DE112019000507T5

DE112019000507T5 - Ultraschallsystem mit verbesserter Rauschleistung durch Persistenzverarbeitung

Info

Publication number: DE112019000507T5
Application number: DE112019000507.3T
Authority: DE
Inventors: Thanasis Loupas; Paul Sheeran; Charles Tremblay-Darveau
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2020-10-08
Also published as: US20210055398A1; CN111656218A; US11899142B2; WO2019145188A1

Abstract

Ein Ultraschallsystem erzeugt persistente Bilder als Reaktion sowohl auf Persistenzkoeffizienten als auch auf Rauschbiaskoeffizienten. Die Persistenzkoeffizienten steuern den Grad der Persistenz, wodurch die Rauschvarianz durch Persistenzverarbeitung reduziert wird. Die Rauschbiaskoeffizienten werden in Entsprechung zu der Wahrscheinlichkeit erzeugt, dass ein Bildpixel Rauschen ist, und sind tätig, um das Grundrauschen der persistenten Bilder zu reduzieren. Eine einzelne Benutzersteuerung ermöglicht es einem Benutzer, sowohl die Rauschvarianz als auch den Rauschpegel von Bildern zusammen zu steuern, oder alternativ können dedizierte Steuerungen verfügbar werden, um Rauschvarianz und Rauschpegel separat einzustellen.

Description

Diese Erfindung betrifft Ultraschallsysteme und insbesondere Ultraschallbildgebungssysteme, die Bilder mit Persistenz verarbeiten und Bildrauschen reduzieren.
Es gibt zahlreiche Rauschquellen, die in Ultraschallbildern als unerwünschte Bildartefakte erscheinen. Eine Rauschquelle ist das Speckle-Rauschen, das aufgrund der kohärenten Natur der Ultraschallbildgebung entsteht. Speckle wird durch die Intermodulation von Signalen von unterschiedlichen Signalpfaden in dem Bildfeld verursacht, was zu einem fleckigen Erscheinungsbild in dem führt, was als gleichmäßig glattes Gewebe erscheinen sollte. Zwei Ansätze, die zum Reduzieren von Bild-Speckle weit verbreitet sind, sind Frequenz-Compounding, wie in US-Patent Nr. 35,148 (Lizzi et al.) beschrieben, und Raum-Compounding, wie in US-Patent 6,126,598 (Entrekin et al.) beschrieben. Eine weitere Quelle von Bildrauschen ist Hochfrequenzstrahlung von elektrischen Geräten in der Nähe. Dieses Rauschen wird durch Abschirmen von Ultraschallsystemen und Wandlern vor hochfrequenten Störungen und durch Filterung von elektrischen Leitungen reduziert. Noch eine weitere Rauschquelle ist das Außer-Band-Rauschen in Wandlern. Dieses Rauschen wird durch Formen des Durchlassbands reduziert, das zum Empfangen und Verarbeiten der gewünschten Ultraschallsignale verwendet wird. Eine weitere Quelle von Bildrauschen ist diejenige, die in den elektrischen Komponenten und Schaltkreisen entwickelt wird, die in einem Ultraschallsystem verwendet werden, wie etwa den Verstärkern, die zum Verstärken der empfangenen Signale verwendet werden. Diese Komponenten und Schaltungen weisen ein inhärentes Grundrauschen auf, das wünschenswerterweise auf einen möglichst niedrigen Pegel reduziert wird. Diese letzteren Rauschquellen können durch Kombinieren von nacheinander erfassten Bildern reduziert werden. Da viel von diesem Rauschen zufälliger Natur ist, wird durch pixelweises Kombinieren der Pixel von aufeinander folgenden Bildern ein Teil dieses Rauschens gemittelt. Eine Bildverarbeitungstechnik, die zu einem anderen Zweck eingeführt wurde und Rauschen durch Kombinieren von Bildern reduziert, ist als Persistenzverarbeitung bekannt. Eine Reihe von biologischen Funktionen im Körper erzeugen eine Funktion, die nur einen Moment lang abgebildet werden kann und oft zu schnell ist, um in einer Diagnose leicht erkannt zu werden. Eine solche Funktion ist die maximale Fließgeschwindigkeit des Blutes in dem turbulenten Blutfluss an der Systolenspitze, die auftritt, wenn der Blutflussdruck beim Maximum liegt. Persistenz wurde entwickelt, um die Erkennung solcher Momente des maximalen Blutflusses zu unterstützen, und zwar durch Verlängern oder Beibehalten des Erscheinens eines solchen maximalen Blutflusses in der Farbdopplerbildgebung. Mehrere aufeinander folgende Bild-Frames des Blutflusses werden kontinuierlich kombiniert, sodass der maximale Fluss über mehrere angezeigte Frames hinweg in dem Bild erscheint, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, dass der Kliniker das Auftreten der maximalen Fließgeschwindigkeit erkennt. Jeder in der Kombination verwendete Frame weist einen Gewichtungsfaktor auf, der bewirkt, dass seine Auswirkung auf die Kombination nach mehreren angezeigten Bildern abnimmt. Somit erscheint der maximale Blutfluss nicht nur in einem Frame, sondern bleibt mit abnehmender Auswirkung über mehrere Frames hinweg bestehen, wodurch er in der Bildsequenz leichter zu erkennen ist. Da die Persistenztechnik ihr Kombinieren von Bildern pixelweise durchführt, wird Zufallsrauschen in den kombinierten Bildern in Abhängigkeit von der Quadratwurzel aus der Anzahl der Bilder, die kombiniert werden, durch den Prozess inhärent gemittelt. Das Speckle-Artefakt wird ebenfalls durch Mittelung reduziert. Leider führt diese Rauschreduktion aufgrund der inkohärenten Natur der zeitlichen Mittelung bei der Persistenzverarbeitung nur zu einer Reduktion der Varianz von Rauschartefakten; sie reduziert nicht den mittleren Rauschpegel (d. h. das „Grundrauschen“) selbst. Dementsprechend wäre es wünschenswert, eine Rauschreduktionstechnik zu implementieren, die bewirkt, dass das Grundrauschen reduziert wird, sodass das Signal-Rausch-Verhältnis des Bildes erhöht wird, um ein rauschfreieres Ultraschallbild zu erzeugen.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wendet ein Ultraschallsystem einen Persistenzprozessor an, der in der Lage ist, das Grundrauschen zu reduzieren und somit das Signal-Rausch-Verhältnis eines Ultraschallbildes zu verbessern. Der Signalgehalt jedes Pixels in einem Ultraschallbild wird in Bezug zu einem Signal-Rausch-Modell analysiert, um die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass es entweder Signal oder Rauschen ist. Die Ergebnisse dieser Analyse werden verwendet, um einen Rauschbiaskoeffizienten oder Gewichtungsfaktor zu erzeugen, der im Verlauf der Persistenzverarbeitung pixelweise auf jedes Pixel angewendet wird. Das Ergebnis ist ein Bild mit einem Grundrauschen, das im Verhältnis zu der angewendeten Persistenz reduziert ist.
Das erfinderische System erzeugt eine verbesserte Rauschreduktion mit weniger Persistenz, wodurch die Empfindlichkeit und die zeitliche Klarheit der Ultraschallbilder in Gegenwart von anatomischer Bewegung verbessert werden.
In den Zeichnungen:

1 veranschaulicht, wie Rauschen durch herkömmliche Persistenzverarbeitung oder andere Bildkombinationstechniken reduziert wird.
2 veranschaulicht in Blockdiagrammform ein Ultraschallsystem, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gebaut ist.
3a und 3b veranschaulichen eine Technik zum Klassifizieren von Bildpixeln gemäß ihrer Wahrscheinlichkeit, Rauschen zu sein.
4a, 4b und 4c veranschaulichen mehrere Umwandlungskurven, die verwendet werden können, um Rauschbiaskoeffizienten gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.
5 veranschaulicht einen Persistenzprozessor der vorliegenden Erfindung, der als Filternetzwerk mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filternetzwerk) gebaut ist.
6a und 6b veranschaulichen Persistenzprozessoren der vorliegenden Erfindung, die als Filternetzwerke mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filternetzwerke) gebaut sind.

Im Folgenden wird auf einen oder mehrere Prozessoren und Speicher, die den Prozessoren zugeordnet sind, in denen die Prozessoren eine Funktion gemäß Anweisungen ausführen, Bezug genommen. Es versteht sich, dass ein Prozessor, der einer bestimmten Funktion zugeordnet ist, wie hierin beschrieben, der gleiche wie ein anderer einer bestimmten Funktion zugeordneter Prozessor sein kann oder ein anderer. Zum Beispiel würde ein Fachmann verstehen, dass ein Prozessor oder eine Vielzahl von Prozessoren die hierin zum Beispiel als ein Bildprozessor, ein Rauschbiaskoeffizientenprozessor und ein Persistenzprozessor beschriebenen Prozessoren einschließen können.
1 veranschaulicht, wie Rauschen durch Persistenzverarbeitung von Bildern oder andere Bildkombinationstechniken reduziert wird. Die Blöcke 50_t , 50_t-1 und 50_t-2 stellen drei Bildpixel oder Gruppen von Bildpixeln an einer gemeinsamen Stelle in drei aufeinander folgenden Ultraschallbildern dar. In diesem Beispiel sind die Pixel alle Rauschen, wobei die Stärken durch die Höhe der Kreise 52, 54 und 56 in den Blöcken gezeigt und durch die jedem Block benachbarte numerische Skala angegeben werden. Die Rauschwerte in den drei Bildern betragen 2, 4 bzw. 6. Der Mittelwert der drei Rauschwerte beträgt vier, mit einer Varianz von vier. Würde ein Persistenzprozessor die Pixel der ersten zwei Bilder 50t und 50_t-1 kombinieren, wäre der Mittelwert der Rauschwerte drei. Entsprechend wäre, wenn der Persistenzprozessor die Pixel des zweiten und dritten Bildes 50_t-1 und 50_t-2 kombinieren würde, der Mittelwert fünf. Somit würden die Rauschwerte einen Bereich von drei bis fünf mit einer Varianz von zwei überspannen, aber ihr Mittelwert wäre immer noch vier. Somit ist die Varianz der Rauschwerte von einer Spanne von vier auf eine Spanne von zwei reduziert worden, aber der Rauschpegel bleibt bei vier. Ein herkömmlicher Persistenzprozessor reduziert die Rauschvarianz, aber nicht den Rauschpegel der Bilder.
Nun Bezug nehmend auf 2 wird ein Ultraschallbildgebungssystem, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gebaut ist, in Form eines Blockdiagramms gezeigt. Ein Wandler-Array 12 ist in einer Ultraschallsonde 10 zum Übertragen von Ultraschallwellen und Empfangen von Ultraschallechoinformationen bereitgestellt. Das Wandler-Array 12 kann ein ein- oder zweidimensionales Array von Wandlerelementen sein, die in der Lage sind, in zwei oder drei Dimensionen abzutasten, zum Beispiel sowohl in Elevation (in 3D) als auch in Azimut. Eine zweidimensionale Array-Sonde schließt einen mit den Array-Elementen gekoppelten Mikrostrahlformer ein, der die Übertragung und den Empfang von Signalen durch die Array-Elemente steuert. Mikrostrahlformer sind zum mindestens teilweisen Strahlformen der von Gruppen oder „Patches“ von Wandlerelementen empfangenen Signale in der Lage, wie in US-Patenten 5,997,479 (Savord et al.), 6,013,032 (Savord) und 6,623,432 (Powers et al.) beschrieben. Der Mikrostrahlformer oder die Wandlerelemente sind durch ein Sondenkabel mit einem Strahlformer 14 gekoppelt. Die Übertragung von Ultraschallstrahlen von dem Wandlerarray 12 unter Steuerung eines Mikrostrahlformers, wenn es mit diesem ausgestattet ist, oder direkt, wenn kein Mikrostrahlformer vorhanden ist, wird durch einen Sender in dem Strahlformer durchgeführt, der eine Eingabe von dem Betrieb einer Benutzerschnittstelle oder eines Bedienfeldes 28 des Ultraschallsystems durch den Benutzer empfängt. Zu den von dem Sender gesteuerten Sendeeigenschaften zählen die Frequenz, Amplitude, Phase und Polarität von Sendewellenformen. Strahlen, die in der Richtung der Impulsübertragung gebildet sind, können geradeaus von (rechtwinklig zu) dem Wandlerarray gelenkt werden oder unter unterschiedlichen Winkeln, um ein breiteres Sichtfeld abzutasten.
Die von einer zusammenhängenden Gruppe von Wandlerelementen empfangenen Echos werden in dem Strahlformer 14 strahlgeformt, indem sie entsprechend verzögert und anschließend kombiniert werden. Analoge Strahlformer sind bekannt, aber moderne Ultraschallsysteme führen Strahlformen in digitaler Form durch, indem sie empfangene Echosignale vor der Strahlformung in digitale Signalabtastwerte umwandeln. Die von einem Mikrostrahlformer erzeugten teilweise strahlgeformten Signale werden digitalisiert und durch den Strahlformer zu vollständig strahlgeformten kohärenten Echosignalen kombiniert.
Die kohärenten Echosignale sind mit einem Quadratur-Bandpassfilter (QBP) 14 gekoppelt. Der QBP erfüllt drei Funktionen: Bandbegrenzen der HF-Echosignaldaten, Erzeugen von In-Phase-und-Quadratur-Paaren (I und Q) von Echosignaldaten und Dezimieren der digitalen Abtastrate. Der QBP umfasst zwei getrennte Filter, wobei der eine In-Phasen-Abtastwerte erzeugt und der andere Quadratur-Abtastwerte erzeugt, wobei jeder Filter durch eine Vielzahl von Multiplizierer-Akkumulatoren (MACs) gebildet wird, die einen FIR-Filter implementieren. Die Quadratur-Signalproben werden einer Signalverarbeitung durch einen Signalprozessor 18 unterzogen, der eine Filterung durch einen digitalen Filter und eine Speckle-Reduktion wie durch Raum- oder Frequenz-Compounding einschließt. Der Signalprozessor kann auch das Frequenzband in einen niedrigeren oder Basisband-Frequenzbereich verschieben, ebenso wie der QBP. Der Signalprozessor kann auch Signale in Oberwellenfrequenzbändern durch Filterung oder Impulsinversion diskriminieren. Der digitale Filter des Signalprozessors 18 kann ein Filter von dem in US-Patent 5,833,613 (Averkiou et al.) offenbarten Typ sein.
Die strahlgeformten und verarbeiteten kohärenten Echosignale sind mit einem oder mehreren Bildprozessoren gekoppelt. Ein B-Mode-Prozessor 22 erzeugt ein B-Mode-Bild einer Struktur im Körper, wie etwa Gewebe. Der B-Mode-Prozessor führt eine Amplitudendetektion (Hüllkurvendetektion) von Quadratur-demodulierten I- und Q-Signalkomponenten durch, indem er die Echosignalamplitude in Form von (I²+Q²)^½ berechnet. Der B-Mode-Prozessor wendet auch eine Protokollkompression auf B-Mode-Bildwerte an. Die Quadratur-Echosignalkomponenten sind auch mit einem Dopplerprozessor 24 gekoppelt. Der Dopplerprozessor speichert Ensembles von Echosignalen von diskreten Punkten in einem Bildfeld, die dann verwendet werden, um die Dopplerverschiebung an Punkten in einem Bild durch Verarbeitung mittels schneller Fourier-Transformation (FFT) zu schätzen. Die Dopplerverschiebung ist proportional zur Bewegung an Punkten in dem Bildfeld, z. B. Blutfluss und Gewebebewegung. Für ein Farbdopplerbild werden die geschätzten Dopplerflusswerte an jedem Punkt in einem Blutgefäß wandgefiltert und unter Verwendung einer Nachschlagetabelle in Farbwerte umgewandelt. Die B-Mode-Bildsignale und die Dopplerflusswerte sind mit einem Abtastkonverter 20 gekoppelt, der die B-Mode- und Dopplerabtastwerte zur Anzeige in einem gewünschten Anzeigeformat, z. B. einem geradlinigen Anzeigeformat oder einem Sektoranzeigeformat, aus ihren erfassten R-θ-Koordinaten in kartesische Koordinaten (x,y-Koordinaten) umwandelt. Entweder kann das B-Mode-Bild oder das Dopplerbild alleine angezeigt werden, oder die zwei können zusammen in anatomischer Registrierung dargestellt werden, in der die Farbdopplerüberlagerung den Blutfluss ortsabhängig in Gewebe und Gefäßen in dem Bild zeigt. Eine Abfolge von empfangenen und verarbeiteten Ultraschallbildern wird in einem Bildspeicher 26 gespeichert.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird Bildrauschen vor der Anzeige durch einen Persistenzprozessor 30 reduziert. Die Rauschreduktion verwendet ein Rauschmodell 32 mit Daten, die den Rauschpegel von Pixeln in einem Bild darstellen, welches auf verschiedene Weise konfiguriert werden kann. Eine Möglichkeit besteht darin, das Rauschmodell auf der Kenntnis der Rauschleistung gegenüber der Verstärkung der Empfangsverstärker des Systems zu basieren. Die Rauschleistung der Systemverstärker in Abhängigkeit von der Verstärkung wird im Werk gemessen und in einer Reihe von Modellen für verschiedene Sondenöffnungen und Verstärkungspegel aggregiert. Die Rauschmodelle werden im Speicher in dem Ultraschallsystem gespeichert, und auf eines wird während der Bildgebung abhängig von der Sondenöffnung und der Einstellung der Benutzer-Verstärkungssteuerung zugegriffen. Eine andere Möglichkeit zum Konfigurieren des Rauschmodells besteht darin, nacheinander empfangene Bilder von einem stationären Bildfeld, wie etwa einem Phantom oder Luft, zu kreuzkorrelieren. In Abwesenheit von Rauschen korrelieren gemeinsam angeordnete Pixel in den beiden Bildern perfekt, was auf die Abwesenheit von Rauschen hinweist. Ein niedriger Korrelationsgrad weist auf ein starkes Vorhandensein von Rauschen hin. Somit wird eine Tabelle von Korrelationswerten, die den Grad des Vorhandenseins von Rauschen in dem Bildfeld darstellen, aufgebaut und im Speicher gespeichert. Die aufeinander folgenden Bilder, die korreliert werden, können zweidimensionale oder eindimensionale Bilder (Zeilenbilder) sein.
Eine weitere Technik zum Konfigurieren eines Rauschmodells beruht auf dem Empfang eines Bildes in Abwesenheit einer Ultraschallsignalübertragung. Idealerweise zeigt das empfangene Bild eine vollständige Abwesenheit eines Signals, doch wenn eines vorhanden ist, wird angenommen, dass es auf Rauschen zurückzuführen ist. Eine Tabelle der gemessenen Pegel von Pixeln in einem Bild, von denen angenommen wird, dass sie auf Rauschen zurückzuführen sind, wird im Speicher gespeichert und als Rauschmodell verwendet. Noch eine weitere Technik zum Konfigurieren eines Rauschmodells besteht darin, die Empfängerfilter auf einen Rauschanteil des empfangenen Signalspektrums einzustellen, eine Frequenz, bei der es keine Ultraschallsignalenergie geben sollte. Eine Tabelle der gemessenen Pegel von Pixeln in dem Bild, die den rauschzentrierten Empfangsfiltern entsprechen, wird dann als Rauschmodell im Speicher gespeichert.
Die Pixel eines Bildes, das gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden soll, werden mit den Werten des Rauschmodells verglichen, um die Wahrscheinlichkeit zu bewerten, dass ein Pixel Rauschen ist. Beispiele für diesen Vergleich werden in 3 gezeigt. Das Bezugszeichen 60 gibt den Rauschpegel für einen Pixelort des Rauschmodells an, und 62 und 64 sind Pixel von Bildern, die an diesem Ort empfangen wurden. Das empfangene Bildpixel 62 in 3 a ist als deutlich über dem Grundrauschen 60 liegend zu sehen und weist somit eine geringe Wahrscheinlichkeit auf, Rauschen zu sein. Sein Rauschwahrscheinlichkeits-Indexwert kann beispielsweise 10 % sein. Ein weiteres empfangenes Bildpixel 64 hat eine Amplitude, die sehr nahe an dem Grundrauschen 60 liegt, und weist somit eine hohe Wahrscheinlichkeit auf, Rauschen zu sein. Diesem Pixel kann beispielsweise ein Rauschwahrscheinlichkeits-Indexwert (NLI-Wert) von 95 % zugewiesen sein.
3b veranschaulicht zwei weitere Beispiele für eine Rauschwahrscheinlichkeitsklassifizierung. Pixel 66 befindet sich relativ nahe an dem Grundrauschen 60, und ein NLI-Wert von 25 % kann ihm zugewiesen sein. Pixel 68 hat eine Amplitude unterhalb des Grundrauschens 60, und sein NLI-Wert ist 100 %.
Diese Rauschwahrscheinlichkeitsschätzungen für die Pixel werden in dem Rauschmodellmodul 32 erzeugt und zum Erzeugen von Rauschbiaskoeffizienten (N_BiasCoeff) verwendet, die von dem Persistenzprozessor zum Reduzieren von Bildrauschen verwendet werden. Die NLI-Werte werden in einen Bereich von Werten mit einer gewünschten Eigenschaft umgewandelt, für welche Beispiele in 4 gezeigt werden. Dies geschieht z. B. durch Verwenden einer mathematischen Formel oder Anwenden von NLI-Werten als Eingangswerte (Adressen) für eine Nachschlagetabelle, die Ausgangswerte enthält, die die gewünschte Eigenschaft aufweisen. Diese Nachschlagetabelle befindet sich im N_Bias-Prozessor 34 des Ultraschallsystems von 2. 4a veranschaulicht eine Umwandlungseigenschaft, die eine glatte Kurve 72 ist. Für hohe NLI-Werte (starke Wahrscheinlichkeit, Rauschen zu sein) erzeugt der N_Bias-Prozessor hohe N_BiasCoeff-Werte, die um die Mitte des NLI-Wertebereichs beginnen abzufallen und sich für niedrige NLI-Werte null nähern. 4b zeigt ein Beispiel, bei dem die Beziehung zwischen den N_BiasCoeff-Werten und den NLI-Werten vollständig linear ist, wie anhand der geraden Linie 74 zu sehen ist. 4c gibt ein Beispiel, bei dem die N_BiasCoeff-Werte bei abfallenden NLI-Werten schrittweise abfallen. Wenn die gewünschte Umwandlungseigenschaft ausgewählt ist, kann sie als eine Nachschlagetabelle implementiert werden, wobei ein Eingangs-NLI-Wert einen entsprechenden N_BiasCoeff-Wert aus der Tabelle auswählt. Diese oder andere Umwandlungseigenschaften können in einer Implementierung der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Die Rauschbiaskoeffizienten werden an den Persistenzprozessor 30 angelegt, wo sie verwendet werden, um Bildrauschen während der Persistenzverarbeitung von Ultraschallbildern zu reduzieren. Der Persistenzprozessor 30 in 2 empfängt auch Persistenzkoeffizienten (PersistCoeff) von einer Persistenzsteuerung 36 als Reaktion darauf, dass der Benutzer eine Persistenzsteuerung auf dem Bedienfeld 28 einstellt. Der Benutzer kann die Persistenz ausschalten, in welchem Fall es keine Persistenzverarbeitung gibt. Der Benutzer kann die Persistenz in einen niedrigen oder hohen Bereich von Persistenzeinstellungen schalten, was die von der Persistenzsteuerung erzeugten Persistenzkoeffizienten erhöht und einen größeren Persistenzgrad erzeugt. Ein einzelner PersistCoeff-Wert, der von der Persistenzsteuerung als Reaktion auf eine Steuerungseinstellung erzeugt wird, kann zum Verarbeiten eines gesamten Bildes verwendet werden und kann für jedes verarbeitete Bild verwendet werden. Wenn es zum Beispiel wenig oder keine gewünschte Bewegung in den Bildern gibt, z. B. pulsierenden Blutfluss, gibt es keine gewünschte Bewegungswirkung, die durch Persistenz aufrecht zu erhalten wäre, und der Benutzer kann entscheiden, geringe oder keine Persistenz zu verwenden. Alternativ bedeutet das Fehlen von Bewegung in dem Bild, dass es keine Bildunschärfen gibt, wenn ein hoher Persistenzgrad verwendet wird, und ein Benutzer kann dann entscheiden, eine höhere Persistenzeinstellung zu verwenden, um die Reduktion von Rauschen in den Bildern zu erhöhen, ohne Bildunschärfe befürchten zu müssen. Vorzugsweise variieren die Persistenzwerte für die Verarbeitung jedes Pixelortes sowohl räumlich als auch zeitlich. Wenn der Benutzer zum Beispiel das Herz abbildet und versucht, die maximale Fließgeschwindigkeit des Blutes zu erkennen, kann ein niedrigerer Persistenzgrad auf bei und unmittelbar nach der Systolenspitze erfasste Farbdopplerbilder angewendet werden, um ein Verschwimmen der systolischen Spitze zu vermeiden, und ein höherer Persistenzgrad zu anderen Zeiten und während der Diastole angewendet werden, um eine maximale Rauschreduktion zu erreichen. Gleichzeitig kann ein geringerer Persistenzgrad in B-Mode-Regionen des Bildes verwendet werden, in denen kein Fluss vorhanden ist, um die Möglichkeit des Verschwimmens von sich bewegendem Myokardgewebe zu verringern. Andere Beispiele, in denen die Persistenz vorteilhaft räumlich oder zeitlich variiert werden kann, werden dem Fachmann leicht einfallen.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird die Persistenzverarbeitung unter Verwendung von sowohl Persistenzsteuerung (PersistCoeff oder, in Kurzform, Pc) als auch Rauschpegelsteuerung (N_BiasCoeff oder, in Kurzform, Nb) durchgeführt. Beispiele für Persistenzprozessoren, die beide Arten von Steuerung verwenden, werden in 5 und 6 gezeigt. 5 veranschaulicht einen Persistenzprozessor, der als FIR-Filter konfiguriert ist. Pixel an einem gemeinsamen Ort in einer Sequenz von Bildern I, die zu den Erfassungszeiten In, I_n-1, I_n-2 und I_n-3 erfasst wurden, werden auf die Filtereingänge angewendet. Die Pixelwerte werden anhand der Persistenzkoeffizienten Pc₀, Pc₁, Pc₂ bzw. Pc₃ gewichtet und auch anhand der Rauschbiaskoeffizienten Nb₀, Nb₁, Nb₂ und Nb₃ gewichtet. Somit wird jedes Pixel in jedem Bild unter Verwendung von sowohl Persistenzkoeffizienten als auch Rauschbiaskoeffizienten verarbeitet, welche zeitlich (über die Filtereingänge) und räumlich (von einem FIR-Filter für einen Pixelort zu einem anderen FIR-Filter für einen anderen Pixelort) variieren können. Die doppelt gewichteten Pixelwerte werden an einem Summierungsknoten summiert, um ein Ausgangspixel O_n zum Zeitpunkt des Eingangsbildpixels In zu erzeugen. Während gezeigt wird, dass die Rauschbiasgewichtungen als Produktfunktionen angewendet werden, können sie alternativ als summierte Werte angewendet werden. Somit kann eine FIR-Filter-Implementierung die folgende Form annehmen: $O_{n} = \sum_{m =0}^{M-1} I_{n - m} P c_{m} N b_{m}$
wenn der Rauschbiaskoeffizient als eine Produktfunktion angewendet wird, oder die Form $O_{n} = \sum_{m =0}^{M - 1} I_{n - m} P c_{m} - N b_{m}$
wenn der Rauschbiaskoeffizient als ein summierter Wert angewendet wird.
6a veranschaulicht einen Persistenzprozessor der vorliegenden Erfindung, der als IIR-Filter konfiguriert ist. Dieses Beispiel ist ein IIR-Filter erster Ordnung, bei dem ein Pixel eines Eingangsbildes In zuerst mit einer Gewichtungsfunktion 1-Pc(I_n) multipliziert wird. Dieser gewichtete Wert wird mit einem gewichteten verzögerten Ausgangswert summiert, um den Ausgangswert O_n zu erzeugen. Der vorherige Ausgangswert wird von einem Verarbeitungsintervall (einem Frame-Intervall) um eine Verzögerung D verzögert, um den vorherigen Ausgangswert O_n-1 für die aktuelle Berechnung zu erzeugen. Der vorherige Ausgangswert O_n-1 wird mit f{Pc,Nb} gewichtet, was ein Wert oder Ausdruck ist, der eine Funktion sowohl von einem Persistenzkoeffizienten (Pc) als auch von einem Rauschbiaskoeffizienten (Nb) ist. Das heißt, f{Pc,Nb} kann eine Produktfunktion, eine Summierungsfunktion sein oder die Persistenz- und Rauschbiaskoeffizienten durch eine andere mathematische Operation kombinieren. Zum Beispiel könnte eine einfache Wahl für f{Pc, Nb} Pc - Nb sein, wobei Nn der Rauschbiaskoeffizient ist und Nb = 0 einem Standardpersistenzalgorithmus entspricht, der keine Rauschbiaskomponente einschließt.
Der gewichtete vorherige Ausgangswert wird mit dem gewichteten Eingangswert an einem Summierungsknoten „+“ summiert. Mathematisch führt dieser IIR-Filter den folgenden Algorithmus aus: $O_{n} = I_{n} (1 - Pc (In)) + O_{n - 1} (f {Pc,Nb})$
Der Ausgang des Persistenzprozessors ist mit einem Anzeigeprozessor 42 gekoppelt, der die Bilder zur Anzeige auf einer Bildanzeige 40 in geeigneter Weise aufbereitet.
6b veranschaulicht einen Persistenzprozessor der vorliegenden Erfindung, der als IIR-Filter zweiter Ordnung konfiguriert ist. Ein Pixel eines Eingangsbildes In wird mit einem Koeffizienten β₀ gewichtet und einem Summierungsknoten zugeführt. Das Pixel des vorherigen Eingangsbildes am gleichen Ort in dem Bild wird um eine Verzögerung D (ein Bildframe-Intervall) verzögert, und dieses I_n-1-Pixel wird mit einem Koeffizienten β₁ gewichtet und dem Summierungsknoten zugeführt. Der I_n-1-Frame wird noch einmal um eine Verzögerung D verzögert, und dieses I_n-2-Pixel wird mit einem Koeffizienten β₂ gewichtet und dem Summierungsknoten zugeführt. Der an dem Summierungsknoten erzeugte Ausgang O_n wurde um die Verzögerung D verzögert, um den vorherigen Ausgang O_n-1 zu erzeugen, und um eine zweite Verzögerung D, um den Ausgang O_n-2 vor dieser zu erzeugen. Diese vorherigen Ausgänge werden mit den Koeffizienten α₁ und α₂ gewichtet, die Funktionen der Rauschkoeffizienten f{Pc,Nb} sind, und die beiden gewichteten vorherigen Ausgänge werden dem Summierungsknoten zugeführt. Der von diesem IIR-Filter zweiter Ordnung ausgeführte Algorithmus hat die Form $O_{n} = I_{n} β_{0} + I_{n - 1} β_{1} + I_{n - 2} β_{2} + O_{n - 1} α_{1} + O_{n - 2} α_{2}$
wobei β₀, β₁ und β₂ Funktionen des/der Persistenzkoeffizienten sind und α₁ und α₂ Funktionen sowohl des/der Persistenzkoeffizienten als auch des/der Rauschbiaskoeffizienten sind.
In einer gebauten Implementierung wird durch Einstellung einer Persistenzsteuerung auf dem Bedienfeld 28 sowohl die Rauschvarianz durch Steuerung von PersistCoeff als auch das Grundrauschen durch Steuerung von N_BiasCoeff variiert. Die Persistenzsteuerung kann als ein Drehknopf, ein Schiebeschalter oder eine virtuelle Steuerung auf einem Touchscreen realisiert sein. Der PersistCoeff ist zwischen 0,0 und 1,0 variabel, wobei mit 0,0 keine Persistenz implementiert wird (Persistenz ist ausgeschaltet) und 1,0 die aggressivste Persistenz ist. Durch Erhöhen des PersistCoeff-Wertes wird die Gewichtung, die auf vorherige Bilder angewendet wird, die Anzahl der Bilder, die persistiert werden, oder beides erhöht. Die PersistCoeff-Werte sind ebenfalls mit dem N_Bias-Prozessor 34 gekoppelt, sodass bei Auswahl einer aggressiveren Persistenz eine aggressivere Verarbeitung des Grundrauschens erfolgt. Wenn der Benutzer beispielsweise eine relativ niedrige Persistenz mit einem PersistCoeff-Wert von 0,3 auswählt, kann der N_Bias-Prozessor 34 die lineare Umwandlungskurve von 4b implementieren. Wenn der Benutzer jedoch eine stärkere Persistenz mit einer PersistCoeff-Einstellung von 0,8 auswählt, schaltet der N_Bias-Prozessor auf die Verwendung einer aggressiveren Kurve für das Grundrauschen um, wie etwa der von 4a, die aggressivere N_BiasCoeff-Werte erzeugt. Somit werden, wenn der Benutzer die Persistenz hochdreht und die Rauschvarianzeigenschaft der Bilder verbessert, die Grundrauscheigenschaft und das Signal-Rausch-Verhältnis zusammen verbessert. In der gebauten Implementierung ist zu sehen, dass, wenn die Persistenzsteuerung hochgedreht wird, um die Persistenz zu erhöhen, Rauschen in den Bildern abnimmt und verrauschte Bilder deutlich dunkler und rauschfreier werden. Bei weniger Rauschen in den Bildern kann ein Benutzer entscheiden, die Persistenz zu verringern, um die Möglichkeit von Bildunschärfen aufgrund von Bewegung zu reduzieren, oder kann entscheiden, die Verstärkung der Bilder zu erhöhen, um Feinstrukturen besser zu visualisieren, die andernfalls durch Rauschen verdeckt werden könnten. Es versteht sich, dass die Persistenzsteuerung und die Steuerung des Grundrauschens alternativ durch separate Steuerungen gesteuert werden können, anstatt durch eine einzige Steuerung, wie oben erläutert.
Eine Implementierung der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um Ultraschallbilder in allen Bildgebungsmodi zu verbessern, einschließlich B-Mode, Farbdoppler, Farb-Power, Belastungs- oder Scherwellenelastographie und Kontrastdarstellung. Es versteht sich, dass die Rauschbiassteuerung in Farbdoppler- und anderen parametrischen Bildgebungsmodi nicht verwendet werden kann, um Pixelwerte zu verändern, da dies die Geschwindigkeit oder andere von den Pixeln angegebene parametrische Werte unerwünscht verändern würde. Stattdessen wird die Rauschbiassteuerung in einem Farbdopplerbeispiel verwendet, um die Farbschreibpriorität zu steuern, die bestimmt, ob ein Pixel als Geschwindigkeit oder als Gewebe oder eventuell als Mischung angezeigt werden soll. Zum Beispiel kann es sein, dass Farbwerte nahe dem Grundrauschen infolge der Rauschverarbeitung nicht angezeigt werden und stattdessen Gewebe-Pixelwerte (B-Mode-Pixelwerte) angezeigt werden.
Es ist zu beachten, dass ein Ultraschallsystem, das für die Verwendung in einer Implementierung der vorliegenden Erfindung geeignet ist, und insbesondere die Komponentenstruktur des Ultraschallsystems von 2 in Hardware, Software oder einer Kombination davon implementiert sein kann. Die verschiedenen Ausführungsformen und/oder Komponenten eines Ultraschallsystems, zum Beispiel das Rauschmodell, der N_Bias-Prozessor, die Persistenzsteuerung und der Persistenzprozessor, oder darin befindliche Komponenten und Steuerungen können auch als Teil eines oder mehrerer Computer oder Mikroprozessoren implementiert sein. Der Computer oder Prozessor kann eine Rechenvorrichtung, eine Eingabevorrichtung, eine Anzeigeeinheit und eine Schnittstelle, zum Beispiel zum Zugreifen auf das Internet, einschließen. Der Computer oder Prozessor kann einen Mikroprozessor einschließen. Der Mikroprozessor kann zum Beispiel mit einem Kommunikationsbus verbunden sein, um zum Importieren von Trainingsbildern auf ein PACS-System oder das Datennetzwerk zuzugreifen. Der Computer oder Prozessor kann auch einen Speicher einschließen. Die Speichervorrichtungen, wie etwa der Bildspeicher 26 und die Speichervorrichtung, die zum Speichern des Rauschmodells 32 verwendet wird, können Direktzugriffsspeicher (RAM) und Nur-Lese-Speicher (ROM) einschließen. Der Computer oder Prozessor kann ferner eine Speichervorrichtung einschließen, die ein Festplattenlaufwerk oder ein Wechselspeicherlaufwerk wie etwa ein Diskettenlaufwerk, ein Laufwerk für optische Speicherplatten, ein Solid-State-Thumbdrive und dergleichen sein kann. Die Speichervorrichtung kann auch andere ähnliche Mittel zum Laden von Computerprogrammen oder anderen Anweisungen in den Computer oder Prozessor sein.
Wie hierin verwendet, kann der Begriff „Computer“ oder „Modul“ oder „Prozessor“ oder „Arbeitsstation“ ein beliebiges auf einem Prozessor oder Mikroprozessor basiertes System einschließen, einschließlich Systemen, die Mikrocontroller verwenden, Computern mit reduziertem Befehlssatz (RISC), ASICs, Logikschaltungen und beliebigen anderen Schaltungen oder Prozessoren, die in der Lage sind, die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Die obigen Beispiele sind lediglich beispielhaft und sollen daher die Definition und/oder Bedeutung dieser Begriffe in keiner Weise einschränken.
Der Computer oder Prozessor führt einen Satz von Anweisungen aus, die in einem oder mehreren Speicherelementen gespeichert sind, um Eingangsdaten zu verarbeiten. Die Speicherelemente können je nach Wunsch oder Bedarf auch Daten oder andere Informationen speichern. Das Speicherelement kann in Form einer Informationsquelle oder eines physischen Speicherelements innerhalb einer Verarbeitungsmaschine vorliegen.
Der Satz von Anweisungen eines Ultraschallsystems, einschließlich derjenigen, die die Erfassung, Verarbeitung und Übertragung von Ultraschallbildern steuern, wie vorstehend beschrieben, kann verschiedene Befehle einschließen, die einen Computer oder Prozessor als Verarbeitungsmaschine anweisen, spezifische Operationen durchzuführen, wie etwa die Verfahren und Prozesse der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Der Satz von Anweisungen kann in Form eines Softwareprogramms vorliegen. Die Software kann in verschiedenen Formen wie etwa Systemsoftware oder Anwendungssoftware vorliegen, und die als ein dingliches und nicht flüchtiges computerlesbares Medium ausgeführt sein kann. Ferner kann die Software in Form einer Sammlung von separaten Programmen oder Modulen, eines Programmmoduls innerhalb eines größeren Programms oder eines Abschnitts eines Programmmoduls vorliegen. Ein Fachmann wird beispielsweise erkennen, dass der Persistenzprozessor am wahrscheinlichsten am besten als Softwaremodul implementiert ist. Die Software kann auch modulare Programmierung in Form von objektorientierter Programmierung einschließen. Die Verarbeitung von Eingangsdaten durch die Verarbeitungsmaschine kann als Reaktion auf Bedienerbefehle oder als Reaktion auf Ergebnisse einer vorherigen Verarbeitung oder als Reaktion auf eine Anforderung durch eine andere Verarbeitungsmaschine erfolgen.
Ferner sind die Beschränkungen der folgenden Ansprüche nicht im Format Mittel-plus-Funktion geschrieben und sollen nicht auf der Grundlage von 35 U.S.C. 112, sechster Absatz, interpretiert werden, außer wenn und bis diese Anspruchsbeschränkungen ausdrücklich den Ausdruck „Mittel zum“, gefolgt von einer Angabe einer Funktion ohne weitere Struktur, verwenden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 35148 [0002]
US 6126598 [0002]
US 5997479 [0008]
US 6013032 [0008]
US 6623432 [0008]
US 5833613 [0010]

Claims

Ultraschallbildgebungssystem zum Erzeugen von Bildern mit verbesserter Rauschleistung, umfassend: eine Ultraschallsonde, die dazu angepasst ist, Ultraschall-Echosignale von einem Bildfeld zur Bildgebung zu erfassen; einen Bildprozessor, der mit der Sonde gekoppelt ist und dazu angepasst ist, ein Ultraschallbild zu erzeugen; einen Speicher, der ein Rauschmodell umfasst, das Rauschpegel von Pixelorten des Ultraschallbildes darstellt; einen Rauschbiaskoeffizientenprozessor, der dazu angepasst ist, Rauschbiaskoeffizienten basierend auf dem Rauschmodell und Pixelwerten eines Bildes zu erzeugen; und einen Persistenzprozessor, der basierend auf Persistenzsteuerungskoeffizienten und den Rauschbiaskoeffizienten dazu angepasst ist, die Rauschleistung von Ultraschallbildern zu verbessern.
Ultraschallbildgebungssystem nach Anspruch 1, umfassend eine benutzerbetriebene Persistenzsteuerung, die mit dem Persistenzprozessor gekoppelt ist und dazu angepasst ist, den Persistenzprozessor zu betreiben, um eine Rauschvarianzeigenschaft und eine Rauschpegeleigenschaft der Ultraschallbilder zu verbessern.
Ultraschallbildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei das Rauschmodell mindestens teilweise auf Empfangsverstärkerrauschen des Ultraschallsystems oder Korrelation zwischen Pixelwerten in den Ultraschallbildern basiert.
Ultraschallbildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei das Rauschmodell mindestens teilweise auf Ultraschallbilddaten basiert, die in Abwesenheit einer Ultraschallsignalübertragung erfasst werden, oder aus Ultraschallbilddaten eines Rauschspektrums.
Ultraschallbildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei das Rauschmodell ferner zum Vergleich mit Pixelwerten eines Bildes angepasst ist, um eine Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, dass ein Pixelwert Rauschen ist.
Ultraschallbildgebungssystem nach Anspruch 5, wobei der Rauschbiaskoeffizientenprozessor ferner zum Erzeugen von Rauschbiaskoeffizienten angepasst ist, die eine Funktion der Wahrscheinlichkeit sind, dass ein Pixelwert Rauschen ist.
Ultraschallbildgebungssystem nach Anspruch 6, wobei der Rauschbiaskoeffizientenprozessor ferner zum Erzeugen von Rauschbiaskoeffizienten über einen Bereich, der eine gewünschte Umwandlungseigenschaft aufweist, angepasst ist.
Ultraschallbildgebungssystem nach Anspruch 7, wobei die gewünschte Umwandlungseigenschaft ferner eine Kurve umfasst.
Ultraschallbildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei der Persistenzprozessor ferner einen von einem Filter mit endlicher Impulsantwort oder einem Filter mit unendlicher Impulsantwort umfasst.
Verfahren zum Verbessern der Rauscheigenschaft von Ultraschallbildern, umfassend: Erzeugen eines Rauschpegelmodells von Pixeln eines Ultraschallbildes; Vergleichen der Pixel eines Ultraschallbildes mit dem Rauschpegelmodell, um Rauschbiaswerte zu bestimmen; Empfangen einer Eingabe von einer Benutzer-Persistenzsteuerung; und Persistenzverarbeitung von Ultraschallbildern als Reaktion auf sowohl die Rauschbiaswerte als auch die Eingabe von der Benutzer-Persistenzsteuerung, um die Rauschleistung von mit Persistenz verarbeiteten Bildern zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Erzeugen des Rauschpegelmodells das Verwenden von Systemverstärkerrauscheigenschaften, Durchführen von Frame-zu-Frame-Bildkorrelation, Empfangen eines Bildes in Abwesenheit einer Übertragung, Empfangen eines Bildes aus einem Rauschspektrum oder eine Kombination davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Vergleichen der Pixel eines Ultraschallbildes das Bestimmen einer Wahrscheinlichkeit umfasst, dass ein Pixel Rauschen ist.
Verfahren von Anspruch 10, wobei die Persistenzverarbeitung das Verarbeiten von Bildern mit einem Filter mit endlicher Impulsantwort oder einem Filter mit unendlicher Impulsantwort umfasst, der als Reaktion sowohl auf die Rauschbiaswerte als auch auf die Eingabe von der Benutzer-Persistenzsteuerung tätig ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Persistenzverarbeitung das Verbessern einer Rauschvarianz und eines Signal-Rausch-Pegels von mit Persistenz verarbeiteten Bildern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Empfangen der Eingabe von der Benutzer-Persistenzsteuerung das gleichzeitige Erhöhen der Persistenz von Ultraschallbildern und Reduzieren des Rauschpegels der Ultraschallbilder umfasst.