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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft ein Ultraschallsystem zur Erstellung dreidimensionaler
Bilder, insbesondere ein Ultraschallbildgerät, das automatisch die Konturen
(Umrisse) des zu diagnostizierenden Objekts aufnimmt. Diese Konturenaufnahme
wird manuell fein abgestimmt, um das Muster der aufgenommenen Kontur
visuell darzustellen.
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2. Beschreibung verwandter
Techniken
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Im
Allgemeinen emittiert ein Ultraschall-Testgerät ein Ultraschallsignal zu
dem zu testenden Objekt und empfängt
daraufhin das entsprechend von einer unregelmäßig geformten Objektebene reflektierte
Signal. Danach wird das Ultraschallsignal in ein elektrisches Signal
umgewandelt und über
einen vorgegebenen Bilderzeugungsapparat ausgegeben; hiermit testet
man den internen Status des Objekts. Man verwendet solche Ultraschall-Testapparaturen weithin
in der medizinischen Diagnose, für
nicht destruktive Tests, in der Unterwasserdetektion usw.
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Es
gibt derzeit zwei Verfahren zur Volumenmessung eines Zielobjekts über Ultraschallbilder.
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Beim
ersten Verfahren zeichnet man die Kontur des Zielobjekts über alle
transversale Richtungen auf und berechnet hieraus sämtliche
transversale Flächeninhalte.
Unter Beachtung der Dicke wird daraus das Volumen berechnet.
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1 zeigt
ein Beispiel einer Volumenberechnung anhand kontinuierlicher Transversalschnitte.
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In 1 bestimmt
man das Volumen der Prostata eines Mannes. Auf der Grundlage von
Ultraschall-Fehlerbildern, die man in Intervallen von 0,5 cm Stärke aufnimmt,
werden sämtliche
mit den transversalen Schnitten übereinstimmende
Querschnittsflächen
der Prostata gemessen. Danach erhält man das Volumen der Prostata
durch Multiplikation der Prostatafläche mit der Stärke 0,5
cm. Dieses Verfahren lässt
sich durch die folgende Gleichung (1) darstellen: V = 0,5 × (S1 + S2 + ... + S5) (1)
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Hier
bezeichnet V das Volumen der Prostata und S den Flächeninhalt
der Transversalschnitte der Prostata. Zur Berechnung dieser Flächeninhalte zieht
ein Beobachter manuell mit einer Maus eine Konturenlinie (Umrisslinie)
auf einem Bildschirm, der ein Ultraschallbild anzeigt, und berechnet
die Fläche, die
sich aus dieser Kontur ergibt.
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Beim
zweiten Verfahren zieht man nur für den maximalen (größten) Transversalschnitt
eine Konturenlinie und berechnet die dementsprechende Fläche, um
so das Volumen eines bestimmten inneren Organs des menschlichen Körpers mithilfe
eines Ultraschallbildes zu messen. Man nimmt das innere Organ als
ellipsenförmig
an und für
eine Rotation der maximalen Transversalfläche um die lange Hauptachse
berechnet man das Volumen nach einer bestimmten Formel. Dieses Verfahren
bezeichnet man als elliptisches Näherungsverfahren durch Rotation einer
Schnittfläche.
Wenn S die maximale Transversal-Schnittfläche und
X die als Rotationsachse dienende lange Ellipsen-Hauptachse ist,
erhält
man das Volumen V des elliptischen Rotationskörpers durch Rotation der Ellipse
der Fläche
S um die lange Hauptachse X. Die Berechnungsformel ist in Gleichung
(2) gegeben.
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Mit
dem ersten Verfahren kann man das Objektvolumen sehr genau bestimmen.
Da man die Konturen aller Transversalschnitte manuell verfolgen muss,
ist es aber sehr zeitaufwendig. Im zweiten Verfahren hingegen wird
zur nachfolgenden Volumenberechnung mit der angegebenen Formel nur
eine manuelle Konturenverfolgung ausgeführt. Somit ist eine schnelle
Verarbeitung möglich,
aber das Verfahren ist sehr ungenau. Außerdem trennen beide Verfahren das
Zielobjekt nicht von seinem Hintergrund und können daher das Objekt nicht
separat darstellen. Somit kann der Beobachter die dreidimensionale
Form des Zielobjekts und den zweidimensionalen Umriss der Schnittfläche – unter
der Annahme, dass er einen Schnitt am Objekt unter einem bestimmten
Winkel vorgenommen hat – nicht
sehen.
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Das
US-Patent 5 732 203 vom
24. März 1998
stellt ein Verfahren vor, das digitale Aufnahmen einer Vielzahl
paralleler Querschnitte eines Festkörpers erzeugt, der das Objektvolumen
umgibt. Dieses Verfahren verarbeitet die Digitalaufnahmen, erzeugt daraus
eine digitale Kontur dieses Volumens, verarbeitet die Kontur digital
weiter und stellt sie für
Anwendungen bereit.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, zur Lösung der oben genannten Probleme
ein Ultraschallbildgerät
zu schaffen, welches das Zielobjekt schnell vom Hintergrund trennt
und das derart separierte Objekt als dreidimensionales Bild darstellt.
Das Bildgerät
verwendet hierfür
die aus dem zweidimensionalen Ultraschallbild gewonnenen Volumendaten.
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Um
das oben genannte Ziel der vorliegenden Erfindung zu erreichen,
wird ein Ultraschallbildgerät bereitgestellt,
welches das Zielobjekt schnell vom Hintergrund trennt und das so
separierte Objekt als dreidimensionales Bild darstellt. Dieses Ultraschallbildgerät umfasst:
eine Aufnahmeeinheit für
Volumendaten, welche die Eingaben der zweidimensionalen Ultraschallbilder
des Objekts kombiniert und daraus Volumendaten erzeugt; eine Einstellungseinheit
für Bezugspunkte
und Rotationsachsen, die eine Rotationsachse vorgibt, um die man
die Volumendaten rotiert, und die jene Punkte, an welchen sich die Rotationsachse
und das Objekt schneiden, als Bezugspunkte bestimmt; eine Datenrotationseinheit, welche
die Volumendaten um einen vorgegebenen Winkel um die Rotationsachse
dreht; eine Einheit zur Konturenextraktion, die aus den unter den
jeweiligen Winkeln aufgenommenen zweidimensionalen Ultraschallaufnahmen
durch Rotation der Volumendaten eine Konturenlinie extrahiert (gewinnt)
und für
diese Extraktion Scheitelpunkte auf den Konturenlinien definiert;
eine Einheit zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder, die aus den
gesetzten Scheitelpunkten ein Drahtgittermodell bildet und daraus
ein dreidimensionales Bild erstellt.
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KURZE BESCHREIBUNGEN DER ZEICHNUNGEN
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Das
oben genannte Ziel und die weiteren Vorteile dieser Erfindung werden
anhand der detaillierteren Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
deutlicher, die auf die folgenden Figuren Bezug nimmt:
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1 zeigt
ein Beispiel einer Volumenberechnung anhand der kontinuierlichen
transversalen Schnittflächen,
unter Verwendung eines konventionellen Ultraschallbilds.
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2 ist
ein Blockdiagramm und stellt ein Ultraschallbildgerät dar, welches
gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung das Zielobjekt von seinem Hintergrund trennt und
danach als dreidimensionales Bild darstellt.
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3 zeigt
eine Rotationsachse und den Status der Bestimmung der Bezugspunkte
zur Trennung eines Objekts von seinem Hintergrund.
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4A zeigt
ein Beispiel eines Beobachtungsfensters für die automatische Konturenextraktion.
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4B zeigt
eine binäre
Aufnahme für
die automatische Konturenextraktion.
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4C zeigt
eine binäre
Aufnahme, aus der man ein kleines Flächenstück zur automatischen Konturenextraktion
entnommen hat.
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4D zeigt
eine nachbehandelte Ergebnisaufnahme für die automatische Konturenextraktion.
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5 zeigt
eine bezüglich
einer bestimmten Ebene extrahierte Kontur und die Scheitelpunkte
auf dieser Kontur.
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6 zeigt
ein Drahtgittermodell zur graphischen Verarbeitung unter Verwendung
der Scheitelpunkte.
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7 zeigt
ein kombiniertes dreidimensionales Bild.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Es
folgt eine Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung
wird mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen.
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Wie
in 2 dargestellt umfasst ein Ultraschallbildgerät gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung eine Aufnahmeeinheit 21 für Volumendaten,
die zweidimensionale Ultraschallaufnahmen kombiniert und daraus
Volumendaten erhält.
Eine Einstellungseinheit 22 für Bezugspunkte und Rotationsachsen
bestimmt die Rotationsachse für
die Volumendaten und setzt zwei Punkte, an welchen sich die Rotationsachse
und das Objekt schneiden, als Bezugspunkte. Eine Datenrotationseinheit 23 dreht
die Volumendaten um einen vorgegebenen Winkel um die Rotationsachse
und wird dabei von einer Rotationswinkel-Steuereinheit 24 kontrolliert.
Der Apparat in 2 umfasst außerdem eine Konturenextraktionseinheit 30,
die bezüglich
der Ebene, die sich aus dem jeweiligen Rotationswinkel ergibt, eine
Kontur extrahiert (gewinnt) und Scheitelpunkte definiert, die zur
graphischen Weiterverarbeitung der extrahierten Kontur dienen. Die
Konturenextraktionseinheit 30 umfasst einen automatischen
Konturenextraktor 31, eine Scheitelpunktbestimmungseinheit 32 und
eine Feinabstimmungsvorrichtung 33 für die Positionen der Scheitelpunkte.
Eine Einheit 25 zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder
bildet aus den vorher von der Konturenextraktionseinheit 30 bestimmten
Scheitelpunkten ein Drahtgittermodell und erstellt daraus ein dreidimensionales
Bild des Objekts mithilfe von Techniken der Computergraphik.
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Das
Ultraschallbildgerät
zur Trennung des Objekts gemäß der oben
genannten Anordnung wird im Detail mit Bezug auf die 3 bis 7 beschrieben.
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Die
Aufnahmeeinheit 21 erzeugt über ein fortlaufendes Einlesen
der zweidimensionalen Ultraschallaufnahmen Volumendaten. Das heißt, die
Ultraschallaufnahmen werden zusammengestellt und bilden so ein Volumen.
Die Einstellungseinheit 22 für Bezugspunkte und Rotationsachsen
bestimmt die Rotationsachse zur Drehung der Volumendaten, welche
die Aufnahmeeinheit 21 für Volumendaten gewonnen hat,
um 360° und
setzt zwei Punkte, an welchen sich die Rotationsachse und die Konturen
des Objekts schneiden, als Bezugspunkte.
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Das
Verfahren ist in 3 dargestellt, das heißt, 3 zeigt
die Rotationsachse und den Status zur Bestimmung der Punkte zur
Trennung eines Objekts von seinem Hintergrund. Die senkrechte Linie ist
die Rotationsachse und die beiden Dreiecke kennzeichnen Bezugspunkte.
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Die
in 2 angegebene Rotationswinkel-Steuereinheit 24 gibt
zur Rotation der Volumendaten um einen vorgegebenen Winkel ein Steuersignal
an die Datenrotationseinheit 23 aus.
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Der
automatische Vorgang der Konturenextraktion im automatischen Konturenextraktor 31 wird im
Detail mit Bezug auf die 4A bis 4D beschrieben.
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Zuerst
bestimmt der automatische Konturenextraktor 31 ein Beobachtungsfenster,
das die ungefähre
Position und Größe des aus
der Datenrotationseinheit 23 kommenden zweidimensionalen
Ultraschall-Eingabebilds
anzeigt (siehe 4A). Hierbei wird angenommen,
dass die Volumendaten des Objekts zum ersten, nicht gedrehten Koordinatensystem gehören, und
dass das Objekt, dessen Kontur extrahiert wird, unter einem bestimmten
Winkel zu sehen ist, wenn man die Volumendaten entsprechend um die
Rotationsachse dreht. Außerdem
definiert man auf der Grundlage der Bezugspunkte zur Abschätzung der
unteren, oberen, linken und rechten Seitenlänge des Objekts ein Rechteck
als Beobachtungsfenster und stellt damit die Objektgröße dar.
Danach wird die Größe des Beobachtungsfensters
auf die kleine Veränderung
der Kontureninformation des Objekts eingestellt, die man durch die
Rotation der Volumendaten um einen vorgegebenen Winkel im vorherigen
Koordinatensystem bezüglich
des zweiten Systems erhalten hat. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis
die Volumendaten eine vollständige
Drehung um 360° ausgeführt haben.
Wie 4A zeigt, ist das Beobachtungsfenster um einen
bestimmten Differenzwert größer als
das jeweilige Objekt und beinhaltet dasselbe.
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Zur
Trennung des Objekts vom Hintergrund wird danach auf angepasste
Weise binärisiert.
Das heißt,
da das oben beschriebene Beobachtungsfenster etwa von der Größe des Objekts
ist, führt
man die Binärisierung
nicht für
das vollständige
Eingabebild aus, sondern man beschränkt sich auf das Beobachtungsfenster. 4B zeigt
ein binärisiertes
Bild.
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Die
binärisierten
Bilder sind von Rauschkomponenten durchsetzt. Zur Entfernung dieser
Rauschkomponenten wendet man einen morphologischen Filter an.
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Die
Anwendung des morphologischen Filters auf ein binäres Bild
entfernt die Rauschkomponenten, aber es bleiben weiterhin kleine
derartige Bereiche (Flächen)
bestehen. Um ein akkurates Bild zu erhalten, sind diese kleinen
Bereiche zu entfernen. Gemäß einem
Verfahren zur Entfernung untersucht man die Größe jedes Bereichs im binären Bild
und teilt dann nach einer vorgegebenen Bezugsform die Bereiche in
Objektzonen und Hintergrundzonen auf. In 4A wurde
zum Beispiel ein Bereich, der kleiner ist als die Bezugsform, zunächst als
Objektbereich eingestuft, aber dann in einen Hintergrundbereich umgewandelt.
Im umgekehrten Fall wird ein Hintergrundbereich als Objektbereich
eingestuft, womit man die erwähnten
kleinen Bereiche entfernt. 4C zeigt
ein binäres
Bild nach Entfernen der kleinen Bereiche.
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Ein
binäres
Bild umfasst nach Entfernen der kleinen Bereiche mehrere große Bereiche.
Auf ein solches Bild – nach
Entfernen der kleinen Bereiche – wendet
man einen morphologischen Filter an, um das Bild zu vereinfachen.
Das heißt,
man extrahiert von den Objektbereichen(-flächen) nur jenen Bereich des
größten Flächeninhalts.
In 4D ist ein Bild aus der Nachverarbeitung zu sehen,
in dem eine Grenzlinie des schlussendlich extrahierten Bereichs
als Objektkontur bestimmt wird. In der Grenzlinie des hier dargestellten
Bereichs sind mehrere plötzliche
Veränderungen
festzustellen. Da in einem realen natürlichen System solche abrupten
Veränderungen
nicht vorkommen können,
wendet man entlang der Grenzlinie des extrahierten Bereichs einen
Glättungsfilter an,
der die plötzlichen
Veränderungen
beseitigt.
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Der
automatische Konturenextraktor 31 gewinnt die Kontur des
Objekts, das heißt,
das zweidimensionale Ultraschallbild. Danach wählt die Vorrichtung 32 zur
Scheitelpunktbestimmung die Scheitelpunkte in einem vorgegebenen
Abstand auf der Konturlinie des Objekts. 5 zeigt
eine Kontur, die automatisch bezüglich
einer bestimmten Ebene extrahiert wurde, und die in dieser Kontur
liegenden Scheitelpunkte. Die automatisch extrahierten Konturen und
Scheitelpunkte des Objekts sind möglicherweise nicht völlig konsistent
mit der Kontur (dem Umriss) des Originalobjekts. Daher stellt die
Feinabstimmungsvorrichtung 33 die Positionen der automatisch extrahierten
Scheitelpunkte manuell fein ein, bis sie mit der Kontur des Originalobjekts übereinstimmen. Die
Einheit 25 zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder verwendet
die extrahierten Scheitelpunkte und bildet ein dreidimensionales
Koordinatensystem (siehe 6). Eine Schattierung oder eine
Abbildung hoher Qualität über Computergraphik
wird auf dieses Koordinatensystem angewendet und erzeugt das dreidimensionale
Bild, das in 7 zu sehen ist.
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Wie
oben beschrieben bestimmt die vorliegende Erfindung eine Rotationsachse,
rotiert die dreidimensionalen Volumendaten um diese Achse, nimmt
die Konturen des Zielobjekts auf und trennt dieses von seinem Hintergrund.
Hier wird im Verfahren zur Konturbestimmung die Kontur automatisch extrahiert
und manuell fein abgestimmt, womit man die endgültige Kontureninformation erhält. Daher
ist es möglich,
ein Verfahren anzuwenden, das lange Ausführungszeiten erfordert, aber
nur die Positionen der Scheitelpunkte der vorgegebenen Figur manuell abstimmt.
Dieses Verfahren bildet die Kontur des Objekts, ohne mit einer automatischen
Konturenextraktion zu arbeiten, und setzt damit das dreidimensionale
Bild nur aus den Kontureninformationen zusammen.
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Wie
oben beschrieben extrahiert das Ultraschallbildgerät gemäß dieser
Erfindung automatisch die Konturen des Zielobjekts, führt eine
Feinabstimmung der extrahierten Konturen aus und trennt vor der
Extraktion das Objekt schnell und akkurat von seinem Hintergrund.
Auf der Grundlage der extrahierten Information wird das Objekt als
dreidimensionales Muster dargestellt, wodurch man die Form des Objekts
sehen kann, ohne eine physische Behandlung wie eine chirurgische
Operation durchzuführen. Es
ist auch möglich,
die Form eines zweidimensionalen Objektquerschnitts visuell darzustellen,
falls man einen Schnitt durch das Objekt unter einem bestimmten
Winkel vorgenommen hat. Da diese Erfindung außerdem die Forminformation
des dreidimensionalen Objekts zur Verfügung stellt, lässt sich
das Volumen des erforderlichen Diagnoseapparats ohne zusätzliche
Berechnungen bestimmen.
