DE3019436A1

DE3019436A1 - Verfahren zur verarbeitung von ultraschall-echosignalen von sowohl gerichtet reflektierenden als auch ungerichtet streuenden objektiven, insbesondere zur ultraschall-bildverarbeitung auf dem gebiet der stoff- oder gewebsuntersuchung

Info

Publication number: DE3019436A1
Application number: DE19803019436
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr.phil. 8013 Haar Hundt; Elmar Dr.rer.nat. 8011 Eglharting Trautenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-05-21
Filing date: 1980-05-21
Publication date: 1981-11-26
Also published as: US4407163A

Description

SIEMENS AETIENGESELLSCHAi¹T -«5 - Unser Zeichen Berlin und München VPA

Verfahren zur Verarbeitung von Ultraschall-Echosignalen von sowohl gerichtet reflektierenden als auch ungerichtet streuenden Objekten, insbesondere zur Ultraschall-Bildverarbeitung auf dem Gebiet der Stoff- oder Gewebsuntersuchung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verarbeitung von Ultraschall-Echosignalen von sowohl gerichtet reflektierenden als auch ungerichtet streuenden Objekten, insbesondere zur Ultraschall-Bildverarbeitung auf dem Gebiet der Stoff- oder Gewebsuntersuchung, bei dem Ultraschall-Echosignale aus verschiedenen Abtastrichtungen kombiniert werden.

Bekannte Verfahren zur Verarbeitung von Ultraschall-Echosignalen können Echos aus exakt reflektierenden und aus isotrop streuenden Objektbereichen nicht gleichartig gut verarbeiten. Flächen mit stark gerichteter Reflexion, wie beispielsweise Organumrisse oder Schädelknochen eines Embryos werden bei dem bekannten "B-Scan-Verfahren" gut abgebildet, sofern sie so orientiert sind, daß die reflektierten Echos auf den Empfänger treffen. Dagegen werden beim "B-Scan-Verfahren" Zentren, die isotrop streuen, nur schwach und verwischt abgebildet und können dadurch im Bild durch andere Bildelemente überdeckt werden.

Das aus bisher bekannten Anwendungen bekannte B-Scan-Bild der Ultraschall (US)-Abbildung hat neben den bereits oben erwähnten Nachteilen noch weitere Mangel. So ist u.a. die Auflösung solcher US-Bilder quer zur Ein-Strahlungsrichtung wesentlich schlechter als in Einstrahlungsrichtung. Außerdem werden Signale von einzel-

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nen Streuzentren gegenüber den stärkeren Reflexionssignalen von Flächen unterdrückt.

Diese Mangel werden teilweise dadurch überwunden, daß nach dem bekannten Compound-Scan-Verfahren B-Scan-Bilder aus mehreren Richtungen überlagert werden. Damit können reflektierende Flächen im allgemeinen recht gut abgebildet werden. Die Auflösung bei punktförmigen Streu zentren wird aber verschlechtert. Durch die Verschmierung des Punktabbildes quer zur Einstrahlungsrichtung und die Überlagerung werden punktförmige Streuzentren sternförmig verschmiert.

Bei dem bekannten Verfahren "Röntgen-Oomputer-Iomographie" wird jeder Punkt zu einem Streifen aufgeweitet bzw. gespreizt. Die so gewonnenen Streifen werden nach einer im folgenden als "Spreizbildverfahren" bezeichneten Methode gefiltert und überlagert.

Dieses Spreizbildverfahren der Röntgen-Computer-Tomographie gibt dagegen Objektteile mit lokal isotropem Streuverhalten sehr gut wieder. Bei stark anisotropen, also exakt reflektierenden Flächen treten jedoch erhebliche Bildfehler auf.

Der Versuch, das Spreizbildverfahren auf Objekte mit exakt reflektierenden Grenzen zu übertragen, muß scheitern. Dies wird verständlich, wenn man bedenkt, daß bei diesem Verfahren Streifen mit jeweils gleicher Echolaufzeit aus verschiedenen Einstrahlrichtungen überlagert werden. Ein isotrop streuendes Zentrum trägt zu jedem durch ihn gehenden Streifen mit gleicher Stärke bei und wird deshalb bei der Überlagerung an seinem Ort wiedergegeben. Ein Punkt mit exakt reflektierender Umgebung trägt nur zu einem Streifen bei. Dieser ist zur

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jeweiligen Reflexionsrichtung orthogonal. Zu den anderen Streifen durch diesen Punkt trägt er nichts bei. Bei der Überlagerurg wird er deshalb praktisch unterdrückt. Die übliche Faltung zur Filterung des aus der Überlagerung dieser Streifen gewonnenen Bildes verschlechtert das Ergebnis im Falle der exakten Reflexion noch zusätzlich. Diese Faltung ist nur korrekt bei "isotroper" Überlagerung. Fehlende Bildbeiträge geben Anlaß zu Störungen.

Umfangreiche Untersuchungen auf dem Gebiet der Ultraschall-Echobild-Erzeugung über das Reflexions- und Streuverhalten in biologischen Medien haben ergeben, daß sowohl isotropes Streuverhalten wie auch exakte Reflexion und deren Mischformen eine bestimmende Rolle spielen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verarbeitung von Ultraschall-Echosignalen von sowohl gerichtet reflektierenden als auch ungerichtet streuenden Objekten anzugeben, das insbesondere zur Ultraschall-Bildverarbeitung auf dem Gebiet der Stoff- oder Gewebsuntersuchung geeignet ist. Die erzeugten Bilder sollen gemäß der Aufgabe der Erfindung weitgehend frei von Bildverschmierungen und störenden bzw. verfälschenden Bildelementen sein.

Die vorliegende Erfindung^ht von der Erkenntnis aus, daß die gestellte Aufgabe durch das Kombinieren von überlagerten B-Scan-Bildern bzw. Teilen davon und/oder einem durch eine Faltungsrechnung korrigierten sog. Streifenbild gelöst werden kann. Die Erfindung geht ferner von der Erkenntnis aus, daß die dafür erforderlichen komplizierten und umfangreichen Berechnungen mit den Mitteln der zur Verfugung stehenden Hardware und den zur Verfügung stehenden Kenntnissen zur Entwicklung einer geeigneten Software für die Rechnertechnik durchgeführt werden können.

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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Verarbeitung von Ultraschall-Echosignalen von sowohl gerichtet reflektierenden als auch ungerichtet streuenden Objekten, insbesondere zur Ultraschall-Bildverarbeitung auf dem Gebiet der Stoff- oder Gewebsuntersuchung, bei dem Ultraschall-Echosignale aus verschiedenen Abtastrichtungen kombiniert werden, gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Erstellung eines Bildes eine Verknüpfung von VorabbäLdern, die durch Auswertung der Signale aus gerichteter Reflexion oder ungerichteter Streuung von Ultraschall-Abtastimpulsen gewonnen werden, vorgesehen ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine vorteilhafte Ultraschall(US)-Abbildung, durch das zugleich reflektierende Flächen und Streuzentreh mit verbesserter Bildqualität abgebildet werden können. Dabei werden vorteilhafterweise Flächen vollständig abgebildet. Die Auflösung quer zur Einstrahlrichtung wird verbessert. Das Verfahren bietet außerdem den Vorteil, daß das Bild von Streuzentren und das Bild der reflektierenden Flächen getrennt und mit unterschiedlichen Korrekturen (z.B. von physikalischen Störeffekten oder zur Bildverbesserung) bearbeitet werden können.

Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind durch die in den Unteranspruchen angegebenen Merkmale gekennze ichnet.
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Im folgenden wird die vorliegende Erfindung an Hand mehrerer Figuren erläutert.

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Pig. 1 zeigt schematisch den Verlauf der Reflexions- und Streucharakteristika in verschiedenen biologischen Gewebaarten bei angenommenen Echobetrieb (Sender s Empfänger).
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Pig. 2 zeigt schematisch ein Plußdiagramm für die erfindungsgemäß auszuführenden Verfahrensschritte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung.

Pig. 3 zeigt schematisch ein Plußdiagramm für die erfindungsgemäß auszuführenden Verfahrensschritte ge- ^: ~mäß einem\2fwe±ten^Ausführunggbeispiel'-"für die Erfindung.

Vie bereits erläutert, zeigt Pig. 1 schematisch den Verlauf der Reflexions- und Streucharakteristika in verschiedenen biologischen Gewebearten bei angenommenem Echobetrieb (Sender = Empfänger), wobei das Verhältnis der Signalhöhe als Punktion des Einfallswinkels U(^) zu dem Signal aus totaler Reflexion bei senkrechter Einstrahlung TJ (0) als Punktion des Einfallswinkels ^ aufgetragen ist. Die Ausdehnung der Ordinate ist in drei Bereiche eingeteilt, nämlich einen Bereich I, der nur von Signalen aus exakter Reflexion erreicht wird, einen Bereich II, der generell von Signalen aus diffuser Reflexion erreicht wird, und einen Bereich III, der ausschließlich von Signalen aus isotroper Streuung erreicht wird. Pig. 1 zeigt aus Meßergebnissen gewonnene Verläufe, die bei Messungen an verschiedenen biologischen Gewebearten, wie Leber- bzw. Muskelgewebe und zermahlenem Gewebe, z.B. Pleischwurst, erzielt wurden. Die punktierten Kurvenbereiche stellen Mittelwerte bzw. idealisierte Werte dar. Wie zu erkennen ist, ist das Reflexionsverhalten auch bei an sich exakt reflektierendem Gewebe in Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Ultraschallimpulse

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teilweise auch durch diffuse Reflexion bzw. sogar isotrope Streuung gekennzeichnet. Pig. 1 zeigt deutlich, daß neben einem isotropen Streuverhalten die exakte Reflexion eine bestimmende Rolle spielt.

Pig. 2 zeigt, wie bereits erläutert, schematisch ein Flußdiagramm für die erfindungsgemäß auszuführenden Verfahrens schritte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung.

Danach werden zunächst von dem zu untersuchenden Objekt Ultraschall-Echosignalabbildungen aus verschiedenen Abtastrichtnngen SCAN vorgenommen. Anschließend wird zu jedem Objektpunkt aus den aus verschiedenen Abtastrichtungen gewonnenen Teilbildern das Maximum der Signalintensität gesucht. Pur den Pail, daß für einen Objektpunkt ein signifikantes Maximum MAX gefunden wurde, wird der diesen Objektpunkt repräsentierende Bildpunkt als durch ein Echosignal von einer reflektierenden Objektfläche erzeugtes Signal zur Erstellung des Bildes weiterverarbeitet. Alle übrigen Echosignale werden als durch ungerichtet streuende Objektbereiche erzeugte Signale zur Erstellung des Bildes weiterverarbeitet.

In Pig. 2 ist hierfür eine Entscheidungsraute MAX ? vorgesehen, deren einer Ausgang zu Verarbeitungsschritten für die reflektierten Signale zu einem Torabbild REPI führt und dessen anderer Ausgang zur Verarbeitung isotrop gestreuter Signale zu einem Yorabbild ISOT führt.

Die Entscheidung, ob Echosignale als reflektierte Signale oder ungerichtet gestreute Signale zu bewerten sind, wird mittels einer jeweils festzulegenden Unterscheidungsgrenze vorgenommen. Die Unterscheidungsgrenzen sind durch geeignete, wählbare Unterscheidungsschwellwerte fließend einstellbar.

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Für die Unterscheidung zwischen Reflexions- und Streusignalen ist jeweils nicht nur ein Objektpunkt, sondern auch dess€„i unmittelbare Umgebung zu berüchsichtigen. Die Form dieser Umgebung und der Unterscheidungsschwellwert werden nach den Signalintensitäten der Umgebung bestimmt. Zweckmäßigerweise werden einzelne Bildbereiche getrennt und jeweils angepaßt an die "Isotropie" der Signale verarbeitet.

Das aus Echosignalen von reflektierenden Objektpunkten gewonnene Vorabbild wird gemäß der Erfindung nach einem der an sich bekannten B-Scan-Verfahren erstellt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das aus den Echosignalen von reflektierenden Objektpunkten gewonnene Vorabbild auch nach einem an sich bekannten CompOund-Scan-Verfahren oder alternativ dazu durch ein Sektor-Scan-Verfahren zu erstellen.

Die bei der Unterscheidung MAX ? erkannten Reflexionssignale werden zu dem Vorabbild REFL der reflektierenden Bildteile kombiniert.

Bei der Erstellung des Vorabbildes von reflektierenden Objektbereichen werden Signale aus streuenden Objektbereichen unterdrückt, um störende oder fälschende Bildelemente auszuschließen.

Gemäß Fig. 2 wird in einem «weiten Zweig des Verfahrensablaufs das aus Echosigra len von streuenden Objektbereichen gewonnene Vorabbild nach einem an sich aus Röntgenuntersuchungsmethoden bekannten Tomographie (back projection)-Verfahren erstellt. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das derart gewonnene Vorabbild durch eine an sich bekannte Faltungsrechnung (filtered back

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projection) korrigiert. Bei der Erstellung des Vorabbildes werden Echosignale, die einen wählbaren Maximalwert übersteigen, unterdrückt, um Bildverschmierungen zu vermeiden.

Pig. 2 zeigt, daß die auf unterschiedliche Art und Weise ■ gewonnenen Vorabbilder anschließend zu einem Gesamtbild GB verknüpft werden. Diese Verknüpfung erfolgt gemäß der Erfindung mittels additiver Überlagerung COMP • 10 von jeweils sich platzmäßig entsprechenden, Bildpunkte repräsentierenden elektrischen Signalen, nämlich logischen Einsen bzw. logischen Kullen. Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Verknüpfung mittels multiplikativer Überlagerung vorgenommen werden. Es kann auch zweckmäßig sein, die Verknüpfung mittels mittelbarer oder unmittelbarer gemischt additiver/multiplikativer Überlagerung vorzunehmen.

Die Verknüpfung wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von der jeweiligen Bildstruktur mit unterschiedlichem Gewicht einzelner Bildbereiche durchgeführt. Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung werden für die Verknüpfung der Vorabbilder nicht nur die jeweiligen Objektpnnkte, sondern auch deren Umgebung berücksichtigt und der jeweilige Gewichtsfaktor für die Verknüpfung nach den Signalintensitäten der betreffenden Umgebung bestimmt.

Wie bereits erläutert, zeigt Fig. 3 schematisch ein Plußdiagramm für die erfindungsgemäß auszuführenden Verfahrensschritte gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung.

Danach werden auch zunächst von dem zu untersuchenden Objekt Ultraschall-Echosignalabildungen aus verschiede-

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neu Abtastrichjbungen SCAN vorgenommen. Dies geschieht nach dem "bekannten B-Scan-Verfahren alternativ dazu nach dem ebenfalls bekannten Sektor-Scan- oder Compound-Scan-Yerfahren. Da in diesen Bildern die reflektierten Signale stärker hervorgehoben werden, können sie direkt, nämlich ohne weitere Unterscheidung oder Bewertung nach Maximalsignalen zu dem Vorabbild EEPL verarbeitet werden. Dieselben Meßsignale werden nach dem zuvor erwähnten Spreizbildverfahren verarbeitet. Dabei werden, wie bereits erwähnt, die isotrop streuenden Bildanteile hervorgehoben. Aus ihnen wird das Vorabbild ISOT erhalten.

Alle übrigen Vorgänge bzw. Verfahrensschritte laufen wie bei dem Verfahren gemäß Pig. 2 ab. 15

18 Patentansprüche
3 Figuren

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-'/fr-Leerseite

Claims

SDP 7074OE Patentansprüche

1. Verfahren zur Verarbeitung von Ultraschall-Echosignalen von sowohl gerichtet reflektierenden als auch ungerichtet streuenden Objekten, insbesondere zur Ultrasehall-Bildverarbeitung auf dem Gebiet der Stoff- und Gewebsuntersuchung, bei dem Ultraschall-Echosignale aus verschiedenen Abtastrichtungen kombiniert werden, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erstellung eines Bildes eine Verknüpfung von Vorabbildern, die durch Auswertung der Signale aus gerichteter Reflexion oder ungeribhteter Streuung von Ultraschall-Abtastimpulsen gewonnen werden, vorgesehen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Verknüpfung mittels additiver Überlagerung COMP vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η

zeichnet , daß die Verknüpfung mittels multiplikativer Überlagerung vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Verknüpfung mittels mittelbarer oder unmittelbarer gemischt additiver/multiplikativer Überlagerung vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Verknüpfung

in Abhängigkeit der^eweiligen Bildstruktur mit unterschiedlicher Wichtung einzelner Bildbereiche durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch g e k e η η

zeichnet , daß für die Verknüpfung der Vorab-

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"bilder nicht nur der jeweilige Objektpunkt, sondern auch dessen Umgebung berücksichtigt wird und der Gewichtsfaktor nach den Signalintensitäten der Umgebung bestimmt wird.

7· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß zu jedem Objektpunkt aus den aus verschiedenen Abtastrichtungen gewonnenen Teilbildern das Maximum der Signalintensität gesucht wird, daß für den Pail» daß für einen Objektpunkt ein signifikantes Maximum gefunden wurde, der diesen Objektpunkt repräsentierende Bildpunkt als durch ein Echosignal von einer reflektierenden Objektfläche erzeugtes Signal zur Erstellung des Bildes weiterverarbeitet wird und daß alle übrigen Echosignale als durch "angerichtet streu ende Objektbereiche erzeugte Signale zur Erstellung des Bildes verarbeitet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Unterscheidungsgrenzen zwischen ungerichtet gestreuten und reflektierten Signalen durch geeignete, wählbare Unterscheidungsschwellwerte fließend einstellbar sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch g e k e η η ζ e i c h ne t , daß für die Unterscheidung zwischen Reflexions- und Streusignalen nicht nur ein Objektpunkt, sondern auch dessen unmittelbare Umgebung berücksichtigt wird und daß die Form dieser Umgebung und der Unterscheidungsschwellwert nach den Signalintensitäten der Umgebung bestimmt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die einzelnen Bildbereiche getrennt und jeweils angepaßt an die "Isotropie" der Signale verarbeitet werden.

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11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η . zeichnet , daß das aus Echosignalen von reflektierenden Objektpunkten gewonnene Vorabbild (REPl) nach eine.-.·! der an sich bekannten B-Scan-Verfahren erstellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das aus den Echosignalen von reflektierenden Objektpunkten gewonnene Vorabbild (REPl) nach einem an sich bekannten Compound-Scan-Verfahren erstellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das aus den Echosignalen von reflektierenden Objektpunkten gewonnene Vorabbild (REPl) nach ebem an sich bekannten Sektor-Scan-Verfahren gewonnen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,

dadurch gekennzeichnet , daß bei der Erstellung des Vorabbildes (REPl) von reflektierenden Objektbereichen die Signale aus streuenden Objektbereichen unterdrückt werden, um störende oder fälschende Bildelemente auszuschließen.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das aus Echosignalen von streuenden Objektbereichen gewonnene Vorabbild (ISOT) nach einem an sich aus Röntgenuntersuchungsmethoden bekannten Tomographie (back projection)-Verfahren erstellt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das gewonnene Vorabbild durch eine an sich bekannte Faltungsrechnung (filtered back projection) korrigiert wird.

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17. Verfahren nach den Ansprüchen 15 und 1 β, dadurch gekennzeic h:m e t , daß bei der Erstellung des Vorabbildes Echosignale, die einen wählbaren Maximalwert übersteigen, unterdrückt werden, um Bildver-Schmierungen zu vermeiden.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Verfahrensschritte rechnergesteuert sind.

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