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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei Ultraschallverfahren,
die bei der diagnostischen Bildgebung eingesetzt werden, und insbesondere
auf die dreidimensionale Ultraschallabtastung von bewegtem Gewebe.
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Ultraschallbildgebungssysteme
können
vorteilhaft Bewegungsmerkmale von Substanzen innerhalb des Körpers durch
das Doppler-Phänomen
von Schallwellen darstellen. Es wurde die Color-Flow-Bildgebung entwickelt,
die sich auf die Phasen- oder Frequenzverschiebungen von empfangenen
Ultraschallechos stützt, um
die Richtung und Geschwindigkeit von fließendem Blut oder anderer Flüssigkeiten
im Körper
zu berechnen. Die Schätzungen
dieser vektoriellen Merkmale der Strömung von Flüssigkeiten werden mit speziellen
Farben oder Farbtönen
innerhalb einer Farbpalette korreliert oder abgebildet, und dann
räumlich
in einem zweidimensionalen Bild zusammen mit einer Darstellung der
Struktur der Organe oder Gefäße, in denen
die Strömung auftritt,
dargestellt, wobei die Farben oder Farbtöne die Richtung und die Geschwindigkeit
der Strömung
in den Gefäßen oder
Organen angeben.
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Es
ist wohlbekannt, dass Dopplersignalechos von jeder Substanz im Körper zurückgesendet
werden, die sich in Bezug auf den Ultraschallsender bewegt, unabhängig davon,
ob es sich bei der Substanz um eine Flüssigkeit oder um Gewebe handelt.
Wird das Color-Flow-Ultraschallsystem so ausgelegt, dass es Strömungsgeschwindigkeiten
von Flüssigkeiten
darstellt, werden die von Gewebe zurückgesendeten Echoinformationen
im Allgemeinen durch einen frequenz- oder amplitudenempfindlichen
Filter, bekannt als Wandfilter, unterdrückt, und es bleiben vorwiegend
Informationen über
die Flüssigkeitsströmung für die Verarbeitung
und Anzeige übrig.
Ein Ultraschallsystem mit einer derartigen Konfiguration ist beispielsweise
in der US-amerikanischen Patentschrift 5.197.477 beschrieben. Ein
weiteres Ultraschallsystem mit einer derartigen Konfiguration ist
in der US-amerikanischen
Patentschrift 5.485.842 dargelegt. Das letztere Patent umfasst auch
Mittel zum Bilden von 3D-Bildern aus 2D-Bildern, die eine Doppler-Geschwindigkeitsdarstellung
der Blutströmung
oder eine Doppleramplituden- (Leistungs-) Darstellung der Blutströmung zeigen,
die B-Mode-Bildern überlagert
ist.
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Als
Alternative kann ein Color-Flow-Ultraschallsystem so ausgelegt sein,
dass es die Geschwindigkeit von bewegtem Gewebe darstellt, indem
es die Echoinformationen, für
die der Wandfilter empfindlich ist, verarbeitet und anzeigt und
dabei Dopplerechoinformationsmerkmale von Flüssigkeitsströmung ausschließt. Ein Ultraschallsystem
mit dieser Konfiguration ist beispielsweise in der US-amerikanischen
Patentschrift 5.285.788 beschrieben.
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Nach
der Entwicklung der Color-Flow-Doppler-Bildgebung wurde damit begonnen,
ein zweites Verfahren zur Nutzung von Ultraschall-Dopplerinformationen
zu erforschen, das als Power-Doppler-Bildgebung bekannt ist. Bei
der Power-Doppler-Bildgebung
wird nicht versucht, die Geschwindigkeit oder Richtung von bewegten
Flüssigkeiten
oder Gewebe zu schätzen.
Stattdessen wird bei der Power-Doppler-Bildgebung die Existenz von
Bewegungen durch die Intensität
oder Leistung von Dopplersignalinformationen dargestellt. Die Leistung
der Dopplersignalinformationen können
zur Anzeige auf eine Reihe von Farben oder Farbtönen abgebildet werden, wobei
die Anzeige nicht die Geschwindigkeit oder Richtung der Bewegung,
sondern die Größe der Dopplerkennlinie
der Bewegung durch die Farbe oder den Farbton in der Anzeige darstellt.
Da, wie oben erwähnt,
Dopplerechosignale sowohl von bewegten Flüssigkeiten als auch von bewegtem
Gewebe ausgehen können,
kann ein Power-Doppler-Bild erzeugt werden, das die Dopplerleistung
von sowohl der Flüssigkeitsströmung als
auch der Gewebebewegung darstellt.
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Vor
kurzem wurde in der US-amerikanischen Patentschrift 5.474.074 dargelegt,
dass Power-Doppler-Informationen vorteilhaft in dreidimensionaler
Form angezeigt werden können.
Die dreidimensionale Power-Doppler-Bildgebung behebt die Unsicherheit,
der sich der Arzt gegenüber
sieht, wenn er eine Diagnose über
die dreidimensional vorliegende Pathologie ausgehend von einer Folge
von eingeschränkten
zweidimensionalen Bildern zu stellen versucht. Der Arzt kann sofort
die volumetrische Vollständigkeit
eines Strömungsnetzes
in einer dreidimensionalen Anzeige sehen. Zusätzlich bietet die dreidimensionale
Power-Doppler-Bildgebung der Blutströmung einen zweiten Vorteil,
nämlich
die Segmentierung der dreidimensionalen Strömung von strukturellen Störechos,
die durch die Bewegungscharakteristik von Power-Doppler-Informationen
geboten wird. Somit kann die Darstellung der Blutströmung in
einem Netz von Gefäßen deutlich
und vollständig
in einem dreidimensionalen Power-Doppler-Bild erfolgen, ohne dass
eine Verstärkung
mit B-Mode-Bildinformationen
erforderlich wäre.
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Obwohl
die oben genannten Verfahren hervorragende dreidimensionale Ansichten
von Blutströmungsnetzen
bieten, wäre
es auch wünschenswert,
spezifische pathologische Zustände
von Organen wie dem Herz dreidimensional darzustellen. Insbesondere
wäre es
wünschenswert,
die sich bewegenden Herzklappen und -wände und die Auswirkungen dieser
Bewegung der Wände
des Organs auf die Kapazität
der Herzkammern, beispielsweise der linken Herzkammer, dreidimensional
darzustellen. Es wäre
ferner wünschenswert,
die Ränder
des schlagenden Herzens, wie das Endokard, genauer dreidimensional
abzugrenzen.
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Gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung werden ein Ultraschallbildgebungssystem
und Bildgebungsverfahren für
die dreidimensionale Bildgebung des schlagenden Herzen und anderer
bewegter Gefäße durch
die Auswertung und Anzeige des Power-Doppler Signals geschaffen.
Ein Volumen des Herzens oder eines anderen Organs, das untersucht
wird, wird mit Ultraschallwellen beschallt, und die zurückgesendeten Echoinformationen
werden von einem Power-Doppler-Prozessor verarbeitet, um räumlich ausgerichtete
Power-Doppler-Informationen zu erzeugen. Ein Gewebebewegungsdetektor
unterscheidet von Gewebe zurückgesendete
Power-Doppler-Informationen von denjenigen, die von Flüssigkeiten
zurückgesendet
werden. Die räumlich
ausgerichteten, von bewegtem Gewebe zurückgesendeten Power-Doppler-Informationen
werden dann verarbeitet und in einer dreidimensionalen Bilddarstellung
angezeigt. Die resultierenden Bilder sind störechofreie, hochgradig segmentierte
Darstellungen des Herzen und anderer dreidimensionaler bewegter
Organe und Gefäße.
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Ausführungsbeispiele
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung funktionierenden Ultraschallbildgebungssystems;
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2 die
QRS-Wellenform des Herzschlags eines Patienten, die dazu verwendet
wird, die Bilderfassung in dem System aus 1 auszulösen;
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3 die
Kennlinie des Wandfilters des Systems aus 1;
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4 Verfahren
für die
Differenzierung zwischen Blutströmung
und Gewebebewegung gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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die 5a und 5b ein
Blockschaltbild von zwei Ausführungsbeispielen
des Gewebebewegungsdiskriminators aus 1;
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6 die
Kennlinien des Dynamikbereichentscheidungsprozessors aus 5;
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7 die
Kennlinien des Geschwindigkeitsentscheidungsprozessors aus 5;
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8 die
Erfassung von Bildebenen des Herzens zur dreidimensionalen Anzeige
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung;
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9 einen
Ablaufplan der dreidimensionalen Verarbeitung von Bildebeneninformationen,
die gemäß 8 erfasst
wurden;
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die 10a und 10b dreidimensionale
Power-Doppler-Bilder einer Kammer des Herzens während einer entspannten Funktionsphase;
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die 11a und 11b dreidimensionale
Power-Doppler-Bilder einer Kammer des Herzens während einer zusammengezogenen
Funktionsphase.
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Bezug
nehmend auf 1 wird ein Blockschaltbild eines
Ultraschallbildgebungssystems dargestellt, das gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Eine Ultraschallsonde 10 umfasst
einen Multielement-Wandler 22, der Wellen mit Ultraschallenergie
in den Körper
eines Patienten sendet und Ultraschallechos empfängt, die von Strukturen im
Körper
zurückgesendet
werden. Im Falle der Sendung von Ultraschallwellen zur Dopplerabfrage
des Körpers
sind die von bewegtem Gewebe, Blut und anderen Flüssigkeiten im
Körper
zurückgesendeten
Echos von Interesse. Die Ultraschallsonde 10 ist mit einem
Sender/Empfänger 14 verbunden,
der abwechselnd einzelne Elemente des Wandlers pulst, um ein Ultraschallstrahlenbündel zu formen
und zu lenken, und der Echosignale empfängt, verstärkt und digitalisiert, die
nach jeder Impulssendung von den Wandlerelementen empfangen werden.
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Wird
das Ultraschallsystem verwendet, um Echoinformationen von dem schlagenden
Herzen zu erfassen, können
die erforderlichen Informationen im Allgemeinen nicht erfasst werden,
während
sich das Herz im Wesentlichen in einer Position während seines
Zyklus des Zusammenziehens und Ausdehnens befindet. Um der Bewegung
des Herzens Rechnung zu tragen, wird das Echo in der gleichen Phase
oder den gleichen Phasen des Herzzyklus über eine Anzahl von Herzzyklen
erfasst. 2 zeigt eine Wellenform 60 des
Herzschlags, die von dem EKG-Modul eines Ultraschallsystems erzeugt
worden sein kann. Die Wellenform kann auch von Dopplermessungen
des Herzsystems abgeleitet werden. 2 zeigt
zwei dreieckige Bezugsmarkierungen S und D, die die Wellenform angeben,
wenn sich das Herz in seiner systolischen und diastolischen Spitzenphase befindet.
Befindet sich das Herz in diesen Phasen seines Zyklus, ist es vorübergehend
unbeweglich, da der Herzmuskel von Zusammenziehen auf Ausdehnen
oder umgekehrt wechselt. Wird Gewebebewegung des Herzen erfasst,
werden diese Phasen im Allgemeinen nicht abgebildet, sie sind jedoch
nützlich
als Zeitmarkierungen, um die Zeitpunkte oder Phasen zu kennzeichnen,
an denen die Bilder erfasst werden. 2 zeigt
drei Pfeilmarkierungen P1, P2 und
P3, die der Benutzer in Bezug auf die Wellenform 60 und
die Bezugsmarkierungen verschieben kann. Werden die Pfeilmarkierungen
wie in 2 dargestellt gesetzt, erfasst das Ultraschallsystem
Echoinformationen in den angegebenen Phasen des Herzzyklus, und
der Herztrigger bewirkt, dass der Sender/Empfänger 14 Ultraschallimpulse
in diesen Phasen von aufeinander folgenden Herzzyklen sendet, bis die
erforderlichen Echoinformationen empfangen wurden.
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Der
Sender/Empfänger 14 ist
mit einem Strahlbündler 16 verbunden,
der die Zeitpunkte der Aktivierung von bestimmten Elementen des
Wandlers 12 durch den Sender/Empfänger in Übereinstimmung mit dem Herztrigger
steuert. Diese Zeitsteuerung ermöglicht
es dem Wandler 12, in den gewünschten Herzphasen ein geformtes
und fokussiertes Ultraschallstrahlenbündel in eine gewünschte Richtung
zu senden. Der Strahlbündler 16 empfängt auch
die digitalisierten Echosignale, die während des Echoempfangs von
dem Sender/Empfänger
erzeugt werden, und verzögert
und summiert sie in geeigneter Weise, um kohärente Echosignale zu bilden.
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Die
von dem Strahlbündler 16 erzeugten
Echosignale werden einem B-Mode-Prozessor 30 und
einem I/Q-Demodulator 18 zugeführt. Der B-Mode-Prozessor verarbeitet
die Amplitudeninformationen der Echosignale auf räumlicher
Basis zur Erstellung eines Strukturbildes des Gewebes in dem abgetasteten
Bereich des Patienten. Der I/Q-Demodulator 18 demoduliert
die empfangenen Echosignale zu Quadraturkomponenten für die Dopplerverarbeitung.
Die I/Q-Komponenten werden von einem Wandfilter 20 gefiltert,
um stationäre
Dopplersignale aus der Folge von Dopplersignalen zu eliminieren.
Zu diesem Zweck besitzt der Wandfilter eine Bandpasskennlinie mit
einem Ansprechverhalten von Null bei einer Geschwindigkeit von Null.
Ein typisches Ansprechverhalten 120 für einen Wandfilter 20 ist
in 3 in Bezug auf die Doppler-Verschiebungsfrequenz der
empfangenen Signale dargestellt. Die Abszisse der Kennlinie ist
auf die Impulsfolgefrequenz (engl. pulse rate frequence, PRF) der
Doppler-Übertragung
normalisiert, d.h. auf der Abszisse sind Einheiten der Doppler-Verschiebungsfrequenz
dividiert durch die Impulsfolgefrequenz aufgetragen. Wie die Kennlinie 120 zeigt, weist
der Wandfilter 20 ein Ansprechverhalten von Null bei einer
Dopplerverschiebung von Null auf, das bei 0,1 der normalisierten
Dopplerverschiebung auf einen maximalen Wert ansteigt. Ungefähr bei einem
Wert von 1,9 geht das Ansprechverhalten zurück auf einen Wert Null bei
einer Dopplerverschiebung von 2,0. Die gefilterten I/Q-Komponenten
werden dann einem Dopplerprozessor 21 zugeführt.
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Der
Dopplerprozessor 21 empfängt eine Anzahl von Dopplersignalen
von jedem Abtastvolumen in dem gerade abgebildeten Volumen und verarbeitet
die Signale, um Dopplerwerte zu schätzen, zum Beispiel die Geschwindigkeit,
die Amplitude (Leistung) und die Varianz bei jedem Abtastvolumen.
Die Schätzung
der Dopplergeschwindigkeit kann durch Autokorrelationsverarbeitung
erfolgen, wie sie in der US-amerikanischen Patentschrift 5.386.830
beschrieben ist, um die Dopplerfrequenz bei jedem Abtastvolumen
zu ermitteln. Der Dopplerprozessor 21 verarbeitet auch
die Dopplersignale, um die Dopplerleistung bei jeder Abtastvolumenposition
zu schätzen.
Der Dopplerprozessor 21 kann die Dopplersignal-Leistungsgröße aus den
I/Q-Komponenten jeder Abtastvolumenposition mit Hilfe des Ausdrucks
(I2+Q2)½ schätzen. Da
Quadratursignale für
die Schätzung
der Dopplerleistung nicht erforderlich sind, können als Alternative Schätzwerte
der Dopplerleistung nur aus den I-Signalkomponenten ermittelt werden.
Aus den Schätzwerten
der Dopplerleistung bei jeder Abtastvolumenposition wird, falls
gewünscht,
mit vorher erfassten Schätzwerten
der Leistung für
jede Abtastvolumenposition der Mittelwert bestimmt. Bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
wird jede Abtastvolumenposition durch eine Anzahl von Impulsen abgefragt,
und der Dopplerprozessor 21 nutzt die von allen Abfragen erhaltenen
Signale für
die Schätzungen
der Dopplerleistung an den Abtastvolumenpositionen.
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Die
Dopplerwerte des Abtastvolumens werden dann einem Gewebebewegungsdiskriminator 22 zugeführt. Der
Gewebebewegungsdiskriminator 22 kann einfach als Durchgangsschaltung
funktionieren, die die Werte der Dopplerleistung, Geschwindigkeit
oder Varianz an einen Bildrasterwandler und Anzeigeprozessor weiterleitet,
wo sie räumlich
auf eine Reihe von Intensitäten
oder Farben abgebildet und in herkömmlicher Weise mit Strukturinformationen
vom B-Mode-Prozessor 30 angezeigt werden können. Als
Alternative kann der Gewebebewegungsdiskriminator gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung betrieben werden und aus Gewebebewegungen
resultierende Dopplersignale identifizieren.
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Gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung umfasst das Dopplersystem aus 1 auch
eine Dopplerleistungs-Bildgebungsmöglichkeit sowohl für Flüssigkeiten
als auch für
bewegtes Gewebe. Dopplerwerte von Herzgewebebewegungen und Blut strömung können auf
verschiedene Arten voneinander unterschieden werden. In 4 ist
eine Kurve 52 dargestellt, die die normalerweise von bewegtem
Gewebe erzeugten Dopplerkomponenten auf der Basis von Frequenz und
Amplitude zeigt. Eine Kurve 54 zeigt die Dopplerkomponenten,
die normalerweise von Blutströmung
erzeugt werden. Wie diese beiden Kurven verdeutlichen, haben die
Gewebekomponenten normalerweise aufgrund ihrer charakteristischen
geringen Bewegungsgeschwindigkeit eine geringe Frequenz und weisen
auch normalerweise eine wesentlich größere Amplitude als die Blutströmungskomponenten
auf.
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Ein
Verfahren zum Trennen der Dopplerkomponenten von bewegtem Gewebe
von den Komponenten von Blutströmung
ist in dem detaillierten Blockschaltbild des Gewebebewegungsdiskriminators
in 5a dargestellt, zusammen mit dem Ansprechverhalten
in den 6 und 7. In 5a leitet
ein Gatter 24 selektiv einen Schätzwert der Dopplerleistung
(Amplitude) in Abhängigkeit
von dem Ergebnis einer mehrdimensionalen Analyse an den Bildrasterwandler
und Anzeigeprozessor weiter, der sowohl die Amplitude (Leistung)
als auch die Geschwindigkeit (Frequenz) des Dopplersignals untersucht.
Die Amplitudeninformationen des Dopplersignals von einem speziellen
Abtastvolumen werden sowohl einem Gatter 24 als auch einem
Dynamikbereichsentscheidungsprozessor 26 zugeführt. Der
Dynamikbereichsentscheidungsprozessor 26 kann eine Übertragungsfunktion
haben, wie sie durch die Kurven in 6 dargestellt
ist. Die Kurve 126 ist eine Kurve des Ansprechverhaltens
von linearen Segmenten, mit der von dem Dynamikbereichsentscheidungsprozessor 26 ein Ausgangssignal
als eine Funktion der Eingangssignalamplitude erzeugt wird. Die
alternative Kurve 126' des Ansprechverhaltens
ist eine komplexere Kurve mit einer verzögerten, diskontinuierlicheren
Kennlinie im Vergleich zur Kurve 126. In beiden Fällen werden
Signale mit sehr geringer Amplitude als Rauschen angesehen und erzeugen
kein Ausgangssignal, also Signale mit einer geringen Amplitude bis
ca. 40 dB oder mehr im Fall der Kurve 126'. Der letztgenannte Bereich ist
der Amplitudenbereich, der bei Blutströmungssignalen erwartet werden
kann. Signale mit einer Amplitude über ca. 40 dB werden als Ergebnis
von Gewebebewegungen angesehen. Die Kurven zeigen zwischen 40 dB
und 70 dB einen Übergang,
und darüber
können
Signale mit erheblicher Sicherheit als Ergebnis von Gewebebewegungen
behandelt werden. Somit erzeugt der Dynamikbereichsentscheidungsprozessor 26 ein
Ausgangssignal, das der Kurve 126 oder 126' als eine Funktion
der Amplitude des zugeführten
Dopplersignals folgt. Das Ausgangssignal des Dyna mikbereichsentscheidungsprozessors 26 wird
einer Summier- und Vergleichsschaltung 25 in 5a zugeführt.
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Gleichzeitig
wird der Schätzwert
der Dopplergeschwindigkeit für
dasselbe Abtastvolumen einem Geschwindigkeitsentscheidungsprozessor 28 zugeführt. Der
Geschwindigkeitsentscheidungsprozessor 28 reagiert auf
den Geschwindigkeitswert, indem er ein Ausgangssignal erzeugt, das
einer der Übertragungsfunktionskurven 128 oder 128' aus 7 folgt.
Wie es die Kurven 128 und 128' zeigen, können Signale mit einer Geschwindigkeit
(oder entsprechenden Frequenz) von null bis zehn Zentimeter pro
Sekunde entweder aus Gewebebewegungen oder Blutströmung resultieren.
Dopplergeschwindigkeiten über
der Geschwindigkeit von ca. 20 cm/s resultieren höchstwahrscheinlich
von Blutströmung,
da Gewebe im Allgemeinen nicht diese höheren Geschwindigkeiten aufweist.
Somit zeigen die Kurven 128 und 128' einen Übergang zwischen 10 und 20 cm/s,
bis sie einen Ausgangspegel von Null erreichen. Der Geschwindigkeitsentscheidungsprozessor 28 erzeugt
also ein Ausgangsignal, das als Funktion der Geschwindigkeit des
zugeführten
Dopplersignals der Kurve 128 oder 128' folgt. Das
Ausgangssignal des Geschwindigkeitsentscheidungsprozessors 28 wird
ebenso der Summier- und Vergleichsschaltung 25 zugeführt.
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Die
beiden Ausgangssignale der Entscheidungsprozessoren werden von der
Summier- und Vergleichsschaltung 25 summiert, und die Summe
wird mit einem Schwellenwert verglichen, den der Benutzer einstellen
kann. Dieser Schwellenwert wird der Summier- und Vergleichsschaltung 25 zugeführt, wie
es durch die Linie „eingestellter
Schwellenwert" dargestellt
ist. Befinden sich beide Entscheidungssignale auf dem hohen Pegel,
wurde von den beiden Prozessoren entschieden, dass das Dopplersignal
das Ergebnis von bewegtem Gewebe ist, und das Power-Doppler-Signal
wird zum Bildrasterwandler und Anzeigeprozessor 34 durchgelassen.
Befinden sich beide Entscheidungssignale auf dem niedrigen Pegel,
wurde von den beiden Prozessoren entschieden, dass das Dopplersignal
das Ergebnis von Blutströmung
ist, und es wird kein Signal zum Bildrasterwandler und Anzeigeprozessor 34 durchgelassen.
Bei Signalen in den Übergangsbereichen
zwischen hohem und niedrigem Pegel der Ausgangssignale der Entscheidungsschaltung
liegen die kombinierten Entscheidungssignale entweder über oder
unter dem vom Benutzer eingestellten Schwellenwert. Somit kann der
Benutzer durch die Einstellung des Schwellenwertes die Entscheidung
beeinflussen, ob die Dopplersignale mit diesen Übergangsmerkmalen aus Blutströmung oder
aus bewegtem Gewebe resultieren. Dieser mehrdimensionale Prozess
der Analyse von Signalen sowohl hinsichtlich ihrer Amplitude als
auch ihrer Frequenz er möglicht
eine bessere Unterscheidung zwischen Dopplersignalen von Blutströmung und
denjenigen von bewegtem Gewebe.
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Ein
alternatives System für
die Unterscheidung von Dopplersignalen, die aus Gewebebewegungen
resultieren, ist in 5b dargestellt. Dieses alternative
System funktioniert so, dass es Schätzwerte von Doppleramplituden
mit Koeffizienten gewichtet, die von dem Dynamikbereichs- und dem
Geschwindigkeitsentscheidungsprozessor bestimmt werden. In 5b werden
die Schätzwerte
der Doppleramplitude dem Dynamikbereichsentscheidungsprozessor 26 zugeführt, der
einen Koeffizienten CDR zwischen Null und
Eins (wobei „Eins" den 100%-Pegel in 6 darstellt)
gemäß der Übertragungskennlinie
des Prozessors erzeugt. Der Doppleramplitudenwert wird dann von
einer Multipliziereinheit 27 mit dem Koeffizienten CDR multipliziert. Der Schätzwert der Dopplergeschwindigkeit
für dasselbe
Abtastvolumen wird dem Geschwindigkeitsentscheidungsprozessor 28 zugeführt, der
auf ähnliche
Weise einen Koeffizienten CV zwischen Null
und Eins (wobei „Eins" den 100%-Pegel in 7 darstellt)
gemäß der Übertragungskennlinie
des Geschwindigkeitsentscheidungsprozessors erzeugt. Der gewichtete
Wert, der sich aus dem Produkt des Doppleramplitudenwertes und des
Koeffizienten CDR ergibt, wird von einer
Multipliziereinheit 29 mit dem zweiten Koeffizienten CV multipliziert, wodurch ein Endwert der
Doppleramplitude erzeugt wird, der mit den Koeffizienten von beiden
Prozessoren gewichtet ist. Dieser identifizierte Wert der Gewebebewegung
wird dem Bildrasterwandler aus 1 zugeführt.
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Die
Schätzwerte
der Dopplerleistung, die durch einen der oben genannten Prozesse
als von bewegtem Gewebe resultierend identifiziert wurden, werden
zusammen mit ihren räumlichen
Koordinaten an den Bildrasterwandler und Anzeigeprozessor 34 weitergeleitet,
der die Anzeigewerte der Dopplerleistung in dem gewünschten
Bildformat räumlich
anordnet, z. B. in Sektoren oder rechteckig. Die resultierenden
Bilder können sofort
in einer Echtzeit-Bildfolge auf einem Bildschirm 40 angezeigt
oder als getrennte planare Bilder in einem Bildfolgespeicher 36 gespeichert
werden. Die zweidimensionalen Dopplerleistungs-Gewebebilder können von dem
Bildfolgespeicher 36 zur dreidimensionalen Verarbeitung,
wie sie unten erläutert
wird, wieder aufgerufen werden.
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Die
Bedienung des Systems aus 1 durch
den Benutzer erfolgt durch verschiedene Benutzerbedienelemente,
die mit der zentralen Steuereinheit 50 verbunden sind,
welche es dem Benutzer ermöglicht,
Folgendes auszuwählen:
die Art der durchzuführenden
Bildgebung, d.h. B-Mode-, Farbgeschwindigkeits-Doppler- oder Power-Doppler- Bildgebung; die Schwellenwertpegel,
mit denen die Ergebnisse des Entscheidungsprozessors verglichen
werden; und beispielsweise Bilder in dem Bildfolgespeicher 36 für die dreidimensionale Anzeige
zu speichern und aus diesem abzurufen.
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8 zeigt
ein Verfahren zur Bildung von dreidimensionalen Power-Doppler-Bildern des
Herzens gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung. Es ist ein Umriss des Herzens 70 dargestellt,
der einen gestrichelten Umriss 72 der linken Herzkammer
enthält,
die in diesem Beispiel abzubilden ist.
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Die
Ultraschallsonde 10 wird über die Brust über dem
Herzen bewegt und erfasst eine Anzahl von Bildebenen, die in 2 hochkant
von der Rückseite
des Herzens dargestellt und aus Gründen, die weiter unten erläutert werden,
von 0% bis 100% gekennzeichnet sind. Während die Sonde 10 in
dem Beispiel aus 2 langsam von links nach rechts
bewegt wird, wird der Wandler 12 jedes Mal aktiviert, wenn
sich das Herz in einer der gewünschten
Phasen (beispielsweise P1, P2 oder
P3) seines Schlagzyklus befindet, wie sie
von den Herztriggerimpulsen ermittelt werden, die dem Sender/Empfänger 14 zugeführt werden.
Die Sonde kann freihand, wie in der US-amerikanischen Patentschrift
5.474.073 beschrieben, oder durch eine dreidimensionale Abtasteinrichtung
bewegt werden, wie sie in der US-amerikanischen Patentschrift 5.487.388
beschrieben ist. Der Abstand zwischen den Bildebenen kann geschätzt werden,
wie es in der US-amerikanischen Patentschrift 5.474.073 beschrieben
ist, oder die entsprechenden planaren Positionen können gemessen
und aufgezeichnet werden, indem die Abtasteinrichtung oder eine
in der Sonde enthaltene Vorrichtung verwendet wird, wie es in der
US-amerikanischen Patentschrift 5.353.354 oder der US-amerikanischen
Patentschrift 5.127.409 beschrieben ist. Am Ende der Abtastung ist
eine Folge von räumlich
getrennten planaren Dopplerleistungsbildern von bewegtem Gewebe
für jede
angegebene Phase des Herzzyklus erfasst worden.
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Nachdem
diese Folge (oder Folgen) von Dopplerleistungsbildern der linken
Herzkammer erfasst wurde(n), wird jede Folge in dem Bildfolgespeicher 36 gespeichert.
Die Folge wird dann zu einer dreidimensionalen Anzeige verarbeitet,
wie es in dem Ablaufplan aus 9 dargestellt
ist. In Schritt 88 wählt
der Benutzer die Herzphase aus, für die eine dreidimensionale
Anzeige gewünscht
wird, indem er beispielsweise einen der in 2 dargestellten
P-Marker verwendet. Die Folge von in dieser Phase des Herzzyklus
erfassten Bildern wird dann für
eine dreidimensionale Anzeige verarbeitet. In Schritt 82 fließen in den
Prozess Verarbeitungsparameter ein, die von den Benutzerbedienelementen
geliefert werden. Ein Parameter ist der Bereich der Sichtwinkel θl–θM, über
den die dreidi mensionale Darstellung zu betrachten ist. Der andere
Parameter ist der Sprung Δθ zwischen
den Sichtwinkeln in dem Bereich. Der Benutzer kann beispielsweise
einen Bereich von Sichtwinkeln von +60° bis –60° in Bezug auf eine Betrachtungslinie
in einer Ebene, die senkrecht zur Ebene des ersten Bildes in der
Folge steht, und einen Sprung von 1° eingeben, wenn sich der Sichtwinkel ändert. Aus
diesen Eingaben wird in Schritt 82 die Anzahl der erforderlichen
dreidimensionalen Projektionen berechnet. Es werden beispielsweise 121 Projektionen
benötigt,
um einen Bereichsumfang von 120" in Sprüngen von 1° anzuzeigen.
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Der
Prozess beginnt jetzt damit, die erforderliche Folge von
121 Dopplerleistungsbildprojektionen
zu bilden. In Schritt
84 werden die planaren Dopplerleistungsbilder
der ausgewählten
Herzphase wieder aus dem Bildfolgespeicher aufgerufen, um der Reihe
nach vom Bildrasterwandler und Anzeigeprozessor
34 verarbeitet zu
werden. In Schritt
86 wird jedes planare Bild in einen
der Sichtwinkel θ
n gedreht und dann zurück in die Betrachtungsebene
projiziert. Die Pixel der projizierten planaren Bilder können, falls
gewünscht,
an diesem Punkt im Prozess auf der Basis einer maximalen Intensität akkumuliert
werden. Jedes projizierte planare Bild überlagert die vorher gesammelten
projizierten Bilder, jedoch in einer transponierten Position in
der Bildebene, die eine Funktion des Sichtwinkels und des Abstands
zwischen den Ebenen ist: je größer der
Sichtwinkel, umso größer die
Transpositionsverlagerung von einem Bild zum nächsten. Die aus den gesammelten
Bildern gewählten
Anzeigepixel sind die Dopplerleistungspixel, die an jedem Punkt
in den Bildebenen von allen an jedem Punkt in dem Bild gesammelten überlagerten
Pixeln ermittelt wurden. Dadurch ist die linke Herzkammer in einer
Dopplerleistungsdarstellung, wie sie vom Betrachter gesehen wird,
in der Tat auf jeder Betrachtungslinie zwischen dem Betrachter und
dem dreidimensionalen Bild zu sehen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann die Neuanordnung von Bildpunkten nach der Rotation um die Y-Achse,
der Projektion und der Transposition folgendermaßen ausgedrückt werden:
und die Neuanordnung von
Bildpunkten nach der Rotation um die X-Achse, der Projektion und
der Transposition kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei θ der Rotationswinkel, (x, y,
z) die Koordinaten eines neu anzuordnenden Punktes und (x',y') die Koordinaten
eines Punktes in der Betrachtungsebene nach der Neuanordnung sind.
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Nachdem
alle planaren Bilder gedreht, projiziert, transponiert und überlagert
und die maximalen Intensitäten
bei jedem Pixel gewählt
wurden, wird in Schritt 90 das resultierende dreidimensionale
Bild für
den Sichtwinkel θn im Bildfolgespeicher 36 als einfarbiges
Bild mit modulierter Helligkeit in einer dreidimensionalen Bildfolge
gespeichert. In Schritt 92 kehrt der Prozess zu Schritt 84 zurück und durchläuft dann
weiter die Schritte 84 – 92, bis die vollständige dreidimensionale
Bildfolge im Speicher gespeichert ist.
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Die
gespeicherte dreidimensionale Folge kann nun in Schritt 96 auf
Befehl des Benutzers wieder aufgerufen und angezeigt werden. Da
die Folge in Echtzeit aufgerufen und angezeigt wird, sieht der Benutzer
eine dreidimensionale Dopplerleistungsdarstellung der Herzwand,
wie sie in einer ausgewählten
Phase des Herzzyklus erscheint. Der volumetrische Bereich wird dreidimensional
betrachtet, als ob sich der Benutzer um das Herz bewegt und die
Herzkammer aus verschiedenen Sichtwinkeln betrachtet. Der Benutzer
hat den Eindruck, dass er sich in einem Bereich von Sichtwinkeln θl–θM um die linke Herzkammer bewegt. Der Betrachter
kann die Folge vorwärts
und rückwärts abtasten,
so dass der Eindruck einer Bewegung auf einem halbkreisförmigen Pfad
um die linke Herzkammer in zwei Richtungen entsteht.
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Da
der Kliniker im Allgemeinen daran interessiert ist, die innere Wand
der Herzkammern und nicht ihre äußeren Abmessungen
zu untersuchen, kann es wünschenswert
sein, eine Kammer des Herzens in einem dreidimensionalen Querschnitt
zu betrachten. Es kann beispielsweise die linke Seite der linken
Herzkammer verarbeitet und angezeigt werden, indem die planaren
Bilder von 0% bis 50% in 8 verwendet werden. 10a zeigt einen Blick in die linke Seite der linken
Herzkammer, wenn das Herz fast vollständig entspannt ist, wie dies
in der Phase P2 der Fall sein kann, in der
die dem Betrachter am nächsten
liegende Querschnittsebene die 50%-Ebene aus 8 ist. Nahe
der Spitzensystole, wenn das Herz zusammengezogen ist, wie dies in
der Phase P3 der Fall sein kann, erscheint
die gleiche Ansicht wie in 11a dargestellt.
Diese Ansichten und die gedrehten Ansichten des gleichen Abschnitts
der linken Herzkammer, wie sie in den 10b und 11b dargestellt
sind, erhält
man, indem nur ein bestimmter Bereich von planaren Teilbildern für die dreidimensionale
Verarbeitung in Schritt 88 ausgewählt wird. Dadurch kann der
Kliniker das Endokard untersuchen, indem er erst ein dreidimensionales
Bild der einen Hälfte
der Herzkammer (die Ebenen von 0% bis 50%) erzeugt, dann dreht und
untersucht, und anschließend
den Prozess für
die andere Hälfte
der Herzkammer (die Ebenen von 50% bis 100%) wiederholt.
-
Für eine vollständige dreidimensionale
Echtzeitanzeige wird eine Anzahl von Schleifen von dreidimensionalen
Bildern verarbeitet und in einem θn-Schleifenspeicher 96 gespeichert,
dann wieder aufgerufen und jedes Mal angezeigt, wenn ein anderer
Sichtwinkel θ ausgewählt wird.
Jede Schleife ist eine Folge von dreidimensionalen Bildern aus einem
bestimmten Sichtwinkel θ,
die zeitlich in nahe beieinander liegenden Herzphasen aufeinander
folgen und die Bewegung des Herzens in drei Dimensionen in Echtzeit über einen
Teil des Herzzyklus oder einen ganzen Herzzyklus zeigen. Jedes Mal,
wenn der Benutzer einen anderen Sichtwinkel θ auswählt, wird die Schleife für diesen
Sichtwinkel ausgewählt
und angezeigt. Damit ein glatter Übergang entsteht, wird bei
dem Wechsel von einem Sichtwinkel zum nächsten die erste Schleife in
einer gegebenen zeitlichen Phase gestoppt und die folgende Schleife
beginnt dann in der gleichen zeitlichen Phase, in der die erste Schleife
unterbrochen wurde. Dadurch kann der Benutzer das schlagende Herz
von einem Sichtwinkel aus betrachten und dann den Sichtwinkel ändern, um
das schlagende Herz von einem anderen Sichtwinkel aus zu betrachten.
Durch eine kontinuierliche Änderung
des Sichtwinkels wird dem Kliniker eine Darstellung des schlagenden
Herzens sowohl aus räumlichen
als auch aus zeitlichen Perspektiven geboten, und er kann die Dynamik
des bewegten Herzens vollständig
untersuchen.
-
Es
ist zu beachten, dass die Ergebnisse der Übergangsfunktionen aus den 6 und 7,
die zur Identifizierung der Power-Doppler-Signale von bewegtem Gewebe
verwendet werden, invertiert und einer Torschaltung zugeführt werden
können,
die nur Power-Doppler-Signale von Blutströmung durchlässt. Somit können der
Bildrasterwandler und Anzeigeprozessor 34 und der Bildfolgespeicher 36 gleichzeitig
getrennte, räumlich
diskrete Power-Doppler-Bilder sowohl von der Blutströmung als
auch von dem Gewebe erfassen und speichern. Diese Bilderfolgen können beide
dreidimensional verarbeitet werden, wie es oben beschrieben wurde, um
dreidimensionale Bilder sowohl des Herzens als auch seiner Blutverteilung
zu schaffen. Die beiden Bilder können
getrennt farbcodiert und zusammen betrachtet werden, so dass der
Benutzer sowohl die Herzkammer als auch die interne Blutverteilung
in zwei Farben und drei Dimensionen betrachten kann. Das bewegte
Gewebe des Herzmuskels kann beispielsweise in Blau und die Blutverteilung
in Rot abge bildet werden. Es ist natürlich möglich, eine der Farbabbildungen
zu blockieren und entweder die Blutverteilung oder die Herzwand alleine
in drei Dimensionen zu betrachten.
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Es
ist auch zu beachten, dass die idealisierten Kurven aus den
6 und
7 anders
verlaufen können,
als sie in den Zeichnungen dargestellt sind. Die Kurven und somit
das Ansprechverhalten der Entscheidungsprozessoren können verändert werden,
so dass sie gekrümmtere
oder komplexere Formen als die dargestellten linearen Segmente annehmen. Text
in der Zeichnung Figur
1
T/R
(transmitter/receiver) | S/E
(Sender/Empfänger) |
Heart
trigger | Herztrigger |
Beamformer | Strahlbündler |
I,Q
demodulator | I/Q-Demodulator |
Wall
filter | Wandfilter |
B mode
processor | B-Mode-Prozessor |
Doppler
processor | Dopplerprozessor |
Ampl. | Ampl. |
Velo. | Geschw. |
Var. | Var. |
Tissue
motion discriminator | Gewebebewegungsdiskriminator |
Central
controller | zentrale
Steuereinheit |
Image
sequence memory | Bildfolgespeicher |
Scan
conv. & display
processor | Bildrasterwandler & Anzeigeprozessor |
Display | Bildschirm |
Figur
3
Response | Ansprechen |
Doppler
shift | Dopplerverschiebung |
PRF | Impulsfolgefrequenz |
Figur
4
Th | Schwellenwert
(threshold) |
Tissue | Gewebe |
Blood | Blut |
Figur
5a + b
Dynamic
range decision processor | Dynamikbereichsentscheidungsprozessor |
Ampl.
Est. | Amplitudenschätzwert |
Gate | Gatter |
Threshold
set | eingestellter
Schwellenwert |
To
scan conv. | Zum
Bildrasterwandler |
Sum & compare | Summier-
und Vergleichsschaltung |
Velo.
Est. | Geschwindigkeitsschätzwert |
Velocity
decision processor | Geschwindigkeitsentscheidungsprozessor |
Figur
6
Output | Ausgangssignal |
Noise | Rauschen |
Dynamic
range | Dynamikbereich |
Input | Eingangssignal |
Blood
flow | Blutströmung |
Figur
7
Amplitude | Amplitude |
Velocity | Geschwindigkeit |
Tissue | Gewebe |
Blood
flow | Blutströmung |
Figur
9
Store
dp image sequences | Speichern
von Dopplerleistungsbildfolgen |
Sequence
select | Auswählen der
Folge |
Pn select | Auswählen von
Pn |
% range
select | Auswählen des
Bereichs in % |
compute
number of projections N | Berechnen
der Anzahl N von Projektionen |
range θ, -θM | Bereich θ, -θM |
increments Δθ | Sprünge Δθ |
recall
dp image sequence | Aufrufen
der Dopplerleistungsbildfolge |
project
dp images at θn | Projizieren
von Dopplerleistungsbildern bei θn |
store
3D θn projection | Speichern
von 3D- θn Projektion |
full
range? | Ganzer
Bereich? |
No | nein |
Yes | ja |
Recall & display 3D sequence | Aufrufen
und Anzeigen der 3D-Folge |
Display
command | Anzeigebefehl |
Display | Anzeigen |
θn loop store | θn-Schleifenspeicher |
θ change | geänderter θ |