DE19531419B4

DE19531419B4 - Verfahren zur Erzeugung anatomischer M-Modus-Anzeigebilder

Info

Publication number: DE19531419B4
Application number: DE19531419A
Authority: DE
Inventors: James Ashman; Eivind Holm; Bjoern Olstad
Original assignee: Vingmed Sound AS
Current assignee: Vingmed Sound AS
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1995-08-26
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2015-08-27
Also published as: ITMI951824A1; IT1277511B1; ITMI951824A0; DE19531419A1; NO943214D0; USRE37088E1; US5515856A; FR2723835B1; FR2723835A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung anatomischer M-Modus-Anzeigebilder bei der Ultraschalluntersuchung lebender biologischer Strukturen während deren Bewegung, beispielsweise einer Herzfunktion, unter Verwendung eines Ultraschallmeßwandlers (11, 21), mit den Schritten:
– Erfassen von Serien zeitlich aufeinanderfolgender zwei- oder dreidimensionaler Ultraschallbilder (22, 32),
– Anordnen dieser zeitlichen Aufeinanderfolge derart, dass Datensätze gebildet werden, wobei mindestens eine mit den Datensätzen zusammen registrierte freiwählbare M-Modus-Linie (23, 33A, 33B) vorgesehen wird, die nicht mit einer Ultraschallstrahlrichtung des Messwandlers zusammenfallen muss und die in Reaktion auf die Bewegung der biologischen Struktur nachgeführt wird,
– Unterziehen der Datensätze der Computerverarbeitung auf der Basis der mindestens einen freiwählbaren M-Modus-Linie, wobei entlang der mindestens einen freiwählbaren M-Modus-Linie eine Interpolation durchgeführt wird, und
– Anzeigen des sich ergebenden berechneten anatomischen M-Modus-Anzeigebildes (24, 34A, 34B) auf einer Anzeigeeinheit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung anatomischer M-Modus-Anzeigebilder bei der Ultraschalluntersuchung lebender biologischer Strukturen während deren Bewegung, beispielsweise einer Herzfunktion, unter Verwendung eines Ultraschallmeßwandlers.
Die Erfindung beschreibt eine Technik zum Erzielen anatomisch aussagekräftiger M-Modus-Anzeigebilder durch Gewinnung von Daten aus der zwei- und dreidimensionalen Ultraschallbilderzeugung. Der herkömmliche M-Modus wird entlang eines akustischen Strahls eines verwendeten Ultraschallmeßwandlers erfaßt, wobei die zeitlich variierenden Daten in einer Anzeigeeinheit angezeigt werden, wobei die Zeit entlang der x-Achse und die Tiefe entlang der y-Achse aufgetragen wird. Die Lokalisierung der M-Modus-Linie beim herkömmlichen M-Modus ist auf den Satz von Strahlrichtungen beschränkt, die von dem Wandler erzeugt (abgetastet) werden können.
In der Kardiologie ist die Anwendung des M-Modus-Verfahrens weitgehend standardisiert, indem dafür bestimmte Schnitte durch das Herz an Standardpositionen und unter Standardwinkeln erforderlich sind. Zur Durchführung einer gut verwertbaren M-Modus-Messung sind folgende Kriterien von Bedeutung:
1. Bildqualität.
Die Grenzen und Berührungsflächen zwischen unterschiedlichen Strukturen des Herzens müssen deutlich sichtbar sein. Einer der wichtigsten Faktoren zum Erreichen dieses Ziels besteht darin, den Ultraschallmeßwandler an dem betreffenden Körper an einer Stelle zu positionieren, an der die akustischen Eigenschaften optimal sind. Diese Stellen werden häufig als "akustische Fenster" bezeichnet. Bei älteren Patienten sind diese Fenster selten und schwer zu finden.
2. Ausrichtung.
Die standardisierten M-Modus-Messungen erfordern das Vornehmen der Aufzeichnung unter bestimmten Winkeln, üblicherweise von 90° relativ zu der untersuchten Herzstruktur.
3. Bewegung.
Da sich das Herz im Brustinneren während der Kontraktion und Entspannung bewegt, kann eine an einem Punkt im Herzzyklus korrekte M-Modus-Linienposition an einem anderen Punkt im Herzzyklus falsch sein. Es ist sehr schwierig, dies manuell zu kompensieren, da die Sonde synchron mit den Herzschlägen bewegt werden muß. Daher lösen die meisten Sonographen das Problem mit einer feststehenden, einen Kompromiß darstellenden Richtung der M-Modus-Linie, d. h. des Meßwandlerstrahls.
4. Wandverdickungsanalyse.
Bei Koronarerkrankungen ist ein zu überwachender wichtiger Parameter die Verdickung des linken Ventrikelmuskels an verschiedenen Positionen.
In vielen Fällen kann die korrekte Ausrichtung an einem geeigneten akustischen Fenster zum Problem werden. Häufig ergibt sich bei den geeigneten akustischen Fenstern eine schlechte Ausrichtung und umgekehrt. Daher verwendet der Sonograph-Benutzer viel Zeit und Mühe auf den Versuch der Optimierung des Bildes mit Bezug auf die beiden Kriterien (Ausrichtung, Bildqualität).
Wie bereits oben erwähnt, sind Techniken zur M-Modus-Bilderzeugung, die auf Abbilden eines einzelnen akustischen Strahls als eine Funktion der Zeit basieren, vorbekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung anatomischer M-Modus-Anzeigebilder auf der Basis einer zeitlichen Aufeinanderfolge von zwei- oder dreidimensionalen Ultraschallbildern anzugeben, das die zuvor genannten Probleme löst.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mindestens eine virtuelle M-Modus-Linie ist derart wählbar, dass sie nicht mit einer Ultraschallstrahlrichtung des Meßwandlers zusammenfällt.
Die Position und/oder Ausrichtung der mindestens einen virtuellen M-Modus-Linie in Reaktion auf die rhythmische Bewegung der biologischen Struktur kann, insbesondere während des Herzzyklus, bewegbar sein (4).
Die digitale Hochleistungs-Eingangssteuerung für synchronisierte Feld-Wandlersonden eröffnet die Möglichkeit der Erfassung zweidimensionaler Bilder mit sehr hohen Bildfrequenzen {< 10 ms pro zweidimensionales Bild). Diese zweidimensionalen Daten werden in einem Computer-RAM gespeichert, dessen Speicherkapazität zum Speichern von zweidimensionalen Aufzeichnungen, die einem oder mehreren vollständigen Herzzyklen entsprechen, ausreicht. Auf der Basis dieser Aufzeichnungen können M-Modus-Anzeigebilder mit angemessener zeitlicher Auflösung erzeugt werden. Erfindungsgemäß gestattet dies völlige Flexibilität bei der Positionierung der M-Modus-Linien. Die Erfindung beschreibt, wie diese Flexibilität zur Verbesserung des anatomischen Informationsgehalts in den gewonnenen M-Modus-Anzeigebildern genutzt werden kann.
Die Erfindung ist ferner auf die Gewinnung von M-Modus-Anzeigebildern aus zeitlich aufeinanderfolgenden Serien von 3D-Bildern anwendbar. Auf dreidimensionaler Ebene ist es möglich, die tatsächliche dreidimensionale Bewegung der Herzkammer zu kompensieren. Bei zweidimensionalen Aufzeichnungen ist die Bedienungsperson darauf beschränkt, die Bewegungen, die in der abgebildeten Ebene gemessen werden können, zu kompensieren. Ferner beschreibt die Erfindung, wie aus den dreidimensionalen Aufzeichnungen gewonnene lokale dreidimensionale Informationen für die Farbkodierung der Herzkammerwand verwendet werden können, wodurch Informationen über eine Wandverdickung erhältlich sind.
Die anatomischen M-Modus-Anzeigebilder können während des Abtastens eines zweidimensionalen Bildes in Echtzeit oder während volumetrischer Abtastung in Echtzeit erzeugt werden. Die Erfindung beschreibt dann, wie mehrere M-Modus-Anzeigebilder gemeinsam mit dem zwei- oder dreidimensionalen Live-Bild erhalten werden können. Diese M-Modus-Anzeigebilder können auch frei positioniert werden, wobei es sogar zulässig ist, der Position und Richtung der Herzkammerwand während des Herzzyklus zu folgen.
Der anatomische M-Modus kann auch als Mittel zur nachträglichen Verarbeitung verwendet werden, wobei der Benutzer die zwei-/dreidimensionale Bildsequenz mit sehr hohen Bildfrequenzen erfaßt, ohne irgendwelche M-Modus-Aufzeichnungen durchzuführen. Solange die zweidimensionalen Daten einen geeigneten Schnitt durch das Herz oder eine Ansicht von diesem enthalten, kann der Benutzer den anatomischen M-Modus zur späteren Durchführung der M-Modus-Analyse verwenden.
Im Grunde ist die Computerverarbeitung von Datensätzen, wozu Operationen oder Schritte gehören, auf die man auch bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung angewiesen ist, vorbekannt, wie beispielsweise in [1] J. D. Foley, A van Dam, S. K. Seiner, J. F. Hughes "Computer Graphics: Principles and Practice", Addison Wesley USA 1990, beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt u. a. Linienzeichnungen für Algorithmen. Daher werden in der folgenden Beschreibung derartige Computerverarbeitungsabläufe, Operationen und Schritte nicht im einzelnen erläu tert. Andere Veröffentlichungen, die sich spezieller auf Techniken von besonderem Interesse für die Erfindung beziehen, sind:

[2] B. Olstad, "Maximizing image variance in rendering of volumetric data sets," Journal of Electronic Imaging, 1:245–265, Juli 1992.
[3] E. Steen und B. Olstad, "Volume rendering in medical ultrasound imaging". Proceedings of 8th Scandinavian Conference an Image Analysis. Tromsø, Norwegen Mai 1993.
[4] G. Borgefors, "Distance transformations in digital images", Computer Vision, graphics and image processing 34, 1986, S. 344–371.
[5] Peter Seitz, "Optical Superresolution Using Solid State Cameras and Digital Signal Processing", Optical Engineering 27(7) Juli 1988.

Vor dem Hintergrund der bekannten Techniken geht die vorliegende Erfindung von bekannten Verfahren zur Berechnung des herkömmlichen M-Modus und etablierten klinischen Arbeitsweisen zur Verwertung der M-Modus-Bilderzeugung aus. Die Erfindung beschreibt neue Techniken zur Berechnung anatomischer M-Modus-Anzeigebilder auf der Basis von zeitlich aufeinanderfolgenden Serien von zwei- oder dreidimensionalen Ultraschallbildern. Der anatomische M-Modus ist als virtuelle M-Modus-Messung entlang einer beliebigen oder virtuellen geneigten M-Modus-Linie abgeleitet.
Die mittels dieser Erfindung erzielten Vorteile können wie folgt zusammengefaßt werden:

1. Es können mehrere M-Modus-Anzeigebilder mit willkürlicher Positionierung auf der Basis eines zwei- oder dreidimensionalen Erfassungsergebnisses berechnet werden.
2. Die Position der M-Modus-Linie ist nicht auf die Abtastgeometrie beschränkt und kann frei gewählt werden.
3. Allgemeine Bewegungen des Herzens können durch Bewegung der M-Modus-Linie entsprechend der Herzbewegung während des Herzzyklus ausgeglichen werden.
4. Dadurch, daß die M-Modus-Linie während des gesamten Herzzyklus senkrecht zu der Herzkammerwand gehalten werden kann, ist die Wandverdickungsanalyse verbessert.
5. Referenzpunkte im Meßfeld können an einer gegebenen y-Koordinate in der M-Modus-Anzeige festgelegt werden, und daher wird die visuelle Auswertbarkeit der Relationsphänomene zwischen Bewegung und Verdickung verbessert.
6. Dreidimensionale Aufnahmen können durch Abbilden von aus den lokalen M-Modus-Linien gewonnenen Eigenschaften durch eine Farbkodierung der Herzkammerwand sichtbar gemacht werden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch die Berechnung der M-Modus-Anzeigebilder nach dem Stand der Technik,
2 schematisch das erfindungsgemäße Konzept einer geneigten anatomischen oder virtuellen M-Modus-Linie zur Berechnung entsprechender M-Modus-Anzeigebilder,
3 eine Einstellung mit mehreren M-Modus-Linien gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
4 die Art der Verwendung der Bewegung der Position der M-Modus-Linie in Abhängigkeit von der Position in dem Herzzyklus zur Durchführung einer Bewegungskorrektur,
5 einen anatomischen M-Modus, wobei kein Referenzpunkt bestimmt ist,
6 eine anatomische M-Modus-Linie, wobei ein Referenzpunkt bestimmt und an einer gegebenen Vertikalposition in der Anzeige des anatomischen M-Modus festgelegt worden ist,
7 die Wandverdickungsanalyse in einer Einstellung mit drei simultanen anatomischen M-Modus-Anzeigebildern,
8 die Art der Berechnung der anatomischen M-Modus-Anzeigebilder für den Fall, dass die Position der M-Modus-Linie während des Herzzyklus festgelegt wird,
9 schematisch die Berechnung einer die Wandverdickung repräsentierenden Farbkodierung der Herzkammerwand bei einer vierdimensionalen Ultraschallbilderzeugung.
1 zeigt die herkömmliche M-Modus-Bilderzeugung. Ein Ultraschalmeßwandler 11 ist mit Bezug auf ein Ultraschallbild 12 schematisch dargestellt, das durch winkliges Abtasten des akustischen Strahls des Meßwandlers erhalten wird. Bei diesem herkömmlichen Verfahren wird die M-Modus-Linie oder der entsprechende akustische Strahl 13 an einer gegebenen Position festgelegt und das Ultraschallsignal entlang des Strahls in Abhängigkeit von der Zeit in einem M-Modus-Anzeigebild 14 abgebildet. Mit diesem Stand der Technik kann eine extreme zeitliche Auflösung erreicht werden, da eine neue zeitlich aufeinanderfolgende Abtastung erzeugt werden kann, sobald die Daten für einen Strahl erfasst worden sind. Andererseits schränkt dieser Stand der Technik für die M-Modus-Bilderzeugung die Positionierung der M-Modus-Linie 13 entsprechend den akustischen Fenstern und der Abtastgeometrie ein.
Geneigte M-Modus-Linien
Die Erfindung betrifft die Art der Erzeugung von M-Modus-Bildern durch Gewinnung interpolierter Anzeigebilder aus zeitlich aufeinanderfolgenden Serien zwei- oder dreidimensionaler Bilder. Das Konzept eines "geneigten" M-Modus-Anzeigebildes 24 ist in 2 dargestellt. Die "frei wählbare" ("virtuelle") M-Modus-Linie 23 ist in diesem Fall frei bewegbar und unterliegt nicht der Einschränkung, mit einem akustischen Strahl {Meßwandler 21}, der seinen Ursprung an der Spitze des zweidimensionalen Bildes bzw. der zweidimensionalen Bilder 22 hat, zusammenzufallen.
Mehrere M-Modus-Linien
3 zeigt ein Beispiel, bei dem zwei geneigte M-Modus-Anzeigebilder 34A, 34B aus einer einzelnen zweidimensionalen Sequenz bzw. einem solchen Bild 32 berechnet worden sind, wobei die entsprechenden virtuellen geneigten M-Modus-Linien mit 33A bzw. 33B bezeichnet sind. Bei auf zwei- oder dreidimensionalen Bildern basierender Erzeugung der M-Modus-Anzeigebilder kann jede Sektoranzahl von M-Modus-Anzeigebildern erzeugt werden, wodurch die Analyse verschiedener Dimensionen während desselben Herzschlags ermöglicht wird. So sind die erhaltenen zeitlich aufeinanderfolgenden Serien – in 2 mit 1, 2, 3, 4 bezeichnet -vorgesehen, um Datensätze zu bilden, wobei mindestens eine virtuelle M-Modus-Linie 23 oder 33A, 33B in 3 vorgesehen ist, die mit den Datensätzen zusammen registriert wird, und diese werden dann der Computerverarbeitung unterzogen, wobei entlang der betreffenden virtuellen M-Modus-Linie eine Interpolation erfolgt. Die Bedeutung der Interpolation wird nachfolgend erläutert.
Bewegungskorrektur
Da sich das Herz während der Kontraktion und Entspannung im Brustinneren bewegt, kann eine an einem Punkt in dem Herzzyklus korrekte M-Modus-Linienposition an einem anderen Punkt im selben Herzzyklus falsch sein. Dies manuell zu kompensieren, ist sehr schwierig, da die Sonde synchron mit den Herzschlägen bewegt werden muß.
Die erfindungsgemäßen anatomischen M-Modi können diese Bewegung ausgleichen. 4 veranschaulicht dieses Konzept. Der Benutzer bestimmt die Position der M-Modus-Linie 43A bzw. 43B an unterschiedlichen Punkten innerhalb des Herzzyklus, indem er beispielsweise eine zweidimensionale Filmrolle (cineloop) verschiebt und eine neue M-Modus-Linienposition festlegt. Durch geeignete Computeroperationen oder dem Fachmann zur Verfügung stehende Software werden gemäß den oben genannten Veröffentlichungen die M-Modus-Linienpositionen zwischen den "festgelegten" M-Modus-Linien 43A und 43B interpoliert und es wird ein M-Modus-Anzeigebild 44 erzeugt, wobei jede vertikale Linie in dem M-Modus-Anzeigebild entlang der lokalen Definition der M-Modus-Linie gewonnen wird.
Offensichtlich kann auf diese Weise die Position und/oder Ausrichtung der virtuellen M-Modus-Linie in Reaktion auf andere rhythmische Bewegungen in der betreffenden biologischen Struktur oder dem Körper außer den in der Beschreibung von 4 erwähnten Herzschlägen bewegbar sein.
Bewegungsreferenzpunkte
Bei der Untersuchung der zeitlich veränderlichen Abmessungen eines Organs in einem lebenden Körper besteht häufig der Wunsch nach einer Untersuchung der unterschiedlichen Strukturabmessungen relativ zueinander, ohne dabei die Verschiebung des gesamten Organs innerhalb des Körpers zu berücksichtigen. Dies ist insbesondere bei der Beobachtung der Herzkammerkontraktionen und -entspannungen von Interesse, bei denen die Verdickung des Muskelgewebes der zu beachtende wichtige Parameter ist.
Um die relativen Veränderungen deutlicher zu machen, kann der Benutzer gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Referenzpunkt auf den in dem vorhergehenden Abschnitt über Bewegungskorrektur "festgelegten" M-Modus-Linien definieren. Üblicherweise wird dieser Punkt einer leicht zu bestimmenden klinischen Struktur entsprechen. Die 5 und 6 zeigen die M-Modus-Erzeugung ohne und mit Festlegung eines gegebenen Referenzpunktes 66 in dem abgebildeten Meßfeld 62. Auf diese Weise wird auf der Basis des Referenzpunktes 66, der den in 6 gezeigten interpolierten M-Modus-Linienpositionen 63A bis 63B zugehörig ist, ein M-Modus-Anzeigebild 64 erzeugt, wobei dieser Punkt 66 als eine gerade Linie 67 (bewegungslos) erscheint, d. h. an einer gewählten vertikalen Koordinate in dem Anzeigebild. Alternativ kann eine gegebene y-Koordinate in dem M-Modus-Anzeigebild verfolgt und das M-Modus-Anzeigebild erneut hergestellt werden, indem die Position der M-Modus-Linien in den verschiede nen zeitlichen Lagen (Zeitpunkten) derart verschoben wird, daß die verfolgte Bildstruktur in dem endgültigen M-Modus-Anzeigebild als horizontale Struktur erscheint.
Wandverdickungsanalyse
Bei koronaren Erkrankungen ist ein wichtiger, zu beachtender Parameter die Verdickung des linken Ventrikelmuskels an verschiedenen Positionen. Durch Kombination der in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenen Techniken stellt diese Erfindung ein für die Analyse der Wandverdickung der linken Herzkammer, wie in 7 gezeigt, besonders zweckmäßiges Mittel zur Verfügung.
Jedes M-Modus-Anzeigebild 74A, 74B und 74C gibt die regionale Wandverdickung und -kontraktion eines Teils der Herzkammer 70 wieder, wobei durch jedes Teil eine entsprechende virtuelle M-Modus-Linie 73A, 73B bzw. 73C verläuft. 7 zeigt eine Kurzachsen-Ansicht der linken Herzkammer 70 und drei anatomische M-Modus-Anzeigebilder 74A, 74B, 74C, die mittels den in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenen Techniken erzeugt worden sind.
Implementierung
Die Sequenz der zweidimensionalen/dreidimensionalen Einzelbilder ist in der Abtasteinrichtung/dem Computer gespeichert und wird als drei- oder vierdimensionales Feld oder Datensatz bzw. Datensätze von Ultraschallabtastwerten verwendet. Dieses Feld kann, abhängig von der verwendeten Meßwandlersondengeometrie und davon, ob die Bilder vor dem Speichern durch Abtasten in ein Rechteckformat umgewandelt worden sind, unterschiedliche geometrische Eigenschaften aufweisen. Zur Veranschaulichung wird bei der in 8 dargestellten Einstellung ein Beispiel verwendet, bei dem die zweidimensionalen Sektordaten zuvor (üblicherweise unter Verwendung eines Hardware-Abtastwandlers einer Ultraschallabtastvorrichtung) durch Abtastung umgewandelt worden und in einem Rechteck-Datensatzformat als ein dreidimensionales Feld von Abtastwerten mit den Dimensionen [x, y, t] auf einer Diskette oder in einem Speicher gespeichert sind.
Die Erzeugung eines M-Modus-Anzeigebildes 84 kann dann als Schneiden einer Ebene 88 durch den dreidimensionalen Datensatz 82, Interpolieren und Neuabtasten der Daten, damit sie in das gewünschte Anzeigebildrechteck 84 passen, angesehen werden. Mittels der oben beschriebenen Bewegungskorrekturtechniken wird die Schnittebene 88 in eine gebogene Fläche abgeändert, die an den Schnittpunkten mit den [x, y]-Ebenen linear ist. Es ist von grundlegender Bedeutung, daß sowohl in der räumlichen als auch in der zeitlichen Dimension angemessene Interpolationstechniken angewandt werden. Bis zu einem gewissen Grad kann diese Interpolation die im Vergleich zu dem herkömmlichen M-Modus entlang der von dem Meßwandler gemäß 1 erzeugten akustischen Strahlen schlechtere Auflösung ausgleichen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht ein zusätzlicher und vorteilhafter Schritt darin, das Ergebnis der obigen Computerverarbeitung einschließlich Interpolation einer an sich bekannten Bildverarbeitung zur Randverbesserung (edge enhancement) zu unterziehen, um das resultierende berechnete anatomische M-Modus-Anzeigebild zu erzeugen.
Dreidimensionale Ultraschallbilderzeugung
Alle hier beschriebenen Techniken lassen sich sowohl auf eine Sequenz von zweidimensionalen Ultraschallbildern als auch auf eine Sequenz von dreidimensionalen Ultraschallbildern anwenden. Bei dreidimensionalen Aufzeichnungen ist die beschriebene Möglichkeit der Bewegungskorrektur weiter verbessert, da die tatsächliche dreidimensionale Herzbewegung abgeschätzt werden kann.
Außer zur eigentlichen Erzeugung von M-Modus-Anzeigebildern können die erfindungsgemäßen Techniken ferner zum Gewinnen von M-Modi für alle Punkte über der Endokardialfläche in der linken Herzkammer verwendet werden. Diese Einstellung ist mit einem Beispiel in 9 veranschaulicht. Es sei angenommen, daß ein vierdimensionaler Ultraschalldatensatz 92 aus m Kurzachsen-Ebenen und n dreidimensionalen Raumelementen (Kuben) besteht, die während des Herzzyklus aufgezeichnet werden. Der Einfachheit halber sind in der Figur lediglich drei virtuelle M-Modus-Linien 93A, 93B, 93C mit den zugehörigen M-Modus-Anzeigebildern 94A, 94B bzw. 94C eingezeichnet, doch sollten jedem Punkt oder jeder Position auf der Endokardialfläche in der Herzkammer 90 ähnliche M-Modus-Anzeigebilder zugeordnet sein.
Jedes der einzelnen M-Modus-Anzeigebilder 94A, 94B, 94C ... wird dann verarbeitet, um eine Charakterisierung zu erhalten, die als eine Farbkodierung der zugehörigen Stelle auf der Herzkammerwand sichtbar gemacht werden kann. Die Abbildungsstrategie ist in 9 dargestellt und gleicht dem in den Veröffentlichungen [2] und [3] dargestellten Ansatz. Die Charakterisierungsroutine arbeitet so nach einem anatomischen M-Modus-Anzeigebild und erzeugt einen einzelnen Wert oder einen Farbindex, der aus dem M-Modus-Bild hergeleitete physiologische Eigenschaften reflektiert. Eine dieser Eigenschaften ist eine quantitative Bestimmung der Wandverdickung durch Abschätzung der Verdickungsveränderungen während des Herzzyklus. In diesem Fall wird jedes der anatomischen M-Modus-Anzeigebilder 94A, 94B und 94C analysiert. Die Wand wird in diesen M-Modus-Anzeigebildern mit Verfahren nach dem Stand der Technik [5] zur Randlokalisierung mit höchster Auflösung zu den verschiedenen Zeitpunkten in den M-Modus-Anzeigebildern, und die Dickenvariationen werden zur Bestimmung der geschätzten quantitativen Bestimmung der Wandverdickung verwendet. Eine zweite Eigenschaft ist durch eine Charakterisierung der zeitlichen Signalcharakteristiken an einer gegebenen Raumkoordinate oder für eine Reihe von Raumkoordinaten in den M-Modus-Anzeigebildern 94A, 94B und 94C gegeben.
Eine zweite Alternative besteht darin, nur zwei Raumelemente (Kuben) zu verwenden, die entweder zeitlich benachbart sind oder sich an Endsystole und Enddiastole befinden. In diesem Fall sind die zugehörigen M-Modi auf nur zwei Abtastwerte in zeitlicher Richtung reduziert. Dieser Ansatz ist leichter zu berechnen und liefert differenzierende Verdickungsinformationen über die Herz kammerwand, falls die Raumelemente (Kuben) zeitlich benachbart sind. In diesem Fall ist die Wandverdickungsanalyse ein Vergleich zweier Dimensionssignale, wobei Verdickungen mit Verfahren nach dem Stand der Technik [5] zur Randlokalisierung mit höchster Auflösung abgeschätzt werden können.
Die für die dreidimensionale Bilderzeugung beschriebenen Farbkodierungen sind auch auf zweidimensionale Bilderzeugung anwendbar, sind jedoch in diesem Fall der Grenze des durchbluteten Bereiches in dem zweidimensionalen Bild zugeordnet. 7 zeigt eine derartige zweidimensionale Bildsequenz. Die Figur weist lediglich drei virtuelle M-Modus-Linien 73A, 73B und 73C mit den zugehörigen M-Modus-Anzeigebildern 74A, 74B bzw. 74C auf, doch sollten ähnliche M-Modus-Anzeigebilder jedem Punkt oder jeder Position auf der Endokardialfläche in der Herzkammer 70 zugeordnet sein. Die einzelnen M-Modus-Anzeigebilder 74A, 74B und 74C werden dann jeweils mit denselben Techniken verarbeitet, wie sie oben für die entsprechenden M-Modus-Anzeigebilder 94A, 94B und 94C für den Fall der Dreidimensionalität beschrieben sind.
Die M-Modus-Linien in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind jedem Punkt oder jeder Position auf der Oberfläche der Herzkammerwand zugeordnet und die Richtung wird so berechnet, daß sie senkrecht zur Herzkammerwand ist. Die Richtung der lokalen M-Modi wird als die Richtung berechnet, die in einer zwei- oder dreidimensionalen Entfernungstransformation eines binären zwei- oder dreidimensionalen Binärbildes erhalten wird, welches die Position der Punkte auf der Herzkammerwand wiedergibt. Bezüglich Informationen über die Entfernungstransformation sei auf Veröffentlichung [4] verwiesen.
Zusammengefaßt, schafft die oben beschriebene Erfindung ein Verfahren zur Berechnung anatomischer M-Modus-Anzeigebilder auf der Basis einer zeitlichen Aufeinanderfolge von zwei- oder dreidimensionalen Ultraschallbildern. Das Verfahren wird zur Untersuchung lebender biologischer Strukturen während deren Bewegung, beispielsweise einer Herzfunktion, verwendet. Das Hauptanwendungsgebiet sind Krankenhäuser und dergleichen. Die anatomischen M-Modus-Anzeigebilder können während der Bilderfassung in Echtzeit oder durch nachträgliche Verarbeitung einer zwei- oder dreidimensionalen Filmrolle (cineloop) berechnet werden. Der anatomische M-Modus leitet sich als virtuelle M-Modus-Messung entlang einer willkürlichen geneigten M-Modus-Linie her. Es können mehrere, simultane M-Modus-Linien und -Anzeigebilder angegeben werden. Die willkürliche Positionierung der M-Modus-Linie gestattet anatomisch aussagekräftige M-Modus-Messungen, die von akustischen Fenstern unabhängig sind, die nach dem Stand der Technik die Positionierung der M-Modi einschränkt. Die Positionierung der M-Modus-Linie kann zur Kompensation der Gesamtbewegung in Abhängigkeit von der Zeit bewegt werden. Auf diese Weise kann bewirkt werden, daß die M-Modus-Linie während des gesamten Herzzyklus senkrecht zu der Herzwand ist. Diese Eigenschaft erhöht den Wert der M-Modi bei der Wandverdickungsanalyse, da fehlerhafte Dickenmessungen, die sich aus schräg vorgenommenen Messungen ergeben, vermieden werden können. Ferner können Referenzpunkte in der Bildszene in dem M-Modus-Anzeigebild derart festgelegt werden, daß die optische Auswertung der M-Modi an allen Punkten in der Herzkammerwand entlang M-Modus-Linien, die senkrecht zu der Endokardialfläche verlaufen, lokal berechnet werden kann. Diese lokalen M-Modi werden zur Abschätzung von Wandverdickungen und zur Verwendung dieser Messungen in einer Farbkodierung der Endokardialfläche ausgewertet.

Claims

Verfahren zur Erzeugung anatomischer M-Modus-Anzeigebilder bei der Ultraschalluntersuchung lebender biologischer Strukturen während deren Bewegung, beispielsweise einer Herzfunktion, unter Verwendung eines Ultraschallmeßwandlers (11, 21), mit den Schritten: – Erfassen von Serien zeitlich aufeinanderfolgender zwei- oder dreidimensionaler Ultraschallbilder (22, 32), – Anordnen dieser zeitlichen Aufeinanderfolge derart, dass Datensätze gebildet werden, wobei mindestens eine mit den Datensätzen zusammen registrierte freiwählbare M-Modus-Linie (23, 33A, 33B) vorgesehen wird, die nicht mit einer Ultraschallstrahlrichtung des Messwandlers zusammenfallen muss und die in Reaktion auf die Bewegung der biologischen Struktur nachgeführt wird, – Unterziehen der Datensätze der Computerverarbeitung auf der Basis der mindestens einen freiwählbaren M-Modus-Linie, wobei entlang der mindestens einen freiwählbaren M-Modus-Linie eine Interpolation durchgeführt wird, und – Anzeigen des sich ergebenden berechneten anatomischen M-Modus-Anzeigebildes (24, 34A, 34B) auf einer Anzeigeeinheit.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den zwei- oder dreidimensionalen Ultraschallbildern ein Referenzpunkt zugeordnet ist, welcher als Basis zur Festlegung eines entsprechenden Referenzpunktes an einer gewählten vertikalen Koordinate in dem sich ergebenden anatomischen M-Modus-Anzeigebild genommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das für die Untersuchung der Wand der linken Kammer des Herzens verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die jeder Position auf der Wandfläche der linken Herzkammer in zwei- oder dreidimensionalen Bildern zugeordneten anatomischen M-Modi zunächst derart berechnet werden, dass sie eine differentielle zeitliche Entwicklung des Herzzyklus wiedergeben und dann jeder der berechneten anatomischen M-Modi für die Farbkodierung an jeder Position auf der Wandfläche der linken Herzkammer gekennzeichnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeder Position auf der Wandfläche einer linken Herzkammer zugeordneten anatomischen M-Modi zunächst derart berechnet werden, dass sie auf den Unterschied zwischen zwei Einzelbildern, wie einem Endsystolen-Einzelbild oder einem Enddiastolen-Einzelbild, beschränkt sind, und dann jeder der berechneten anatomischen M-Modi für die Farbkodierung an jeder Position auf der Wandfläche der linken Herzkammer gekennzeichnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Position auf der Wandfläche einer linken Herzkammer zugeordnete anatomische M-Modi zunächst derart berechnet werden, dass sie ein signifikantes Zeitintervall, wie den gesamten Herzzyklus, wiedergeben, und dann jeder der berechneten anatomischen M-Modi für die Farbkodierung an jeder Position auf der Wandfläche der linken Herzkammer gekennzeichnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine lokale oder umfassende Verdickung der Wand der linken Herzkammer entlang der virtuellen M-Modus-Linie(n) gemessen wird und das Ergebnis der Messung für die Farbkodierung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, dass zeitliche Intensitätsschwankungen entlang der virtuellen M-Modus-Linie(n) gemessen werden und das Ergebnis der Messung für die Farbkodierung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Richtung der mindestens einen virtuellen M-Modus-Linie als die in der zwei- oder dreidimensionalen Entfernungstransformation von einer willkürlichen Position zu der nächstgelegenen Position auf der Wand der linken Herzkammer bestimmte Richtung berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis der Computerverarbeitung mit Interpolation zur Randverbesserung einer an sich bekannten Bildverarbeitung unterzogen wird, wobei auf diese Weise das sich ergebende berechnete anatomische M-Modus-Anzeigebild erzeugt wird.