DE202004021722U1

DE202004021722U1 - Vorrichtung zum Gewinnen eines Volumenscans eines sich periodisch bewegenden Objekts

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Publication number: DE202004021722U1
Application number: DE202004021722U
Authority: DE
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2014-08-20
Also published as: DE102004040411A1; JP2005074225A; US20050049503A1; JP4699724B2; US6966878B2

Abstract

Vorrichtung zum Akquirieren eines Volumenscans eines sich periodisch bewegenden Objekts, zu der gehören:
ein Transducer, der ein Array von Elementen enthält, das dazu dient, Ultraschallsignale in Richtung eines interessierenden Bereichs, der ein sich periodisch bewegendes Objekt enthält, abzustrahlen und von diesem Bereich zu empfangen;
ein Sender zum Treiben des Arrays von Elementen, um das sich periodisch bewegende Objekt einmal in einer einzelnen Richtung zu scannen;
ein Empfänger zum Empfangen der Ultraschallsignale, wobei die Ultraschallsignale eine Serie benachbarter Scanebenen umfassen;
ein Arbeitsspeicher zum Speichern der Serie benachbarter Scanebenen als einen volumetrischen Datensatz; und
ein Prozessor zum Verarbeiten der Serie benachbarter Scanebenen, wobei der Prozessor basierend auf dem sich periodisch bewegenden Objekt ein Zeitintervall identifiziert und die Serie benachbarter Scanebenen basierend auf dem Zeitintervall umgruppiert.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ganz allgemein diagnostische Ultraschallsysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung Vorrichtungen zum Gewinnen eines Volumenscans eines sich periodisch bewegenden Objekts innerhalb eines Körpers.
Gegenwärtig existiert eine technische Herausforderung darin, an einem sich rasch und mehr oder weniger rhythmisch bewegenden Objekt, beispielsweise an einem embryonalen Herzen innerhalb eines Körpers, ein mehrdimensionales Ultraschallscannen durchzuführen. Zur Zeit können für das Akquirieren Volumensonden, die ein herkömmliches eindimensionales (1D-)Array aufweisen, das mechanisch in der Elevationsrichtung bewegt wird, sowie elektronisch gesteuerte 2D-Arrays verwendet werden. Diese Technik ermöglicht es pyramidenförmige Volumen-Datensätze zu erlangen. Um das fetale Herz abzubilden, sind unabhängig davon, ob zwei- oder dreidimensionale Datensätze akquiriert werden, Akquisitionen mit hoher Framerate erforderlich. Für ein Akquirieren dreidimensionaler Datensätze in Echtzeit stellt die konstante Schallgeschwindigkeit von 1540 m/s eine Beschränkung dar; dies begrenzt die pro Sekunde zu erlangende Datenmenge, und für derartige Akquisitionen ist erlangende Datenmenge, und für derartige Akquisitionen ist daher ein Kompromiss zwischen Framerate und Bildqualität zu schließen. Um mit hohen Frameraten zu akquirieren und diese zu erreichen, muss die Zeilendichte vermindert werden, was sich sehr nachteilig auf die laterale und vertikale Auflösung auswirkt.
Ein Ansatz baut darauf auf, EKG-getriggerte volumetrische Akquisitionen durchzuführen, wie es in dem am 3. November 1992 Pini zugeteilten US-Patent 5 159 931 beschrieben ist, auf dessen gesamten Inhalt hier Bezug genommen ist; dieses Patent eignet sich gut für eine Bildgebung des ausgereiften Herzens, lässt sich allerdings aufgrund des Fehlens eines geeigneten fetalen EKG-Signals im Allgemeinen nicht für das fetale Herz verwenden. Alternativ ist es möglich, an einigen mittels eines Positionssensors aufgezeichneten festen Positionen Daten mehrerer Herzzyklen zu akquirieren, und mittels Fourier-Transformationsverfahren, wie in Nelson et al., "Three Dimensional Echocardiographic Evaluation of Fetal Heart Anatomy and Function: Acquisition, Analysis, and Display", J Ultraschall-Med. 15:1-9, 1996, beschrieben, auf dessen gesamten Inhalt hier Bezug genommen ist, Kardiabewegungsdaten zu ermitteln. Ein weiteres Problem stellt sich bei einer Bildgebung eines fetalen Herzens mittels zweidimensionaler fetaler Echokardiographie, während einer frühen Schwangerschaft, wo die Beziehung zwischen Fötus und Fruchtwasser relativ viel Bewegung zulässt. Falls der Fötus sehr aktiv ist, kann es zeitaufwendig oder unmöglich sein, während der zeitlich festgesetzten Untersuchung eine ausreichende Menge kardialer Daten zu erlangen.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem System zum Gewinnen mehrdimensionaler Datensätze eines rasch sich bewegenden Objekts innerhalb eines Körper, das die oben erwähnten und sonstige bisher vorhandene Probleme angeht.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zu einem mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausführbaren Verfahren zum Verarbeiten eines Volumenscans eines sich periodisch bewegenden Objekts gehört der Schritt eines Durchführens eines Volumenscans an einem sich periodisch bewegenden Objekt. Innerhalb des Volumenscans wird ein Zeitintervall einer periodischen Bewegung des Objekts identifiziert, und der Volumenscan wird basierend auf dem Zeitintervall umgruppiert.
Zu einem weiteren mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausführbaren Verfahren zum Gewinnen eines diagnostischen Bildes eines sich periodisch bewegenden Objekts gehört ein Akquirieren einer Serie von Scanebenen. Die Serie von Scanebenen weist ein sich bewegendes Objekt auf, das über die Zeit hinweg einen Bewegungszyklus wiederholt, und die Serie von Scanebenen wird über mindestens zwei Bewegungszyklen hinweg erfasst. Innerhalb jeder Serie von Scanebenen wird mindestens ein interessierender gemeinsamer Punkt identifiziert. Zwischen der Serie von Scanebenen werden Intensitätswerte der interessierenden gemeinsamen Punkte verglichen. Mindestens zwei Intensitätswerte werden basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs identifiziert, und die Serie von Scanebenen wird basierend auf den Intensitätswerten umgruppiert.
In einem Ausführungsbeispiel enthält eine Vorrichtung zum Akquirieren eines Volumenscans eines sich periodisch bewegenden Objekts einen Transducer mit einem Array von Elementen, die dazu dienen, in Richtung eines interessierenden Bereichs Ultraschallsignale abzustrahlen und aus diesem Bereich zu empfangen. Der interessierende Bereich weist ein sich periodisch bewegendes Objekt auf. Ein Sender treibt den Array von Elementen, um das sich periodisch bewegende Objekt einmal in eine einzige Richtung zu scannen. Ein Empfänger empfängt die Ultraschallsignale, die eine Serie benachbarter Scanebenen umfassen. Ein Arbeitsspeicher speichert die Serie benachbarter Scanebenen als einen volumetrischen Datensatz, und ein Prozessor verarbeitet die Serie benachbarter Scanebenen. Der Prozessor identifiziert auf der Grundlage des sich periodisch bewegenden Objekts ein Zeitintervall, und gruppiert die Serie benachbarter Scanebenen basierend auf dem Zeitintervall um.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines Ultraschallsystems, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
2 veranschaulicht ein Ultraschallsystem, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
3 veranschaulicht eine Serie von Scanprojektionsebenen, die durch das Ultraschallsystem von 1 und/oder 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erlangt sind.
4 veranschaulicht eine Serie benachbarter Scanebenen, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erlangt sind.
5 veranschaulicht ein zweidimensionales Schnittbild der benachbarten Scanebenen von 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6 veranschaulicht eine graphische Darstellung einer Intensität für einen Punkt x, y über die Zeit und den Raum, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7 veranschaulicht eine Autokorrelation einer Intensitätskurve eines Punktes x, y gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
8 veranschaulicht eine Autokorrelation einer Intensitätskurve eines Punktes x, y gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
9 veranschaulicht ein einzelnes zweidimensionales Bild gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
10 veranschaulicht eine aufsummierte Autokorrelation gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
11 veranschaulicht eine Serie benachbarter Scanebenen, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erlangt sind.
12 veranschaulicht eine Serie von Volumina, die den Untergruppen von Scanebenen von 11 entsprechen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
13 veranschaulicht eine Serie von Scanebenen eines fetalen Herzens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 veranschaulicht ein Blockschaltbild eines Ultraschallsystems 100, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Das Ultraschallsystem 100 umfasst einen Sender 102, der Transducer 104 innerhalb einer Sonde 106 treibt, um gepulste Ultraschallsignale in einen Körper zu emittieren. Vielfältige Geometrien können verwendet werden. Die Ultraschallsignale werden von Strukturen in dem Körper, wie Blutzellen oder Muskelgewebe rückgestreut, um Echos zu erzeugen, die zu dem Transducer 104 zurückkehren. Die Echos werden von einem Empfänger 108 empfangen. Die empfangenen Echos werden durch einen Strahlformer 110 gelenkt, der Strahlformung ausführt und ein HF-Signal ausgibt. Das HF-Signal wird anschließend von einem HF-Prozessor 112 verarbeitet. Alternativ kann der HF-Prozessor 112 einen (nicht gezeigten) Komplex-Demodulator enthalten, der das HF-Signal demoduliert, um IQ-Datenpaare zu bilden, die die Echosignale repräsentieren. Die HF- oder IQ-Signaldaten können anschließend für eine vorübergehende Speicherung unmittelbar in einen HF/IQ-Puffer 114 verzweigt werden.
Das Ultraschallsystem 100 enthält ferner einen Signalprozessor 116, um die erlangten Ultraschalldaten (d. h. HF-Signaldaten oder IQ-Datenpaare) zu verarbeiten und Frames von Ultraschalldaten zur Wiedergabe auf einem Displaysystem 118 herzustellen. Der Signalprozessor 116 ist eingerichtet, um an den erlangten Ultraschalldaten gemäß einer Vielzahl von auswählbaren Ultraschallbetriebsarten ein oder mehrere Verarbeitungsschritte durchzuführen. Der Signalprozessor 116 kann daher dafür eingesetzt werden, die Funktionen eines STIC-Analysierers und -konverters 42 (STIC: Spatial and Temporal Image Correlation – räumliche und zeitliche Bildkorrelation) und eines Volumendisplayprozessors 46, wie sie unten beschriebenen sind, auszuführen. Gewonnene Ultraschalldaten können in einem Scandurchlauf während die Echosignale empfangen werden in Echtzeit verarbeitet werden. Darüber hinaus oder alternativ können die Ultraschalldaten in einem Scandurchlauf vorübergehend in einem HF/IQ-Puffer 114 gespeichert und in einem Live- oder Offlinebetrieb schneller als in Echtzeit verarbeitet werden. Ein Bildpuffer 122 ist vorhanden, um verarbeitete Frames erlangter Ultraschalldaten zu speichern, die nicht für eine unmittelbare Wiedergabe bestimmt sind. Der Bildpuffer 122 kann ein beliebiges bekanntes Datenspeichermedium sein.
2 veranschaulicht ein gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konstruiertes Ultraschallsystem. Das System verfügt über eine Sonde 10, die mit einem Sender 12 und einem Empfänger 14 verbunden ist. Die Sonde 10 sendet Ultraschallpulse aus und empfängt von Strukturen innerhalb eines gescannten Ultraschallvolumens 16 ausgehende Echos. Ein Arbeitsspeicher 20 speichert von dem Empfänger 14 ausgegebene, aus dem gescannten Ultraschallvolumen 16 abgeleitete Ultraschalldaten. Das Volumen 16 kann durch vielfältige Techniken gewonnen werden (z. B. dreidimensionales Scannen, 3D-Bildgebung in Echtzeit, Volumenscannen, 2D-Scannen mit Transducern, die Positionierungssensoren aufweisen, Freihandscannen unter Verwendung eines Volumenelementkorrelationsverfahrens, 2D- oder Matrix-Array-Transducer und dergleichen).
Der Transducer 10 wird beispielsweise während des Scannen eines interessierenden Bereichs (ROI = Region Of Interest) entlang einem geraden oder gekrümmten Pfad bewegt. An jeder Geraden- oder Kurvenposition gewinnt der Transducer 10 Scanebenen 18. Die Scanebenen 18 werden in dem Arbeitsspeicher 20 gespeichert und anschließend an einen einer räumlichen und zeitlichen Bildkorrelation dienenden (STIC-)Analysierer und -konverter 42 übermittelt. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Transducer 10 Zeilen anstelle von Scanebenen 18 gewinnen, und der Arbeitsspeicher 20 kann die durch den Transducer 10 erhaltenen Zeilen anstelle der Scanebenen 18 speichern. Die Daten durch den STIC-Analysierer und -konverter 42 ausgegebenen Daten werden in einem Volumen-Arbeitsspeicher 44 gespeichert und ein Volumendisplayprozessor 46 greift auf diese zu. Der Volumendisplayprozessor 46 führt an den Daten ein Volumenrendern und/oder andere Bildverarbeitungstechniken durch. Die Ausgangssignale des Volumendisplayprozessors 46 werden an den Videoprozessor 50 und ein Display 67 übermittelt.
Die Position jedes Echosignalabtastwerts (Volumenelements) ist durch geometrische Genauigkeit (d. h. den Abstand von einem Volumenelement zum nächsten), durch eine Ultraschallantwort und durch von der Ultraschallantwort abgeleitete Werte definiert. Geeignete Ultraschallantworten können beispielsweise B-Flow-, Graustufen-, Colour-Flow-Werte und Angio- oder Power-Doppler-Daten sein.
3 veranschaulicht eine Serie von Scanprojektionsebenen, die durch das Ultraschallsystem 100 von 1 und/oder 2 erlangt sind. Jede Linie 150–156 repräsentiert eine in die Zeichenebene verlaufende Scanebene, und die Elevation 164 des Scans ist angegeben. Obwohl in 3 die Scanebenen fächerförmig veranschaulicht sind, sollte es klar sein, dass die Fächergestalt nicht als beschränkend zu werten ist, und dass auch andere Formen, wie ein Rechteck mit beispielsweise parallelen Scanebenen akquiriert werden können. Die nachfolgende Erörterung basiert zwar auf einem Akquirieren von Daten, die das fetale Herz repräsentieren, jedoch sollte es klar sein, dass andere sich periodisch bewegende Objekte in ähnlicher Weise gescannt und verarbeitet werden können, z. B. ein ausgereiftes Herz, eine Herzklappe, eine Arterie, eine Vene und dergleichen. Obwohl es sich bei der erörterten Modalität um Ultraschall handelt, können die Bildakquisitions- und Verarbeitungstechniken auch im Zusammenhang mit anderen Modalitäten, beispielsweise CT, MRI (Magnetresonanzbildgebung) und dergleichen eingesetzt werden.
Ähnlich sind die durch das Ultraschallsystem 100 erlangten Daten nicht ausschließlich auf B-Mode-Daten beschränkt, sondern können auch Daten enthalten, die sich aus einem Ermitteln einiger Linien desselben Abtastvolumens ergeben (z. B. Farbdoppler, Leistungsdoppler, Gewebedoppler, B-Flow, codierte Anregung, harmonische Bildgebung, und dergleichen). Diese Daten unterschiedlicher Ultraschallbetriebsarten oder Scan-Techniken können auch gleichzeitig erlangt sein, und können für eine Analyse und/oder eine Wiedergabe verwendet werden.
Die Sonde 10 wird während der Akquisition in einer Position gehalten, und ist positioniert, um Daten zu akquirieren, die das interessierende Element, z. B. das fetale Herz kennzeichnen. Die Transducer 104, oder das Array von Transducern 104 werden elektronisch oder mechanisch so fokussiert, dass Ultraschallpulse longitudinal gerichtet sind, um entlang benachbarter Scanebenen zu scannen, und ein externes Erfassen der Position ist nicht erforderlich.
Eine einzelne, langsame, Akquisitionsüberstreichung, die benachbarte Scanebenen 18 akquiriert, kann beispielsweise an einem Rand 158 beginnen und an einem Rand 160 enden. Es können auch andere Anfangs- und Endpunkte der Akquisitionsüber streichung verwendet werden. Lediglich als Beispiel, kann die Akquisitionsüberstreichung einen Überstreichungswinkel 162 von 20 Grad aufweisen und eine Zeitspanne dauern, die mehrere oder mindestens zwei Bewegungszyklen des fetalen Herzens einschließt. Es können andere Überstreichungswinkel 162 verwendet werden. Die Akquisitionsüberstreichung kann durchgeführt werden, indem der Fokus der Ultraschallpulse kontinuierlich bewegt wird, oder indem der Fokus in kleinen Schritten verändert wird.
Alternativ kann die Akquisitionsüberstreichung eine Akquisitionszeitperiode aufweisen, die mehrere Bewegungszyklen abdeckt, und der Überstreichungswinkel 162 kann verändert werden, um die Art und/oder Maße der zu scannenden Anatomie zu berücksichtigen. Mit einer Akquisition, die eine längere Akquisitionszeit aufweist, werden mehr Daten gewonnen, und die räumliche Auflösung ist im Vergleich zu einem in einer kürzeren Akquisitionszeit durchgeführten Scan besser. Eine Akquisition mit einer höheren Framerate wird eine bessere zeitliche Auflösung ergeben als ein mit einer geringeren Framerate akquirierter Scan. Die Transducer 104 sind geeignet fokussiert, um die benachbarten Scanebenen 18 in einem räumlich sehr geringen Abstand zu akquirieren.
Jede durch die Linien 150–156 in 3 veranschaulichte Scanebene stellt ein zweidimensionales Bild mit einer zeitlichen Auflösung dar. Falls sich die zeitliche Auflösung innerhalb eines Bereichs von, lediglich beispielsweise, 50–150 Hz befindet, können bei einer Akquisitionszeit von 10 Sekunden und einem Überstreichungswinkel 162 von 20 Grad dementspre chende 50–150 Scanebenen für je 2 Grade eines Überstreichungswinkels 162 akquirierte werden. Die zeitliche Auflösung ist nicht durch dieses Beispiel beschränkt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht sämtliche Scanebenen veranschaulicht.
13 veranschaulicht eine Serie von Scanebenen 310 eines fetalen Herzens. Das Schlagen des fetalen Herzens während der Akquisition ruft nach einem rhythmischen Muster ablaufende Änderungen des Durchmessers des Herzens hervor. Die Scanebenen werden in der aus Raum und Zeit 312 kombinierten Richtung akquiriert. Markierungen 314 und 316 sind angegeben, um die fetale Herzfrequenz zu veranschaulichen. Ein Berechnen der fetalen Herzfrequenz wird weiter unten erörtert.
4 veranschaulicht eine Serie benachbarter Scanebenen 170, wie die in 3 akquirierten benachbarten Scanebenen. Die Scanebenen sind über eine kombinierte Darstellung von Raum und Zeit 176 veranschaulicht, die, wie angezeigt, axiale 172 und azimutale 174 Richtungen aufweist. Die Elevation verläuft dementsprechend senkrecht zu den Scanebenen 170. Ein zweidimensionales Bild 178, das Daten enthält, die eine Scanebene des fetalen Herzens kennzeichnen, ist an dem Ende der benachbarten Scanebenen 170 dargestellt. Wie auch 13 zu entnehmen, enthält das zweidimensionale Bild 318 ebenfalls Daten einer Scanebene des fetalen Herzens.
5 veranschaulicht ein zweidimensionales Schnittbild 190 der benachbarten Scanebenen 170 von 4. Eine Bildkor relationstechnik wird verwendet, um die Bewegung des fetalen Herzens aus den Scanebenendaten zu extrahieren.
Indem wieder auf 4 eingegangen wird, wählt der Signalprozessor 116 eine mit Punkt 182 bezeichnete x,y-Koordinate aus den Bildakquirierungssystemkoordinaten aus. Lediglich als Beispiel, können die Koordinaten polar, kartesisch und dergleichen sein, und sind nicht auf eine spezielle Akquirierungsgeometrie beschränkt. Der Punkt 182 wird in jeder Scanebene identifiziert. In 5 ist eine Linie 192 veranschaulicht. Die Linie 192 entspricht den Punkten 182 und verläuft demgemäß durch die Serie benachbarter Scanebenen 170 mit derselben x,y-Koordinate.
6 veranschaulicht eine graphische Darstellung einer Intensität 194 für den Punkt 182 über die Zeit und den Raum 196 hinweg. Es wird daher für den Punkt 182 in jedem Einzelbild ein Intensitätswert identifiziert und über die Zeit hinweg als eine Intensitätskurve 198 wiedergegeben. Die periodische Bewegung des fetalen Herzens führt eine periodische Intensitätsänderung ein (wie sie durch das rhythmische Muster der Intensitätskurve 198 veranschaulicht ist). Die Intensitätsschwankungen werden mittels des STIC-Analysierers und -konverters 42 analysiert, um Bewegungsdaten zu erhalten. Es ist selbstverständlich, dass die graphische Darstellung 200 lediglich zur Veranschaulichung dient, und dass andere Verfahren verwendet werden können, z. B. ein Speichern der identifizierten Intensitätswerte in einem Arbeitsspeicher 20, Volumen-Arbeitsspeicher 44 oder Bildpuffer 122.
7 veranschaulicht eine Autokorrelation 184 der Intensitätskurve 198. Die Autokorrelation 184 kann durch den STIC-Analysierer und -konverter 42 mittels der Autokorrelationsfunktion der Intensitätskurve 198 berechnet werden, beispielsweise anhand der folgenden Gleichung: A(y) = ∫s(x)·s(x – y)dxwobei A(y) die Autokorrelationsfunktion des Signals s ist, x die Integrationsvariable in dem Raumzeitbereich ist, y das Nacheilen der Autokorrelationsfunktion ist und s die Intensitätskurve 198 bedeutet.
Durch Berechnen der Autokorrelation 184 wird ein Scheitelpunkt 202 an einer Null-Position identifiziert. Der Scheitelpunkt 202 ist der höchste Scheitelpunkt bzw. der Scheitelpunkt mit der höchsten Energie. Der STIC-Analysierer und -konverter 42 identifiziert anschließend ein erstes signifikantes lokales Maximum 204, das den Scheitelpunkt mit der zweithöchsten Energie darstellt. Der STIC-Analysierer und -konverter 42 berechnet ein Zeitintervall 206 zwischen dem Scheitelpunkt 202 und dem ersten signifikanten lokalen Maximum 204. Das Zeitintervall 206 identifiziert die Periode des Herzzyklus. Sobald das Zeitintervall 206 bekannt ist, ermittelt der STIC-Analysierer und -konverter 42, wie viele benachbarte Scanebenen in dem Zeitintervall 206 akquiriert wurden.
Alternativ kann der Herzzyklus mittels einer schnellen Fourier-Transformationsanalyse (FFT) berechnet werden. Der STIC-Analysierer und -konverter 42 oder der Signalprozessor 116 kann die Frequenz der Bewegung anhand des Ortes des ersten signifikanten lokalen Maximums 204 in einem Energiespektrum der Intensitätskurve 198 identifizieren. Darüber hinaus können Dopplerverfahren eingesetzt werden, um die Geschwindigkeit einer Gewebebewegung zu bestimmen, um spezielle Bewegungszustände (z. B. Systole, Diastole, etc.) des Objekts zu identifizieren.
8 veranschaulicht eine Autokorrelation 210 der Intensitätskurve 208 (von 5). Die Autokorrelationsfunktion wurde der Intensitätskurve 208 entnommen, die einem außerhalb des Herzens identifizierten Punkt 186 entspricht (siehe 4). Folglich ist wenig oder keinerlei periodische Bewegung vorhanden, und die Intensitätskurve 208 kann lediglich eine signifikante Spitze 212 aufweisen. Ein Zeitintervall kann nicht berechnet werden.
9 veranschaulicht ein einzelnes zweidimensionales Bild 220, das dem zweidimensionalen Bild 178 von 4 ähnelt. Zur Vereinfachung kann angenommen werden, dass sich das Herz oder ein anderes sich bewegendes interessierendes Objekt etwa in der Mitte des zweidimensionalen Bildes 220 befindet. Der Signalprozessor definiert somit einen um einen Innenbereich 232 des zweidimensionalen Bildes 220 verlaufenden Rand 222. Der Rand 222 kann durch eine vorgegebene Anzahl von Pixeln von der Oberseite 224, Unterseite 226 und den Seiten 228, 230 in Richtung des Innenbereichs 232 des zweidimensio nalen Bildes 220 definiert sein. Der Rand 222 muss nicht zu sämtlichen Rändern symmetrisch verlaufen.
Der STIC-Analysierer und -konverter 42 definiert innerhalb des Innenbereichs 232 eine Anzahl von Punkten 234 (ähnlich den Punkten 182 und 186 von 4). Die Anzahl von Punkten 234 können durch ein Muster mit einer definierten Abmessung und Auflösung vorgegeben sein. Beispielsweise kann das Muster einem Schachbrett ähneln, bei dem jeder zweite Punkt gewählt wird. Alternativ kann jeder 4te oder 10te Punkt gewählt werden. Das Muster kann nach Belieben des Benutzers oder abhängig von der zu scannenden Anatomie verändert werden. Beispielsweise können für ein fetales Herz, eine Herzklappe, eine Arterie und dergleichen jeweils unterschiedliche Muster angeboten werden. Optional kann der STIC-Analysierer und -konverter 42 nach einem Zufallsprinzip innerhalb des Innenbereichs 232 eine vordefinierte Anzahl von Punkten 234 auswählen. Die Anzahl von Punkten 234 und/oder die Abmessung und Auflösung des Musters kann abhängig von Faktoren wie der Verarbeitungsgeschwindigkeit, Bildauflösung und dergleichen variieren.
Indem wieder auf 5 eingegangen wird, ist für jeden Punkt aus der Anzahl von Punkten 234 (9) eine Linie (ähnliche den Linien 192 und 208) definiert. Für sämtliche Linien, die jeweils der Anzahl von Punkten 234 entsprechen, wird eine Intensitätskurve 198 (6) oder werden Intensitätswerte definiert. Von jeder Intensitätskurve 198 wird anschließend die Autokorrelation 184 abgeleitet.
Obwohl 9 ein zweidimensionales Bild repräsentiert, ist es selbstverständlich, dass das oben erwähnte Verfahren auch auf Daten angewandt werden kann, die mittels anderer Akquisitionsmodi, beispielsweise Doppler, B-Flow, und dergleichen akquiriert wurden.
10 veranschaulicht eine aufsummierte Autokorrelation 240. Der STIC-Analysierer und -konverter 42 summiert die für jeden Punkt aus der Anzahl von Punkten 234 abgeleiteten Autokorrelationen. Durch Summieren der Autokorrelationen wird ein Rauschen 214 (7) wirkungsvoll aus der aufsummierten Autokorrelation 240 herausgefiltert. Darüber hinaus hindern Punkte, die in Bereichen angeordnet sind, die keine Bewegung erfahren, z. B. ober- oder unterhalb des Herzens angeordnete Punkte (Punkt 186), den STIC-Analysierer und -konverter 42 nicht an einer Berechnung des Durchschnittszeitintervalls 246. Alternativ kann zum Filtern des Rauschens 214 zusätzlich ein Filter oder eine Fensterfunktion verwendet werden.
Der STIC-Analysierer und -konverter 42 identifiziert, wie zuvor erörtert, einen Scheitelpunkt 242 (mit der höchsten Intensität) bei Null und ein erstes signifikantes lokales Maximum 244. Das zwischen dem Null-Scheitelpunkt 242 und dem ersten signifikanten lokalen Maximum 244 berechnete Zeitintervall stellt das Durchschnittszeitintervall 246 eines einzelnen Bewegungszyklus dar. Der STIC-Analysierer und -konverter 42 ermittelt nun die Anzahl von Scanebenen, die innerhalb des Durchschnittszeitintervalls 246 oder des Herzzyklus auftreten.
11 veranschaulicht eine Serie benachbarter Scanebenen 250, ähnlich den benachbarten Scanebenen 170 von 4. Zeitintervalle 252–258 untergliedern die Serie benachbarter Scanebenen 250 in die durch den STIC-Analysierer und -konverter 42 ermittelte Anzahl von Schichtbildern. Der Ort der Zeitintervalle 252–258 innerhalb der Serie benachbarter Scanebenen 250 muss nicht dem Beginn und Ende des Herzzyklus entsprechen. Der STIC-Analysierer und -konverter 42 kann daher eine beliebige Scanebene innerhalb der Serie benachbarter Scanebenen 250 auswählen, um mit dem Unterteilen der Daten in Zeitintervalle 252–258 zu beginnen. Der STIC-Analysierer und -konverter 42 kann sich durch die Serie benachbarter Scanebenen 250 nach vorne und nach hinten bewegen, um die Daten in die Zeitintervalle 252–258 zu unterteilen. Lediglich als Beispiel, weist die Serie benachbarter Scanebenen 250 innerhalb jedes Zeitintervalls 252–258 4 Scanebenen auf. Das Zeitintervall 252 enthält Scanebenen 260–266, das Zeitintervall 254 enthält Scanebenen 268–274, das Zeitintervall 256 enthält Scanebenen 276–282 und das Zeitintervall 258 enthält Scanebenen 284–290. Wenn allerdings, wie zuvor erörtert, eine Bildgebung an einem fetalen Herzen oder einer sonstigen Anatomie vorgenommen wird, wird in der Regel eine wesentlich höhere Anzahl von Scanebenen innerhalb jedes Zeitintervalls 252–258 akquiriert.
Der STIC-Analysierer und -konverter 42 gruppiert die Reihenfolge der Scanebenen 260–290 um und kombiniert die Scanebenen, die in derselben Phase oder zum selben Zeitpunkt innerhalb des Herzzyklus, jedoch von einer anderen seitlichen Position akquiriert wurden, zu einem Volumen. Wie in 11 zu sehen, wurden Scanebenen A1 260, B1 268, C1 276 und D1 284 innerhalb des Herzzyklus während derselben Phase akquiriert. In ähnlicher Weise wurde jede der folgenden Untergruppen von Scanebenen [Scanebenen A2 262, B2 270, C2 278, D2 286], [Scanebenen A3 264, B3 272, C3 280, D3 288] und [Scanebenen A4 266, B4 274, C4 282, D4 290] innerhalb des Herzzyklus während derselben Phase akquiriert.
12 veranschaulicht eine Serie von Volumina 292, die den Untergruppen der Scanebenen 260–290 von 11 entsprechen. Während das Volumen 250 von 11 zwei rein räumliche Dimensionen und eine kombinierte räumliche-zeitliche Dimension verkörpert, weist jedes der Volumina 294–300 von 12 3 rein räumliche Dimensionen auf und deckt Daten ab, die von einem (bezüglich des Herzzyklus) einzigen Zeitpunkt stammen.
Der STIC-Analysierer und -konverter 42 kombiniert jede Untergruppe von Scanebenen 260–290 zu einem Volumen. Dementsprechend enthält das Volumen 1 294 die Bilddaten der Scanebenen A1 260, B1 268, C1 276 und D1 284. Das Volumen 2 296 enthält die Bilddaten der Scanebenen A2 262, B2 270, C2 278 und D2 286. Das Volumen 3 298 enthält die Bilddaten der Scanebenen A3 264, B3 272, C3 280 und D3 288. Das Volumen 4 enthält die Bilddaten der Scanebenen A4 266, B4 274, C4 282 und D4 290. Jedes Volumen 294–300 stellt eine Momentaufnahme des fetalen Herzens während eines einzelnen Herzschlags dar.
Die Serie der Volumina 292 kann in drei senkrechten Ebenen in einem Zyklus wiedergegeben werden, beispielsweise in Form einer Cine-Schleife, die es einem Benutzer ermöglicht, durch die Volumina 294–300 zu navigieren und einzelne Volumina zu betrachten. Bei einer Bildgebung eines fetalen Herzens können beispielsweise etwa 40–60 Volumina 294–300 erzeugt und auf einem Display 67 wiedergegeben werden. Jedes der 40–60 Volumina 294–300 repräsentiert einen bestimmten Punkt innerhalb des Herzzyklus.
Alternativ können die Daten auf anderen Wegen verarbeitet und angezeigt werden. Beispielsweise kann der Volumendisplayprozessor 46 die Bilddaten rendern, um die innere dreidimensionale Struktur des Herzens zu zeigen. Beispielsweise können Projektionen maximaler Intensität, minimaler Intensität, mittlerer Intensität und dergleichen berechnet und angezeigt werden. Ferner kann ein einzelnes Volumen 294–300 oder ein Bereich oder eine Schicht eines Volumens 294–300 für eine Wiedergabe ausgewählt werden. Der ausgewählte Bereich kann auf dem Display 67 gedreht oder unabhängig von den übrigen Volumendaten weiterverarbeitet werden. Darüber hinaus kann ein anatomisches M-Modus-Bild, das einen einzelnen ausgewählten Punkt innerhalb der Volumina repräsentiert zeitlich angezeigt werden. Die Herzfrequenz und/oder andere Daten können ebenfalls angezeigt werden.
Wenn die Serie von Volumina 292 erst einmal erzeugt ist, kann diese in einem Arbeitsspeicher, z. B. in einem Ultraschalldatenspeicher 20, in einem Bildpuffer 122, auf einer Festplatte, auf einer Diskette, CD oder auf einem DVD-Laufwerk oder auf einem Server auf einem Netzwerk gespeichert werden. Die Serie von Volumina 292 und/oder die unverarbeiteten volumetrischen Daten können ferner über ein Netzwerk oder eines der oben erwähnten transportierbaren Speichermedien übertragen werden, um an einem anderen Ort weiter verarbeitet und, nachdem der Patient die Untersuchung verlassen hat, überprüft zu werden. Die Tatsache, dass die Daten für eine spätere Durchsicht und Verarbeitung zur Verfügung stehen, ist insbesondere im Falle eines frühen Stadiums einer Schwangerschaft von Vorteil, wenn die Beziehung zwischen Fötus und Fruchtwasser relativ viel Bewegung zulässt. Nachdem die Daten akquiriert sind, stellt eine fetale Bewegung kein Problem mehr dar, wie es im Zusammenhang mit der zweidimensionalen fetalen Echokardiographie zuvor erörtert wurde.
Es wird eine Vorrichtung zum Akquirieren und Verarbeiten eines Volumenscans eines sich periodisch bewegenden Objekts geschaffen. An dem sich periodisch bewegenden Objekt, das einen über die Zeit hinweg sich wiederholenden Bewegungszyklus ausführt, wird ein Volumenscan durchgeführt. Innerhalb des Volumenscans wird ein Zeitintervall 206 der periodischen Bewegung des Objekts identifiziert, und der Volumenscan wird basierend auf dem Zeitintervall 206 umgruppiert.
Während die Erfindung anhand vielfältiger spezieller Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass es möglich ist, die Erfindung mit Abwandlungen zu verwirklichen, ohne von dem Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen.

10: Sonde
12: Sender
14: Empfänger
16: Volumen
18: Scanebenen
20: Arbeitsspeicher
42: STIC-Analysierer und -konverter (STIC = räumliche und zeitliche Bildkorrelation)
44: Volumen-Arbeitsspeicher
46: Volumendisplayprozessor
50: Bildprozessor
67: Display
100: Ultraschallsystem
102: Sender
104: Transducer
106: Sonde
108: Empfänger
110: Strahlformer
112: HF-Prozessor
114: HF/IQ-Puffer
116: Signalprozessor
118: Displaysystem
122: Bildpuffer
150: Linie
152: Linie
154: Linie
156: Linie
158: Rand
160: Rand
162: Überstreichungswinkel
164: Elevation
170: benachbarte Scanebenen
172: Axiale
174: Azimut
176: Zeit
178: 2D-Bild
182: Punkt
184: Autokorrelation
186: Punkt
190: 2D-Schnittbild
192: Linie
194: Intensität
196: Zeit und Raum
198: Intensitätskurve
200: Plot
202: Scheitelpunkt
204: Erstes signifikantes lokales Maximum
206: Durchschnittszeitintervall
208: Linie
210: Autokorrelation
212: Signifikante Spitze
220: 2D-Bilder
222: Rand
224: Oberseite
226: Unterseite
228: Seite
230: Seite
232: Innenbereich
234: Anzahl von Punkten
240: Summierte Autokorrelation
242: Scheitelpunkt
244: Erstes signifikantes lokales Maximum
246: Durchschnittszeitintervall
250: Serie benachbarter Scanebenen
252: Zeitintervall
254: Zeitintervall
256: Zeitintervall
258: Zeitintervall
260: Scanebene A1
262: Scanebene A2
264: Scanebene A3
266: Scanebene A4
268: Scanebene B1
270: Scanebene B2
272: Scanebene B3
274: Scanebene B4
276: Scanebene C1
278: Scanebene C2
280: Scanebene C3
282: Scanebene C4
284: Scanebene D1
286: Scanebene D2
288: Scanebene D3
290: Scanebene D4
292: Serie von Volumina
294: Volumen 1
296: Volumen 2
298: Volumen 3
300: Volumen 4
310: Serie von Scanebenen
312: Raum und Zeit
314: Markierung
316: Markierung
318: 2D-Bild

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5159931 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Nelson et al., ”Three Dimensional Echocardiographic Evaluation of Fetal Heart Anatomy and Function: Acquisition, Analysis, and Display”, J Ultraschall-Med. 15:1-9, 1996 [0003]

Claims

Vorrichtung zum Akquirieren eines Volumenscans eines sich periodisch bewegenden Objekts, zu der gehören: ein Transducer, der ein Array von Elementen enthält, das dazu dient, Ultraschallsignale in Richtung eines interessierenden Bereichs, der ein sich periodisch bewegendes Objekt enthält, abzustrahlen und von diesem Bereich zu empfangen; ein Sender zum Treiben des Arrays von Elementen, um das sich periodisch bewegende Objekt einmal in einer einzelnen Richtung zu scannen; ein Empfänger zum Empfangen der Ultraschallsignale, wobei die Ultraschallsignale eine Serie benachbarter Scanebenen umfassen; ein Arbeitsspeicher zum Speichern der Serie benachbarter Scanebenen als einen volumetrischen Datensatz; und ein Prozessor zum Verarbeiten der Serie benachbarter Scanebenen, wobei der Prozessor basierend auf dem sich periodisch bewegenden Objekt ein Zeitintervall identifiziert und die Serie benachbarter Scanebenen basierend auf dem Zeitintervall umgruppiert.
Vorrichtung zum Akquirieren eines Volumenscans eines sich periodisch bewegenden Objekts, zu der gehören: ein Transducer, der ein Array von Elementen enthält, das dazu dient, Ultraschallsignale in Richtung eines interessierenden Bereichs, der ein sich periodisch bewegendes Objekt enthält, abzustrahlen und von diesem Bereich zu empfangen; ein Sender zum Treiben des Arrays von Elementen, um das sich periodisch bewegende Objekt einmal in einer einzelnen Richtung zu scannen; ein Empfänger zum Empfangen der Ultraschallsignale, wobei die Ultraschallsignale eine Serie benachbarter Scanebenen umfassen; ein Arbeitsspeicher zum Speichern der Serie benachbarter Scanebenen als einen volumetrischen Datensatz; und ein Prozessor zum Verarbeiten der Serie benachbarter Scanebenen, wobei der Prozessor basierend auf dem sich periodisch bewegenden Objekt basierend auf Bewegungsinformationen, die von den Serien benachbarter Scanebenen bestimmt werden, ein Zeitintervall identifiziert und die Serie benachbarter Scanebenen basierend auf dem Zeitintervall umgruppiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das sich bewegende Objekt ein fetales Herz, ein Herz, eine Herzklappe, eine Vene oder eine Arterie enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Prozessor weiterhin eingerichtet ist zum: Identifizieren wenigstens eines gemeinsamen Punktes auf jeder der Scanebenen; Identifizieren von Intensitätswerten des wenigstens einen gemeinsamen Punktes; Bestimmen von wenigstens zwei Spitzenintensitätswerten, wobei das Zeitintervall auf den wenigstens zwei Spitzenintensitätswerten basiert;
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Prozessor weiterhin eingerichtet ist zum: Identifizieren mehrerer gemeinsamer interessierender Punkte auf jeder der Scanebenen; Identifizieren von Intensitätswerten für jeden der mehreren gemeinsamen Punkte; Berechnen von Autokorrelationen der Intensitätswerte; und Berechnen eines Durchschnitts der Autokorrelationen, wobei das Zeitintervall auf dem Durchschnitt basiert.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Prozessor weiterhin eingerichtet ist zum: Identifizieren mehrerer gemeinsamer interessierender Punkte auf jeder der Scanebenen; Identifizieren von Intensitätswerten der mehreren gemeinsamen Punkte; Berechnen eines Energiespektrums der Intensitätswerte; Identifizieren des Zeitintervalls basierend auf einem Nullpunkt und einem ersten signifikanten lokalen Maximum in dem Energiespektrum.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Prozessor weiterhin eingerichtet ist zum Kombinieren von Scanebenen mit einer gleichen Position innerhalb des Zeitintervalls zu einer Serie von Volumina.