vorteilhaft. Da die Regularisierung wie eine Art Diffusionsprozeß wirkt, können an den Grenzen Herzmuskel/Herzkavität "Verschmierungen" entstehen. So können auch an Orten Geschwindigkeiten rekonstruiert werden, an denen keine Geschwindigkeit vorliegt, wodurch das Ergebnis vefälscht wird. Um diese "Verschmierung" des vektoriellen Geschwindigkeitfeldes an den Grenzen des Herzmuskels bzw. der Herzkavität zu vermeiden, sind die Gewichte w(x) in den obigen Gleichungen entsprechend zu wählen. Dort wo keine Bewegung bzw. kein Fluß zu erwarten ist, soll auch nicht regularisiert werden, d.h. dort wo kein Herzmuskel bzw. kein Blutfluß vorhanden ist, erfolgt keine Regularisierung. Dies wird als segmentierungssensitive bzw. adaptive Regularisierung bezeichnet und stellt eine besonders bevorzugte Regularisierung gemäß der Erfindung dar. Die Gewichte w(x) werden anhand einer vorher durchgeführten Segmentierung, d.h. einer Aufteilung des Bildes in interessierende Regionen bzw. interessierende Objekte, beispielsweise Herzmuskel und Herzkavität, gesetzt. Beispielsweise kann gesetzt werden In the following, the vectorial velocity field is to be reconstructed for the blood flow only within the heart muscle or within the heart cavities. A discontinuity-preserving regularization is advantageous for this. Since the regularization acts like a kind of diffusion process, “smearings” can occur at the heart muscle / heart cavity borders. In this way, speeds can also be reconstructed in places where there is no speed, which falsifies the result. In order to avoid this "smearing" of the vectorial velocity field at the borders of the heart muscle or the heart cavity, the weights w (x) in the equations above must be selected accordingly. Where no movement or flow is to be expected, regularization should also not take place, ie there is no regularization where there is no heart muscle or blood flow. This is referred to as segmentation-sensitive or adaptive regularization and represents a particularly preferred regularization according to the invention. The weights w (x) are determined on the basis of a previously performed segmentation, ie a division of the image into regions of interest or objects of interest, for example heart muscle and heart cavity , set. For example, you can bet
Jedoch sind auch beliebige andere Gewichte w(x) ist denkbar. Die Segmentierung kann insbesondere mittels Schwellwertverfahren auf B-Mode und/oder Doppler Daten erfolgen, wobei jedoch auch jedes andere automatische, manuelle oder interaktive Segmentierungsverfahren anwendbar ist. Des weiteren kann die diskontinuitätenerhaltende Regularisierung direkt in die Funktion L integriert werden, so daß However, any other weights w (x) are also conceivable. The segmentation can take place in particular using threshold value methods on B-mode and / or Doppler data, although any other automatic, manual or interactive segmentation method can also be used. Furthermore, the discontinuity-maintaining regularization can be integrated directly into the function L, so that
Wichtig dabei ist, daß die Regularisierung in irgendeiner Weise abhängig von den auf irgend eine Weise ermittelten Objektgrenzen ist.It is important that the regularization dependent in some way of the object boundaries determined in some way.
Besonders bevorzugt basiert die Regularisierung
insbesondere auf Glattheitsannahmen des vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes
des zu untersuchenden Objekts. Hierbei wird davon ausgegangen, daß sich benachbarte
Punkte bzw. Orte der Herzwand bzw. des Herzmuskels ähnlich bewegen.
Ferner wird davon ausgegangen, daß ein Punkt des zu untersuchenden
Objekts keine großen "Zick-Zack"-Bewegungen während eines
Herzzyklus vollführt.
Zur Veranschaulichung zeigt
Die obigen Glattheitsannahmen können durch das folgende mathematische Modell ausgedrückt werden wobei uj den Ort (bzw. die Verschiebung) eines Massenpunktes des Objekts beschreibt. Die Summe (Integral) der Linearkombinationen der Geschwindigkeitsänderungen in den einzelnen Raumrichtungen xj soll möglichst klein sein. In anderen Worten sollen sich die Geschwindigkeiten von benachbarten Massepunkten des zu untersuchenden Objekts nur wenig unterscheiden.The above smoothness assumptions can be expressed by the following mathematical model where u j describes the location (or displacement) of a mass point of the object. The sum (integral) of the linear combinations of the speed changes in the individual spatial directions x j should be as small as possible. In other words, the speeds should differ only slightly from neighboring mass points of the object to be examined.
Neben der oben beschriebenen räumlichen Glattheit des Geschwindigkeitsfeldes als bevorzugtes Regularisierungsfunktional ist zusätzlich eine zeitliche Glattheit integrierbar. Dies führt zu In addition to the spatial smoothness of the speed field described above as the preferred regularization functional, temporal smoothness can also be integrated. this leads to
Besonders bevorzugt erfolgt die erfindungsgemäße Regularisierung auf Basis einer derartigen räumlichen und zeitlichen Glattheitsannahme des vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes.The regularization according to the invention is particularly preferably carried out based on such a spatial and temporal smoothness assumption of the vectorial velocity field.
Auch andere physikalisch oder physiologisch
motivierte Regularisierungfunktionale können vorteilhaft eingesetzt
werden, beispielsweise die sogenannte interne Strain-Energie W wobei εij den
sogenannten Strain-Tensor beschreibt. Die Matrix C beschreibt hierbei
elastischen Materialeigenschaften. Hierbei muß noch die Geschwindigkeit
v in die Verschiebung u umgerechnet werden. Die Strain-Energie wird
hierbei als Regularisierungsfunktional verwendet. Das entspricht
dem ω(v)
von Gleichung (
Die Matrix C kann aber auch realistische Matrialeigenschaften, charakterisiert durch Young'scher Elastizitaetsmodul und Poisson'sche Querkontraktionszahl enthalten.The matrix C can also be realistic Material properties, characterized by Young's modulus of elasticity and Poisson's Cross-contraction number included.
Eine weitere bevorzugte Möglichkeit zur Rekonstruktion des dreidimensionalen, vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes, insbesondere bei weniger als drei voneinander unterschiedlichen Anschallrichtungen, liegt in der Verwendung einer lokalen Methode mit Ähnlichkeitsannahme. Man modelliert die glatte Bewegung, beispielsweise des Herzmuskels, durch eine als innerhalb einer nxn Nachbarschaft konstante Geschwindigkeit. Eine nxn Nachbarschaft eines Punktes p sind diejenigen Punkte, die innerhalb eines nxn grossen Rechteckes um diesen Punkt liegen. Beispielsweise ist fuer den Punkt p = (3, 3) die 3x3 Nachbarschaft durch die Punkte (2,2), (2,3), (2,4), (3,2), (3,4), (4,2), (4,3), (4,4) definiert. Damit kann das vektorielle Geschwindigkeitsfeld v durch Lösen von berechnet werden, wobei Ω den Raum bezeichnet, über welchen bei der hierbei gewählten diskreten Formulierung zu summieren ist. Hierbei bezeichnet N(p) eine nxn Nachbarschaft um den betrachteten Punkt und w(x) eine Gewichtsfunktion. Die Gleichung muß für jeden Raumpunkt, an dem eine Geschwindigkeit berechnet werden soll, gelöst werden.Another preferred possibility for the reconstruction of the three-dimensional, vectorial velocity field, in particular with fewer than three different directions of sound, lies in the use of a local method with assumption of similarity. The smooth movement, for example of the heart muscle, is modeled by a speed that is constant within an nxn neighborhood. An nxn neighborhood of a point p are those points that lie within an nxn rectangle around this point. For example, for the point p = (3, 3) the 3x3 neighborhood is through the points (2,2), (2,3), (2,4), (3,2), (3,4), (4th , 2), (4,3), (4,4). Thus the vectorial velocity field v can be solved by solving are calculated, where Ω denotes the space over which to sum in the discrete formulation chosen here. Here N (p) denotes an nxn neighborhood around the point under consideration and w (x) a weight function. The equation must be solved for every point in space at which a velocity is to be calculated.
Prinzipiell sind alle Methoden möglich, die unter Zuhilfenahme physiologisch und physikalisch sinnvoller Annahmen das schlecht-gestellte Problem gut-gestellt, d.h. eindeutig lösbar machen.In principle, all methods are possible that with the help of physiologically and physically reasonable assumptions the badly posed problem well-posed, i.e. make it clearly solvable.
Die obigen bevorzugten Regularisierungsfunktionale sind insbesondere durch eine physikalisch sinnvolle Herzwandbewegung motiviert (Kontinuumsmechanik, Elastizitätstheorie). Für die Rekonstruktion von Blutfluß bzw. Flüssen im allgemeinen können andere, durch die Strömungsmechanik motivierte Regularisierungsfunktionale zum Einsatz kommen.The above preferred regularization functionals are particularly due to a physically meaningful movement of the heart wall motivated (continuum mechanics, elasticity theory). For the reconstruction of blood flow or rivers generally can others, through fluid mechanics motivated regularization functionalities are used.
Wie oben gezeigt, ist die Rekonstruktion des Geschwindigkeitsfeldes durch Lösen von möglich. Hierzu können gemäß der Erfindung alle Verfahren zur Lösung derartiger Variationsproblemen zum Einsatz kommen, z.B. direkte Lösungen oder Lösungen der zugehörigen Euler-Lagrange partiellen Differentialgleichungen (PDE).As shown above, the reconstruction of the velocity field is by solving possible. For this purpose, according to the invention, all methods for solving such variation problems can be used, for example direct solutions or solutions of the associated Euler-Lagrange partial differential equations (PDE).
Die allgemeine Euler-Langrange PDE zur obigen Variationsaufgabe lautetThe general Euler long-range PDE for the variation task above
Diese PDE kann wiederum mit allen gängigen Verfahren zur Lösung partieller Differentialgleichung gelöst werden, z.B. Finite Differenzen Verfahren oder Finite Elemente Methoden.This PDE can in turn work with everyone common Procedure for solving partial differential equation can be solved, e.g. Finite differences Procedures or finite element methods.
Falls Aufnahmen aus drei zueinander verschiedenen Anschallrichtungen vorliegen, kann der wahre Geschwindigkeitsvektor eines Massepunktes durch Lösen des folgenden linearen Gleichungssystems ohne Zuhilfenahme von a-priori Informationen berechnet werden If there are recordings from three different directions of sound, the true speed vector of a mass point can be calculated by solving the following linear system of equations without using a priori information
Hierbei sind vmx die
mittels der Dopplertechnik gemessenen Geschwindigkeiten, v die wahren,
gesuchten Geschwindigkeiten und nx ein Einheitsvektor
in Richtung Schallkopf
Das obige Gleichungssystem ist mit Methoden zur Lösung linearer Gleichungssysteme zu lösen. Die Sicherheit der Lösung kann vorzugsweise mittels Konditionszahl der Matrix, beispielsweise mittels Singulärwertzerlegung (SVD) abgeschätzt werden. Falls aus mehr als drei Anschallrichtungen geschallt werden kann, ist dementsprechend ein überbestimmtes Gleichungssystem zu lösen.The system of equations above is with Methods of solving to solve linear systems of equations. The security of the solution can preferably by means of the condition number of the matrix, for example by means of singular value decomposition (SVD) estimated become. If there is sound from more than three directions accordingly is an overdetermined one System of equations to solve.
Bevor die obigen Rechnungen durchgeführt werden, sollten die aufgenommen Datensätze in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert werden, welches später in Zusammenhang mit der Kalibrierung erläutert wird.Before doing the above calculations, should the recorded records be transformed into a common coordinate system, which later is explained in connection with the calibration.
Nachfolgend soll auf die Fusion der skaleren Dopplerdaten aus mehreren Anschallrichtungen mit zusätzlicher Regularisierung im Lichte der zuvor beschriebenen Verfahren anhand Bewegung der Herzwand eingegangen werden.Subsequent to the merger of scaler Doppler data from multiple sound directions with additional Regularization in the light of the previously described procedures based on Movement of the heart wall.
Die Dopplermessung unterliegt in gewissen Grenzen der Unschärferelation: Man kann keine beliebig genaue Orts- und Zeitauflösung erreichen. Damit sind die gemessenen Dopplerdaten innerhalb gewisser Grenzen immer fehlerbehaftet. Diese Fehler können große Auswirkung auf die Rekonstruktion des Geschwindigkeitsfeldes haben, insbesondere wenn der Winkel zwischen zwei Anschallrichtungen klein wird. Eine Stabilität des Rekonstruktionsprozesses bei Aufnahmen aus mehreren Anschallrichtungen kann vorteilhafterweise durch eine oben beschriebene Regularisierung erreicht werden.The Doppler measurement is subject to certain limits of the uncertainty principle: You cannot achieve arbitrarily precise location and time resolution. This means that the measured Doppler data are within certain limits always buggy. These errors can have a major impact on the reconstruction of the speed field, especially if the angle between two sound directions becomes small. A stability of the reconstruction process for recordings from several directions of sound can advantageously can be achieved by a regularization described above.
Damit ergibt sich der vollständige Rekonstruktionsprozeß des dreidimensionalen
vektoriellen Geschwindigkeitsfeldes aus den zumindest zwei skalaren
Geschwindigkeitsdatensätzen
unter Verwendung einer Tikhonov-Regularisierung zu:
Bei diskreter
Formulierung: Bei kontinuierlicher Formulierung: The complete reconstruction process of the three-dimensional vectorial velocity field thus results from the at least two scalar velocity data sets using a Tikhonov regularization:
With discrete wording: With continuous formulation:
Hierbei ist
vm
i: Geschwindigkeits-Messung aus Aufnahme
i
v: Gesuchtes Geschwindigkeitsfeld
Pi:
Projektionsmatrix fuer Aufnahme i, spezifiziert durch Transducerposition
in Aufnahme i
λ:
Regularisierungsparameter, bestimmt den Einfluss des Regularisierungsterms
L
bzw. ω(v):
verwendete RegularisierungHere is
v m i : speed measurement from recording i
v: Searched velocity field
P i : projection matrix for image i, specified by transducer position in image i
λ: regularization parameter, determines the influence of the regularization term
L or ω (v): regularization used
Somit wird ein vektorielles Geschwindigkeitsfeld gesucht, welches nach Anwendung der Projektion die gemessenen Daten sowie die a-priori Information möglichst gut annähert.Thus becomes a vectorial velocity field searched, which after application of the projection the measured data as well as the a priori information if possible approximates well.
Um wie oben beschrieben mittels mehrerer
Anschallrichtungen (mehrere skalare dreidimensionale Geschwindigkeitsdatensätze) das
vektorielle Geschwindigkeitsfeld rekonstruieren zu können, werden
die skalaren Datensätze
zweckmäßigerweise
erst in ein gemeinsames Koordinatensystem umgerechnet. Dies kann mittels
folgender Formel mit den in
Hierbei wird ein Ortspunkt x im Aufnahmekoordinatensystem
p in ein Weltkoordinatensystem c umgerechnet. Dies erfolgt mit einer
Transformationsmatrix RTP,
welche die Umrechnung von Bildkoordinaten in Sensorkoordinaten des
Trackingsensors vornimmt. Diese Matrix wird vorzugsweise in einem
Kalibrierungsschritt bestimmt. Die Matrix TTR nimmt eine Transformation der Sensorkoordinaten
in das Koordinatensystem T des Trackingsystems und die Matrix cTT eine Transformation
von dem Koordinatensystem T des Trackingsystems in das Weltkoordinatensystem
c vor. Einfach ausgedrückt
ist der Abstand von Ursprung der Bilddaten zu montiertem Positionssensor
zu bestimmen, siehe
Zur Kalibrierung können unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen. Herkömmliche Kalibrierungsverfahren verwenden jedoch nur 2D-Aufnahmen und sind somit ungeeignet. Da hier ein 3D-Ultraschallkopf kalibriert wird, sollen auch 3D-Aufnahmen bzw. -Datensätze zur Kalibrierung verwendet werden. Hiermit kann das Kalibrierungsverfahren robuster, genauer und einfacher anwendbar werden.Different ones can be used for calibration Procedures are used. Conventional calibration procedures however, only use 2D images and are therefore unsuitable. There A 3D ultrasound head is calibrated here, so should 3D images or data records be used for calibration. This allows the calibration procedure become more robust, accurate and easier to use.
Beispielsweise kann ein dreidimensionales Metallkreuz von mehreren Richtungen beschallt und der Mittelpunkt manuell oder automatisch bestimmt werden.For example, a three-dimensional Metal cross irradiated from several directions and the center can be determined manually or automatically.
Nachfolgend ist ein bekanntes Kalibrierungssystem zu lösen.The following is a known calibration system to solve.
Eine weitere Möglichkeit zur Kalibrierung unter Ausnutzung der dreidimensionalen Datenakquisition besteht im Schallen eines Objektes aus zwei Richtungen. Das Objekt muß hierbei eindeutig registrierbar sein. Durch diese Registrierung kann eine Transformation des Koordinatensystems der ersten Aufnahme in das Koordinatensystem der zweiten Aufnahmen vorgenommen werden. Auf diese Weise ist eine Zuordnung aller Punkte der ersten Aufnahme zu den entsprechenden Punkten der zweiten Aufnahme erhältlich. Nach Berechnung der Transformation von Sensorposition der ersten Aufnahme zu Sensorposition der zweiten Aufnahme kann die Transformationsmatrix vom Ursprung des Bildkoordinatensystem zu dem Sensorkoordinatensystem bestimmt werden. Dies stellt genau die Kalibrierungsmatrix TR P dar. Das Kalibrierungsverfahren, welches gemäß der Erfindung bevorzugt zum Einsatz kommt, verwendet zur Kalibrierung dreidimensionale Geschwindigkeitsdatensätze. Herkömmliche Kalibrierungsverfahren verwenden hingegen zweidimensionale Schichtaufnahmen zur Kalibrierung.Another possibility for calibration using the three-dimensional data acquisition consists in sounding an object from two directions. The object must be clearly registered. This registration can be used to transform the coordinate system of the first image into the coordinate system of the second image. In this way, an assignment of all points of the first picture to the corresponding points of the second picture is available. After calculating the transformation from the sensor position of the first image to the sensor position of the second image, the transformation matrix can be determined from the origin of the image coordinate system to the sensor coordinate system. This represents exactly the calibration matrix T R P. The calibration method, which is preferably used according to the invention, uses three-dimensional speed data sets for calibration. Conventional calibration methods, on the other hand, use two-dimensional slice images for calibration.
- 1010
- Positioniereinrichtung (Dreibein)positioning (Tripod)
- 1212
- Fixierungseinrichtung der Positioniereinrichtung (Vakuum-Standfuß)fixing device the positioning device (vacuum stand)
- 1414
- Torso der zu untersuchenden Persontorso the person to be examined
- 1616
- Standfußstand
- 1818
- Saugnapfsuction cup
- 2020
- Schlauchtube
- 2222
- Raum zwischen Saugnapf und Haut der zu untersuchenden Personroom between the suction cup and the skin of the person to be examined
- 2424
- Haltearme mit Halteeinrichtungholding arms with holding device
- 2626
- Halteeinrichtung für Ultraschallkopfholder for ultrasound head
- 2828
- Ultraschallkopfultrasound probe
- 3030
- Halteaufnahme der Halteeinrichtungholding receptacle the holding device
- 3232
- Klemmschraubenclamping screws
- 3434
- Teleskoprichtungtelescopic direction
- 3636
- Stempel zur Verschiebung der Haltearmestamp to move the holding arms
- 4040
- flexible, flächige Positioniereinrichtung (Gürtel)flexible, area Positioning device (belt)
- 40a40a
- erster Gürtelfirst belt
- 40b40b
- zweiter Gürtelsecond belt
- 4242
- Trackingsensorentracking sensors
- 4444
- Ultraschallelemente integriert im Gürtel (Ultraschallquellen undultrasonic elements integrated in the belt (Ultrasound sources and
- empfänger)receiver)
- AA
- erste Anschallpositionfirst Anschallposition
- BB
- zweite Anschallpositionsecond Anschallposition
- CC
- dritte Anschallpositionthird Anschallposition
- RARA
- erste Schalltrichterhauptrichtungfirst Horn main direction
- RBRB
- zweite Schalltrichterhauptrichtungsecond Horn main direction
- RCRC
- dritte Schalltrichterhauptrichtungthird Horn main direction
- HH
- Herzheart
Claims (31)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11619730B2 (en) * | 2015-04-01 | 2023-04-04 | Verasonics, Inc. | Method and system for coded excitation imaging by impulse response estimation and retrospective acquisition |
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