DE4320588A1

DE4320588A1 - Grauskalen-Fenstertechnik

Info

Publication number: DE4320588A1
Application number: DE4320588A
Authority: DE
Inventors: Zvi Freedman; Naftali Goldberg; Elan Lifshitz; Jacob Reshef
Original assignee: Elscint Ltd
Current assignee: Elscint Ltd
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1993-06-22
Publication date: 1994-01-13
Also published as: NL9301080A; US5404883A; JPH0647046A; IL102314A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Ultraschall-Abtastsysteme für die medizinische, diagnostische Abbildungstechnik und insbesondere auf die Grauskala-Fenstertechnik für derartige Systeme sowie für andere diagnostische Abbildungssysteme.

Medizinische diagnostische Abbildungssysteme erfassen im allgemeinen Signale aus dem Inneren des Körpers eines Patienten. Um die Bilder zu erzeugen, müssen die Quelle und die relativen Intensitäten eines jeden Signales bestimmt werden. Die Intensitäten der Signale werden gemessen und in Grauskalen umgewandelt.

Beispielsweise liefern Ultraschall-Abtastsysteme Daten zur Erzielung medizinischer Bilder des Inneren von Patienten. Im allgemeinen verwenden die Systeme Wandler, um Ultraschall wellen mit einer Frequenz in der Größenordnung von mehreren MHz in ein Objekt oder einen Patienten zu übertragen. Abhängig von diesen übertragenen Ultraschallwellen werden Echosignale empfangen und als Daten für die Bilder verwendet. Die Wandler sind gegenüber dem Körper des Patienten angeord net. Die Intensitäten der empfangenen Echosignale werden gemessen und in Grauskalenbestimmungen, die von weiß bis schwarz reichen, umgewandelt. Die Lage des Echo erzeugenden Materials (d. h. Begrenzungen von Organen und dergl.) wird grundsätzlich durch die Zeit bestimmt, die das Echo für den Rücklauf benötigt, nachdem das Originalsignal übertragen worden ist. Die Erfassung der Intensitätsdaten, die auf die jeweilige Stelle im Körper bezogen sind, ermöglicht, Intensi tätswerte für Bildelemente zu erhalten, die Stellen im Körper entsprechen, wie dies bei der Erzielung von Bildern bekannt ist.

Wenn die übertragenen Wellen den Körper durchlaufen, werden sie geschwächt. Die empfangenen Echosignale sind verhältnis mäßig schwach und müssen verstärkt werden. In der Praxis wird der Verstärkungsgrad durch eine Zeitverstärkungs-Kompensati onsschaltung (TGC) variiert, die die durch den Abstand des Ursprungs des Echosignals vom Wandler verursachte Dämpfung aufgibt.

Die Intensitäten der Echosignale in medizinischen Abbildungs systemen sind gekennzeichnet durch den dynamischen Bereich, d. h. einen Graubereich, der die Anzeigefähigkeiten weit übersteigt. Die Echointensitäten hängen dabei vor allem ab von

1. der Intensität des übertragenen Signals an der Stelle, an der das Echo entsteht,
2. der Target-Impedanzfehlanpassung gegenüber der Umgebung,
3. der geometrischen Orientierung des Targets, und
4. der Dämpfung des akustischen Signals durch das Gewebe.

Diagnostische Impuls-Echosysteme, die Ultraschall für die Prüfung von Targets tief im Körper verwenden, erzeugen in typischer Weise Echosignale, die einen dynamischen Bereich von 100 dB und darüber umfassen. Bei einem gegebenen Be reichssegment führen akustische Impedanzunterschiede des Targets gegenüber der Umgebung und die geometrische Orientie rung zu Veränderungen der Echostärke von 30-50 dB. Dies ergibt die gewünschte Targetinformation. Die zusätzlichen Änderungen von 50-70 dB, die aus der Gewebedämpfung über die gesamte Pfadlänge entstehen, stellen eine unerwünschte Komponente dar. Diese zusätzlichen Änderungen von 50-70 dB werden durch die TGC-Schaltung berücksichtigt, die Intensi tätsänderungen des Echos aufgrund von Absorption kompensiert. Eine direkte Beobachtung der Signale im dynamischen Bereich von 30-50 dB ist bei herkömmlichen Sichtanzeigevorrichtun gen nicht praktikabel. Deshalb ist es nicht möglich, ein Betrachtungsfeld zu erzielen, das über ein kleines Segment des gesamten dynamischen Bereiches zu einem bestimmten Zeitpunkt hinausgeht.

Somit erzeugen Ultraschallsysteme Bilder durch Umwandeln von Echos unterschiedlicher Amplituden in Bildpunkte unterschied licher Helligkeit. Die Helligkeit wird durch eine graduierte Grauskala ausgedrückt, bei der Echos geringerer Amplitude als dunklere Schatten von Grau und Echos höherer Amplitude als hellere Schatten aufgelöst werden. Die Zuordnung eines gegebenen Grauschattens zu einer bestimmten Echoamplitude ist willkürlich und wird durch eine Echo-/Grauschatten-Umwand lungskurve bestimmt, die während der Verarbeitung der Daten verwendet wird. Es gibt über 1000 Schatten von Grau in Ultraschallbildern nach der TGC. Derzeit verfügbare Ultra schallsysteme reduzieren diese 1000 Schatten von Grau durch Methoden wie z. B. logarithmisches Komprimieren der Daten; d. h. daß eine variable Verstärkung als Funktion des Signal pegels verwendet wird. Je höher der Signalpegel ist, desto geringer ist die Verstärkung. Somit sind beispielsweise die Differenzverstärkungen bei hohen Eingabepegeln nur etwa 0,01 der Verstärkung bei den niedrigen Signal-Eingangspegeln.

Deshalb werden logarithmische Datenkompressionssysteme verwendet, klinische Information, die in Form kleiner lokaler Änderungen der hohen Signaleingangspegel ausgedrückt werden, gehen dabei verloren.

Eine andere bekannte Lösung des Problems der Anpassung der 1000 Grauschatten an das, was derzeit bei TV-Monitoren verfügbar ist, und in bezug auf die Grenzen des menschlichen Sehvermögens, d. h. etwa 100 Grauschatten, ist die off-line- Fenstertechnik. Bei Verwendung einer derartigen Fenstertech nik wählt der Bedienende von Hand den optimalen Signal-Ein gangspegelbereich, der als der volle Bereich des Monitors angezeigt werden soll, aus. Dieses Verfahren ist für Ultra schall deshalb fehlerhaft, weil

1. das optimale Fenster seiner Art nach lokal ist, wodurch die Optimierung des Bildes in einem bestimmten Bereich im allgemeinen eine Störung des Bildes in anderen Bereichen ergibt, und
2. die Durchführung des Verfahrens on-line schwierig ist.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung vorzuschlagen, mit der die Nachteile bekannter Methoden und Anordnungen vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 6 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine selbsttätig arbeitende Fenstertechnikanordnung vorge schlagen, bei der die Fenstertechnik als Funktion der räumlichen Frequenz durchgeführt wird, d. h., daß die ankom menden Signale nach der TGC verarbeitet werden, um sie in zwei Komponenten zu zerlegen, nämlich eine Komponente mit hoher räumlicher Frequenz und eine zweite Komponente mit niedriger räumlicher Frequenz. Dann wird eine Kompression mit vergleichsweise niedrigem Verdichtungsverhältnis bei der Komponente hoher räumlicher Frequenz durchgeführt, während eine Kompression hohen Verdichtungsverhältnisses bei der Verdichtung der Komponente niedriger räumlicher Frequenz durchgeführt wird. Die beiden Komponenten werden dann miteinander addiert und bilden das Signal, das für Sichtan zeigezwecke verwendet wird.

Insbesondere wird mit der Erfindung ein selbsttätiges Fenstertechnik-Verfahren für Ultraschall-Abbildungssysteme vorgeschlagen, um die Ausnutzung von Änderungen in der Detektor-Signalintensität zu maximieren, bei dem
Ultraschallsignale in ein Objekt oder einen Körper übertragen werden,
Echosignale empfangen werden, die auf die übertragenen Ultraschallsignale ansprechen,
die Echosignale in ein erstes räumliches Frequenzsignal und ein zweites räumliches Frequenzsignal getrennt werden,
die Signale erster räumlicher Frequenzintensität in einem ersten Verdichter komprimiert werden,
die Signale zweiter räumlicher Frequenzintensität in einem zweiten Verdichter mit einem höheren Kompressionsgrad als die Kompression der ersten räumlichen Frequenzsignale komprimiert werden, wodurch die zweiten räumlichen Frequenzsignale stärker als die Signale hoher räumlicher Frequenz komprimiert werden,
die Ausgänge der beiden Verdichter kombiniert werden, und
die kombinierten Signale verarbeitet werden, um eine Sicht anzeige des Bildes zu erzielen.

Vorzugsweise sind die ersten räumlichen Frequenzsignale hochfrequente Signale. Dies führt dazu, daß alle kleineren Details, die als kleine Änderungen hoher räumlicher Frequenz der sonst hohen räumlichen Frequenzen auftreten, aufrecht erhalten werden. Mit einer derartigen Methode werden die Nachteile der bekannten Systeme gelöst.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich nung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Die einzige Figur zeigt das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Ultraschallanordnung 11 nach Fig. 1 weist einen Wandler 12 auf, der so ausgebildet sein kann, daß er gegen den Körper eines Patienten (oder ein Objekt) gerichtet ist und selbsttä tig eine vorbestimmte Sektorfläche durch Übertragen von Ultraschallsignalen in den Körper abtastet. Ein Monitor 13 ist vorzugsweise zum Überwachen der Richtung des von dem Wandler emittierten Strahles vorgesehen. Der Monitor 13 ist über die Leitung 14 mit einem Zentralprozessor 16 verbunden, der das Ausgangs-Zeitverhalten und die Arbeitsweise der verschiedenen Einheiten der Ultraschall-Abbildungsanordnung 11 steuert.

Der Wandler 12 kann in zwei Betriebsarten arbeiten, nämlich in einem Übertragungsbetrieb und in einem Empfangsbetrieb. Arbeitet er im Übertragungsbetrieb, gibt ein Übertrager 17 Ultraschall-Impulssignale über eine Schaltvorrichtung 18 an den Wandler 12, damit der Wandler eine Ultraschall-Impuls welle in den Körper überträgt. Im Empfangsbetrieb verbindet der Schalter den Wandler 12 mit einem Empfänger 19. Der Wandler 12 zeigt solche Echos an, die aus dem Inneren des Körpers des Patienten kommen.

Die Ultraschall-Impulswellen werden erzeugt, wenn ein Hochspannungsimpuls z. B. an einen piezoelektrischen Kristall gelegt wird. Der Kristall erzeugt einen kurzen Ultraschallen ergiestoß aufgrund dieser Erregung. Die Ultraschallwelle erfährt eine Dämpfung, wenn sie durch das biologische Material wandert, u. z. aufgrund von Streuung und Absorption.

Der Wandler ist vorzugsweise akustisch mit dem Patienten über eine dünne Schicht aus Mineralöl auf der Haut gekoppelt. Der Ultraschallimpuls wandert durch den Patienten in einem verhältnismäßig gut definierten Strahl. Die Geschwindigkeit des Ultraschalls durch das weiche Gewebe des Körpers reicht von etwa 1,459 mm/sec bis etwa 1,610 mm/sec, bei einem Mittelwert von 1,550 mm/sec. Der fortschreitende Ultraschall impuls trifft auf Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Gewebestrukturen auf. Ein Teil der Ultraschallenergie, der von dem Grad der Fehlanpassung zwischen den Geweben abhängt, wird als Echo reflektiert.

Da Gewebe im allgemeinen ähnliche akustische Impedanz haben, wird nur ein kleiner prozentualer Teil der auftreffenden Energie an jeder Grenzfläche reflektiert, so daß der Ultra schallstrahl in der Lage ist, tiefer in den Körper einzudrin gen. Da das empfangene Echo verhältnismäßig klein ist, wird es zuerst in einem Vorverstärker 21 verstärkt. Der Ausgang des Vorverstärkers 21 wird dann in einen Verstärker 22 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor eingeführt, der durch eine TGC-Schaltung 23 gesteuert wird. Der Zweck dieser TGC-Schal tung in Verbindung mit dem Verstärker mit veränderlichen Verstärkungsfaktor besteht darin, die Dämpfung des Signals zu kompensieren, wenn das Signal durch das Gewebe an die Stelle wandert, an der das Echo reflektiert wird. Der Ausgang des Verstärkers mit veränderlichem Verstärkungsfaktor wird dann in einem Prozessorverstärker 24 verstärkt, der Ausgang dieses Prozessorverstärkers wird anschließend in einem Analog/Digi tal-Wandler 25 in digitale Form umgewandelt. Im Rahmen vorliegender Erfindung kann jedoch auch die analoge Form aufrecht erhalten werden. Vorzugsweise wird jedoch die A/D-Wandlerschaltung 25 verwendet.

Der digitale Ausgang der A/D-Wandlerschaltung wird dann sowohl in einem räumlichen Tiefpaßfilter 26 räumlicher Frequenz und einem parallelen Hochpaßfilter 27 räumlicher Frequenz gefiltert. Der Ausgang des Tiefpaßfilters 26 ist ein niedriges räumliches Frequenzsignal, und der Ausgang des Hochpaßfilters ein hohes räumliches Frequenzsignal.

Das empfangene Echosignal, das am Wandler entsteht, wird geteilt in ein hochfrequentes Signal und ein niederfrequentes Signal. Jedes der beiden Signale wird dann durch zwei unterschiedliche Verdichter, z. B. die Verdichter 28 und 29 komprimiert. Der Verdichter 28 weist ein hohes Verdichtungs verhältnis auf. Das Signal aus dem Tiefpaßfilter, d. h. das Signal niedriger Frequenz, wird mit dem hohen Verdichtungs verhältnis des Verdichters 28 komprimiert. Andererseits wird das hochfrequente Signal des Filters 27 in einem Verdichter 29 komprimiert, der ein wesentlich niedrigeres Verdichtungs verhältnis hat. Das niedrigere Verdichtungsverhältnis des hochfrequenten Signales macht es möglich, die kleinen hochfrequenten Änderungen am Ausgang des Verdichters aufrecht zu erhalten.

Die Ausgänge der beiden Verdichter 28 und 29 werden miteinan der in einer Summierschaltung 31 summiert. Der Ausgang der Summierschaltung 31 wird einer digitalen Abtastwandlerschal tung (DSC) 32 aufgegeben, die die Daten für Sichtanzeigezwek ke vorverarbeitet. Der Ausgang der DSC-Schaltung 32 gelangt in eine schnelle Sammelleitung 33. Mit der schnellen Sammel leitung ist ein Speicher 34 und ein Sichtanzeigeprozessor 36 verbunden. Der Sichtanzeigeprozessor arbeitet in Verbindung mit dem Speicher 34 so, daß ein Bild Pixel um Pixel zur Anzeige auf der Anzeigeeinheit 37 konstruiert wird.

Die zentrale Verarbeitungseinheit steuert die Arbeitsweise der Systemkomponenten, nämlich die DSC-Schaltung 32, den Sichtanzeigeprozessor 36, die TGC-Schaltung 23, die Übertra gungsschaltung 17, den Schalter 18 und die Überwachung der Richtung des Wandlers 12.

Mit der Erfindung wird eine selbsttätig arbeitende Fenster technikanordnung für Ultraschall-Abbildungssysteme vorge schlagen. Die selbsttätig arbeitende Fenstertechnikanordnung verwendet die räumliche Frequenz der Signale zur Teilung des Signales in zwei Teile, nämlich ein Signal hoher räumlicher Frequenz und ein Signal niedriger räumlicher Frequenz. Das Signal niedriger räumlicher Frequenz unterliegt einem hohen Verdichtungsverhältnis, beispielsweise einem Verdichtungsver hältnis von 10 : 1, und das Signal hoher räumlicher Frequenz einem wesentlich niedrigeren Dichtungsverhältnis, z. B. einem Verdichtungsverhältnis von 2 : 1. Die Signale, die selbsttätig durch die Verdichtungsverhältnisse gefenstert werden, welche dem Ausgang des Tiefpaßfilters und dem Ausgang des Hochpaß filters aufgegeben werden, werden dann in der Summierschal tung 31 kombiniert. Die kombinierten Signale werden von der DSC-Schaltung und dem Sichtanzeigeprozessor verwendet, um ein verbessertes Sichtanzeigebild zu erzielen.

Claims

1. Selbsttätig arbeitendes Fenstertechnikverfahren, insbes. für medizinische diagnostische Abbildungssysteme, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenstertechnik als eine Funktion räumlicher Frequenz eingesetzt wird.

2. Selbsttätig arbeitendes Fenstertechnikverfahren für Ultraschall-Abbildungssysteme zum Maximieren der Verwen dung von Änderungen in der angezeigten Signalintensität, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenstertechnik als eine Funktion räumlicher Frequenz eingesetzt wird.

3. Selbsttätig arbeitendes Fenstertechnikverfahren für Ultraschall-Abbildungssysteme zum Maximieren der Verwen dung von Änderungen in der angezeigten Signalintensität, dadurch gekennzeichnet, daß
Ultraschallsignale in ein Objekt übertragen werden, Echosignale, die auf die übertragenen Ultraschallsignale ansprechen, empfangen werden,
die Echosignale in Intensitätssignale hoher räumlicher Frequenz und Intensitätssignale niedriger räumlicher Frequenz geteilt werden,
die Intensitätssignale hoher räumlicher Frequenz in einem ersten Verdichter komprimiert werden, um die Intensität der Signale hoher räumlicher Frequenz zu komprimieren, die Signale niedriger räumlicher Frequenz zum Komprimie ren der Intensitäten der Signale niedriger räumlicher Frequenz mit einem unterschiedlichen Kompressionsverhält nis zu komprimieren als es zum Komprimieren der Signale mit hoher räumlicher Frequenz verwendet wird,
die komprimierten Signale niedriger räumlicher Frequenz und die komprimierten Signale hoher räumlicher Frequenz kombiniert werden, und
die kombinierten Signale zur Erzielung von Sichtanzeige bildern verarbeitet werden, wobei die Verwendung der Intensitäten der angezeigten Signale optimiert wird.

4. Selbsttätig arbeitendes Fenstertechnikverfahren für Ultraschall-Abbildungssysteme zum Maximieren der Verwen dung von Änderungen in der angezeigten Signalintensität, dadurch gekennzeichnet, daß
Ultraschallsignale in ein Objekt übertragen werden, Echosignale empfangen werden, die auf die übertragenen Ultraschallsignale ansprechen,
die Echosignale in ein Intensitätssignal hoher räumlicher Frequenz und ein Intensitätssignal niedriger räumlicher Frequenz unterteilt werden,
die Intensitätssignale hoher räumlicher Frequenz in einem ersten Verdichter komprimiert werden, um die Intensität der Signale hoher räumlicher Frequenz zu komprimieren,
die Signale niedriger räumlicher Frequenz in einem zweiten Verdichter komprimiert werden, um die Intensität der Signale niedriger räumlicher Frequenz mit einem höheren Kompressionsverhältnis als es für das Komprimie ren der Signale hoher räumlicher Frequenz verwendet wird, zu komprimieren, die Ausgänge der ersten und zweiten Verdichter miteinander kombiniert werden, und
die kombinierten Signale zur Erzielung eines Sichtan zeigebildes verarbeitet werden, wobei die Verwendung der Intensitäten der angezeigten Signale optimiert wird.

5. Selbsttätig arbeitendes Fenstertechnikverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilen der Echosignale in ein Signal hoher räumlicher Frequenz intensität und ein Signal niedriger räumlicher Frequenz intensität einen Filtervorgang umfaßt, um ein Durchlaß band für Signale niedriger räumlicher Frequenz und ein Durchlaßband für Signale hoher räumlicher Frequenz zu erhalten.

6. Selbsttätig arbeitende Fenstertechnikanordnung für diagnostische Ultraschall-Abbildungssysteme zum Maximie ren der Verwendung von Änderungen in der angezeigten Signalintensität, gekennzeichnet durch
einen Übertrager (17) zum Übertragen von Ultraschall signalen in einem Patienten, wobei der Übertrager einen Ultraschallwandler (12) benutzt,
einen Empfänger (19) zur Aufnahme von Echosignalen, die in Abhängigkeit von den übertragenen Ultraschallsignalen erhalten werden, wobei der Empfänger ebenfalls den Ultraschallwandler (12) verwendet,
eine Filtervorrichtung (26, 27) zum Filtern der empfan genen Signale in Signale niedriger räumlicher Frequenz intensität und Signale hoher räumlicher Frequenzintensi tät,
einen ersten Signalverdichter (29) zum Komprimieren von Signalen hoher räumlicher Frequenzintensität, um die Intensität der Signale hoher räumlicher Frequenz zu komprimieren,
einen zweiten Signalverdichter (28) zum Komprimieren der Signale niedriger räumlicher Frequenzintensität mit einem unterschiedlichen Kompressionsverhältnis zu dem, das zum Verdichten der Signale hoher räumlicher Frequenz ver wendet wird,
eine Kombiniervorrichtung (31) zum Kombinieren der Ausgänge der beiden Verdichter (28, 29) und
einen Prozessor (32) zum Verarbeiten der kombinierten Signale, um ein Sichtanzeigebild (37) zu erzeugen, das die Verwendung der Intensitäten der angezeigten Signale optimiert.

7. Selbsttätig arbeitende Fenstertechnikanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichter vorrichtung (28, 29) aus einem Signalintensitätsver dichter (28) mit niedriger räumlicher Frequenz und einen Signalintensitätsverdichter (29) mit hoher räumlicher Frequenz besteht.

8. Selbsttätig arbeitende Fenstertechnikanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervor richtung (26, 27) einen ersten Filter (26) zur Erzeugung eines Durchlaßbandes niedriger räumlicher Frequenz und einen zweiten Filter (27) zur Erzeugung eines Durchlaß bandes hoher räumlicher Frequenz aufweist.

9. Selbsttätig arbeitende Fenstertechnikanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinier vorrichtung (31) eine Summierschaltung aufweist.