DE112020001333T5

DE112020001333T5 - Quantitativer Ultraschall mit Grund- und Oberwellensignalen

Info

Publication number: DE112020001333T5
Application number: DE112020001333.2T
Authority: DE
Inventors: Yassin Labyed
Original assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Current assignee: Siemens Medical Solutions USA Inc
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2021-12-02
Also published as: KR102628879B1; US11617567B2; US11331078B2; WO2020190410A1; CN113631953A; US20220240900A1; US20200297322A1; KR20210137561A

Abstract

Ein System und Verfahren beinhalten das Speichern eines Echosignal-Leistungsspektrums eines Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und eines Echosignal-Leistungsspektrums des Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband, das Erfassen eines Echosignal-Leistungsspektrums einer Geweberegion für das Grundfrequenzband und eines Echosignal-Leistungsspektrums der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband, das Bestimmen eines ersten Rückstreuungskoeffizienten basierend auf dem Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Grundfrequenzband und dem Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband, das Bestimmen eines zweiten Rückstreuungskoeffizienten basierend auf dem Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband und dem Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband und das Bestimmen einer Nichtlinearität der Geweberegion basierend auf dem ersten Rückstreuungskoeffizienten und dem zweiten Rückstreuungskoeffizienten.

Description

HINTERGRUND
Ein herkömmliches Ultraschall-Bildgebungssystem erzeugt ein internes Bild (d.h. ein B-Modus-Bild) eines Volumens, indem es akustische Impedanzdiskontinuitäten innerhalb des Volumens erkennt. Konkreter werden bei der konventionellen Ultraschallbildgebung Ultraschallstrahlen in ein Volumen gesendet und die zurückgesendeten Signale, die von akustischen Impedanzdiskontinuitäten im Volumen reflektiert werden, erfasst. Da verschiedene Materialien typischerweise unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen, repräsentieren die erkannten akustischen Impedanzdiskontinuitäten die Lage verschiedener Materialien innerhalb des Volumens.
Die oben beschriebenen B-Modus-Bilder stellen qualitative Merkmale im Gewebe dar, liefern aber nicht direkt quantitative Informationen über das Gewebe. Quantitative Ultraschallsysteme hingegen können einen Dämpfungskoeffizienten (Attenuation Coefficient, AC) und einen Rückstreuungskoeffizienten (Backscatter Coefficient, BSC) einer interessierenden Region (Region of Interest, ROI) bestimmen. Der AC ist ein Maß für den Ultraschallenergieverlust im Gewebe und der BSC ist ein Maß für die aus dem Gewebe zurückgesendete Ultraschallenergie. Quantitative Ultraschallwerte wie diese sind hilfreich bei der Charakterisierung von Gewebeeigenschaften wie Steifigkeit und Fettanteil. Zusätzliche quantitative Ultraschallmessungen würden diese Charakterisierungen weiter unterstützen.
Die Bestimmung eines AC und eines BSC erfordert eine Kompensation von systemischen Effekten des erfassenden Ultraschallsystems. Zu diesen Effekten zählen die Sendeimpulsleistung, die Empfindlichkeit des Wandlers, das Strahlfokussierungsmuster und die tiefenabhängige Empfängerverstärkung. Üblicherweise beinhaltet die Kompensation, das Echosignal-Leistungsspektrum einer Gewebeprobe im Grundfrequenzband durch das Echosignal-Leistungsspektrum eines gut charakterisierten Referenzphantoms im Grundfrequenzband aus derselben Tiefe zu dividieren. Der resultierende Quotient ist ein normalisiertes Spektrum, das von den Dämpfungs- und Rückstreueigenschaften der Gewebeprobe und des Referenzphantoms abhängt. Da die Eigenschaften des Referenzphantoms bekannt sind, können der AC und der BSC der Gewebeprobe aus dem normalisierten Spektrum abgeleitet werden.
Ein Nachteil der vorstehenden Bestimmung ist die Notwendigkeit, Referenzphantomdaten zum Zeitpunkt der klinischen Abtastung zu erfassen. Dieser zusätzliche Erfassungsaufwand behindert den Arbeitsablauf und den Patientendurchsatz. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Genauigkeit solcher Bestimmungen in vielen Szenarien nicht ausreichend ist. Die vorstehende Bestimmung liefert auch keine anderen potenziell nützlichen quantitativen Messwerte, wie etwa die Nichtlinearität des Gewebes.
Figurenliste
Der Aufbau und die Verwendung der Ausführungsformen werden aus der Betrachtung der folgenden Spezifikation ersichtlich, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, in denen gleiche Bezugsnummern gleiche Teile bezeichnen und in denen gilt:

1 ist ein Blockdiagramm eines quantitativen Ultraschallsystems gemäß einigen Ausführungsformen;
2 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Bestimmen quantitativer Ultraschallwerte gemäß einigen Ausführungsformen;
3 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschallsystems zum Erfassen von Referenzphantom-Kalibrierungsdaten gemäß einigen Ausführungsformen;
4 ist eine tabellarische Darstellung von Daten zum Bestimmen von Referenzphantom-Kalibrierungsdaten gemäß einigen Ausführungsformen;
5 ist ein Ultraschallbild mit quantitativen Ultraschallwerten gemäß einigen Ausführungsformen; und
6 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschallsystems gemäß einigen Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung dient dazu, den Fachmann auf diesem Gebiet der Technik in die Lage zu versetzen, die beschriebenen Ausführungsformen herzustellen und zu verwenden, und stellt die beste Art und Weise dar, die für die Ausführung der beschriebenen Ausführungsformen in Betracht gezogen wird. Verschiedene Modifikationen bleiben jedoch für Fachleute offensichtlich.
Einige Ausführungsformen ermöglichen eine effiziente und genaue Bestimmung von quantitativen Ultraschallwerten. Konkreter stellen einige Ausführungsformen ein erfindungsgemäßes System zum Bestimmen eines AC und eines BSC basierend auf Echosignal-Leistungsspektren aus einem Oberwellenfrequenzband bereit. Die Verwendung des Oberwellenfrequenzbandes ist klinisch wünschenswerter. Der klinische Nutzen der Verwendung von Oberwellensignalen liegt in der verbesserten Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der QUS-Schätzungen aufgrund von weniger Nachhall, Störgeräuschen und Phasenaberration.
Solche Ausführungsformen können vorgespeicherte Echosignal-Leistungsspektren (oder HF- oder IQ-Signaldaten, aus denen Leistungsspektren berechnet werden können) eines gut charakterisierten Referenzphantoms im Oberwellenfrequenzband verwenden, wodurch die Notwendigkeit entfällt, Kalibrierungsdaten zum oder kurz vor dem Zeitpunkt der klinischen Datenerfassung zu erfassen.
Einige Ausführungsformen bestimmen vorteilhafterweise quantitative Werte der Nichtlinearität des Gewebes. Im Gegensatz dazu gehen die oben beschriebenen herkömmlichen Systeme davon aus, dass die Nichtlinearität des Referenzphantoms im Wesentlichen gleich der Nichtlinearität des Gewebes in der ROI ist.
1 veranschaulicht eine Implementierung gemäß einigen Ausführungsformen. Ein System 100 weist eine Ultraschalleinheit 110, einen Ultraschallwandler 120 und eine Anzeige 130 auf. Das Volumen 140 kann einen menschlichen Körper umfassen, jedoch sind Ausführungsformen nicht darauf beschränkt. Der Ultraschallwandler 100 kann jeden geeigneten Ultraschallwandler umfassen, etwa einen phasengesteuerten, linearen oder konvexen Ultraschallwandler.
Allgemein kann die Verarbeitungseinheit 112 der Einheit 110 Programmcode ausführen, um den Wandler 120 so zu steuern, dass er Ultraschallstrahlen in das Volumen 140 sendet und akustische Hochfrequenzsignale von dort empfängt. Die Verarbeitungseinheit 112 der Einheit 110 kann Programmcode ausführen, um basierend auf den empfangenen Signalen Bilder zu erzeugen und/oder quantitative Ultraschallwerte zu bestimmen. Die Bilder und/oder bestimmten Werte können einem Techniker auf der Anzeige 130 angezeigt werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen bedient ein Techniker das System 100, um Echosignal-Leistungsspektren eines Oberwellenfrequenzbandes aus einer ROI des Volumens 140 zu erfassen. Die Erfassung kann beinhalten, HF- oder IQ-Signale zu erfassen und Echosignal-Leistungsspektren des Oberwellenfrequenzbandes daraus zu berechnen. Die Erfassung erfolgt unter Verwendung von ersten Abtasteinstellungen, die bestimmte Werte für Frequenz, F-Zahl/Aperturgröße, Fokus und Apodisationsfunktion umfassen können. Der Wandler 120 ist in Verbindung mit der Sendeeinheit 116 betriebsfähig, um Ultraschallstrahlen in die ROI zu senden, und die Empfängereinheit 118 ist in Verbindung mit dem Wandler 120 betriebsfähig, um reflektierte Signale im Oberwellenfrequenzband aus der ROI gemäß den Abtasteinstellungen zu empfangen.
Als nächstes werden Oberwellenkalibrierungsdaten, die den ersten Abtasteinstellungen entsprechen, aus dem Speicher 114 abgerufen. Die Oberwellenkalibrierungsdaten können ein Echosignal-Leistungsspektrum eines Oberwellenfrequenzbandes (oder Daten, aus denen das Echosignal-Leistungsspektrum abgeleitet werden kann) umfassen, das von einem Referenzphantom unter Verwendung von Abtasteinstellungen erfasst wurde, die mit den ersten Abtasteinstellungen identisch oder diesen im Wesentlichen ähnlich sind. Erfassung und Speicherung der Oberwellenkalibrierungsdaten werden nachstehend ausführlich beschrieben.
Das erfasste Echosignal-Leistungsspektrum aus dem Volumen 140 wird normalisiert, indem das Echosignal-Leistungsspektrum durch das gespeicherte Echosignal-Leistungsspektrum dividiert wird. Das Ergebnis ist ein normalisiertes Spektrum, das nur von den Dämpfungs- und Rückstreueigenschaften des Gewebes der ROI und des Referenzphantoms abhängt. Da die Dämpfungs- und Rückstreueigenschaften des Referenzphantoms bekannt sind, können der AC und der BSC des Gewebes aus dem normalisierten Spektrum abgeleitet werden, wie im Folgenden näher beschrieben wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen werden auch Echosignal-Leistungsspektren eines Grundfrequenzbandes aus der ROI des Volumens 140 erfasst. Die Erfassung erfolgt unter Verwendung von zweiten Abtasteinstellungen, die sich von den oben genannten ersten Abtasteinstellungen verschieden sein können oder nicht. Grundkalibrierungsdaten, die den zweiten Abtasteinstellungen entsprechen, werden aus dem Speicher 114 abgerufen. Die Grundkalibrierungsdaten umfassen ein Echosignal-Leistungsspektrum eines Grundfrequenzbandes (oder, wiederum, HF- oder IQ-Daten, aus denen das Echosignal-Leistungsspektrum abgeleitet werden kann), das von einem Referenzphantom unter Verwendung von Abtasteinstellungen erfasst wurde, die mit den zweiten Abtasteinstellungen identisch oder diesen im Wesentlichen ähnlich sind.
Das Echosignal-Leistungsspektrum des Grundfrequenzbandes, das aus Volumen 140 erfasst wird, wird normalisiert, indem das Echosignal-Leistungsspektrum durch die Grundkalibrierungsdaten dividiert wird, wodurch ein weiteres normalisiertes Spektrum entsteht, das nur von den Dämpfungs- und Rückstreueigenschaften der Gewebe der ROI und des Referenzphantoms abhängt. Aus diesem normalisierten Spektrum lassen sich auch ein AC und ein BSC des Gewebes ableiten.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Nichtlinearität der ROI basierend auf dem BSC, der aus den Oberwellenfrequenzbanddaten abgeleitet ist, und dem BSC, der aus den Grundfrequenzbanddaten abgeleitet ist, bestimmt werden. Eine solche Bestimmung ermöglicht eine bessere Charakterisierung der ROI als herkömmliche Systeme, die davon ausgehen, dass die Nichtlinearitäten des Referenzphantoms und der ROI gleichwertig sind.
2 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses 200 zum Bestimmen quantitativer Ultraschallwerte gemäß einigen Ausführungsformen. Der Prozess 200 kann von Elementen des Systems 100 ausgeführt werden, jedoch sind Ausführungsformen nicht darauf beschränkt. Der Prozess 200 und alle anderen hierin erwähnten Prozesse können in einem prozessorausführbaren Programmcode ausgeführt sein, der von einem oder mehreren nichttransitorischen, computerlesbaren Medien, etwa einer Festplatte, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Direktzugriffsspeicher, einer DVD-ROM, einem Flash-Laufwerk und einem Magnetband, ausgelesen wird und dann in einem komprimierten, unkompilierten und/oder verschlüsselten Format gespeichert wird. In einigen Ausführungsformen kann eine hartverdrahtete Schaltung anstelle von oder in Kombination mit Programmcode verwendet werden, um Prozesse gemäß einigen Ausführungsformen zu implementieren. Somit sind Ausführungsformen nicht auf eine spezifische Kombination von Hardware und Software beschränkt.
Zunächst wird in S210 ein Referenzphantom abgetastet, um HF- oder IQ-Daten zu erfassen und daraus ein Echosignal-Leistungsspektrum eines Grundfrequenzbandes und eines Oberwellenfrequenzbandes zu bestimmen. Das Referenzphantom wird unter Verwendung bestimmter Abtasteinstellungen abgetastet. In einigen Ausführungsformen werden in S210 zusätzliche Echosignal-Leistungsspektren eines Grundfrequenzbandes und eines Oberwellenfrequenzbandes unter Verwendung anderer Abtasteinstellungen erfasst.
3 veranschaulicht ein System 300 zum Durchführen von S210 gemäß einigen Ausführungsformen. Das System 300 kann von einem Ultraschallsystemanbieter, einem Phantomanbieter oder einer anderen nichtklinischen Einrichtung betrieben werden. Die Verarbeitungseinheit 312 der Ultraschalleinheit 310 führt ein Abtastprogramm aus dem Speicher 314 aus, um den Wandler 320 so zu steuern, dass er Signale an das Phantom 340 sendet und Signale von diesem empfängt. Das Phantom 340 stellt eine voraussichtliche ROI dar (z. B. den Torso eines erwachsenen Mannes), und die Ultraschalleinheit 310 und der Wandler 320 können produktionsäquivalente Versionen von Ultraschalleinheiten und Wandlern sein, die voraussichtlich beim Abtasten der voraussichtlichen ROI verwendet werden. Der Speicher 314 speichert die erfassten Leistungsspektren.
Anschließend werden in S220 die erfassten Echosignal-Leistungsspektren eines Grundfrequenzbandes und eines Oberwellenfrequenzbandes in einem Ultraschallsystem gespeichert. In einigen Ausführungsformen umfassen die gespeicherten Daten Daten, aus denen die Echosignal-Leistungsspektren eines Grundfrequenzbandes und eines Oberwellenfrequenzbandes abgeleitet werden können. In einigen Beispielen werden die Spektren als die oben beschriebenen Grund- und Oberwellenkalibrierungsdaten eines Ultraschallsystems gespeichert, das an einen Kunden ausgeliefert werden soll. Gemäß einigen Ausführungsformen werden die Spektren in Verbindung mit den Abtasteinstellungen gespeichert, die zum Erfassen der jeweiligen Spektren verwendet wurden.
4 ist eine tabellarische Darstellung von Daten, die in S220 gespeichert werden, gemäß einigen Ausführungsformen. Tabelle 400 ordnet jedem erfassten Leistungsspektrum ein Referenzphantom und die Abtasteinstellungen, die zum Erfassen des Leistungsspektrums verwendet werden, zu. Wie gezeigt, kann in S210 mehr als eine Art von Referenzphantom abgetastet werden. Jedem Referenzphantom/Abtasteinstellung-Paar sind Grundfrequenzband-Leistungsspektrumsdaten und Oberwellenfrequenzband-Leistungsspektrumsdaten zugeordnet. Die Werte der Spektrumsdatenspalten können aus Dateinamen von Dateien bestehen, die die entsprechenden Spektrumsdaten enthalten.
In einigen Ausführungsformen werden S210 und S220 während eines Zeitraums durchgeführt, der weit vor der klinischen Verwendung (z. B. vor dem Versand eines Ultraschallsystems an eine Klinik) der darin erfassten Daten liegt. Dementsprechend zeigt der gestrichelte Pfeil zwischen S220 und S230 einen Zeitabschnitt an, der deutlich länger sein kann als die Zeit zwischen anderen benachbarten Schritten des Verfahrens 200.
In S230 wird, z. B. im klinischen Umfeld, das Ultraschallsystem, in dem die Spektren gespeichert sind, betrieben, um Echosignal-Leistungsspektren eines Grundfrequenzbandes und eines Oberwellenfrequenzbandes aus einer ROI zu erfassen. Die Erfassung verwendet zunächst Abtasteinstellungen, die zum Erzeugen von Kalibrierungsdaten eines entsprechenden Referenzphantoms in S210 verwendet wurden. In einigen Ausführungsformen sind die ersten Abtasteinstellungen als Standard-Abtasteinstellungen des Ultraschallsystems festgelegt.
Gemäß einigen Ausführungsformen von S230 sendet das Ultraschallsystem ein Signal mit einer Mittenfrequenz von 3 MHz und einer Frequenzbandbreite von 2-4 MHz. Dann wird das Grundsignal im Bereich von 2-4 MHz empfangen. Um Signale im Oberwellenfrequenzband zu erhalten, wird ein Signal mit einer Mittenfrequenz von 1,5 MHz und einer Bandbreite von 1-2 MHz übertragen. Das daraus resultierende empfangene Oberwellensignal kann ein Frequenzband von z.B. der doppelten Mittenfrequenz oder zwischen 2-4 MHz aufweisen. Gemäß den nachfolgenden Berechnungen sind die QUS-Werte mit Frequenzen zwischen 2-4 MHz verknüpft.
Als nächstes werden in S240 die gespeicherten Kalibrierungsdaten, die den ersten Abtasteinstellungen entsprechen, bestimmt. Die bestimmten Kalibrierungsdaten bestehen aus Echosignal-Leistungsspektren des Grundfrequenzbandes und des Oberwellenfrequenzbandes, die unter Verwendung der ersten Abtasteinstellungen und eines der ROI entsprechenden Referenzphantoms erfasst wurden. S240 kann beispielsweise umfassen, ein geeignetes Referenzphantom und Abtasteinstellungen in einer Zeile der Tabelle 400 zu identifizieren und die gespeicherten Grund- und Oberwellenkalibrierungsdaten, die in derselben Zeile der Tabelle 400 identifiziert sind, zu erfassen.
Ein erster AC und ein erster BSC werden in S250 bestimmt. Die Bestimmung basiert auf den in S230 erfassten Echosignal-Leistungsspektren des Grundfrequenzbandes und den in S240 bestimmten Kalibrier-Echosignal-Leistungsspektren des Grundfrequenzbandes. Ausführungsformen sind nicht auf die folgende Beschreibung der Bestimmung in S250 beschränkt.
Zunächst wird jede Hochfrequenz-Echolinie der ROI in mehrere einander überlappende Zeitgatterfenster unterteilt. Die Fourier-Transformation wird auf jedes Fenster angewendet, und die Leistungsspektren der Fenster, die der gleichen Tiefe entsprechen, werden gemittelt. Das gleiche Verfahren wird für die entsprechende ROI des Referenzphantoms durchgeführt. Bei der standardmäßigen Pulsecho-Bildgebung ist das gemessene Leistungsspektrum im Grundfrequenzband einer gefensterten Region in einem statistisch homogenen Gewebe durch Gleichung (1) gegeben: $S_{s} (f, z) = T (f) E_{t x} (f) E_{r x} (f) D (f, z) (f, z) B S C_{s} (f) e^{- 4 α_{s} (f) z}$
Das tiefgestellte s steht für die Probe (d. h. das Gewebe der ROI). Der Abstand von der Fläche des Wandlers zum Mittelpunkt eines bestimmten Zeitgatterfensters innerhalb der ROI wird mit z bezeichnet. Die Frequenz wird mit f bezeichnet. T(f) ist die Übertragungsfunktion des Sendeimpulses. E_tx(f) und E_rx(f) stehen für die elektroakustischen bzw. akustoelektrischen Übertragungsfunktionen des Wandlers. D(f, z) bezeichnet die Beugungseffekte, die mit der Wandlergeometrie und der Sende- und Empfangsfokussierung zusammenhängen. α_s(f) und BSC_s(f) sind die frequenzabhängigen AC- bzw. BSC-Werte der Probe.
In ähnlicher Weise ist das Leistungsspektrum des vom Referenzphantom zurückgestreuten Signals: $S_{r} (f, z) = T (f) E_{t x} (f) E_{r x} (f) D (f, z) B S C_{r} (f) e^{- 4 α_{r} (f) z}$
Werden die Leistungsspektren der Probe durch die Leistungsspektren des Referenzphantoms dividiert, so ergibt sich: $R S (f, z) = \frac{S_{s} (f)}{S_{r} (f)} = \frac{B S C_{s} (f) e^{- 4 α_{s} (f) z}}{B S C_{r} (f) e^{- 4 α_{r} (f) z}}$
Werden die bekannten Dämpfungs- und Rückstreueigenschaften des Referenzphantoms kompensiert, wird aus Gleichung (3): $R S' (f, z) = B S C_{s} (f) e^{- 4 α_{s} (f) z}$
Berechnen des natürlichen Logarithmus ergibt: $In (RS' (f, z)) = In ({BSC}_{s} (f)) - 4 α_{s} (f) z$
Der Dämpfungskoeffizient α_s(f) (np/cm) und der Rückstreuungskoeffizient BSCs (1/cm-str) können dann aus der Steigung (-4α_s(f)) und dem Schnittpunkt (In(BSCs(f))) der Geraden, die Gleichung (5) erfüllt, gegen die Tiefe z abgeleitet werden.
Ein zweiter AC und ein zweiter BSC werden in S260 bestimmt. Die Bestimmung in S260 basiert auf den in S230 erfassten Echosignal-Leistungsspektren des Oberwellenfrequenzbandes und den in S240 bestimmten Kalibrier-Echosignal-Leistungsspektren des Oberwellenfrequenzbandes. Ausführungsformen sind nicht auf die folgende Beschreibung der Bestimmung in S260 beschränkt.
Die Verwendung des Oberwellenfrequenzbandes zum Schätzen des AC und des BSC erfordert ein neues Modell, das die Nichtlinearität des Gewebes berücksichtigt. Der Druck der zweiten Oberwelle einer ebenen Welle von Po bei der Grundfrequenz f ist gegeben durch: $P_{h} (2 f) = K P_{0}^{2} (f) \frac{e^{- α_{h} (2 f) z} - e^{- 2 α_{f} (f) z}}{2 α_{f} (f) - α_{h} (2 f)}$
wobei α_f(f) und α_h(2f) Dämpfungskoeffizienten (np/cm) des Grund- bzw. des Oberwellensignals sind und K eine Konstante ist, die sich proportional zum Nichtlinearitätsparameter B/A verhält.
Der Verhältnisterm in Gleichung (6) kann ferner durch eine Taylorreihe der Exponentialfunktionen vereinfacht werden: $\begin{matrix} P_{h} (2 f) \approx K P_{0}^{2} (f) \frac{[1 - α_{h} (2 f) z + 0.5 {(α_{h} (2 f) z)}^{2}] - [1 - 2 α_{f} (f) z + 0.5 {(2 α_{f} (f) z)}^{2}]}{2 α_{f} (f) - α_{h} (2 f)} \\ = K P_{0}^{2} (f) \frac{z (2 α_{f} (f) - α_{h} (2 f)) - 0.5 z^{2} (2 α_{f} (f) - (α_{h} (2 f)) (2 α_{f} (f) + (α_{h} (2 f))}{2 α_{f} (f) - α_{h} (2 f)} \\ = K P_{0}^{2} (f) z [1 - 0.5 z (2 α_{f} (f) + (α_{h} (2 f))] \\ \approx z K P_{0}^{2} (f) e^{- α_{h} (2 f) z} \end{matrix}$
wobei im letzten Schritt die allgemeine Annahme (α_h(2f) = 2_αf(f) und die Taylorreihen-Approximation verwendet werden.
Im Falle einer fokussierten Übertragung mit einem klinischen Wandleranordnung wird Po(f) modelliert als: $P_{0} (f) = T (f) E_{tx} (f) D_{tx} (f)$
wobei T(f) die Übertragungsfunktion des Sendeimpulses, E_tx(f) die elektromechanische Übertragungsfunktion beim Senden und D_tx(f) das Beugungsmuster beim Senden ist. Bei Verwendung der Gleichungen (7) und (8): $P_{h} (2 f) = z K T^{2} (f) E_{t x}^{2} (f) D_{t x}^{2} (f) e^{- α_{h} (2 f) z}$
Das Leistungsspektrum des empfangenen Signals des zweiten Oberwellensignals ist gegeben durch: $S_{h} (2 f) = P_{h}^{2} (2 f) E_{r x}^{2} (2 f) D_{r x}^{2} (2 f) B S C (2 f) e^{- 2 α_{h} (2 f) z}$
wobei E_rx(f) die elektromechanische Übertragungsfunktion beim Empfang und D_rx(f) das Beugungsmuster beim Empfang ist, BSC(2f) der Rückstreuungskoeffizient (np/cm-str) bei der zweiten Oberwellenfrequenz ist und e^-2αh^(2ƒ)z die Dämpfung des zurückgesendeten Oberwellensignals berücksichtigt. Bei Kombination der Gleichungen (9) und (10): $S_{h} (2 f) = [z^{2} T^{4} (f) E_{t x}^{4} (f) D_{t x}^{4} (f) E_{r x}^{2} (2 f) D_{r x}^{2} (2 f)] K^{2} B S C (2 f) e^{- 4 α_{h} (2 f) z}$
Im THI-Modus (Tissue Harmonic Imaging, Oberwellenbildgebung des Gewebes) werden die Hochfrequenzsignale von zwei um 180° phasenverschobenen Impulsen summiert, um die Oberwellensignale zu erhalten.
Jede Hochfrequenz-Echolinie der ROI wird in mehrere einander überlappende Zeitgatterfenster unterteilt. Die Fourier-Transformation wird auf jedes Fenster angewendet, und die Leistungsspektren der Fenster, die der gleichen Tiefe entsprechen, werden gemittelt. Das gleiche Verfahren wird für die entsprechende ROI des Referenzphantoms durchgeführt.
Die Leistungsspektren der Probe und der Referenz in einer ROI sind durch Gleichung (11) gegeben. Es wird angenommen, dass der Term in Klammern für die Probe und die Referenz gleich ist. Durch Berechnen des Verhältnisses der Leistungsspektren von Probe und Referenz erhalten wir eine Gleichung ähnlich Gleichung (3): $R S (2 f, z) = \frac{S_{h, s} (2 f)}{S_{h, r} (2 f)} = \frac{K_{s}^{2} B S C_{s} (2 f) e^{- 4 α_{s} (2 f) z}}{K_{r}^{2} B S C_{r} (2 f) e^{- 4 α_{r} (2 f) z}}$
Werden die bekannte Dämpfung, Rückstreuung und Nichtlinearität des Referenzphantoms kompensiert, wird aus Gleichung (12): $R S' (2 f, z) = K_{s}^{2} (f) B S C_{s} (2 f) e^{- 4 α_{s} (2 f) z}$
Berechnen des natürlichen Logarithmus ergibt: $ln (R S'^{(2 f, z)}) = ln (K_{s}^{2}) + ln (B S C_{s} (2 f)) - 4 α_{s} (2 f) z$
Der Dämpfungskoeffizient α_s (dB/cm) bei der Frequenz 2f kann aus der Steigung der Geraden, die Gleichung (14) erfüllt, gegen die Tiefe z abgeleitet werden. Der Schnittpunkt der Geraden, die Gleichung (14) erfüllt, gegen die Tiefe z ergibt In(BSC_s(2f), das durch den Nichtlinearitätsterm In(K_s ²) verzerrt ist.
Es wird erneut Bezug genommen auf Prozess 200; in S270 wird basierend auf dem in S250 bestimmten ersten BSC und dem in S260 bestimmten zweiten BSC eine Nichtlinearität der ROI bestimmt. In Fortsetzung des obigen Beispiels kann der Nichtlinearitätsterm In(K_s ²) in Gleichung (14) geschätzt werden, indem In(BSC_s(2f)) unter Verwendung des Grundfrequenzbandes basierend auf Gleichung (5) gemessen wird, wobei die Grundfrequenz nun 2f beträgt, und das Ergebnis in Gleichung (14) eingesetzt wird.
In S280 wird ein Bild der ROI erzeugt und angezeigt. Das Bild kann basierend auf einem oder beiden der in S230 erfassten Spektren erzeugt werden wie in der Technik bekannt. Das Bild kann auch die Nichtlinearität und beliebige andere Werte anzeigen, die basierend auf den empfangenen Signalen bestimmt wurden.
5 zeigt ein Bild 500, das in S280 erzeugt und angezeigt wird, gemäß einigen Ausführungsformen. Wie gezeigt, werden die bestimmten Werte Scherwellengeschwindigkeit (Vs), Elastizität (E), AC, BSC, per Ultraschall abgeleiteter Fettanteil (Ultrasonically-Derived Fat Fraction, UDFF) und Nichtlinearität (K) gleichzeitig mit B-Modus-Ultraschall-Bilddaten angezeigt. Diese quantitativen Messungen können die Diagnosefähigkeit des medizinischen Ultraschalls verbessern, da die qualitative Interpretation von B-Modus-Bildern entfällt und systemabhängige Faktoren reduziert werden.
Die Schätzungen des AC basierend auf dem Grundband und dem Oberwellenband sollten gleichwertig sein. Dementsprechend kann das Bild 500 entweder eine Schätzung oder einen Mittelwert der beiden anzeigen. In einigen Ausführungsformen kann die Variabilität reduziert werden, indem ein gewichtetes Mittel der beiden AC-Schätzungen bestimmt und angezeigt wird.
Im Falle des BSC ist der in S260 basierend auf dem Oberwellenband bestimmte BSC-Wert durch den Nichtlinearitätsterm verzerrt. Daher kann der in S280 angezeigte BSC-Wert der in S250 basierend auf dem Grundband bestimmte BSC-Wert sein. Wenn der Nichtlinearitätsterm als vernachlässigbar angenommen wird, kann ein Mittelwert der beiden BSC-Werte angezeigt werden.
6 ist ein Blockdiagramm eines Ultraschall-Bildgebungssystems 600 gemäß einigen Ausführungsformen. Das System 600 kann einen oder mehrere der hier beschriebenen Prozesse implementieren. Bei dem System 600 handelt es sich um ein phasengesteuertes Ultraschall-Bildgebungssystem, jedoch sind Ausführungsformen nicht darauf beschränkt. Typische phasengesteuerte Systeme nutzen 64 bis 256 Empfangskanäle und eine vergleichbare Anzahl von Sendekanälen. Der Übersichtlichkeit halber ist in 6 ein einzelner Sende- und Empfangskanal dargestellt.
System 600 umfasst ein Wandlerelement 605 und den Sende/Empfangsumschalter (Transmit/Receive, T/R) 610. Das Wandlerelement 605 kann ein Element einer 1-, 1,25-, 1,5-, 1,75- oder 2-dimensionalen Anordnung von piezoelektrischen oder kapazitiven Membranelementen sein. Der Sende/Empfangsumschalter 610 wird betätigt, um entweder das Senden von Ultraschallenergie über das Element 605 zu ermöglichen (z.B. in Reaktion auf das Anlegen einer Spannung an das Element 605) oder um den Empfang einer von Element 605 in Reaktion auf die empfangene Ultraschallenergie (d.h. die Echos) erzeugten Spannung zu ermöglichen.
Der Sendestrahlformer 615 ist in Verbindung mit dem Digital-Analog-Wandler (DAC) 620 und dem Hochspannungs (HV)-Sender 625 betriebsfähig, um Wellenformen für mehrere Kanäle zu erzeugen, wobei jede Wellenform eine andere Amplitude, Verzögerung und/oder Phase aufweisen kann. Der Empfangsstrahlformer 630 empfängt Signale von mehreren Kanälen, von denen jeder einer Verstärkung 635, Filterung 640, Analog-Digital-Wandlung 645, Verzögerungen und/oder Phasendrehern und einem oder mehreren Summierern unterzogen werden kann. Der Empfangsstrahlformer 630 kann durch Hardware oder Software dafür ausgelegt sein, relative Verzögerungen, Phasen und/oder Apodisation anzuwenden, um in Reaktion auf jeden Sendestrahl einen oder mehrere Empfangsstrahlen zu bilden. Der Empfangsstrahlformer 630 kann sowohl eine dynamische Empfangsfokussierung, wie sie in der Technik bekannt ist, als auch einen Empfang mit festem Fokus ermöglichen.
Die vom Empfangsstrahlformer 630 gebildeten Empfangsstrahlen repräsentieren das Material, durch das die Sendestrahlen und die Empfangsstrahlen hindurchgegangen sind. Die Empfangsstrahlen werden zur Verarbeitung an den Prozessor 650 ausgegeben. So kann der Prozessor 650 beispielsweise basierend auf den Empfangsstrahlen Bilder erzeugen.
Prozessor 650 kann prozessorausführbaren Programmcode ausführen, der im Speicher 660 gespeichert ist, um die hier beschriebenen Prozesse durchzuführen und/oder andere Komponenten des Systems 600 zu steuern, dass sie diese durchführen. Der Prozessor 650 kann einen B-Modus-Detektor, einen Doppler-Detektor, einen Pulswellen-Doppler-Detektor, einen Korrelationsprozessor, einen Fourier-Transformationsprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, einen Universalprozessor, einen Steuerprozessor, einen Bildprozessor, eine feldprogrammierbare Gatteranordnung, einen Digitalsignalprozessor, eine analoge Schaltung, eine digitale Schaltung, Kombinationen davon oder eine andere jetzt bekannte oder später entwickelte Vorrichtung zum Erzeugen von Daten (z.B. Bilddaten) aus strahlgeformten Ultraschallabtastungen umfassen.
Der Speicher 660 kann ein nichttransitorisches, computerlesbares Speichermedium wie etwa einen Direktzugriffsspeicher und/oder einen nichtflüchtigen Speicher (z. B. Flash-Speicher, Festplattenspeicher) umfassen. Der Speicher 660 kann Programmcode, Kalibrierungsdaten, B-Modus-Bilder und/oder andere geeignete Daten speichern. Die Anzeige 655 kann eine Kathodenstrahlröhrenanzeige, eine Flüssigkristallanzeige, eine Leuchtdiodenanzeige, eine Plasmaanzeige oder eine andere Art von Anzeige zum Darstellen von Bildern und/oder Messwerten umfassen.
Fachleute auf diesem Gebiet der Technik werden verstehen, dass verschiedene Anpassungen und Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet werden können, ohne vom Schutzbereich und Geist der Ansprüche abzuweichen. Es versteht sich daher von selbst, dass die Ansprüche auch in anderer Weise als hierin ausdrücklich beschrieben ausgeführt werden können.

Claims

Ultraschallsystem, umfassend: einen Speicher, der ein Echosignal-Leistungsspektrum eines Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und ein Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband speichert; und eine Verarbeitungseinheit zum: Steuern des Ultraschallsystems zum Erfassen eines Echosignal-Leistungsspektrums einer Geweberegion für das Grundfrequenzband und eines Echosignal-Leistungsspektrums der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband; Bestimmen eines ersten Rückstreuungskoeffizienten basierend auf dem Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Grundfrequenzband und dem Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband; Bestimmen eines zweiten Rückstreuungskoeffizienten basierend auf dem Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband und dem Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband; und Bestimmen einer Nichtlinearität der Geweberegion basierend auf dem ersten Rückstreuungskoeffizienten und dem zweiten Rückstreuungskoeffizienten.
Ultraschallsystem gemäß Anspruch 1, wobei das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Grundfrequenzband unter Verwendung von im Wesentlichen ähnlichen Abtasteinstellungen erfasst wurden.
Ultraschallsystem gemäß Anspruch 2, wobei das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband unter Verwendung von im Wesentlichen ähnlichen Abtasteinstellungen erfasst wurden.
System gemäß Anspruch 1, wobei der Speicher ein Echosignal-Leistungsspektrum eines zweiten Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und ein Echosignal-Leistungsspektrum eines zweiten Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband speichert, und wobei die Verarbeitungseinheit ferner vorgesehen ist zu bestimmen, das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband zur Bestimmung des ersten Rückstreuungskoeffizienten und das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband zur Bestimmung des zweiten Rückstreuungskoeffizienten zu verwenden, basierend auf einer Korrelation zwischen der Geweberegion und dem Referenzphantom.
System gemäß Anspruch 4, wobei das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband unter Verwendung erster Abtasteinstellungen erfasst werden, wobei der Speicher ein zweites Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und ein zweites Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband speichert, wobei die zweiten Echosignal-Leistungsspektren unter Verwendung zweiter Abtasteinstellungen erfasst werden, wobei das Echosignal-Leistungsspektrum einer Geweberegion für das Grundfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband unter Verwendung dritter Abtasteinstellungen erfasst werden, und wobei die Verarbeitungseinheit vorgesehen ist zu bestimmen, das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband für die Bestimmung des ersten Rückstreuungskoeffizienten und die Bestimmung des zweiten Rückstreuungskoeffizienten zu verwenden, basierend auf einer Korrelation zwischen den ersten Abtasteinstellungen und den dritten Abtasteinstellungen.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinheit ferner vorgesehen ist zum: Bestimmen eines Dämpfungskoeffizienten der Geweberegion basierend auf dem Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband, dem Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband und einem Dämpfungskoeffizienten des Referenzphantoms.
System gemäß Anspruch 6, ferner umfassend: eine Anzeige zum gleichzeitigen Anzeigen des zweiten Rückstreuungskoeffizienten, des Dämpfungskoeffizienten der Geweberegion, der Nichtlinearität und eines B-Modus-Bildes der Geweberegion.
Verfahren, umfassend: Speichern, in einem Ultraschallsystem, eines Echosignal-Leistungsspektrums eines Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und eines Echosignal-Leistungsspektrums des Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband; Steuern des Ultraschallsystems zum Erfassen eines Echosignal-Leistungsspektrums einer Geweberegion für das Grundfrequenzband und eines Echosignal-Leistungsspektrums der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband; Bestimmen eines ersten Rückstreuungskoeffizienten basierend auf dem Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Grundfrequenzband und dem Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband; Bestimmen eines zweiten Rückstreuungskoeffizienten basierend auf dem Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband und dem Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband; und Bestimmen einer Nichtlinearität der Geweberegion basierend auf dem ersten Rückstreuungskoeffizienten und dem zweiten Rückstreuungskoeffizienten.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Grundfrequenzband unter Verwendung von im Wesentlichen ähnlichen Abtasteinstellungen erfasst werden.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband unter Verwendung von im Wesentlichen ähnlichen Abtasteinstellungen erfasst wurden.
Verfahren gemäß Anspruch 8, ferner umfassend: Speichern eines Echosignal-Leistungsspektrums eines zweiten Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und eines Echosignal-Leistungsspektrums eines zweiten Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband, und Bestimmen, das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband zur Bestimmung des ersten Rückstreuungskoeffizienten und das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband zur Bestimmung des zweiten Rückstreuungskoeffizienten zu verwenden, basierend auf einer Korrelation zwischen der Geweberegion und dem Referenzphantom.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband unter Verwendung erster Abtasteinstellungen erfasst wurden, ferner umfassend: Speichern, im Ultraschallsystem, eines zweiten Echosignal-Leistungsspektrums des Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und eines zweiten Echosignal-Leistungsspektrums des Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband, wobei die zweiten Echosignal-Leistungsspektren unter Verwendung zweiter Abtasteinstellungen erfasst werden, wobei das Echosignal-Leistungsspektrum einer Geweberegion für das Grundfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband unter Verwendung dritter Abtasteinstellungen erfasst werden, und ferner umfassend das Bestimmen, das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband zur Bestimmung des ersten Rückstreuungskoeffizienten und das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband zur Bestimmung des zweiten Rückstreuungskoeffizienten zu verwenden, basierend auf einer Korrelation zwischen den ersten Abtasteinstellungen und den dritten Abtasteinstellungen.
Verfahren gemäß Anspruch 8, ferner umfassend: Bestimmen eines Dämpfungskoeffizienten der Geweberegion basierend auf dem Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband, dem Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband und einem Dämpfungskoeffizienten des Referenzphantoms.
Verfahren gemäß Anspruch 13, ferner umfassend: gleichzeitiges Anzeigen des zweiten Rückstreuungskoeffizienten, des Dämpfungskoeffizienten der Geweberegion, der Nichtlinearität und eines B-Modus-Bildes der Geweberegion.
Ultraschall-Bildgebungssystem zum: Speichern eines Echosignal-Leistungsspektrums eines Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und eines Echosignal-Leistungsspektrums des Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband; Erfassen eines Echosignal-Leistungsspektrums einer Geweberegion für das Grundfrequenzband und eines Echosignal-Leistungsspektrums der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband; Bestimmen eines ersten Rückstreuungskoeffizienten basierend auf dem Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Grundfrequenzband und dem Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband; Bestimmen eines zweiten Rückstreuungskoeffizienten basierend auf dem Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband und dem Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband; und Bestimmen einer Nichtlinearität der Geweberegion basierend auf dem ersten Rückstreuungskoeffizienten und dem zweiten Rückstreuungskoeffizienten.
System gemäß Anspruch 15, wobei das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Grundfrequenzband unter Verwendung von im Wesentlichen ähnlichen Abtasteinstellungen erfasst werden.
System gemäß Anspruch 15, ferner zum: Speichern eines Echosignal-Leistungsspektrums eines zweiten Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und eines Echosignal-Leistungsspektrums eines zweiten Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband, und Bestimmen, das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband zur Bestimmung des ersten Rückstreuungskoeffizienten und das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband zur Bestimmung des zweiten Rückstreuungskoeffizienten zu verwenden, basierend auf einer Korrelation zwischen der Geweberegion und dem Referenzphantom.
System gemäß Anspruch 17, wobei das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband unter Verwendung erster Abtasteinstellungen erfasst wurden, wobei das System vorgesehen ist zum: Speichern eines zweiten Echosignal-Leistungsspektrums des Referenzphantoms für ein Grundfrequenzband und eines zweiten Echosignal-Leistungsspektrums des Referenzphantoms für ein Oberwellenfrequenzband, wobei die zweiten Echosignal-Leistungsspektren unter Verwendung zweiter Abtasteinstellungen erfasst werden, wobei das Echosignal-Leistungsspektrum einer Geweberegion für das Grundfrequenzband und das Echosignal-Leistungsspektrum der Geweberegion für das Oberwellenfrequenzband unter Verwendung dritter Abtasteinstellungen erfasst werden, und wobei das System vorgesehen ist zu bestimmen, das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Grundfrequenzband zur Bestimmung des ersten Rückstreuungskoeffizienten und das Echosignal-Leistungsspektrum des Referenzphantoms für das Oberwellenfrequenzband zur Bestimmung des zweiten Rückstreuungskoeffizienten zu verwenden, basierend auf einer Korrelation zwischen den ersten Abtasteinstellungen und den dritten Abtasteinstellungen.