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Die
Erfindung bezieht sich auf die, beispielsweise medizinische, Ultraschallbildgebung.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Kombinieren
von Bildern, um ein Kombinationsbild in zwei oder drei Dimensionen
zu schaffen. Bei derartigen räumlichen
Kombinationsverfahren kann das abgebildete Objekt eine Ebene und
daher zweidimensional oder ein Volumen und daher dreidimensional
sein.
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Die
US-amerikanischen Patentschriften
6.126.598 und
6.390.980 beschreiben
ein Gerät
und Verfahren zum Erzeugen räumlicher
Kombinationen von Ultraschallbildern in Echtzeit. Die räumliche
Kombination ist ein Bildgebungsverfahren, gemäß dem die Echos eines Ziels,
die man von mehreren Punkten oder in mehreren Beschallungsrichtungen
erhält,
durch Kombinieren der Daten in einem einzelnen, so genannten Kombinationsbild
gemischt werden, zum Beispiel durch Mittelwertbildung oder lineare
oder nicht lineare Filterung. Das Kombinationsbild hat in der Regel
weniger Rauschen („Speckle") und eine bessere
Definition oder Kontinuität der
zwei- oder dreidimensionalen Strukturen als herkömmliche, anhand einer einzelnen
Beschallungsrichtung erzeugte Ultraschallbilder. Indem man den Winkel
des Ultraschallstrahlenbündels
in Bezug auf das Array verändert,
erhält
man so für
dieselbe Position eines Arrays von Wandlerelementen verschiedene
Bilder in zwei Dimensionen. Die Kombination von Bildern entspricht
dann einer Zeitmittelung, wobei die Beschallungsrichtungen nacheinander
für dieselbe
Position des Arrays beschallt werden.
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Es
sind zahlreiche Verfahren vorgeschlagen worden, um das Prinzip auf
Daten in drei Dimensionen auszuweiten. Unter diesen Verfahren kann
man die Patentanmeldung
WO01/69282 zitieren,
die vorschlägt, Ultraschallbilder
mittels eines linearen Arrays zu erfassen, das sich schrittweise
in einer Richtung rechtwinklig zu den Bildebenen bewegt. Indem man
die Bewegungsrichtungen dieses eindimensionalen Arrays multipliziert,
lassen sich mehrere Ultraschallvolumina erzielen, die dieselbe Umgebung
abbilden. Das abgebildete Objekt ist dann ein Volumen. Nachdem man
die verschiedenen Volumina aufeinander neu ausgerichtet hat, beispielsweise
anhand von Daten eines Positionssensors, lassen sich diese verschiedenen
Volumina dann kombinieren, um ein Kombinationsvolu men zu schaffen.
Verglichen mit einer einzelnen Erfassung eines Volumens bietet dieses
Kombinationsvolumen einen besseren Rauschabstand und erhöht die Definition
und Kontinuität der
zwei- oder dreidimensionalen Strukturen der beobachteten Umgebung.
Zu Darstellungszwecken beispielsweise kann diese Kombination natürlich nur
in einer bestimmten Ebene vorgenommen werden. Das oben beschriebene
Verfahren zum Erfassen dreidimensionaler Daten ermöglicht es,
die Umgebung in einer bestimmten Schnittebene auf einfache Weise
abzubilden. Beispielsweise wird anhand der Erfassung des echographischen
Volumens eine Interpolation vorgenommen. Die verschiedenen Volumina,
die durch Abtasten der Umgebung mit verschiedenen Bewegungsrichtungen
des linearen Arrays erfasst wurden, ermöglichen es daher, verschiedene
Bilder der Umgebung in derselben gegebenen Schnittebene leicht zu
erfassen und somit ein Kombinationsbild in dieser Schnittebene zu
erzeugen. Ein einfacher und herkömmlicher
Vorgang der räumlichen
Kombination besteht lediglich darin, eine Mittelwertbildung dieser
Bilder vorzunehmen.
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Die
Erfindung bezieht sich auf folgende Aspekte:
In der Patentschrift
WO01/69282 nach dem Stand
der Technik werden die Ziele in einem Volumen in verschiedenen Richtungen,
beispielsweise n Richtungen, beobachtet. Bilder mit verschiedenen
Auflösungen
werden dann kombiniert, weil das zwei- oder dreidimensionale Bild eines lokalisierten
Reflektors (das heißt,
die Funktion der Reaktion des Bildgebungssystems auf einen Impuls)
höchst
anisotrop ist. Dies ist auf die physikalischen Eigenschaften der
Sonde sowie die Art der verwendeten Beschallung, Fokussierung und
Kanalbildung zurückzuführen. Aufgrund
des oben beschriebenen dreidimensionalen Datenerfassungsverfahrens
hängt diese
Reaktion des Systems in hohem Maße von der Bewegungsrichtung
des linearen Erfassungsarrays ab. Daher kann eine Kontur oder ein
Teil einer Kontur besser sichtbar oder nur sichtbar und deutlich
auf ein bestimmtes Bild begrenzt sein.
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Nach
Kombination der verschiedenen Erfassungen der Umgebung mit mehreren
Bewegungsrichtungen der Sonde hat das Kombinationsbild eine stärker isotrope
Auflösung
oder eine durchschnittliche Definition der Konturen, weil dadurch
eine durchschnittliche Reaktion des Systems synthetisiert wurde.
Die beste, von mindestens einem der kombinierten Bilder (beispielsweise
demjenigen, das zu einer der von dem Array erfassten Ebenen gehört und die
Qualität
eines herkömmlichen
echographischen Bildes hat) dargestellte Auflösung oder Konturdefinition
bleibt jedoch nicht erhalten. Dies ist nachteilig für das endgültig erhaltene
Kombinationsbild.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, die Rauschreduzierung zu nutzen, indem
die verschiedenen Bilder gemischt werden, während die bestmögliche Auflösung und
die größtmögliche Definition
oder Kontinuität
der erlangten Konturen erhalten bleiben. Somit ist es ein Ziel der
Erfindung zu vermeiden, dass die Qualitäten eines bestimmten Bildes
innerhalb der zu kombinierenden Bilder verloren gehen.
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Ein
Verfahren zum Kombinieren von Bildern ist aus der Abhandlung mit
dem Titel „Three-dimensional spatial
compounding of ultrasound scans with incidence angle weighting" von Leotta D. et.
al., IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM, NEW YORK, Bd. 2. 17. Oktober 1999,
XP2181820, bekannt. Das genannte Verfahren beinhaltet die folgenden
Schritte:
- – Suchen
nach Konturen, die eine Grenzfläche
auf den zu kombinierenden Bildern darstellen, wobei der genannte
Suchschritt dazu dient, Interessebereiche dicht an den genannten
repräsentativen
Konturen zu definieren,
- – Analysieren
von Interessebereichen, wobei der genannte Analyseschritt dazu dient,
den Punkten in den genannten Interessebereichen und den Punkten
außerhalb
der Interessebereiche in den zu kombinierenden Bildern Gewichte
zuzuordnen,
- – Konstruieren
eines Kombinationsbildes, wobei ein Punkt in dem Kombinationsbild
einem Punkt in mindestens einem Interessebereich entspricht, der
anhand einer Gewichtung der entsprechenden Punkte in den zu kombinierenden
Bildern erlangt wurde, wobei die genannte Gewichtung die im genannten
Analyseschritt zugeordneten Gewichte verwendet.
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Das
Verfahren zum Kombinieren von Bildern gemäß der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, dass der Analyseschritt das Auswerten der Ähnlichkeit
der Interessebereiche in den zu kombinierenden Bildern auf solche
Weise umfasst, dass:
- a. den Punkten, die zu
zwei Interessebereichen gehören,
die in zwei zu kombinierenden Bildern vorhanden und ähnlich sind,
ein erstes gleiches Gewicht zugeordnet wird,
- b. den Punkten, die zu einem in einem Bild detektierten Interessebereich
gehören
und nicht zu einem Interessebereich in einem anderen Bild, das mit
dem genannten Bild kombiniert werden soll, ein maximales Gewicht
zugeordnet wird, das grundsätzlich
höher als
das erste Gewicht in dem Bild ist, in dem der Interessebereich detektiert
wurde, sowie ein minimales Gewicht, das grundsätzlich niedriger als das erste
Gewicht für
das andere Bild ist.
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Daraus
resultiert, dass durch die Auswahl der Gewichte beim Vorhandensein
anatomischer, als Konturen detektierter Strukturen die besten Daten
begünstigt
werden. Auf diese Weise geht keine anatomische Struktur verloren
oder wird übermäßig abgeschwächt. Außerhalb
der Bereiche, in denen Strukturen vorhanden sind, weist das Bild
eine gute Qualität
auf, da es die herkömmliche
Kombination ermöglicht,
den Mittelwert der Bilder zu bilden und dadurch das Rauschen zu
reduzieren, das ebenfalls gemittelt wird. Das erfindungsgemäße Prinzip
kann auf jede ganzzahlige Anzahl von Bildern ausgeweitet werden.
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Der
Analyseschritt beinhaltet vorzugsweise Mittel, um die Eigenschaften
der Interessebereiche zu bestimmen. Diese Bestimmungsmittel können voneinander
unabhängig
oder miteinander kombiniert sein. Eine bestimme Anzahl von Ausführungsformen
der Erfindung entspricht diesen verschiedenen Bestimmungsmitteln.
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Die Ähnlichkeit
wird direkt zum Bestimmen der Gewichte verwendet. Dies ermöglicht es
beispielsweise, dass eine in einem einzelnen Bild detektierte Kontur,
die in einem Mittelwert der Bilder folglich verschwinden würde, von
der Kombination unbeeinflusst bleibt. Beispielsweise sind dann die
Gewichte für
die entsprechenden Punkte in den Bildern, die sich von demjenigen
unterscheiden, in dem sie detektiert wurden, alle Null.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
verwendet der Analyseschritt eine Untersuchung des Kontrastes innerhalb
des Interessebereichs. So werden insbesondere die Kontraste der
Konturen evaluiert und zum Berechnen der Gewichte verwendet. Entsprechend
dem Wert eines Konfidenzfaktors des Interessebereichs, der anhand
der Kontrastuntersuchung ermittelt wurde, können die Gewichte dann quantitativ
festgelegt werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
schließlich,
die insbesondere für
eine gemäß den in
der Patentanmeldung
WO01/69282 dargelegten
Prinzipien vorgenommene Erfassung von Bildern vorteilhaft ist, verwendet
der Analyseschritt eine Untersuchung der Auflösung. Für eine derartige Erfassung
haben die Bilder tatsächlich
unterschiedliche Auflösungen,
und es kann angebracht sein, die Bilder zu begünstigen, für die die Auflösung am
besten ist.
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Es
versteht sich hier, dass die Bildkombination jeweils das beste der
Bilder nimmt, um das allgemeine Kombinationsbild zu schaffen. Außerhalb
der anatomischen Strukturen wird das Rauschen in herkömmlicher Weise
durch Mittelwertbildung reduziert, wodurch ein besserer optischer
Eindruck bei den Strukturen erzielt wird.
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Die
Erfindung kann daher in jedem Gerät implementiert werden, das
dafür vorgesehen
ist, eine räumliche
Kombination von Bildern einer Umgebung vorzunehmen. Somit bezieht
sie sich auf eine Vorrichtung, die dafür vorgesehen ist, in ein Ultraschallbild gebungsgerät integriert
zu werden und Mittel umfasst, um die Schritte des oben dargelegten
Verfahrens auszuführen.
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In
einer ihrer Ausführungsformen
bezieht sich die Erfindung daher insbesondere auf das Gebiet der Medizin,
wo hochpräzise
Bilder eine korrekte und verfeinerte Diagnose gewährleisten.
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Die
Erfindung wird daher im Weiteren unter Bezugnahme auf Beispiele
der Ausführungsformen
beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt sind, ist jedoch
nicht auf diese begrenzt. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ultraschallgeräts, in dem die Erfindung vorteilhafterweise implementiert
ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines Prozessors, der zum Ausführen eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen ist;
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3 eine
beispielhafte Veranschaulichung der Auswirkungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf
eine Kombination von Bildern;
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4 Beispiele
von Verfahren, um Bilder in zwei Dimensionen zum Rekonstruieren
eines Volumens zu erfassen;
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die 5a und 5b zwei
orthogonale Schnitte der Reaktionsfunktion an einem Punkt oder der
Reaktionsfunktion des Systems, wobei ein Schnitt in der Sondenebene
und der andere in einer orthogonalen Ebene angelegt ist, die in
Richtung der Sondenbewegung liegt;
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die 6a und 6b zwei
alternative Arten der Erfassung von Bildern, die entsprechend eines
erfindungsgemäßen Verfabrens
kombiniert werden sollen.
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Die
folgende Beschreibung wird so dargeboten, dass ein Fachkundiger
die Erfindung verwenden und implementieren kann. Diese Beschreibung
wird im Rahmen der Patentanmeldung und ihrer Anforderungen geliefert.
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Die
folgenden Anmerkungen betreffen die Bezugszeichen. In allen Figuren
sind ähnliche
Einheiten mit identischen Zeichen bezeichnet. In einer einzelnen
Figur können
mehrere ähnliche
Einheiten auftauchen. In diesem Fall ist dem durch Buchstaben angedeuteten
Bezugszeichen eine Ziffer oder ein Suffix hinzugefügt. Der
Einfachheit halber kann diese Ziffer oder dieses Suffix weggelassen
sein. Dies gilt für
die Beschreibung und die Ansprüche.
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In
1 ist
ein Ultraschallbildgebungssystem dargestellt, in dem die vorliegende
Erfindung vorteilhafterweise implementiert ist. Eine Sonde PRB mit
einem Array ARR von Wandlern, ermöglicht es, eine Umgebung zu
beschallen. Eine entsprechende Aussendung sowie eine angepasste
Kanalbildung, wie beispielsweise in der Patentschrift
WO01/69282 beschrieben, ermöglichen
es, ein Hochfrequenzsignal (HF-Signal) für verschiedene Winkel der Umgebungsbeschallung
zu rekonstruieren und dadurch Bildfelder zu erhalten, die durch ein
Rechteck sowie Parallelogramme in gestrichelten Linien dargestellt
sind.
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Drei
Gruppen von Beschallungslinien sind in der Figur angedeutet und
mit A, B und C bezeichnet, wobei jede Gruppe in Bezug auf die Sonde
PRB in einem unterschiedlichen Winkel geneigt ist. Die Aussendung der
Strahlenbündel
wird durch einen Sender TRM gesteuert, der die Phasenverschiebung
und Dauer der Aktivierung jedes Elements des Arrays ARR von Wandlern
steuert: Auf diese Weise kann jedes Strahlenbündel an einem gegebenen Ausgangspunkt
auf dem Wandlerarray und in einem vorgegebenen Winkel emittiert
werden. Die von den Elementen des Wandlerarrays ARR empfangenen
Signale werden von einem Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert und
in ein digitales Kanalbildungsmodul DBF eingespeist. Das digitale
Kanalbildungsmodul DBF verzögert
die an jedem Element des Arrays empfangenen Echos und addiert sie,
um eine Sequenz kohärenter
echographischer Abtastungen zu bilden, die entlang jeder echographischen
Linie fokussiert sind. Der Sender TRM und das Kanalbildungsmodul
DBF werden von der Systemsteuereinheit SYC gesteuert, die auf die
von einem Bediener über
eine Benutzerschnittstelle USI bereitgestellten Anpassungen reagiert.
Das Steuermodul des Systems SYC steuert den Sender TRM so, dass
die erforderliche Anzahl von Gruppen von Beschallungslinien in den
erforderlichen Winkeln, in den erforderlichen Energiebereichen und
mit den erforderlichen Frequenzen gesendet wird. Die Systemsteuereinheit
SYC steuert auch das digitale Kanalbildungsmodul DBF, um die empfangenen
Echos für
die verwendeten Aperturen und Bildtiefen korrekt zu verzögern und
zu kombinieren. Die Echosignale werden von einem programmierbaren,
ein interessierendes Frequenzband definierenden digitalen Filter
FIL gefiltert und anschließend
zum Detektor DET übermittelt,
der die Hüllkurve
des Signals extrahiert und dessen Amplitude liefert. Gemäß dem Prinzip
der vorliegenden Erfindung werden die digitalen Echosignale durch
räumliche
Kombination in einem Prozessor P verarbeitet. Die digitalen Echosignale
werden zunächst
von einem Vorprozessor PRP vorverarbeitet. Der Vorprozessor PRP
kann die Signalabtastwerte gegebenenfalls mit einem Gewichtungs faktor
gewichten, der von der Anzahl der verwendeten Bilder abhängt. Weiterhin
kann der Vorprozessor die an den Rändern der überlagerten Bilder liegenden
Punkte gewichten, um die Übergänge zu glätten, an
denen sich die Anzahl der kombinierten Abtastwerte oder Bilder ändert. Die
vorverarbeiteten Signalabtastwerte können dann in einem Neuabtaster
(engl. resampler) RES einer erneuten Abtastung unterzogen werden.
Der Neuabtaster RES kann die Daten eines Bildes oder die Bildpunkte
(Pixel) eines Bildes im Anzeigeraum räumlich neu ausrichten. Als
Nächstes
werden die Bilder in einem Kombinationsmodul CMB kombiniert. Die
Kombination kann ein Summen-, Mittelwert-, Spitzenwertdetektierungsmittel
oder sonstige Kombinationsmittel umfassen. Vorteilhafterweise ist
die Erfindung in diesem Kombinationsmodul CMB implementiert. Abschließend wird
von einem Nachbearbeitungsprozessor POP eine Nachbearbeitung vorgenommen.
Der Nachbearbeitungsprozessor POP korrigiert den Dynamikbereich
der in einem mit der Anzeige kompatiblen Wertebereich kombinierten
Werte. Der Nachbearbeitungsprozessor lässt sich leicht mittels Nachschlagetabellen
(LUT) implementieren und kann gleichzeitig eine Komprimierung und
Standardisierung vornehmen, so dass die kombinierten Werte für die Anzeige
geeignet sind. Um Kompatibilität
zwischen den vom Modul POP ausgegebenen Bildgrößen und den für das Anzeigemodul
DIS und die Videokarte VIP akzeptablen Größen sicherzustellen, werden
die kombinierten Bilder in einem Bildrasterwandler SCC erneut interpoliert
und beispielsweise in einem Speicher MEM gespeichert. Nach der Rasterwandlung
werden die räumlich
kombinierten Bilder für
die Anzeige durch einen Videoprozessor VIP verarbeitet und auf Bildanzeigemitteln
DIS angezeigt.
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In 2 ist
eine Ausführungsform
eines Kombinationsmoduls CMB zum Implementieren eines erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Dieses Kombinationsmodul definiert eine Vorrichtung,
die für
die Verwendung in einem Ultraschallbildgebungsgerät gemäß der Erfindung
vorgesehen ist. Das Kombinationsmodul CMB empfängt die Daten mehrerer Bilder.
Um die Beschreibung zu vereinfachen, sind nur die Daten von zwei Bildern
IM[I], IM[J] am Eingang des Kombinationsmoduls CMB dargestellt.
Diese Daten wurden vorteilhafterweise einer ersten konventionellen
Vorverarbeitung unterzogen, wie oben beschrieben. In dieser und
den folgenden Figuren kennzeichnen die verschiedenen Bezeichnungen
allgemein für
jedes Bild und für
jedes Pixel oder Voxel: die Interessebereiche IA, die den in den
Bildern vorhandenen oder nicht vorhandenen Strukturen entsprechen,
und die Gewichte W, die, vor dem das Bild IMC erzeugenden
Kombinationsschritt, jedem Pixel oder Voxel eines Bildes zugeordnet
wurden. Die Indizes [I] und [J] ermöglichen es, die beiden Eingabebilder des
Kombinationsvorgangs CMB zu unterscheiden.
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Die
Beschreibung dieser Ausführungsform
wird für
ein abgebildetes, flaches Objekt und damit für zweidimensionale Bilder gegeben. 3 veranschaulicht
zwei Bilder, die vorteilhafterweise entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Bildkombinierung vorverarbeitet wurden. Die beiden in 3 dargestellten
Bilder können
aus unterschiedlichen Arten der Erfassung einer Abbildung der Umgebung
resultieren.
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In
einer ersten Anwendung der Erfindung werden die beiden Bilder IM[I]
und IM[J] für
dieselbe Arrayposition und für
verschiedene Beschallungswinkel erfasst. Anschließend wird
das Array ARR entsprechend dem in 3 dargestellten
Fall 1 positioniert, indem sich ein Array in der Ebene von jedem
der beiden Bilder befindet.
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In
einer zweiten Anwendung der Erfindung werden die beiden Bilder IM[I]
und IM[J] aus den beiden dreidimensionalen Erfassungen extrahiert,
wie in der Patentanmeldung
WO01/69282 beschrieben:
sie entsprechen dann demselben Schnitt durch die beiden echographischen
Volumina. In der Regel resultieren diese Bilder aus einer Interpolation
der Datenausgabe jedes 3D-Volumens und entsprechen nicht einem während der
Bewegung des linearen Arrays erfassten Schnitt. Die beiden Bilder
(oder mehr, falls Abtastungen in anderen Richtungen vorhanden sind)
entsprechen derselben physikalischen Ebene und können daher gemäß dem beispielsweise
in der Patentanmeldung
WO01/69282 beschriebenen
Verfahren kombiniert werden.
4 veranschaulicht
die Auswahl derartiger Schnittebenen in bestimmten Fällen, in
denen die Schnittebene parallel oder orthogonal zur Sondenebene
verläuft.
In
4, in der das Array ARR in der Richtung Y ausgerichtet
ist, bezeichnet der Pfeil AR die Abtastrichtung. Folglich wird das
Bild BSC in der Ebene des Arrays (Bscan) erfasst. Das Bild ESC ist
ein Schnitt durch das Volumen, das von dem durch das Array ARR in
einer Richtung orthogonal zur Ebene des Arrays ARR (Elevationsabtastung)
ausgesendeten Strahlenbündel
abgetastet wird. Das Bild CSC ist ein Schnitt orthogonal zu den
beiden Ebenen der vorhergehenden, durch die Tiefe indexierten Bilder
BSC und ESC.
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Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
und ohne Verlust der Allgemeingültigkeit
ist in 3, in der IM[J] beispielsweise ein Bild BSC für einen
gegebenen Beschallungswinkel ist, IM[I] dann beispielsweise ein
Bild ESC, das aus einem Schnitt zum Abtasten in einer Richtung orthogonal
zu derjenigen resultiert, welche die Erfassung des Bildes IM[I]
ermöglicht.
Das Array ARR wird dann entsprechend Fall 2 positioniert (und für das Bild
IM[I] bewegt), das heißt
rechtwinklig zur Bildebene. Erfindungsgemäß empfängt ein Konturensuchmodul CNT
die Bilddaten. Vorteilhafterweise basiert die Funktionsweise dieses
Konturensuchmoduls CNT auf den bekannten Grundsätzen der Konturensuche entsprechend
Pegelübergängen des
echographischen Signals, die Grenzflächen der abgebildeten Umgebung
entsprechen. Ein Fachkundiger kann eine manuelle Suche wählen, indem
er entweder Interessebereiche umfährt oder Konturen einzeichnet,
die den Interessebereichen der echographischen Bilder überlagert
sind. Ferner kann ein Fachkundiger eine automatische oder halbautomatische
Konturensuche wählen.
Er kann von Assistenzverfahren zum Verfolgen von Konturen unterstützt werden,
wie beispielsweise allgemein in W. A. Barrett und E. N. Mortensen „Interactive
Segmentation with Intelligent Scissors", Graphical Models and Image Processing,
60, S. 349–384,
1998, beschrieben. Weiterhin verfügt ein Fachkundiger über alle
Mittel zur Bildvorsegmentierung, Konturenextraktion usw. Unter den
Konturenextraktionsmitteln kann man beispielsweise die Canny-, Shen-,
Deriche-Filter usw. anführen.
Hier gibt es eine große
Vielfalt an Auswahlmöglichkeiten.
Zum Implementieren der Erfindung ist es lediglich erforderlich, am
Ausgang des Konturensuchmoduls CNT Daten zum Isolieren einer bestimmten
Anzahl von Bildpunkten zu erhalten, die als zu signifikanten Übergängen in
den Bildern gehörend
detektiert wurden und in der Umgebung vorhandenen Grenzflächen entsprechen.
Diese Punkte ermöglichen
es dann, mindestens einen Interessebereich IA in der näheren Umgebung
zu definieren.
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Tatsächlich,
und optional, können
die Konturen C[I] und C[J], die aus den zu Übergängen gehörend detektierten Punkten bestehen,
vergrößert werden.
Auf diese Weise sollen die Schätzungsfehler
aufgrund von Rauschen und Kacheleffekten beseitigt werden, um die
räumliche
Streuung infolge der unvollkommenen Reaktion des Erfassungssystems
zu berücksichtigen
und zu beachten, dass die Grenzflächen nicht unendlich fein sind.
In diesem Fall werden die Interessebereiche IA durch diese vergrößerten Konturen
definiert.
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Bezug
nehmend auf 3 werden die Konturen C[I] und
C[J] gesucht und die Interessebereiche IA[I] und IA[J] in den beiden
Bildern IM[I] und IM[J] definiert. Die Interessebereiche IA[I] und
IA[J] sind in 3 das Ergebnis einer Vergrößerung der
detektierten Konturen C[I] und C[J. Diese Vergrößerung ist absichtlich übertrieben.
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Die
Interessebereiche IA[I] und IA[J] werden anschließend in
einem Analysemodul ANA analysiert. Bei einer ersten Ausführungsform
der Erfindung beginnt der Analyseschritt damit, die Ähnlichkeit
der in den verschiedenen Bildern vorhandenen Kontu ren zu bestimmen.
Zweck des Analyseschritts ANA ist es dann, die Überlagerung der Interessebereiche
in den verschiedenen Bildern zu ermitteln. Um die Erklärung zu
vereinfachen, sind in 3 die aus dieser Suche resultierenden
Interessebereiche IA[I] und IA[J] (in den Bildern IM[I und IM[]
detektiert) als Überlagerung
in den Bildern IM[I] und IM[J] (gestrichelte Linien) dargestellt.
Gesucht werden daher Punkte, welche die in jedem Bild detektierten
Interessebereiche gemeinsam haben. Beim Überlagern von Interessebereichen
wurde die in diesen Interessebereichen enthaltene Kontur in den
beiden Bildern detektiert, und die beiden Interessebereiche können somit
kombiniert werden, indem man diesen Punkten gleiche Gewichte zuweist.
Denjenigen Punkten, die zu einem in einem Bild detektierten Interessebereich
gehören und
nicht zu einem Interessebereich in einem anderen Bild, wird ein
maximales Gewicht in dem Bild zugeordnet, in dem der Interessebereich
detektiert wurde, und ein minimales Gewicht für das andere Bild. Anschließend wird
Pixel für
Pixel des Interessebereichs die Gewichtung definiert. Wenn somit
n Bilder verarbeitet werden, bestehen für jedes Pixel 2'' Auswahlmöglichkeiten. Man kann beispielsweise
entscheiden, beim Fehlen eines Interessebereichs ein Gewicht von
nahezu Null und im gegensätzlichen
Fall ein Gewicht von 1 zuzuweisen. Die folgende Tabelle zeigt beispielsweise
die Zuordnung von Gewichten für
eine Kombination von zwei Bildern. Die ersten beiden Spalten definieren
mit 0 und 1 die Zugehörigkeit
eines Pixels zu jedem der beiden Interessebereiche. W stellt das
Gewicht und P die standardisierten Gewichte dar, wobei α ein reeller
Kompromiss zwischen 0,5 und 1 ist.
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Der
Wert des entsprechenden Pixels im Kombinationsbild ist dann gleich:
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Diese
Gleichung lässt
sich auf jede ganzzahlige Anzahl n von Bildern verallgemeinern.
Die letzte Zeile in der Tabelle beschreibt eigentlich den herkömmlichen
Fall von Bereichen außerhalb
von Interessebereichen und damit die herkömmliche räumliche Kombination von Bildern.
Auf diese Weise kann man eine Gewichtungsabbildung für die Interessebereiche
IA sowie für
die mit IM-IA bezeichneten Bereiche außerhalb von Interessebreichen
erhalten. Die Gewichtungsabbildung kann daher in dem gesamten Bild
definiert werden.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bestimmt der Analyseschritt
ANA einen Konfidenzindex für
eine Kontur in jedem der Bilder, in dem sie detektiert wurde. Auf
diese Weise kann man entsprechend der Qualität der Kontur eine Skala zwischen
den Bildern festlegen. Diese Ausführungsform nutzt die Ergebnisse
der Konturähnlichkeitsuntersuchung.
Nicht konstante Gewichte an den Punkten im Interessebereich (zum Beispiel
andere als 0 und 1) können
dann entsprechend zugeordnet werden, beispielsweise dem in den zu kombinierenden
Bildern beobachteten Kontrast oder einer anderen Konfidenzmaßen. Diese
Gewichte hängen dann
von der jeweiligen Position des fraglichen Pixels oder Voxels ab.
Dieser Kontrast wird unter Verwendung herkömmlicher Mittel durch Berechnung
von Größen (wie
beispielsweise dem Gradienten oder der Ableitung) im Bild und anschließenden Vergleich
dieser Größen an den
verschiedenen Punkten des Interessebereichs bestimmt, die von einem
Bild zum anderen ähnlich
sind. In dem Beispiel in 3 sind die Punkte in der Kontur, die
zu beiden Interessebereichen gehört,
im Bild IM[J] stärker
kontrastiert (mit einer breiteren Linie dargestellt). Dieser Kontrastunterschied
kann beispielsweise durch eine Gradientenberechnung und einen anschließenden Vergleich
zwischen den beiden Bildern detektiert werden. Die Kontrastbewertung
kann auch einem Benutzer überlassen
werden, der dann ein oder mehrere Bilder auswählen kann, die seiner Meinung
nach den besten Kontrast aufweisen. Somit werden den Punkten im
Bild IM[J] im gemeinsamen Bereich größere Gewichte zugeordnet als
den entsprechenden Punkten im Bild IM[I]. Der beste in der Kontur
beobachtete Kontrast kann beispielsweise von einer besseren Reflektion
der Ultraschallwellen aufgrund eines Emissionswinkels des Ultraschallstrahlenbündels herrühren, der
besser an die von der genannten Kontur dargestellte Grenzfläche angepasst
ist. Die Grenzfläche
ist beispielsweise eine Veränderung
des Gewebes in der beobachteten Umgebung. Um beim Beobachten des
Kombinationsbildes IMc einen besseren visuellen Eindruck zu erhalten,
können
vor der Berechnung von IMc die Bilder mit standardisierten Gewichten
P[I] und P[J] schließlich
noch geglättet
werden, um eine visuell kontinuierlichere Kombination zu erzeugen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung nutzt der Analyseschritt ANA weiterhin eine Evaluierung
der Auflösung
in den Interessebereichen der zu kombinierenden Bilder. Diese Ausführungsform
verwendet die Ergebnisse der Konturenähnlichkeitsuntersuchung. Bei
den verschiedenen Bildern, in denen die gemeinsamen Interessebereiche
detektiert wurden, kann zum Berechnen der Gewichte eine Evaluierung
der Auflösung
verwendet werden. Dies ist vorteilhaft, wenn die zu kombinierenden
Bilder nicht dieselbe Auflösung haben.
Beispielsweise ist dies der Fall bei zwei Bildern, die aus demselben
Schnitt zweier echographischer Volumina stammen, welche mit zwei
orthogonalen Bewegungsrichtungen der Sonde ARR erfasst wurden, wie in 4 dargestellt:
eines der Bilder entspricht dann einem Bild des Typs BSC und ist
gut aufgelöst,
das andere Bild entspricht einem Bild des Typs ESC und ist grobkörniger.
In der Regel werden die zu kombinierenden Bilder mit einem linearen
Array von Wandlern erfasst, die bei mehreren Erfassungsvorgängen der
echographischen Volumina von ein und derselben Umgebung nacheinander
in mehrere unterschiedliche Richtungen ausgerichtet werden. In diesem
Fall ist die auf ein Echo eines Ultraschallstrahlenbündels an
einem Punkt zurückzuführende Übertragungsfunktion
(die Reaktion des Systems auf einen Impuls, Point Spread Function
genannt) höchst
anisotrop.
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Die 5a und 5b stellen
zwei Schnitte der Übertragungsfunktion
des Bildgebungssystems dar, gesehen in zwei bestimmten Schnittebenen.
Um die Erläuterungen
zu vereinfachen, werden zwei echographische Volumina betrachtet,
die mit orthogonalen Bewegungen des linearen Arrays erfasst wurden.
Beobachtet werden sollen zwei gleiche Schnitte jedes dieser beiden
Volumina. Der erste Schnitt ist rechtwinklig zur Bewegung der zum
Erfassen des ersten Volumens benutzten Sonde. Der zweite Schnitt
ist parallel zur Bewegung der zum Erfassen des zweiten Volumens
benutzten Sonde. Bezug nehmend auf 3 ist der
erste Schnitt ein Schnitt des in der Sondenebene erfassten Typs
BSC (siehe 5a) und der zweite Schnitt ein
Schnitt des in einer Ebene orthogonal zur Sondenebene erfassten
Typs ESC (siehe 5b). Die beiden 5a und 5b veranschaulichen,
für dieselbe
Schnittebene der abgebildeten Umgebung, die zugehörige Auflösung der
Bilder für
die verschiedenen Punkte in den untersuchten Ebenen. Diese aus dem
Echo an einem Punkt resultierenden Funktionen sind von der Tiefe
abhängig.
In der Fokussierungsebene, wo sich in der Mitte des Flecks ein Punkt
2 befindet, herrscht eine minimale Echoverminderung E2.
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Die
Echos E1 und E3 an den in der Mitte der Flecken E1 und E3 befindlichen
Punkten 1 und 3 haben eine schlechtere Auflösung als das Echo E2 eines
in der Fokussierebene liegenden Punktes. Weiterhin sollte beachtet
werden, dass diese Funktionen, die dieselbe Ebene der Umgebung darstellen,
aber aus zwei Erfassungen der Umgebung mit unterschiedlichen Bewegungsrichtungen
der Sonde stammen, verschieden sind. Sie veranschaulichen die Verschlechterung
der mit Hilfe eines linearen Wandlerarrays erfassten und durch Abtasten
einer untersuchten Umgebung interpolierten Bilder. Bei dieser 5a ist
die laterale Auflösung
tatsächlich
besser, weil sie der Reaktion des Bildgebungssystems in der Ebene
des Arrays entspricht. Diese Auflösung erreicht ihre maximale
Verschlechterung in der orthogonal zur Arrayebene liegenden Ebene,
wie in 5b veranschaulicht. Die Kombination
dieser Bilder mischt daher verschiedene räumliche Auflösungen. Das
Ergebnis ist ein Bild mit einer stärker isotropen Auflösung. Insgesamt
ist die Auflösung
jedoch schlechter als in 5a. Erfindungsgemäß kann es
daher vorteilhaft sein, das in der Ebene des Arrays ARR erfasste
Bild gegenüber
dem Bild 5b zu bevorzugen, das mittels Schnitt in einer Richtung
rechtwinklig zum Array ARR erfasst wurde. Auf diese Weise erhält man eine
bessere Gesamtauflösung.
Gemäß der Erfindung,
die daraus besteht, Bereichen bestimmter Bilder in der Kombination
eine größere Bedeutung
beizumessen, werden somit den ähnlichen
Interessebereichen, die in Bildern detektiert wurden, welche in
der Arrayebene erfasst wurden, vorteilhafterweise größere Gewichte
im Vergleich zu den entsprechenden Interessebereichen zugeordnet,
die in denjenigen Bildern detektiert wurden, welche nach Abtasten
in einer Richtung parallel zur Bildebene mittels Interpolation erfasst
wurden.
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Die 6a und 6b beschreiben
den obigen Prozess in einem allgemeineren Zusammenhang, wenn das
Kombinieren mit Hilfe von Erfassungsvorgängen ausgeführt wird, die in beliebigen
Bewegungsrichtungen des Arrays sowie in jeder Schnittebene erfolgen.
Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung wird ein Gewicht zugewiesen, das umso größer ist,
je besser die Auflösung
ist. Dadurch wird den Punkten einer Erfassung ein größeres Gewicht
zugewiesen, wenn diese dichter an einem Schnitt des Typs BSC liegen. Bezug
nehmend auf 6 ist es bei einem gegebenen
Volumen beispielsweise möglich,
ein Gewicht zuzuweisen, das gleich dem absoluten Kosinuswert des
Winkels ist, der zwischen der Schnittebene des Bildes PC und einem
Schnitt des Typs BSC liegt. Erfindungsgemäß wird angestrebt, den Kontrast
in den Interessebereichen mit Übergängen beizubehalten
und eine Mittelwertbildung in den Teilen der beobachteten Umgebung durchzuführen, die
keine anatomischen Strukturen enthalten. In den Teilen, in denen
die Interessebereiche IA überlagert
sind (siehe beispielsweise 3), wurde
die in diesen Interessebereichen enthaltene Kontur in den beiden
Bildern detektiert, so dass die beiden Interessebereiche folglich
kombiniert werden können,
indem diesen Punkten Gewichte verliehen werden, die die Nähe des beobachteten
Schnitts zu einem Schnitt des Typs BSC darstellen. Die folgende
Tabelle stellt beispielsweise die Zuordnung von Gewichten für eine Kombination von
zwei Bildern dar, die von zwei Volumina stammen, welche gemäß den in
den 6a und 6b beschriebenen
Konfigurationen erfasst wurden (Erfassungen A und B). PC stellt
die abzubildende Schnittebene dar, θA ist
der Winkel zwischen PC und einer Schnittebene des Typs BSC für die Erfassung
A, und θB ist der Winkel zwischen PC und einer Schnittebene
des Typs BSC für
die Erfassung B. Die ersten beiden Spalten in der Tabelle definieren
durch 0 und 1 die Zugehörigkeit
eines Pixels zu jedem der beiden Interessebereiche. W stellt das
Gewicht und P die standardisierten Gewichte dar, wobei α ein reeller
Kompromiss zwischen 0,5 und 1 ist.
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-
Der
Wert des dem Kombinationsbild entsprechenden Pixels wird durch die
Gleichung gegeben:
-
Somit
ermöglicht
es diese Gleichung, die am besten aufgelösten Daten zu bevorzugen, keine
Informationen über
die Übergänge zu verlieren
und die Bereiche ohne Strukturen einer erneuten Mittelwertbildung
zu unterziehen. Um beim Beobachten des Kombinationsbildes IMc einen
besseren visuellen Eindruck zu erhalten, können vor der Be rechnung von
IMc die Bilder mit den Gewichten W[I] und W[J] oder die Bilder mit
den standardisierten Gewichten P[I] und P[J] schließlich noch
geglättet
werden, um eine visuell kontinuierlichere Kombination zu erzeugen.
-
Schließlich enthält der Analyseschritt
ANA vorteilhafterweise Mittel, um die Qualität einer Kontur gemäß verschiedener
Kriterien zu bestimmen, die voneinander unabhängig oder miteinander kombiniert
sein können.
Diese Kriterien beinhalten daher beispielsweise eine Detektierung
der Ähnlichkeit
von Interessebereichen, eine Untersuchung des Kontrastes von Konturen,
eine Untersuchung der Auflösung
sowie jegliches andere mögliche
Kriterium, um die Qualität
einer eine Grenzfläche
darstellenden Kontur zu beurteilen. Es versteht sich hier von selbst,
dass die Bildkombination das beste von jedem der Bilder verwendet,
um das in 3 dargestellte allgemeine Bild
IMc zu erzeugen. Die Gewichtungen werden so vorgenommen, dass die
besten Daten bevorzugt werden, die in Gegenwart anatomischer Strukturen
als Konturen detektiert wurden, so dass keine anatomische Struktur
verloren geht und das Bild außerhalb
von Bereichen, in denen Strukturen vorhanden sind, eine gute Qualität aufweist.
Das liegt daran, dass es durch das Mitteln der Bilder über die
außerhalb von
Interessebereichen liegenden Bereiche möglich wird, das Rauschen zu
mitteln und folglich zu reduzieren. Das erfindungsgemäße Prinzip
kann auf jegliche ganzzahlige Anzahl von Bildern ausgedehnt werden.
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
der Erfindung wird dem Benutzer eine Modifikation der Gewichte angeboten,
indem er wählen
kann, einem bestimmten Bild für
einen gegebenen Interessebereich eine größere Bedeutung zu geben, wobei
das genannte spezielle Bild seiner Meinung nach die beste Qualität aufweist.
Speziell zur Beurteilung des besten Kontrastes kann der Eingriff
eines Fachkundigen besonders nützlich
sein. Das visuelle Ergebnis kann dann von einem Benutzer bewertet
und verfeinert werden, der die endgültige Qualität des Kombinationsbildes
beurteilt und die Gewichte entsprechend seiner Wahrnehmung modifiziert.
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Die
schließlich
erhaltenen Gewichtabbildungen W[I], W[J] werden dann in einem Kombinationsmodul CC
verwendet, das die gewichtete Addition der verschiedenen Interessebereiche
und der den genannten Interessebereichen entsprechenden Punkte vornimmt,
wenn sie von einem Bild zum anderen nicht ähnlich sind. Außerhalb
der Interessebereiche der verschiedenen zu kombinierenden Bilder
wird eine herkömmliche,
dem Fachkundigen bekannte Kombination vorgenommen. Am Ausgang des
Prozessors erhält
man dann schließlich
das Kombinationsbild IMc.
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Vorteilhafterweise
können
unabhängig
von der Erfindung Mittel zum Verbessern des Bildes verwendet werden
(insbesondere und beispielsweise die Verfahren zur Unschärfebeseitigung
und Betonung).
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Die
Erfindung wurde für
Kombinationen von Bildern in zwei Dimensionen beschrieben. Man hat
gesehen, welche Art von zweidimensionalen Bildern (mit unterschiedlichen
Winkelausrichtungen des Strahlenbündels und unterschiedlichen
Abtastausrichtungen des Arrays für
dieselbe Bildebene) sich kombinieren lässt. Es lässt sich dann ein Volumen in
drei Dimensionen aus kombinierten zweidimensionalen Bildern rekonstruieren, sofern
letztere in mindestens zwei Richtungen im Raum verfügbar sind.
Dies läuft
einfach auf eine gleichmäßige Verarbeitung
mehrerer Schnittebenen hinaus, um einen rekonstruierten 3D-Raum
zu erzeugen. Es ist auch möglich,
Schnittebenen spontan zu rekonstruieren, zum Beispiel nur den Schnitt,
der von dem durch den Bediener gesteuerten Anzeigemodul angefordert
wird. In diesem Fall ist es dann vorteilhaft, die Auflösung in die
Kriterien zur Berechnung der Gewichte einfließen zu lassen, die den verschiedenen,
von dieser Schnittebene gekreuzten Bildern zugeordnet werden. Vorstellbar
ist auch, die Grundsätze
der Erfindung auf eine räumliche
Kombination von Volumina anzuwenden. In einem derartigen Fall detektiert
der Kontursuchschritt Oberflächen
in den Volumina, und der Analyseschritt wartet auf die Punkte in
Interessebereichen, die Interessevolumina sind. Die Grundsätze gemäß der Erfindung
lassen sich auf andere Arten der Kombination von Bildern sowie auf
andere Arten von Bildern verallgemeinern.
-
Es
gibt zahlreiche Möglichkeiten,
die in den erfindungsgemäßen Mitteln
und Schritten dargestellten Funktionen durch Software- und/oder
Hardwaremittel zu implementieren, die Fachkundigen zugänglich sind. Aus
diesem Grund sind die Figuren schematisch. Obwohl die Figuren verschiedene
Funktionen zeigen, die von verschiedenen Einheiten erfüllt werden,
schließt
dies folglich kein einzelnes Software- und/oder Hardwaremittel aus,
das mehrere Funktionen erfüllen
kann. Dies schließt
auch nicht eine Kombination von Software- und/oder Hardwaremitteln
aus, die es möglich
macht, eine Funktion zu erfüllen.
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1
- PRB
- Sonde
- DBF
- Kanalbildungsmodul
- FIL
- Filter
- DET
- Detektor
- PRP
- Vorprozessor
- RES
- Neuabtaster
- CMB
- Kombinationsmodul
- POP
- Nachbearbeitungsprozessor
- P
- Prozessor
- ARR
- Wandlerarray
- TRM
- Sender
- USI
- Benutzerschnittstelle
- SYC
- Systemsteuerung
- DIS
- Anzeigemodul
- VIP
- Videokarte
- SCC
- Bildrasterwandler
- MEM
- Speicher
-
2
- CNT
- Konturensuchmodul
- CMB
- Kombinationsmodul
- ANA
- Analysemodul
- CC
- Kombinationsmodul
-
6a/b
- ACQUISITION
- Erfassung
