DE19819831A1

DE19819831A1 - Verfahren und Einrichtung zur dreidimensionalen Ultraschall-Bildgebung mittels Projektion von gefilterten Pixeldaten

Info

Publication number: DE19819831A1
Application number: DE19819831A
Authority: DE
Inventors: William Thomas Hatfield; Harvey E Cline
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1997-05-07
Filing date: 1998-05-04
Publication date: 1998-11-19
Also published as: US5779641A; IL124171A; JPH1128211A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Ultraschall-Bild gebung der menschlichen Anatomie zum Zweck der medizini schen Untersuchung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur dreidimensionalen Abbildung von Blutgefäßen im menschlichen Körper durch Erfas sen der Intensität von Ultraschall-Echos, die von den Gefäßen reflektiert werden.

Zu den am weitesten üblichen Arten der diagnostischen Ultra schall-Bildgebung zählen die (zur Abbildung interner physika lischer Strukturen benutzten) B- und M-Moden, das Doppler- sowie das Farbströmungs(color flow)verfahren (wobei das letztere hauptsächlich zur Abbildung von Strömungscharakteri stiken, wie zum Beispiel in Blutgefäßen, eingesetzt wird). Bei der konventionellen B-Mode-Bildgebung erzeugen Ultra schall-Abtaster bzw. -Scanner Bilder, in denen die Helligkeit bzw. Leuchtdichte eines Pixels auf der Intensität der Echorückkehr basiert. Der Farbströmungs-Mode wird typischer weise benutzt, um die Geschwindigkeit einer Fluidströmung zum/vom Wandler zu erfassen, und er verwendet im wesentlichen dieselbe Technik, wie sie beim Dopplerverfahren eingesetzt wird. Während das Dopplerverfahren die Geschwindigkeit in Abhängig von der Zeit für ein einzelnes selektiertes Sample- bzw. Probevolumen anzeigt, bringt der Farbströmungs-Mode gleichzeitig Hunderte von benachbarten Samplevolumen zur Darstellung, die alle einem B-Mode-Bild überlagert und zur Darstellung der Geschwindigkeit jedes Samplevolumens farbko diert sind.

Die Messung der Blutströmung im Herzen und in den Gefäßen unter Anwendung des Dopplereffekts ist bekannt. Während die Amplitude der reflektierten Wellen zur Erzeugung von Schwarz weißbildern des Gewebes benutzt wird, kann die Frequenzver schiebung von rückgestreuten Wellen zur Messung der Geschwin digkeit der rückstreuenden Teile des Gewebes oder Blutes benutzt werden. Die Veränderung oder Verschiebung in der rückgestreuten Frequenz nimmt zu, wenn Blut in Richtung auf den Wandler hin strömt, und nimmt ab, wenn Blut von dem Wandler weg strömt. Farbströmungsbilder werden erzeugt, indem man eine Farbdarstellung der Geschwindigkeit von sich bewe gendem Material, z. B. von Blut, einem Schwarzweißbild der Anatomie überlagert.

Der Vorteil einer Darstellung von anatomischen Daten im B-Mode zusammen mit Geschwindigkeitsdaten besteht darin, daß sie für den Benutzer brauchbarere Information bietet, als wenn die Geschwindigkeitsdaten mit einem undurchsichtigen bzw. opaken Hintergrund dargestellt werden. Weiterhin ist es für den Benutzer einfacher, die abzutastende Anatomie aufzu finden, ohne die Geschwindigkeitseignung abschalten zu müs sen.

Die vorliegende Erfindung ist in einem Ultraschall-Bild gebungssystem verkörpert, das aus vier hauptsächlichen Untersystemen besteht: einem Bündelformer 2 (vgl. Fig. 1), einem Prozessor-Subsystem 4, einer Abtastkonverter/Display steuerung 6 sowie einer Hauptsteuerung 8. Die Systemsteuerung erfolgt zentral in der Hauptsteuerung 8, welche die Bedie nereingaben über eine (nicht gezeigte) Bedienerschnittstelle empfängt und ihrerseits die verschiedenen Untersysteme steu ert. Die Hauptsteuerung erzeugt ebenfalls für das System die Zeit- und Steuersignale, die über einen Systemsteuerbus 10 sowie einen (nicht gezeigten) Abtaststeuerbus verteilt wer den.

Der Hauptdatenpfad beginnt mit den digitalisierten HF Eingän gen von dem Wandler an den Strahl- bzw. Bündelformer. Der Bündelformer gibt zwei aufsummierte, digitale Empfangsbündel im Basisband aus. Die Basisbanddaten werden als Eingang an den B-Mode-Prozessor 4A und den Farbströmungsprozessor 4B gegeben, wo sie entsprechend dem Datenerfassungsmodus prozes siert und als prozessierte akustische Vektor- (Bündel-) Daten an die Abtastkonverter/Displaysteuerung 6 ausgegeben werden. Die Abtastkonverter/Displaysteuerung 6 nimmt die prozessier ten akustischen Daten auf und gibt die Video-Displaysignale für die Abbildung in einem Rastercan-Format an einen Farbmo nitor 12 aus. Die Abtastkonverter/Displaysteuerung 6 forma tiert weiterhin in Zusammenarbeit mit der Hauptsteuerung 8 mehrfache Bilder zum Display, für Display-Anmerkungen, grafi sche Auflagen (overlays) sowie für eine Wiedergabe von Film schleifen und aufgezeichneten Zeitliniendaten.

Der B-Mode-Prozessor 4A konvertiert die Basisbanddaten von dem Bündelformer in eine logarithmisch komprimierte Version der Signaleinhüllenden. Die B-Funktion bildet die zeitvaria ble Amplitude der Einhüllenden des Signals als eine Grauskala unter Verwendung eines 8-Bit Ausgangs für jedes Pixel ab. Die Einhüllende eines Basisbandsignals ist die Größe des Vektors, der die Basisbanddaten repräsentiert.

Die Frequenz der von der Innenseite von Blutgefäßen, Herzkam mern usw. reflektierten Schallwellen wird proportional zu der Geschwindigkeit der Blutzellen verschoben, und zwar in posi tiver Richtung für sich auf den Wandler zu bewegende Zellen und in negativer Richtung für die sich davon weg bewegenden Zellen. Der Farbströmungs(CF von color flow))-Prozessor 4B wird benutzt, um eine zweidimensionale Echtzeit-Abbildung der Blutgeschwindigkeit in der Abbildungsebene vorzusehen. Die Blutgeschwindigkeit wird errechnet durch Messung der Phasen verschiebung zwischen zwei Aktivierungen (firings) bei einem spezifischen Entfernungstor (range gate). Statt einer Messung des Dopplerspektrums bei einem Entfernungstor in der Abbil dung werden die Blutgeschwindigkeit von mehreren Vektorposi tionen sowie mehrere Entfernungstore längs jedes Vektors berechnet, und aus dieser Information wird eine zweidimensio nale Abbildung erstellt. In speziellerer Hinsicht erzeugt der Farbströmungsprozessor Geschwindigkeitssignale (8 Bits), Varianz- (Turbulenz-) Signale (4 Bits) sowie Energie- bzw. Powersignale (8 Bits). Der Bediener wählt aus, ob die Ge schwindigkeit und Varianz oder die Energie an den Abtastkon verter ausgegeben werden. Das Ausgangssignal wird als Eingang für eine in dem Videoprozessor 22 enthaltene Nachschlageta belle für die Chrominanz- bzw. Buntsteuerung gegeben. Jede Adresse in der Nachschlagetabelle speichert 24 Bits. Für jedes Pixel in dem herzustellenden Bild steuern 8 Bits die Rot-Intensität, 8 Bits steuern die Grün-Intensität und 8 Bits steuern die Blau-Intensität. Diese Bit-Muster werden derart vorgewählt, daß mit Richtungs- oder Größenänderungen der Strömungsgeschwindigkeit sich die Farbe des Pixels an jeder Stelle ändert. Beispielsweise wird eine Strömung auf den Wandler zu als rot angezeigt, und eine Strömung vom Wandler weg wird als blau angezeigt. Je schneller die Strömung ist, desto heller ist die Farbe.

Die akustischen Zeilenspeicher 14A und 14B der Abtastkonver ter/Displaysteuerung 6 nehmen jeweils die von den Prozessoren 4A und 4B prozessierten digitalen Daten auf und führen die Koordinatentransformationen der Farbströmungs- und B-Mode-Da ten vom Polarkoordinaten- (R-θ) Sektorformat oder vom Cartesischen linearen Koordinatenfeld zu geeignet skalierten Display-Pixeldaten durch, die im X-Y Displayspeicher 18 gespeichert werden. Im B-Mode werden die Intensitätsdaten im X-Y Displayspeicher 18 gespeichert, wobei jede Adresse drei Pixel zu 8 Bit speichert. Alternativ werden im Farbströmungs modus die Farbströmungsdaten wie folgt im Speicher gespei chert: Intensitätsdaten (8 Bits), Geschwindigkeits- oder Energiedaten (8 Bits) sowie Turbulenzdaten (4 Bits). Eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden (Voll-)Bildern (frames) von Farbströmungs- oder B-Mode-Daten werden im Filmspeicher auf einer First-In/First-Out (FIFO) Basis gespeichert. Der Film speicher wirkt als ein im Hintergrund laufender ringförmiger Bildpufferspeicher, der kontinuierlich auf Bilddaten zu greift, die in Echtzeit für den Benutzer zur Darstellung gebracht werden. Wenn der Benutzer das System "einfriert", hat er die Möglichkeit, zuvor im Filmspeicher eingefangene Bilddaten anzuschauen. Die Grafikdaten für die Herstellung von grafischen Auflagen auf dem dargestellten Bild werden erzeugt und gespeichert in dem Zeitlinien/Grafikprozessor und Displayspeicher 20. Der Videoprozessor 22 schaltet im Multi plexbetrieb zwischen den Grafikdaten, den Bilddaten sowie den Zeitliniendaten hin und her, um den endgültigen Videoausgang in einem Rasterabtastformat auf dem Videomonitor 12 zu erzeu gen. Zusätzlich sorgt er für verschiedene Grauskala- und Farbkartierungen (maps) sowie für die Verknüpfung der Grau skala- und Farbbilder.

Das konventionelle Ultraschall-Bildgebungssystem sammelt B-Mode- oder Farbströmungs-Mode-Bilder in einem Filmspeicher 24 auf einer kontinuierlichen Basis. Der Filmspeicher 24 stellt einen residenten digitalen Bildspeicher für Einzelbildbe trachtung und für Mehrfachbildschleifenbetrachtung sowie verschiedene Steuerungsfunktionen zur Verfügung. Das während der Einzelbild-Filmwiedergabe dargestellte interessierende Gebiet ist dabei dasjenige, das während der entsprechenden Bilderfassung benutzt wurde. Der Filmspeicher arbeitet eben falls als ein Puffer für die Übertragung von Bildern zu digitalen Archivierungsgeräten über die Hauptsteuerung 8.

Konventionelle Ultraschall-Scanner erzeugen zweidimensionale B-Mode-Bilder, bei denen die Helligkeit eines Pixels auf der Intensität der Echorückkehr basiert. Bei der Farbströmungs bildgebung wird bei einer vorhandenen Bewegung eine Doppler-Ver schiebung in dem Rückkehrsignal proportional zu der Ge schwindigkeit der Bewegungen erzeugt. Beispielsweise wird in einer Arterie fließendes Blut eine Doppler-Verschiebung erzeu gen. Die Doppler-Verschiebung kann unter Verwendung verschie dener Farben zur Anzeige der Geschwindigkeit und Richtung der Strömung zur Darstellung gebracht werden. Eine Strömung in Richtung auf den Wandler zu wird typischerweise in rot ge zeigt, während eine Strömung weg von dem Wandler in blau gezeigt wird. Bei der Power-Dopplerbildgebung wird die in dem zurückkommenden Dopplersignal enthaltene Energie zur Darstel lung gebracht.

Zweidimensionale Ultraschall-Bilder sind oftmals schwer zu interpretieren aufgrund des Unvermögens des Beobachters, sich die zweidimensionale Darstellung der gerade abgetasteten Anatomie zu veranschaulichen. Wird jedoch die Ultraschallson de über einen interessierenden Bereich geführt und werden dabei zweidimensionale Abbildungen zur Formung eines dreidi mensionalen Volumens akkumuliert, dann läßt sich die Anatomie viel leichter sowohl für den geübten als auch für den ungeüb ten Betrachter vorstellen. Typischerweise werden dreidimen sionale Abbildungen von B-Mode-Daten und Farbströmungsge schwindigkeits- oder Energiedaten separat zur Darstellung gebracht. Es gibt jedoch viele Gelegenheiten, bei denen beim Darstellen der Geschwindigkeits- oder Energiedaten allein der Betrachter ein Gefühl für die gerade abgebildete Anatomie verliert. Durch eine Kombination von Intensitätsprojektionen mit Projektionen von Farbströmungsgeschwindigkeit oder Energiedaten ist es möglich, ein Gefühl für die Anatomie beizubehalten und gleichzeitig die Geschwindigkeit oder Energie abzubilden. Dies gibt dem Betrachter ein Gefühl dafür, wie die mittels der Farbströmungsbildgebung darge stellte Gefäßstruktur (vascularity) mit einem Teil der Anato mie, zum Beispiel einem Tumor oder einer Zyste zusammenhängen kann. Die dreidimensionale Ultraschall-Bildgebung ist von besonderem Nutzen bei der Sichtbarmachung von Blutgefäßen bei Gefäßeingriffen oder einer offenen Operation der Leber.

Die Ultraschall-Bildgebung leidet unter der inhärenten Arte faktabbildung, die als Maserung oder Flecken (Speckle) be zeichnet wird. Bei der Fleckenbildung handelt es sich um eine Aderung bzw. Marmorierung (mottling), die man bei den aus Interferenzmustern von mehrfach empfangenen Echos erzeugten Bildern findet. Diese Marmorierung wird hauptsächlich von dem toten Punkt (null) in dem akustischen Interferenzmuster gebildet, jedoch können auch andere Anomalien in der Abbil dung eine Marmorierung verursachen, z. B. elektronisches Grundrauschen. Die akustischen Nullpunkte werden betont bzw. erhöht durch die logarithmische Kompression, die zur Darstel lung des vollen Dynamikbereichs der Ultraschall-Abbildung erforderlich ist. Diese toten Punkte erscheinen als schwarze Löcher in der Abbildung. Fleckenrauschen und Artefakte be grenzen den Bereich von akzeptablen Betrachtungswinkeln bei der dreidimensionalen Ultraschall-Bildgebung.

Da jeder Parameter, der die Summe der zurückkehrenden Echos ändert, das Fleckenmuster verändert, existiert eine Anzahl von konventionellen Verfahren zur Reduzierung der Bild fleckenfehler. Zu den Beispielen für derartige konventionelle Verfahren gehören eine mehrfache Sendefokussierung, räumli cher und frequenzmäßiger Versatz (compounding) sowie räumli che Tiefpaß-Filterung. Die mehrfache Sendefokussierung, sowie die räumlichen und frequenzmäßigen Versatztechniken leiden an verringerten (Voll-)Bildfrequenzen (frame rates), während eine räumliche Tiefpass-Filterung eine verringerte Auflösung besitzt.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren sowie eine Einrichtung dar zur dreidimensionalen Abbildung von Ultra schalldaten, bei der Flecken- bzw. Maserungsfehlerdaten (speckle artifact data) reduziert werden, bevor die von einem interessierenden Volumen gewonnenen Daten auf eine Bildebene projiziert werden. Die Einrichtung enthält einen Ultraschall-Scan ner, der B-Mode- oder Farbströmungsmode-Bilder in einem Filmspeicher sammelt, und zwar auf einer kontinuierlichen Basis oder als Antwort auf ein externes Triggerereignis, d. h. für eine Vielzahl von Schnitten (slices). Die Daten von einem jeweiligen interessierenden Gebiet für jeden Schnitt werden an eine Hauptsteuerung gesandt, wobei diese Daten ein inter essierendes Volumen bilden. Die Hauptsteuerung führt einen Algorithmus aus, der iterativ die Pixeldaten in dem interes sierenden Volumen unter Verwendung einer Strahlwurftechnik (ray-casting) auf mehrere gedrehte Bildebenen projiziert.

Gemäß der Erfindung glättet die Hauptsteuerung vor der Aus führung des Projektionsalgorithmus die in den Pixeldaten enthaltenen Maserungs- und/oder Rauschanteile durch Filtern. Dieses Filtern wird durchgeführt mittels eines schrittweisen Anwendens (stepping) eines Neun-Punkt-Kernels durch die Pixeldaten in jedem interessierenden Gebiet, das von den das interessierende Datenvolumen bildenden zweidimensionalen Schnitten erhalten wurde.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Faltungsfilter zum Glätten der Maserung in den Pixeldaten verwendet. Insbesondere wird jedes zweidimensionale aus dem Filmspeicher ausgelesene Gebiet von Interesse in zwei Dimen sionen mittels Faltung gefiltert, d. h. die Pixeldaten werden sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Rich tung gefiltert.

Eine Faltungsfilterung der Bilddaten wird ausgeführt, indem man einen gewünschten Bildbereich, zum Beispiel einen durch ein n × n Array von Pixeln (mit n ≧ 2) dargestellten Bereich definiert, indem man jedes der Pixel in dem n × n Array mit einem entsprechenden Gewichtungskoeffizient gewichtet und sodann die gewichteten Pixel aufsummiert, um einen gefilter ten Pixelwert zu erzeugen, der für eines der Pixel in dem n × n Array substituiert wird, z. B. für das zentrale Pixel in einem 3 × 3 Array. Alternativ kann das interessierende Volu men unter Anwendung eines Faltungsfilters mit einem n × n × n Kernel gefiltert werden. Eine Faltungsfilterung läßt sich mit digitalen Filtertechniken ausführen. Alternativ können die Pixeldaten unter Verwendung eines Median- bzw. Zentralwert filters oder eines Kantenbeibehaltungsfilters gefiltert werden.

Die gefilterten Pixeldaten bilden ein neues Datenvolumen, das sodann auf jede aufeinanderfolgende Bildebenen projiziert wird. Die projizierten Bilder mit reduzierter Maserung und Rauschen werden als separate (Voll-)Bilder (Frames) in dem Filmspei cher gespeichert, wobei jedes Bild dem letzten Hintergrund bild überlagert wird. Diese rekonstruierten Bilder werden dann selektiv von dem Systembediener zur Darstellung ge bracht. Die Bilder zeigen jegliche Blutgefäße in dem Objekt volumen mit großer Klarheit. Bei einer Darstellung im Filmbe trieb rotieren die Gefäße und man erhält ein besseres Gefühl der Tiefenvorstellung verglichen mit dem Fall der Abbildung eines zweidimensionalen Schnitts.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, das die hauptsächlichen funktio nalen Subsysteme innerhalb eines Echtzeit-Ultraschall Bildgebungssystems zeigt;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Einrichtung zur Rekonstruktion der Bilder enthaltend aufeinanderfolgende volumetrische Projektionen von Intensitäts- und Geschwindigkeits- oder Energiepixeldaten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein Flußdiagramm, das die Schritte eines Algorithmus für die Rekonstruktion der Bilder unter Einschluß von aufein anderfolgenden volumetrischen Projektionen von Intensitäts- und Geschwindigkeits- oder Energiepixeldaten gemäß der bevor zugten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des abgetasteten inter essierenden Objektvolumens, ein zugeordnetes Datenvolumen sowie eine Bildprojektionsebene, die in die volumetrische Herstellung einer umgekehrten Strahlwurfprojektion gemäß dem Stand der Technik miteinbezogen ist;

Fig. 5 eine schematische Darstellung, die ein Paar von geome trischen zweidimensionalen Konfigurationen entsprechend gleichen Ansichten von Objekt- und Datenvolumen zeigt, und die nützlich ist bei der Definition von notwendigen Skalier konstanten bei der dreidimensionalen Ultraschall-Bildgebung;

Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild einer Einrichtung zur Lieferung einer Projektion mit maximaler Intensität bei der dreidimensionalen Ultraschall-Bildgebung;

Fig. 7A eine schematische Darstellung eines zweidimensionalen Arrays von Pixeldaten;

Fig. 7B eine schematische Darstellung eines Satzes von 3 × 3 Gewichtungskoeffizienten, wie sie bei der Faltungsfilterung gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden; und

Fig. 8 ein schematisches Blockdiagramm eines Faltungsfilters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 enthält die Hauptsteuerung 8 eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 42 und einen Speicher 44 mit wahlfreiem Zugriff. Die CPU 42 weist einen darin angeord neten Nur-Lese-Speicher (ROM) zum Speichern der Routinen auf, die für die Umsetzung des gewonnenen Volumens von Intensi täts- oder Farbströmungs-Mode-Daten in eine Vielzahl von dreidimensionalen unter verschiedenen Winkeln genommenen Projektionsbildern benutzt werden. Die CPU 42 steuert den XY-Spei cher 18 und den Filmspeicher 24 über den Systemsteuerbus 10. Insbesondere steuert die CPU 42 den Pixeldatenfluß von dem XY-Speicher 18 zum Videoprozessor 22 und zum Filmspeicher 24 sowie von dem Filmspeicher zum Videoprozessor 22 und zur CPU 42 selbst. Wenn das Ultraschall-Bildgebungssystem im Farbströmungsmodus arbeitet, wird jedes (Voll-)Bild (frame) von Farbströmungsdaten, das einen von vielen Parallelscans- oder -schnitten durch das untersuchte Objekt repräsentiert, in dem XY-Speicher 18 gespeichert und im nächsten Zyklus zum Videoprozessor 22 sowie zum Filmspeicher 24 übertragen. Ein das abgetastete Objektvolumen repräsentierender Stapel von Feldern bzw. Bildern wird im Abschnitt 24A des Filmspeichers 24 gespeichert. Während der Initialisierung (vgl. Schritt 26 in Fig. 3) holt die CPU 42 vom Abschnitt 24A des Filmspei chers lediglich die einem interessierenden Objektvolumen entsprechenden Farbströmungsdaten. Dies wird bewerkstelligt, indem man lediglich die Farbströmungsdaten in einem interes sierenden Gebiet von jedem gespeicherten Bild holt, das von irgendeinem Scan gewonnen wurde, der das interessierende Volumen geschnitten hatte. Mit anderen Worten, die dem inter essierenden Gebiet entsprechenden Farbströmungsdaten von jedem einen Bild eines Stapels von aufeinanderfolgenden Bildern bilden ein interessierendes Quelldatenvolumen.

Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, werden die Intensitätsdaten in dem dem interessierenden Objektvolumen entsprechenden Pixel datensatz vor der Projektion gefiltert (Schritt 28), um Flecken- bzw. Maserungsrauschen (Speckle-Rauschen) zu glätten und Artefakte zu reduzieren. Dies vermeidet während der Projektion den Verlust von Daten aufgrund von Maserungsrau schen. Beispielsweise erzeugen Blutgefäße weniger Echo als das umgebende Gewebe. Gefäße können deshalb unter Einsatz von Projektionen mit minimaler Intensität abgebildet werden. Alternativ werden im Umkehrvideo/Minimum-Mode die Intensi tätsdaten invertiert, um die Gefäße hell anstatt dunkel zu machen. Die Gefäße können dann unter Einsatz von Projektionen mit maximaler Intensität abgebildet werden. Um die Auswahl von maximalen Intensitäten, die helle Flecken im Gegensatz zu den gewünschten Pixeldaten sind, zu verhindern, kann vor der Projektion ein Filter zur Beseitigung solcher hellen Fleckin tensitäten benutzt werden. Gemäß der bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die aus dem Filmspeicher 24 (vgl. Fig. 2) geholten Pixeldaten von der CPU 42 unter Verwendung eines 3 × 3 Faltungsfilters mit einem 111 141 111 Kernel gefiltert, d. h. das zentrale Pixel der Intensitätsdaten in jedem 3 × 3 Pixelarray wird in jedem Schnitt oder Bild ersetzt durch einen Intensitätswert, der proportional ist zu der Summe aus dem vierfachen Wert des zentralen Pixels plus der Summe aus den Werten der acht dieses Pixel umgebenden Pixel. Das gefil terte Quelldatenvolumen wird sodann im Speicher 44 abgespei chert (Schritt 30). In ähnlicher Weise kann ein Faltungsfil ter benutzt werden, um schwarze Löcher in einem Bild vor der Projektion mit minimaler Intensität zu entfernen.

Als nächstes führt die CPU 42 unter Verwendung des im US-Patent No. 5,226,113 beschriebenen Strahlwurf-Algorithmus (ray casting algorithm) eine Reihe von Transformationen durch. Die aufeinanderfolgenden Transformationen repräsentie ren Projektionen mit maximaler, minimaler oder durchschnitt licher Intensität, Geschwindigkeits- oder Energieprojektio nen, die unter winkelmäßigen Inkrementen, beispielsweise in Intervallen von 10°, innerhalb eines Winkelbereichs, z. B. von +90° bis -90°, vorgenommen werden. Die Winkelinkremente müssen jedoch nicht 10° sein; auch ist die Erfindung nicht auf einen bestimmten Winkelbereich begrenzt.

In Übereinstimmung mit der bei der vorliegenden Erfindung angewandten Strahlwurftechnik werden die volumetrisch ange legten Projektionsbilder einer Probe 50 (vgl. Fig. 4) unter irgendeinem willkürlichen Betrachtungswinkel zur Anzeige gebracht, z. B. einem sphärischen Projektionswinkel, der durch die Winkelparameter (θ, Φ) bezeichnet wird, wobei θ der Winkel ist, den eine Verlängerung 58' eines Betrachtungs strahls 58 auf der X-Y Ebene bildet, und wobei Φ der Winkel des Strahls 58 bezogen auf die Verlängerung 58' ist, und zwar beim Scannen eines Objektvolumens 52 mittels eines Ultra schallwandlers. Das Samplevolumen 52 wird in einer derartigen Weise abgetastet, daß man eine Folge von geschichteten be nachbarten Schnitten (slices) oder Scheiben OS₁, OS₂, . . ., OS_k erzeugt, von denen jede dieselbe Anzahl von Objektvolumenele menten (voxels) OV enthält. Jedes Voxel besitzt ein recht eckiges Profil in der Scheibenebene (z. B. in der X-Y Ebene); während die komplementären Seiten von gleicher Länge S sein können, so daß dieses Profil ein Quadrat sein kann, ist die Scheibendicke T im allgemeinen nicht gleich mit der Länge von jeder Seite. Somit enthält der erste Objektschnitt OS₁ eine erste Anzahl von Objektvoxel OV_ij,1, wobei i und j die jewei ligen Positionen des Voxels auf der X-Achse und auf der Y-Achse sind. In gleicher Weise enthält der zweite Objekt schnitt OS₂ Objektvoxel OV_ij,2. Ein willkürlicher Objekt schnitt OS_k enthält Voxel OV_ij,k, wobei k die Position dieses Voxels auf der Z-Achse bedeutet.

Jedes Objektvoxel OV_ij,k wird analysiert und sein Datenwert (Intensität, Geschwindigkeit oder Energie) wird in ein ent sprechendes Datenvoxel DV_ij,k eines Datenvolumens 54 plaziert. Das Datenvolumen 54 ist ein einfaches kubisches i, j, k Gitter, obwohl die Dicke eines jeden Objektschnitts OS_k und jede Flächengröße eines Objektvoxels (die Größe des Voxels in der X-Y Ebene) im allgemeinen nicht dieselbe sein werden. Das bedeutet, es kann nicht nur das Objektvolumen unterschiedli che Dimensionen X, Y und Z für jedes Voxel aufweisen, sondern es braucht auch die insgesamte Anzahl von Voxel in irgendei ner Dimension nicht dieselbe zu sein. Beispielsweise kann ein typischer dreidimensionaler Ultraschall-Scan jeden Schnitt mit einer 256 × 256 Voxel enthaltenden Matrix liefern und 128 Schnitte betreffen.

Gemäß einer von der CPU 42 angewandten bekannten Technik wird ein Bild des Objekts 50 projiziert (Schritt 34 in Fig. 3) durch Projektion eines Strahls von einem Gitterpunkt im Datenvoxel DV_ij,k in Richtung auf die Bildebene 56. Der Ein fachheit halber kann der Gitterpunkt beispielsweise die am nächsten an dem Datenvolumenursprung liegende Datenvoxelspit ze sein. Der Projektionsstrahl 17 tritt aus dem Datenvolumen 54 unter einem Projektionswinkel mit sphärischen Winkelpara metern (α, β) aus, die aus den sphärischen Winkelparametern (θ, Φ) transformiert wurden, unter denen das Objektvolumen 52 betrachtet wird. Diese beiden Winkel sind nicht gleich, und zwar aufgrund der geometrischen Verzerrung, die durch die Benutzung eines kubischen Datenvolumens 54 zusammen mit einem nicht-kubischen Objektvolumen 52 verursacht wird. Der proji zierte Strahl 17 weist jedoch eine Verlängerung 17' in der x-y Ebene auf, die einen Winkel α mit Bezug auf die x Achse des Datenvolumens bildet, und der Strahl 17 bildet einen Winkel β mit der Z Achse. Somit werden die Winkel α und β bestimmt durch einen (nachfolgend zu beschreibenden) Rota tionsprozeß, um der Betrachtung des Objektvolumens 52 unter dem gewünschten Betrachtungswinkel (θ, Φ) zu entsprechen (unter der Annahme eines Betriebs mit sphärischen Koordina ten). Jeder der Strahlen 17 wird von dem Voxel-Gitterpunkt des Datenvolumens in Richtung auf die Bildebene projiziert.

Obwohl alle Strahlen 17 auf irgendeinen Bereich der Bildebene auftreffen, wird nur den in das betrachtete Bildebenenpixel 60a fallenden Strahlen erlaubt, zu den Daten für dieses Bildebenenpixel beizutragen. Hat man somit einen Teil des Objektvolumens 52 zur Betrachtung ausgewählt sowie einen Betrachtungswinkel (θ, Φ), unter dem dieses ausgewählte Objektvolumen betrachtet werden soll, wird der Datenwert in jedem Voxel des entsprechenden Teils von dem Datenvolumen unter einem Winkel (α, β) (entsprechend der Betrachtung des verzerrten Datenvolumens mit Bezug auf das Objektvolumen) in Richtung auf die Bildebene 56 projiziert. Der Datenwert in einem ersten Voxel (zum Beispiel Voxel DV_i,1,k), wird somit in Übereinstimmung mit den gewählten Werten θ und Φ entlang dem Strahl 17a rückprojiziert. Dieser Strahl 17a trifft bei einer Position 64a innerhalb des Pixels 60a auf die Bildebene 56 auf, und weil dies der erste auf dieses Pixel auftreffende Strahl ist, wird der Intensitäts-, Geschwindigkeits- oder Energiewert des auftreffenden Strahls dem gewünschten Pixel 60a zugeteilt (bzw. darin gespeichert). Das nächste Voxel in dem Datenvolumen (z. B. Voxel DV_i,2,k) hat seinen zugehörigen Strahl 17b unter derselben winkelmäßigen (α, β) Konfiguration vom Voxel-Gitterpunkt projiziert, und seine Position 64b auf der Bildebene 56 wird festgehalten. Unter der Annahme, daß diese Auftreffposition 64b im gewünschten Pixel 60a liegt, wird der zweite projizierte Wert (für eine Maximalpixelpro jektion) mit dem nun gespeicherten ersten Wert verglichen, und es wird der größere Wert im Speicher für das Pixel 60a plaziert. Es wird verständlich sein, daß für eine Projektion mit einem Durchschnittswert der Wert eines laufenden proji zierten Datenvoxels zu der bereits gespeicherten Summe für das Bildfeldpixel (image panel pixel), auf das der Projekti onsstrahl auftrifft, hinzuaddiert wird, und die Summe schließlich durch eine gezählte Anzahl von solchen auftref fenden Strahlen für dieses Pixel geteilt wird. Da jedes Voxel in dem ausgewählten Datenvolumen sequentiell eingegeben und in Richtung auf die Bildebene 56 projiziert wird, wird schließlich ein Datenvolumenvoxel (z. B. Voxel DV_i,3,k) ent lang seinem zugehörigen Strahl 17p projiziert und trifft nicht innerhalb des gewünschten Pixels 60a auf, so daß sein Datenwert (z. B. die Intensität) nicht mit dem gegenwärtig für das Pixel 60a gespeicherten Datenwert verglichen wird. Es wird nun für diese Projektion von Daten bei dem bestimmten (θ, Φ) dreidimensionalen Betrachtungswinkel der maximale Datenwert für das Pixel 60a festgelegt. Tatsächlich weist der Strahl 17p jedoch einen Auftreffpunkt 64p auf, der in ein anderes Pixel (z. B. Pixel 60b) der Bildebene fällt; er wird mit dem darin gespeicherten Datenwert verglichen und der nach dem Vergleich sich ergebende größere Wert wird in den Spei cher für dieses Pixel zurückgeführt. Alle Datenwerte werden auf Null zurückgesetzt, wenn eine neue Projektion erfolgen soll. Somit wird jedes der Pixel der Bildebene beim Start einer Bildprojektionsprozedur rückgesetzt, und alle Datenvo lumenvoxel (in dem gesamten Raum oder in dem ausgewählten Teil, wie durch den Teil des ausgewählten Objektvolumens 52 festgelegt) werden einzeln und sequentiell abgetastet. Der Datenwert in jedem Datenvoxel DV wird durch einen zugeordne ten Strahl 17 so projiziert, daß er in einem Pixel 60 davon auf die Bildebene 56 auftrifft, wobei der Maximalwert in jedem Pixel mit dem gegenwärtigen Wert des strahlprojizierten Datenvolumenvoxels verglichen wird, um den größeren davon zu bestimmen, welcher größere Wert sodann als Teil des Maximal wertbildes gespeichert wird. In der Praxis wird für eine maximale Pixelprojektion der gespeicherte Maximalwert ledig lich dann verändert, wenn der neuerliche Wert des projizier ten Datenvoxels größer ist als der bereits für das Bildebe nenpixel gespeicherte Datenwert, auf den der neuerliche Projektionsstrahl auftrifft.

Gemäß einem anderen Aspekt der obigen Technik wird die Daten projektion (im Schritt 36 in Figur. 3) skaliert und es wird eine etwaige Anisotropie zwischen dem Objektvolumen und der Bildebene durch lediglich einen einzigen Satz von Berechnun gen beseitigt, nachdem die Rückprojektion abgeschlossen ist. Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen. Da es sich bei dem Objektvolumen 52 um ein reales Volumen handelt, während es sich bei dem Datenvolumen 54 um ein abstraktes Konzept han delt, ist es nötig, den Betrag der Verzerrung der Projekti onsdaten aufgrund der Darstellung des kubischen Datenvolumen gitters 54 unter einem unterschiedlichen Winkel γ in einer ersten Ebene zu bestimmen und sodann den Winkel ψ, unter dem eine willkürliche Betrachtungsrichtung 66 mit Bezug sowohl auf das Objektvolumen 52 als auch auf das Datenvolumen 54 positioniert wird. Die offenbaren Dimensionen von jedem Voxel werden sich in dem Maße ändern, wie sich die effektiven Erhebungswinkel ψ und γ ändern. Wenn das Aspektverhältnis A (definiert als das Verhältnis der tatsächlichen Scheibendicke T im Objektvolumen 52 zur tatsächlichen Pixelgröße S in demselben Objektvolumen 52) nicht eins beträgt (d. h. größer oder gleich eins ist, da das Objektvoxel kein kubisches Voxel ist, wie man es beim Datenvolumen 54 antrifft), dann werden die Erhebungswinkel ψ und γ verschieden sein, und der effek tive Erhebungswinkel ψ im Datenvolumen wird gegenüber dem tatsächlichen Erhebungswinkel γ in dem Objektvolumen unter schiedlich sein. Die Rotation der Daten erfolgt gemäß einem Objekterhebungswinkel, der erhalten wird durch:

Danach können die projizierten Daten so skaliert werden, daß sie (wenn die Drehung um die horizontale Achse erfolgt) die korrekte Höhe in dem Objektvolumen erhalten, und zwar durch eine Multiplikation aller projizierten Datenhöhen mit dem Höhenskalierungsfaktor. Die alte projizierte Bildhöhe H kann mit einem effektiven Skalierungsfaktor E_s korrigiert werden, wobei gilt

und die neue Höhe H' = H.E_s ist. Dasselbe trifft für die Breite zu, wenn die Drehung um die vertikale Achse erfolgt.

Unter Verwendung der obigen Beziehung führt die Rotation der Datenvolumenwinkel (α, β) zu den Winkeln (θ, Φ), weil die Verzerrung lediglich entlang einer Achse auftritt, so daß der Winkel θ gleich dem Winkel α ist. Die Elemente der 3 × 3 Rotationsmatrix [M] können bestimmt werden, und bei den gege benen zwei in Betracht kommenden Drehungswinkeln werden diese Beziehungen benutzt, um die Transformationen vom Datenvolumen zur Bildebene zu bestimmen:

X' = M1X + M2Y + M3Z + XO
Y' = M4X + M5Y + M6Z + YO

wobei M1-M6 die ersten beiden Zeilen der Rotationsmatrix sind (d. h. M1 = -sinθ, M2 = cosθ sinψ, M3 = 0, M4 = -cosθ sinψ2, M5 = -sinθ sinψ und M6 = cosψ), X' und Y' die Posi tionen des projizierten Punktes auf der Bildebene sind, und wobei XO und YO die X und die Y Versetzungen (jeweils bezogen auf die niedrigsten X und Y Punktwerte) der Bildebene sind, bei denen der ausgewählte Teil der Bildebene beginnt. Nachdem die Daten auf die Bildebene 56 projiziert sind, wird das Bild zur Korrektur des Effekts der anisotropen Objektvoxel ska liert. Es wird ersichtlich sein, daß die Faktoren M1-M6 zu Beginn einer Projektion (bei gegebenen θ und Φ) vorberechnet (Schritt 32 in Fig. 3) und für alle Rotationsberechnungen benutzt werden können.

Fig. 6 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung der oben beschriebenen Strahlwurftechnik, die in der Hauptsteuerung 8 (oder in einem separaten zugeordneten Prozessor) vorgesehen ist. Eine derartige Einrichtung weist eine dreidimensionale Datenspeichereinrichtung 70 zum Speichern von Schnittdaten auf, wie sie an einem Dateneingang 70a vom Filmspeicher 24 erhalten werden. Die mit jedem Objektvoxel zusammenhängenden Daten werden bei der Adresse des betreffenden Voxels gespei chert, und zwar als Reaktion auf eine Eingangsinformation für die Voxeladresse, die an einem Voxeladreßeingang 70b von einer CPU 74 erhalten wird. Sobald die Datenspeichereinrich tung gefüllt ist (entsprechend der Übertragung aller erfor derlichen Daten vom Objektvolumen 52 zum Datenvolumen 54), wird der interessierende Teil des Objektvolumens ausgewählt, und es werden seine Startecke sowie die Ausdehnung in den X, Y und Z Richtungen festlegende Daten von der CPU 74 an einem Eingang 72a einer Adreßgeneratoreinrichtung 72 gesandt. Die Einrichtung 72 liefert sequentiell an einem Adreßausgang 72b die X, Y und Z Adressen für jedes Voxel innerhalb des ausge wählten Objektvolumens. Der Ausgang 72b ist mit einem Aus gangsdatenadreßeingang 70c der Datenspeichereinrichtung 70 verbunden, welche veranlaßt, daß die gespeicherten Intensi tätsdaten für das betreffende eine sodann adressierte Voxel vom Datenspeicherausgang 70d ausgegeben werden. Die Aufeinan derfolge der X, Y und Z Voxeladressen wird ebenfalls an einen ersten Eingang 76a einer Berechnungseinrichtung 76 für die Rotationsparameter gegeben, welche Einrichtung über die CPU 74 die Winkelinformation (α, β) als die berechneten Matrix elementwerte M1-M6 erhält, um an einem Ausgang 76c die Adresse X', Y' des Bildebenenpixel bereitzustellen, das diesem Objektpixel X, Y, Z entspricht, wenn man es unter einem ausgewählten Betrachtungswinkel (θ, Φ) betrachtet. Die Information für den Betrachtungswinkel (θ, Φ) wird in das System eingegeben und von der CPU 74 verarbeitet. Die Ergeb nisse werden an die Eingänge 78b und 78c einer Sichtmatrix einrichtung 78 gegeben, um Matrixelemente M1-M6 an ihrem Ausgang 78a und damit an der Berechnungseinrichtung 76 für die Drehungsparameter vorzusehen. Die Pixeladresse X', Y' in der Bildebene erscheint an einem Adreßeingang 80a eines Bildpufferspeichers, der als eine Bildebenenspeichereinrich tung 80 wirkt. Gleichzeitig erscheinen die von dem Datenvolu men zur Projektionsebene projizierten Intensitätsdaten vom Ausgang 70d der dreidimensionalen Datenspeichereinrichtung an dem Eingang 80b für neue Daten der Bildebenenspeichereinrich tung. Diese Daten erscheinen ebenfalls am Eingang 82a für neue Daten einer Datenvergleichseinrichtung 82. Zuvor in der Bildebenenspeichereinrichtung 80 für diese Adresse gespei cherte Intensitätsdaten am Eingang 80a erscheinen an einem Ausgang 80c für alte Daten und damit an einem Eingang 82b für alte Daten in der Vergleichseinrichtung. Die alten und neuen Daten an den jeweiligen Eingängen 82b/82a werden in der Einrichtung 82 verglichen, und ein Ausgang 82c davon wird auf einen ausgewählten logischen Zustand gesetzt (z. B. einen oberen logischen Pegel), wenn die neuen Daten am Eingang 82a eine größere Amplitude aufweisen als die alten Daten am Eingang 82b. Der Ausgang 82c ist mit einem Eingang 80d der Bildebenenspeichereinrichtung für Ersatz- (substitute) Steu erdaten verbunden um zu veranlassen, daß die unter der vom Eingang 80a gesteuerten Adresse gespeicherten Daten geändert werden, um neue Daten am Eingang 80b anzunehmen, wenn sich der Steuereingang für die Ersatzdaten 80d auf dem gewählten logischen Pegel befindet. Somit werden die gespeicherten Daten zu Anfang rückgesetzt, wie bei einem Signal durch einen Daten/Steuereingang 80e (von der CPU 74), und es werden die Daten mit dem größten Wert für jede Pixelstelle X', Y' in der Bildebene gespeichert, und zwar als Antwort auf einen Ver gleich, der anzeigt, ob die neuen Daten den Wert der zuvor gespeicherten alten Daten übersteigen. Nachdem alle der ausgewählten Adressen sequentiell vom Adreßgenerator 72 abgetastet worden sind, werden die in der Bildebenenspei chereinrichtung 80 gespeicherten Daten in der CPU 74 ska liert, und die skalierten Bildebenendaten können von der Speichereinrichtung 80 zur Anzeige, zur permanenten Speiche rung oder zu ähnlichen Zwecken entnommen werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die skalier ten Bildebenendaten vor einer Anzeige (Display) kartiert (mapped), um eine gewünschte Helligkeit sowie einen gewünsch ten Kontrastbereich zu erzielen (Schritt 38 in Fig. 3) Beim Einlesen des interessierenden Bereichs für die Quellbilder, auf dem die dreidimensionale Rekonstruktion basiert, wird als Option ein Säulendiagramm bzw. Histogramm der Anzahl von Pixel mit einer gegebenen Intensität in der Hauptsteuerung 8 erstellt. Alternativ kann das Histogramm unter Benutzung der projizierten Bilder gebildet werden. Zur selben Zeit wird die maximale Pixelintensität bestimmt. Es werden die Pixel in jedem Bereich (bin) gezählt, bis ein vorgegebener Prozentsatz der insgesamten Anzahl von Pixel erreicht ist. Diese Be reichszahl (bin number) wird die Pixelschwelle. Es wird sodann eine Karte erzeugt, und zwar derart, daß jeder Pixel wert mit der gewünschten Helligkeit und dem gewünschten Kontrastbereich über oder unter der Pixelschwelle abhängig von dem beabsichtigten Ergebnis kartiert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Pixel in dem interessierenden Gebiet eines jeden in dem Filmspeicher 24 (vgl. Fig. 1) gespeicherten Schnitts (Slice) oder Bildes (Frame) mittels der CPU 42 einer Faltungsfilterung unterzogen und sodann im Speicher 44 (vgl. Fig. 2) gespeichert. Die in dem Filmspeicher gespeicherten Pixel des interessierenden Gebiets können daraus ausgelesen und als aufeinanderfolgende Pixel oder als ein Array von Pixel an das Faltungsfilter angelegt werden. Die von dem in der CPU 42 eingebauten Fal tungsfilter durchgeführten Arbeitsschritte werden mit Bezug auf Fig. 8 näher beschrieben.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung enthält ein Faltungsfil ter mit einer Vielzahl von Anzapfungen zur Aufnahme einer entsprechenden Vielzahl von Gewichtungskoeffizienten. Dieser Satz von Gewichtungskoeffizienten kann im Speicher 44 mit wahlfreiem Zugriff gespeichert und von der CPU 42 aus dem Speicher wieder entnommen werden. Es können mehrfache Sätze von Gewichtungskoeffizienten als Nachschlagetabellen im Speicher 44 gespeichert sein, wobei jeweils ein Satz als Reaktion auf eine vom Systembediener erfolgte Auswahl wieder gegeben wird. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der Gewichtungskoeffizienten in dem Satz gleich neun, wobei jeder davon als eine Mehrbit-Digitalzahl (z. B. 8 Bit) dargestellt sein kann. Die neun Gewichtungskoeffizienten (W₁ bis W₉ in Fig. 7B) sind als ein 3 × 3 Kernel angeordnet, das effektiv derart durch das gesamte Pixelgebiet von Inte resse bewegt wird, daß der Mittelpunkt des Kernels über jeden Bereichsvektor in Folge nach unten geführt wird (mit Ausnahme der ersten und letzten Bereichsvektoren und mit Ausnahme der ersten und letzten Datenpunkte jedes Vektors).

Unter Bezugnahme auf Fig. 7A wird beispielsweise das 9-Punkt Kernel (vgl. Fig. 7B) nach unten bewegt relativ zu den ersten drei Vektoren, nämlich DV_4,4,1-DV_4,1,1, DV_3,4,1-DV_3,1,1 und DV_2,4,1-DV_2,1,1, so daß diese ersten drei Vektoren von Pixeldaten zur Bildung eines ersten neuen gefilterten Vektors prozessiert werden, der an einer anderen Stelle gespeichert wird. Beim ersten Filterungsvorgang werden die Gewichtungskoeffizienten auf das 3 × 3 Pixelarray in der linken oberen Ecke des in Fig. 7A gezeigten Arrays angewendet. Der Gewichtungskoeffizi ent W₁ wird benutzt zur Gewichtung des Pixels DV_4,4,1; der Gewichtungskoeffizient W₂ wird benutzt zur Gewichtung des Pixels DV_3,4,1; der Gewichtungskoeffizient W₃ wird benutzt zur Gewichtung des Pixels DV_2,4,1; der Gewichtungskoeffizient W₄ wird benutzt zur Gewichtung des Pixels DV_4,3,1 usw. Das Fal tungsfilter erzeugt ein prozessiertes (d. h. gefiltertes) Pixel, das für das Pixel DV_3,3,1 substituiert wird. Dieses gefilterte Pixel DV_3,3,1 ^fil kann wie folgt berechnet werden:

DV_3,3,1 ^fil = DV_4,4,1.W₁ + DV_3,4,1.W₂ + DV_2,4,1.W₃
+ DV_4,3,1.W₄ + DV_3,3,1.W₅ + DV_2,3,1.W₆
+ DV_4,2,1.W₇ + DV_3,2,1.W₈ + DV_2,2,1.W₉.

Das gefilterte durch das Faltungsfilter hergestellte Pixel ist somit die Summe der 3 × 3 Pixel, die das prozessierte sowie die umgebenden Pixel einschließen, wobei jedes dieser Pixel durch einen entsprechenden der Gewichtungskoeffizienten W₁-W₉ gewichtet wird. In der nächsten Stufe wird das 9-Punkt Kernel in Fig. 7B angewandt auf das 3 × 3 Pixelarray in der linken unteren Ecke des Arrays in Fig. 7A, um DV_3,2,1 ^fil zu erhalten. In diesem vereinfachten Beispiel bilden die Pixel DV_3,3,1 ^fil und DV_3,2,1 ^fil den ersten neuen gefilterten Vektor. Für eine Spalte mit mehr als fünf Pixel wird dieser Prozeß solange wiederholt, bis das letzte Pixel in der Spalte gefil tert worden ist. Danach werden die zweiten (DV_3,4,1-DV_3,1,1) dritten (DV_2,4,1-DV_2,1,1) und vierten (DV_1,4,1-DV_1,1,1) benachbarten Vektoren der Pixeldaten prozessiert, um einen zweiten neuen gefilterten Vektor zu bilden, der neben dem ersten neuen gefilterten Vektor abgespeichert wird. Dieser Prozeß wird wiederholt, bis ein neuer Satz von gefilterten Vektoren, die ein neues gefiltertes Pixelbild bilden, gewonnen und an einer neuen Stelle abgespeichert worden ist.

Wenn die Quelldaten Intensitätsdaten und Geschwindigkeits- oder Power-Doppler-Daten enthalten, kann die oben erwähnte Faltungsfilterungsbehandlung separat für jede Komponente durchgeführt werden.

Gemäß der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung beträgt der Gewichtungskoeffizient W₅ = 4, während die ande ren acht Gewichtungskoeffizienten gleich eins sind. Ein derartiges Faltungsfilter kann in der in Fig. 8 gezeigten Weise ausgeführt sein, obwohl es von Fachleuten auf dem Gebiet der digitalen Filterung verstanden wird, daß andere Implementierungen benutzt werden könnten.

Unter Bezugnahme auf Fig. 8 kann das Faltungsfilter schema tisch dargestellt werden als enthaltend: eine Vielzahl von Pixelverzögerungselementen 86a-86i, eine Vielzahl von Multi plizierern 88a-88i, sowie eine Vielzahl von Addierern 90a-90i. Die Pixelverzögerungselemente sind als Schieberegister reihen geschaltet, wobei jedes Verzögerungselement so ausge legt ist, daß es einen Pixelwert über eine Zeitperiode spei chert, die gleich der Rate bzw. Frequenz ist, mit der die Pixel aus dem Speicher 44 (vgl. Fig. 1) ausgelesen werden. Die Pixelverzögerungselemente 86a-86c sind als ein Schiebere gister geschaltet; die Pixelverzögerungselemente 86d-86f sind als ein weiteres Schieberegister geschaltet; die Pixelverzö gerungselemente 86g-86i sind als ein drittes Schieberegister geschaltet. Diese Schieberegister werden benutzt, um ein 3 × 3 Pixelarray für die Multiplizierer 88a-88i zu schaffen.

Das die Pixelverzögerungen 86a-86c aufweisende Schieberegi ster ist so geschaltet, daß es aufeinanderfolgende Pixel direkt aus dem Speicher 44 erhält. Das die Pixelverzögerungen 86d-86f enthaltende Schieberegister ist mit einem Zeilenspei cher 82 verbunden, der seinerseits vom Speicher 44 ausgelese ne aufeinanderfolgende Pixel zugeführt bekommt. Der Zeilen speicher 82 verzögert die vom Speicher 44 angelegten Pixel um ein Horizontalzeilenintervall. In gleicher Weise ist das die Pixelverzögerungen 86g-86i enthaltende Schieberegister mit einem Zeilenspeicher 84 gekoppelt, der seinerseits in Kaskade mit dem Zeilenspeicher 82 geschaltet ist, und den bereits vom Zeilenspeicher 10 verzögerten Pixeln eine Verzögerung von einem Horizontalzeilenintervall auferlegt. Somit bewirken die Zeilenspeicher 82 und 84, daß ein bestimmtes Pixel in einer Horizontalzeile zeitlich koinzident ist mit den Pixeln in derselben Spalte, jedoch in den zwei vorhergehenden Zeilen. Beispielsweise ist unter Bezugnahme auf Fig. 7A ersichtlich, daß, wenn das Pixel DV_3,2,1 vom Speicher 44 geliefert wird, das Pixel DV_3,3,1 am Ausgang des Zeilenspeichers 82 und Pixel DV_3,4,1 am Ausgang des Zeilenspeichers 84 bereitgestellt wird.

Der Multiplizierer 88a erhält den Gewichtungskoeffizienten W₁ sowie den Datenwertausgang des Pixels vom Verzögerungselement 86a und bildet das Produkt dieser Eingänge. In gleicher Weise erhält der Multiplizierer 88b den Gewichtungskoeffizienten W₂ und den Datenwertausgang des Pixels vom Verzögerungselement 86a und bildet das Produkt dieser Eingänge. Neun Produktwerte werden unter Verwendung der neun Gewichtungskoeffizienten und der neun Pixeldatenwerte, die das prozessierte 3 × 3 Array enthält, erzeugt. Diese neun Produktwerte werden mittels der Addierer 90a-90h aufsummiert, um einen neuen gefilterten Pixeldatenwert zu bilden. Das Faltungsfilter arbeitet konti nuierlich, bis ein neues gefiltertes Bild (Frame) von Pi xeldaten gewonnen worden ist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die Ver wendung einer Faltungsfilterung. Alternativ können die Pi xeldaten unter Benutzung eines Median- bzw. Zentralwertfil ters oder eines Kantenbeibehaltungsfilters gefiltert werden.

Die Projektionstechnik wird separat angewendet auf die B-Mode-Intensitätsdaten sowie die Farbströmungsgeschwindig keits- oder Energiedaten für das interessierende von dem Filmspeicher wiedergegebene Datenvolumen. Jedes Pixel in dem projizierten Bild schließt die transformierten Intensitätsda ten und die transformierten Geschwindigkeits- oder Energieda ten ein, welche von der Projektion auf eine vorgegebene Bildebene abgeleitet wurden. Zusätzlich speichert während der Zeit, in welcher der Filmspeicher vom Bediener "eingefroren" war, die CPU 42 als Option das letzte Bild (Frame) aus dem XY Speicher 18 unter mehrfachen aufeinanderfolgenden Adressen im Abschnitt 24B des Filmspeichers 24. Die projizierten Bildda ten für den ersten projizierten Betrachtungswinkel werden in die erste Adresse im Filmspeicherabschnitt 24B eingeschrie ben, so daß die projizierten Bilddaten in einem interessie renden Bereich dem Hintergrundbild (background frame) überla gert werden. Dieser Prozeß wird für jedes Winkelinkrement wiederholt bis alle projizierten Bilder im Filmspeicherab schnitt 24B gespeichert sind, wobei jedes projizierte (Voll)Bild (Frame) aus einem interessierenden Gebiet besteht, das transformierte Daten und als Option einen Peripheriehin tergrund enthält, der das interessierende Gebiet umgibt und aus Hintergrundbilddaten besteht, die nicht von transformier ten Daten aus dem interessierenden Gebiet überschrieben sind. Das Hintergrundbild macht es deutlicher, von wo aus jede zur Darstellung gebrachte Projektion betrachtet wird. Der Bedie ner kann dann jedes der projizierten Bilder für die Darstel lung auswählen. Zusätzlich kann die Abfolge der projizierten Bilder erneut auf dem Displaymonitor abgespielt werden, um das Objektvolumen so darzustellen, als wenn es vor dem Be trachter rotieren würde.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besitzt das Ultraschall-Bildgebungssystem mehrere verschiedene Projekti onsmoden. Beispielsweise kann die Projektion Maximalwert- oder Minimalwert-Pixel enthalten. Alternativ kann ein für die Darstellung von Blutgefäßen nützlicher Mode ausgewählt wer den, bei dem die Pixeldaten invertiert und dann die Maximal werte auf die Bildebene projiziert werden. Gemäß einem weite ren Modus kann die Strahlwurftechnik eingesetzt werden, um eine Oberflächendarstellung (surface rendering) zu liefern.

Die vorhergehende bevorzugte Ausführung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung beschrieben. Abänderungen und Modifikatio nen des Grundkonzepts der Erfindung werden sich unschwer für Fachleute auf den Gebieten der Ultraschallbildgebung oder der Computergrafik ergeben. Alle derartigen Abänderungen und Modifikationen sollen durch die nachfolgend aufgeführten Ansprüche mitumfaßt werden.

Claims

1. Einrichtung zur dreidimensionalen Bildgebung eines Ultraschall streuenden Mediums in einem Objektvolumen, ent haltend:
ein Ultraschall-Wandlerarray zum Aussenden von Ultra schall-Bündeln und zum Erfassen von an einer Vielzahl von Sample- bzw. Probevolumen in dem Objektvolumen refelektierten Ultraschall-Echos;
eine Einrichtung zum Gewinnen von Pixeldaten, die zu mindest zum Teil von an dem streuenden Medium reflektierten Ultraschall-Echos abgeleitet sind, wobei jede einzelne Pixe langabe (Datum) jeweils einem der vielen Samplevolumen ent spricht;
eine Speichereinrichtung zum Speichern von gewonnenen Pixeldaten für jedes der vielen Samplevolumen;
eine Einrichtung zum Wiedergeben eines Pixeldatensatzes aus der Speichereinrichtung, welcher Pixeldatensatz einem interessierenden (Teil-)Volumen in dem Objektvolumen ent spricht;
eine Einrichtung zum Filtern des Pixeldatensatzes zur Verminderung von Flecken (Speckle);
eine Einrichtung zum Projizieren des gefilterten Pi xeldatensatzes auf eine erste Bildebene, wobei ein Projekti onsdatensatz gebildet wird, der ein erstes projiziertes Bild darstellt;
einen Anzeige- bzw. Displaymonitor; und
eine Einrichtung zum bildlichen Darstellen des ersten projizierten Bildes auf dem Displaymonitor.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Filtereinrichtung ein Faltungsfilter mit einen n × n Kernel mit n ≧ 2 ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß n = 3 ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß das Kernel die folgenden Gewichtungsfakto ren aufweist: 111 141 111.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixeldaten Intensitäts daten enthalten.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, da durch gekennzeichnet, daß die Pixeldaten Strömungsgeschwin digkeitsdaten enthalten.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, da durch gekennzeichnet, daß die Pixeldaten Strömungsenergieda ten enthalten.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, gekennzeichnet durch:
eine Einrichtung zum Projizieren des gefilterten Pi xeldatensatzes auf eine zweite Bildebene, die relativ zu der ersten Bildebene gedreht ist, wobei ein ein zweites proji ziertes Bild repräsentierender projizierter Datensatz gebil det wird; und
eine Einrichtung zum Darstellen des zweiten projizier ten Bildes auf dem Displaymonitor.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung ein Median- bzw. Zentralpunktfilter ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, da durch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung ein Kanten beibehaltungsfilter ist.

11. Einrichtung zur dreidimensionalen Bildgebung eines Ultraschall streuenden Mediums in einem Objektvolumen, ent haltend:
ein Ultraschall-Wandlerarray zum Aussenden von Ultra schall-Bündeln und zum Erfassen der Ultraschall-Echos, die in einer Abtastebene reflektiert werden, die das Objektvolumen bei einer Vielzahl von Samplevolumen in der Abtastebene schneidet;
eine Einrichtung zum Gewinnen von Pixeldaten, die zu mindest zum Teil von Ultraschall-Echos abgeleitet sind, die von dem streuenden Medium reflektiert werden, wobei jede Pixelangabe einem jeweiligen der vielen Samplevolumen in der Abtastebene entspricht;
eine Bildspeichereinrichtung zum in Echtzeit Speichern eines (Voll-)Bilds (Frame) von Pixeldaten für jede von vielen aufeinanderfolgenden Abtastebenen;
eine Filmspeichereinrichtung zum Speichern einer Viel zahl von Bildern von Pixeldaten, die von der Bildspeicherein richtung in einer Aufeinanderfolge ausgegeben werden;
eine Einrichtung zum Wiedergeben eines Satzes von Pi xeldaten aus der Filmspeichereinrichtung entsprechend einem interessierenden Volumen in dem Objektvolumen;
eine Einrichtung zum Filtern des Pixeldatensatzes zur Verminderung von Flecken (Speckle);
eine Einrichtung zum Erzeugen von einer Vielzahl von Teilsätzen von gefilterten und projizierten Pixeldaten, die jeweilige Projektionen der Pixeldatensätze auf eine entspre chende Vielzahl von Bildebenen repräsentieren;
eine Einrichtung zum Speichern der Vielzahl von Teil sätzen von gefilterten und projizierten Pixeldaten in der Filmspeichereinrichtung;
eine Einrichtung zum Auswählen von einer der vielen Bildebenen;
einen Anzeige- bzw. Displaymonitor; und
eine Einrichtung zum bildlichen Darstellen des Teilsat zes von gefilterten und projizierten Pixeldaten entsprechend der ausgewählten Bildebene.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß die Filtereinrichtung ein Faltungsfilter mit einem n × n Kernel mit n ≧ 2 ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge kennzeichnet, daß n = 3 ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10-13, da durch gekennzeichnet, daß das Kernel die folgenden Gewich tungsfaktoren aufweist: 111 141 111.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11-14, da durch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung ein Median- bzw. Zentralpunktfilter ist.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11-14, da durch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung ein Kanten beibehaltendes Filter ist.

17. Verfahren zur dreidimensionalen Bildgebung eines Ultraschall streuenden Mediums in einem Objektvolumen, ge kennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Aussenden von Ultraschall-Bündeln in eine Abtastebene, die das Objektvolumen bei einer Vielzahl von Sample- bzw. Probe volumen in der Abtastebene schneidet;
Erfassen der von der Vielzahl von Samplevolumen in der Abtastebene reflektierten Ultraschall-Echos;
Scannen bzw. Abtasten der Abtastebene durch das Objekt volumen;
Gewinnen von Pixeldaten, die zumindest teilweise von Ultraschall-Echos abgeleitet werden, die von dem streuenden Medium reflektiert werden, wobei jede einzelne Pixelangabe (Datum) einem jeweiligen der vielen Samplevolumen entspricht;
Speichern der gewonnenen Pixeldaten für jedes der vie len Samplevolumen;
Wiedergeben eines Satzes von Pixeldaten aus den gespei cherten gewonnenen Pixeldaten, wobei der Pixeldatensatz einem interessierenden Volumen in dem Objektvolumen entspricht;
Filtern des Pixeldatensatzes zur Verminderung von Flecken (Speckle);
Projizieren des gefilterten Pixeldatensatzes auf eine erste Abbildungsebene, die nicht der Abtastebene entspricht, wobei ein ein erstes projiziertes Bild repräsentierender projizierter Datensatz gebildet wird; und
bildliches Darstellen des ersten projizierten Bildes.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, daß jeder Filterschritt eine Verarbeitung des Pixelda tensatzes durch ein Faltungsfilter mit einem n × n Kernel und mit n ≧ 2 enthält.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch ge kennzeichnet, daß n = 3 ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-19, da durch gekennzeichnet, daß das Kernel die folgenden Gewich tungsfaktoren aufweist: 111 141 111.