DE69809538T2

DE69809538T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bild-Aufnahme mit Ultraschall

Info

Publication number: DE69809538T2
Application number: DE69809538T
Authority: DE
Inventors: Dietmar Kaiser; Kiyoji Miyamoto; Bernhard Mumm; Johannes Waldinger
Original assignee: Tomtec Imaging Systems GmbH
Current assignee: Tomtec Imaging Systems GmbH
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: EP0961135A1; DE69809538D1; EP0961135B1; ATE228252T1; JP2000023984A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme von dreidimensionalen Ultraschallbildern, insbesondere echographischen Bildern, welches bzw., welche die dreidimensionale Rekonstruktion anatomischer Strukturen ermöglicht, nach den Patentansprüchen 1 und 11.
Die dreidimensionalen bildgebenden Verfahren stellen ein sehr beträchtliches Ziel in der Forschung dar, da korrekte Informationen über räumliche Strukturen dazu beitragen könnten, den schwierigen Prozess der geistigen Vorstellung anhand von Querschnittsaufnahmen von Herzstrukturen, pathologischer Zustände unbekannter Morphologie und einer komplexen Geometrie zu vereinfachen. Seit der Einführung der tomographischen bildgebenden Verfahren wurden mehrere Richtungen bei der dreidimensionalen Ultraschalltechnik eingeschlagen.
Derzeit sind Verfahren und eine Vorrichtung für die Erfassung von Aufnahmeebenen, einer Abfolge von Querschnittsaufnahmen, bekannt bei der derzeit verfügbare standardmäßige Ultraschallwandler eingesetzt werden, sowie für die dreidimensionale Rekonstruktion "offline" im nach hinein. Dieser Ansatz setzt die gleichzeitige Erfassung der exakten räumlichen Position und die zeitliche Steuerung der Querschnittsbilder voraus, wenn das zu untersuchende Objekt sich bewegt und wenn ein solches Objektdynamisch rekonstruiert werden soll.
Um derartige Aufnahmeebenen (Querschnittaufnahmen) von Gewebe im Inneren des Körpers von Patienten zu erfassen, wird ein piezoelektrischer Wandler verwendet, der eine Echographie-Sonde enthält. Nach dem Stand der Technik (US-PS 5 159 931) sendet ein Wandler zur Abtastung eines Sektors den Ultraschallstrahl aus, dreht sich um einen Winkel von etwa 180º mit dazwischen liegenden Winkelschritten, die eine vorgegebene Amplitude und Frequenz besitzen, um die Längsachse der Sonde, während letztere gegenüber der untersuchten anatomischen Struktur fixiert bleibt, wobei dort Einrichtungen zur Betätigung und Steuerung der Drehung der Abtastebene vorgesehen sind. Somit wird während der Drehung des Wandlers eine Reihe von Querschnittsbildern aufgenommen, welche verschiedenen Schnittebenen des untersuchten Objekts entsprechen. Je kleiner die Winkelschritte des gedrehten Wandlers sind, desto mehr Aufnahmeebenen können erfasst werden und umso besser ist das rekonstruierte dreidimensionale Bild des Gewebes im Inneren des Körpers eines Patienten.
Positionsinformationen können mit einem angelenkten mechanischen Arm, einem akustischen Lokalisierungssystem (Funkenstrecke) und einem magnetischen Lokalisierungssystem abgeleitet werden, welches von jedem verfügbaren akustischen Fenster vor dem Herzen aus unter Verwendung standardmäßiger Wandler eine uneingeschränkte (freihändige) Abtastung ermöglicht. Abtasttechniken, bei denen ein vorgegebenes geometrisches Aufnahmemuster (linear, fächerartig und unter Drehung) verwendet wird, ermöglichen die Aufnahme von Querschnittsbilldern, die in gleichmäßigen Abständen nah beieinander liegen.
Nach der Aufnahme einer solchen Serie von Aufnahmeebenen werden solche Querschnittsbilder digitalisiert und zusammen mit ihren entsprechenden Positionen aufgezeichnet, um diese Abbildungen später zu verarbeiten.
Die aufgezeichneten Querschnittsbilder werden mit Hilfe eines Umwandlungsprozesses in einen Satz dreidimensionaler Daten umgewandelt, die später auf einem Bildschirm angezeigt werden können, damit der Arzt die Diagnose komplexer Erkrankungen am Gewebe oder eines Objekts im Inneren des Körpers vornehmen kann.
Um eine geometrische Transformation zu realisieren, wird ein Algorithmus verwendet, der ein Volumen erbringt und in den Rekonstruktionen Informationen über das Gewebe in Grauwerten liefert und einen deutlichen Fortschritt in der dreidimensionalen Echokardiographie darstellt. Derartige echokardiographische Untersuchungen werden mit rechnergesteuerten Wandlersystemen durchgeführt und sind für spezielle Bedingungen standardisiert.
Zur Untersuchung des Form, des Volumens, der Größe oder der Bewegung eines Organs wie des menschlichen Herzens schlugen Arbeitstechniken nach dem Stand der Technik den Weg einer vollständigen dreidimensionalen Aufnahme unter Drehung des Wandlers in kleinen Winkelschritten ein, wobei eine große Anzahl auf diese Weise berechneter Aufnahmeebenen berechnet wurde und wobei man einen Datenkubus mit der gesamten dreidimensionalen Bildinformation erhielt und diesen Datenkubus auf einer geeigneten Anzeigeeinrichtung anzeigte. Wenn die Aufnahme eine ausgelöste Bildaufnahme ist, dann stellt das Ergebnis einen Datenkubus mit zeitlichen Informationen dar (vgl. Fig. 1).
Aus diesem Datenkubus lassen sich Schnittebenen extrahieren. Die Ausrichtung im Raum und die Orientierung zwischen den Schnittebenen ist aus dem Aufnahmeverfahren bekannt. Hier ist es durch die Erfassung einer vollständigen dreidimensionalen Rekonstruktion des Gewebes im Körperinneren möglich, verschiedene Schnittebenen durch das Gewebe anzuzeigen, um wichtige Bereiche zu untersuchen und um Funktionsstörung oder Erkrankungen des Organs zu diagnostizieren.
In der Vorveröffentlichung WO 96/13207 wird diese Aufnahme einer vollständigen dreidimensionalen Rekonstruktion des Gewebes im Körperinneren beschrieben. An der Datei mit dem dreidimensionalen Volumen kann eine Reduktion des Datensatzes mittels verschiedener Techniken vorgenommen werden, doch wird dabei die gesamte Datei mit dem dreidimensionalen Volumen so segmentiert, dass Merkmale des Organs isoliert werden. Nach dieser Segmentierung werden 3-D-Oberflächen oder Iso-Flächen gebildet, die danach in Drahtmodelle transformiert werden können, um die Darstellung der Arbeit bzw. Leistung des Organs in Echtzeit zu verbessern.
Roelandt, Ten Cate, Bruining, Salustri, Vletter, Mumm und von der Putten beschreiben in der Veröffentlichung "Transesophageal rotoplane echo-CT - A novel approach to dynamic three-dimensional echocardiography", veröffentlicht in: The Thoraxcentre Journal, Ausgabe 6/1, 93/94 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme von Bildern, zur Bildverarbeitung und zur Anzeige von Gewebebildern für die Untersuchung komplexer Herzerkrankungen. Sie beschreiben die Aufnahme aufeinanderfolgender Querschnitte des Herzens (Aufnahmeebenen) zusammen mit ihrer Position und Ausrichtung im Raum, die Segmentierung der Bilder (automatisches oder manuelles Nachziehen der Grenzen), die erneute Ausrichtung und die Kombination der Querschnitte zu einer dreidimensionalen Struktur entweder an den ausgewählten Punkten oder über den gesamten Herzschlagzyklus hindurch (dynamisch), die Interpolation der Daten, die zwischen einzelnen Querschnitten "fehlen" und die Anzeige dreidimensionaler Abbildungen (vgl. auch US-PS 5 159 931). Hier wird die Verwendung eines Schrittmotors über eine speziell für den Kunden entwickelte Räderwerk- Schnittstelle für die Drehung des Betätigungsknopfes der Sonde mit mehreren Ebenen beschrieben. Der Schrittmotor wird durch die Steuerlogik aktiviert, welche die Aufnahme der Bilder in einer gegebenen Ebene mittels eines Algorithmus steuert, in welchem die Schwankungen im Herzschlagzyklus durch elektrokardiographische Ausblendung und Schwankungen im Atmungszyklus durch Impedanzmessung berücksichtigt werden. Dies ermöglicht eine optimale zeitliche und räumliche Auffassung der Herzquerschnitte. Hier wird die Sonde in kleinen Winkelschritten eine vorgegebene Anzahl von Malen bewegt (z. B. 2º, 90 Querschnitte pro Gewebe) um eine vollständige dreidimensionale Rekonstruktion aufzunehmen.
Allerdings stellen Schwierigkeiten bei der Erzielung qualitativ hochwertiger tomographischer Aufnahmen des Herzens in mehreren Ausrichtungen durch präkardiale Echokardiographie und das zeitraubende Verfahren zur dreidimensionalen Rekonstruktion, das ein Nachziehen der interessierenden Grenzen erfordert, erhebliche Einschränkungen dar und haben bisher die Realisierung der dreidimensionalen Echokardiographie im klinischen Rahmen behindert.
Außerdem ist die Einführung eines Endoskops in die Vene eines Patienten mit Schmerzen verbunden, so dass die Aufzeichnungszeit so kurz wie möglich sein sollte. Wenn der Patient sich während der Aufnahme bewegt oder ist wenn die Atmung wegen des Schmerzes ungleichmäßig ist, dann beeinträchtigen dynamische Artefakte, die durch das gesamte Endoskop entstehen, die Qualität des rekonstruierten dreidimensionalen Bildes des inneren Organs des Patienten.
Dazu kommt, dass es gelegentlich für die Bewertung einer möglichen Organerkrankung genügt, nur Informationen über die Größe, die Form, das Volumen und die Bewegung innerer Organe zu erfassen.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine dreidimensionale Rekonstruktion von Objekten rascher und effizienter zu erzielen und geeignete Informationen über den Zustand eines Organs zu erhalten, ohne hierzu die zeitraubenden Verfahren zur Rekonstruktion nach dem Stand der Technik heranzuziehen und ohne die erheblichen Einschränkungen der dreidimensionalen Echokardiographie, die mit den Arbeitstechniken nach dem Stand der Technik verbunden sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, dynamische und quantitative Informationen über ein inneres Organ unter Verwendung einer kostengünstigen Vorrichtung rasch aufzunehmen und gleichzeitig die Aufnahmeverfahren für Laien zu vereinfachen.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale im Kennzeichen der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachstehend noch weiter ausgeführt.
Das beanspruchte Verfahren zur Erzielung dreidimensionaler echographischer Abbildungen umfasst die folgenden Schritte: Abtasten eines Gegenstands mittels einer Einrichtung zur zweidimensionalen Abtastung, um Aufnahmeebenen für das Objekt zu erhalten. Diese Einrichtung zur Bildabtastung wird dabei in vorgegebenen Schritten eine vorgegebene Anzahl von Malen oder homogen entlang des Objekts (freihändige Aufnahme) unter Abtastung des Objekts bewegt, wobei jede der Aufnahmeebenen als Querschnittsaufnahme digitalisiert wird. Diese digitalisierten Querschnittsaufnahmen werden zusammen mit ihrer entsprechenden Position aufgezeichnet. Diese aufgezeichneten Querschnittsbilder werden mittels eines Umwandlungsprozesses in einen Satz dreidimensionaler Daten umgewandelt und können danach auf einer geeigneten Anzeigeeinrichtung angezeigt werden.
Im Anschluss daran werden die Umrisslinien des Objekts innerhalb von Querschnittsbildern erfasst, wobei die Querschnittsbilder die Aufnahmeebenen und/oder Schnittebenen des Satzes dreidimensionaler Daten sind. Danach wird unter Verwendung der Positionen der jeweiligen Querschnittsbilder und der Umrissllnien innerhalb der Querschnittsbilder ein Drahtmodell als Volumenmodell erstellt. Für die Aufnahme eines Drahtmodells als Volumenmodell werden viel weniger Querschnittsbilder benötigt als für die Aufnahme einer vollständigen rekonstruierten dreidimensionalen Abbildung des Gewebes.
Ein solches Drahtmodell als Volumenmodell wird dadurch erstellt, dass ein Punkti auf einer Umrisslinie unter den Umrissilnien verknüpft wird, welche dreidimensionale Koordinaten enthalten, wozu Techniken zur Aufnahme von Oberflächen oder zur Wiedergabe eines Volumens herangezogen werden. Diese Erfassung von Umrisslinien wird mittels eines halbautomatischen, automatischen oder manuellen Algorithmus zur Erfassung von Umrisslinien vorgenommen.
Das Ergebnis ist ein dreidimensionales Drahtmodell, das in einem Modus zur Darstellung von Oberflächen oder zum Beispiel als halbtransparente Einblendung in einem dreidimensionalen Datenkubus angezeigt werden kann, der zuvor aufgenommen wurde. Die jeweiligen Umrisslinien des untersuchten Objekts können unter Verwendung von Graustufen erfasst werden, woran sich der Einsatz von Algorithmen zur Rauschverminderung, von Algorithmen zur Verbesserung der Ränder und/oder Algorithmen zur Verminderung räumlicher Artefakte anschließt. Nach der Aufzeichnung solcher Umrisslinien können die jeweiligen Punkte auf den Umrisslinien, die von besonderem Interesse sind, mit horizontalen und vertikalen Linien auf dem Drahtmodell verknüpft werden, vorzugsweise mit Algorithmen zur Interpolation, um schließlich das Drahtmodell als Volumenmodell darzustellen. Alternativ ist es möglich, solche Punkte auf den Umrisslinien mit allen benachbarten Punkten auf der Umrisslinie zu verknüpfen, wobei man ein Drahtmodell erhält, das aus gleichmäßigen Dreiecken besteht, welche die dreidimensionale Oberfläche des Gewebes darstellen.
Für die Aufnahme von echokardiographischen Bildern von Herzstrukturen, insbesondere für die Aufnahme eines Bildes, welches das Herz eines Menschen darstellt, ist es möglich, mehrere Drahtmodelle desselben Objekts in Bewegung als Volumenmodelle zu erstellen. Jedes Drahtmodell als Volumenmodell stellt einen Zustand des Herzgewebes dar. Nimmt man zur funktionellen Auswertung die Dimension der Zeit hinzu, können diese verschiedenen Drahtmodelle als Volumenmodelle nach einander anzeigen, um dynamische oder quantitative Informationen über das Objekt aufzunehmen, wodurch somit ein Drahtmodell "in Bewegung" dargestellt wird. Somit ist es möglich, beispielsweise die Funktion der linken Herzkammer, die Ausstoßfraktion oder die Bewegungen der Wand quantitativ zu messen. Damit lassen sich Erkrankungen oder Funktionsstörungen des Herzens leicht erkennen.
Um die Drahtmodelle hintereinander korrekt anzuzeigen, ist es erforderlich, die Sätze dreidimensionaler Daten entsprechend einem Algorithmus anzuzeigen, bei dem Schwankungen im Herzschlagzyklus durch elektrokardiographische Ausblendung und Schwankungen im Atmungszyklus durch Impedanzmessungen berücksichtigt werden. Ein Verfahren zur Drahtmodellaufnahme mit einem Rofioplan-Echo-CT umfasst die Bewegung der Bildaufnahmeeinrichtung in vorgegebenen Winkelschritten, wodurch nur die wichtigsten Schnittebenen des untersuchten Gewebes (z. B. für die Aufnahme der linken Herzkammer unter Drehung um einen Rotationswinkel von 30º) eine vorgegebene Anzahl von Malen aufgenommen werden, um jeweils eines dieser Querschnittsbilder und dessen entsprechende Winkelposition aufzuzeichnen und die Umrisslinien des Objekts innerhalb der Querschnittsbilder bezüglich einer gemeinsamen Drehachse der Querschnittsbilder zu erfassen.
Darüber hinaus könnte es nützlich sein, ein oder mehrere Querschnittsbilder aus Schnittebenen des Objekts aufzuzeichnen, die im Wesentlichen senkrecht zu den unter einem Winkel positionierten Querschnittsbildern verlaufen, indem der Wandler an einen anderen Ort umgesetzt wird oder indem ein anderer Wandler, z. B. ein von Hand geführter Wandler, verwendet wird (Fig. 7). Infolgedessen ist es einfacher, die jeweiligen Punkte auf der Umrisslinie zu verknüpfen, indem bestimmte Punkte auf der Umrisslinie spezifiziert werden, welche durch die Querschnitte einer Rotationsebene (Winkelquerschnitt) und eine senkrechte Schnittebene (umgesetzter aufgenommener Querschnitt) dargestellt werden.
Die entsprechende Vorrichtung zum Erfassen dreidimensionaler echographischer Abbildungen umfasst eine zweidimensionale Bildabtasteinrichtung zum Abtasten eines Objekts, um Aufnahmeebenen des Objekts aufzunehmen, sowie eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen dieser Bildabtasteinrichtung in vorgegebenen Schritten über eine vorgegebene Anzahl von Malen oder homogen entlang des Objekts.
Eine Digitalisierungseinrichtung digitalisiert die aufgenommenen Querschnittsbilder und eine Aufzeichnungseinrichtung zeichnet diese digitalisierten Querschnittsbilder und deren entsprechende Positionen auf. Anschließend wandelt eine Umwandlungseinrichtung diese Querschnittsbilder mittels eines Prozesses zur geometrischen Umwandlung in einen dreidimensionalen Datensatz um, wobei ein derartiger Satz dreidimensionaler Daten anschließend von einer Anzeigeeinrichtung angezeigt wird.
Dann erfasst eine Erfassungseinrichtung die Umrisslinien des Objekts innerhalb der Querschnittsbilder, wobei die Querschnittsbilder die Aufnahmeebenen und/oder Schnittebenen des Satzes dreidimensionaler Daten sind, indem zur Differenzierung zwischen helleren oder dunkleren Bereichen im Ultraschallbild mit Graustufen eine Schrittschwelle oder dynamische Schwelle realisiert wird. Anschließend erstellt eine Einrichtung zur volumetrischen Aufnahme ein Drahtmodell als Volumenmodell unter Verwendung der Positionen der Querschnittsbilder und der erfassten Umrisslinien bzw. von Punkten auf den Umrisslinien, welche dreidimensionale Koordinaten innerhalb der Querschnittsbilder repräsentieren.
Wenn die Bildabtasteinrichtung schrittweise bewegt wird, weist die Vorrichtung weiterhin einen Schrittmotor und eine Steuerlogik auf, um die schrittweise Erfassung von Aufnahmeebenen des Objekts zu steuern, was für eine freihändige Aufnahme durch gleichmäßiges Bewegen des Wandlers entlang des untersuchten Objekts wichtig ist.
Für die dynamische Aufnahme weist die Vorrichtung außerdem eine Einrichtung zur elektrokardiographischen Ausblendung und eine Auslöseeinrichtung zum Auslösen der Atmung für die dynamische Abtastung von Herzobjekten auf, um so die Möglichkeit zu bieten, das sich bewegende Objekt in seiner Bewegung in einem Filmschleifenformat anzuzeigen.
Nachstehend wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und eines Aufnahmeverfahrens zur raschen routinemäßigen dreidimensionalen Ultraschalluntersuchung des Herzens in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, in welcher:
Fig. 1 eine echokardiographische Aufnahme mit Endoskop darstellt;
Fig. 2 das Prinzip der Aufnahme aufeinander folgender Aufnahmeebenen eines Herzens veranschaulicht;
Fig. 3 gedrehte Schnittebenen zeigt;
Fig. 4 ein Querschnittsbild mit erfassten Umrisslinien ist;
Fig. 5 gedrehte Schnittebenen mit den Informationen über die Umrisslinien darstellt;
Fig. 6 ein berechnetes Drahtmodell als Volumenmodell zeigt;
Fig. 7 die durchschnittliche Technik zur Volumenerfassung unter Drehung veranschaulicht;
Fig. 8 einen Ultraschallwandler für die freihändige Untersuchung darstellt;
Fig. 9 einen motorbetriebenen Drehwandler zeigt, und
Fig. 10 den Wandler aus Fig. 8 mit einem Positionsfühler zeigt.
Fig. 1 stellt dabei ein Objekt (1) wie ein inneres Organ oder Gewebe (z. B. ein Herz) dar, das mittels eines Ultraschallstrahls (8) aus einer Abtasteinrichtung (4) wie einem Wandler abgetastet wird, der im Inneren einer Sonde eingebaut ist, welche sich in einer Vene oder Arterie in der Nähe des Objekts (1) befindet, wobei die Abtasteinrichtung (4) mit einer (hier nicht dargestellten) Verarbeitungseinrichtung über einen Endoskopanschluss (3) innerhalb des Weges (2) (z. B. in der Vene oder Arterie) für das Endoskop verbunden ist. Die Sonde (4) zur Untersuchung durch die Speiseröhre nimmt beispielsweise einen Wandler in Drehanordnung mit einem 5 MHz 64-Bit-Element am distalen Ende eines herkömmlichen Gastrokops oder Endoskops auf. Die Abmessungen der Sonde (4) mit mehreren Ebenen sind beispielsweise wie folgt: Breite 14 mm, Stärke 10,3 mm und Länge 40 mm. Die Abtastebene kann kontinuierlich urm einen Winkel von 180º aus einer in Längsrichtung verlaufenden Aufnahmeebene über einen Steuerknopf auf dem Handgriff des Echoskops gedreht werden. Die Querschnitte des Herzens umfassen ein kegelförmiges Volumen, dessen Spitze ihren Ursprung im Wandler hat (vgl. auch Fig. 2). Nach der Positionierung der Sonde (4) in der Speiseröhre kann diese dadurch in ruhiger Position gehalten werden, indem die Steuerung für die anteroposteriore Flexion in der anterioren Position verriegelt wird.
Dann wird ein Schrittmotor eingeschaltet, der dann die Sonde (4) mechanisch dreht, so dass es möglich wird, optimale Querschnitte des Herzens zeitlich und räumlich aufzuzeichnen.
Der Schrittmotor wird durch die Steuerlogik aktiviert, welche die Aufnahme der Bilder in einer gegebenen Ebene mittels eines Algorithmus steuert, bei dem Schwankungen im Herzschlagzyklus durch elektrokardiographische Ausblendung (5) und Schwankungen im Atmungszyklus durch Impedanzmessung berücksichtigt werden.
Dabei wird das Herz für jede Herzposition (z. B. die Systole oder die Diastole) abgetastet, wobei eine Reihe von Querschnitten (6) aufgenommen wird, wodurch man einen Satz von Aufnahmeebenen (9) erhält, die zu einer bestimmten Position des Herzens gehören (stroboskopisches Bild).
Wenn ein Herzzyklus von der Steuerlogik ausgewählt wird, werden die Herzquerschnitte (6) erfasst, beispielsweise in Abständen von 40 msec während eines kompletten Herzzyklus, und dann digitalisiert und im Speicher des Rechners abgespeichert. Anschließend wird der Schrittmotor aktiviert und dieser dreht den Steuerknopf um 30º auf den nächsten Querschnitt (6), wohin die gleiche Steuerlogik folgt. Um das gesamte Herz (oder einen Herzbereich) zu erfassen, müssen während eines vollständigen Herzzyklus sechs standardisierte Querschnitte von 0 bis 180º in Folge aufgenommen werden.
Fig. 2 stellt eine vergrößerte Ansicht des Prinzips der Erfassung aufeinander folgender Querschnitte (6) ab der Position des Wandlers an der Spitze dar. Dabei tastet ein Wandler (4), der über einen Endoskopanschluss (3) mit dem Rechner verbunden ist, das Herz (1) ab, das aus der rechten Herzkammer (10) und der Linken Herzkammer (11) besteht, durch Aufnahme einiger Aufnahmeebenen (9) mittels des Ultraschallstrahls.
Während der Aufnahmephase werden die Herzquerschnitte digitalisiert und im Speicher des Rechners abgespeichert. In der Phase nach der Verarbeitung werden sie in der richtigen Abfolge entsprechend ihrer EKG-Phase in volumetrischen Datensätzen formatiert (vgl. Fig. 1).
Fig. 3 stellt vier gedrehte Schnittebenen (12a, 12b, 13a, 13b) dar, die um eine gemeinsame Drehachse (15) gedreht positioniert sind.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt (6) mit einer Umrisslinie (14), der die Punkte (17) auf der Umrisslinie zugrunde liegen, wodurch eine Umrissfläche (16) definiert wird. Diese Punkte (17) auf der Umrisslinie werden mit einem Algorithmus mit Spline-Funktion zur Interpolation verbunden. Wenn das Objekt nicht auf der Drehachse (15) liegt, ist es möglich, eine neue Drehachse (15) zu definieren.
Um in jedem Querschnitt (6) die Herzstrukturen vom Blutvorrat und vom Hintergrund zu trennen, wird mit einer Grauskala gearbeitet; daran schließt sich der Einsatz mehrerer Algorithmen zur Rauschverminderung an, um so die Ränder zu verbessern und um räumliche Artefakte zu reduzieren (ROSA-Filter). Auf diese Weise kann die Umrisslinie (14) definiert werden.
Fig. 5 stellt gedrehte Aufnahmeebenen (9) dar, welche die vorstehend erläuterten Schnittebenen (12a, 12b, 13a, 13b) zusammen mit den zuvor erfassten Informationen (14) über die Umrisslinien darstellen, wobei die Schnittebenen hier um eine gemeinsame Drehachse (15) positioniert sind. Somit befindet sich zwischen den Aufnahmeebenen (9) tatsächlich ein dreidimensionaler Datenkubus (18).
Fig. 6 stellt das berechnete volumetrische Drahtmodell (22) mit den Punkten (19) auf den Umrisslinien, mit horizontalen Drahtlinien (20) und vertikalen Drahtlinien (21) dar. Die berechneten Punkte (18, 19) auf den Umrisslinien repräsentieren 3D-Koordinaten innerhalb eines solchen volumetrischen Drahtmodells (22) und müssen durch Aufnahme der Oberfläche oder durch Techniken zur Darstellung des Volumens verknüpft werden. Hier ist es möglich, jeden Punkt (19) auf einer Umrisslinie mit allen benachbarten Punkten einer Umrisslinie zu verknüpfen und damit eine große Anzahl kleiner Dreiecke zu erhalten, welche die Oberfläche das volumetrischen Drahtmodells (22) repräsentieren.
Das erfindungsgemäße Aufnahmeverfahren erfordert nur ein paar Schnittebenen (12a, 12b, 13a, 13b), eine schnelle und wirksame Erfassung von Punkten (17, 19) auf den Umrisslinien und die Berechnung des Drahtmodells (22) als Volumenmodell, um eine gute Annäherung des Objekts (1) zu erzielen, um so dynamische, quantitative oder formbezogene Informationen zu erhalten.
Fig. 7 veranschaulicht eine Technik zur Aufnahme des Volumens des Objekts (1). Dabei wird die Drehachse (15) eines Querschnittsbildes (7) durch den Mittelpunkt des Objekts (1) definiert. Um die Drehachse (15) werden N Erfassungsebenen (9) oder Schnittebenen (12a, 12b, 13a, 13b) als Querschnittsbilder (7) bezüglich der vorherigen Aufnahme (Fig. 2) definiert. Dabei stellt jede Ebene eine Drehung um 1801 N Grad bezüglich der vorherigen Schnittebene dar. Eine Umrisslinie (14) mit Umrisspunkten (17) wird für jedes Querschnittsbild (7) definiert. Die Drehachse (15) schneidet dabei jedes Querschnittsbild (7) in zwei Teile. Um nun das Volumen des Objekts (1) aufzunehmen, werden bei diesem Verfahren die Rotationsvolumen V(1...2 N) für beide Teile jedes Querschnittsbildes (7) berechnet. Dabei wird das Rotationsvolumen V durch ein Segment (S) definiert, das aus der Drehachse (15), der Umrisslinie (14) einer Hälfte eines Querschnittsbildes (7), das gerade um 1801 N Grad (r&sub1;, r&sub2;, r&sub3;, ... rN) gedreht wird, bis Umrisslinien (14) des nächsten Querschnittsbildes, die nächste Schnittebene (9) erreicht ist. Genauer gesagt ist es auch möglich, nur Segmente (25) eines Teils eines Querschnittsbildes (8) zu drehen, wobei diese Segmente (25) durch zwei hinter einander liegende Punkte (17) auf der Umrisslinie (14) und durch die Drehachse (15) definiert werden. Um das Volumen des gesamten Objekts (1) zu erfassen, werden alle Rotationsvolumen der Segmente (25) addiert.
Bei symmetrischen Rotationsobjekten wäre nur eine Schnittebene (12, 13) ausreichend, um das exakte Volumen zu erfassen. Die präzise Messung der Umrisslinien (14) kann durch Verwendung von Spline-Kurven erhöht werden. Die Drehachse (15) sollte dabei durch die größte Abmessung des Objekts (1) definiert werden, um rasch gute Ergebnisse zu erzielen. Je einfacher die Form des Objekts (1) ist, desto kleiner kann die Anzahl der Schnittebenen (12, 13) sein, um noch gute schnelle Ergebnisse zu erhalten. Die genaue Annäherung des Volumens ist von der Anzahl der Schnitte abhängig.
Dasselbe Aufnahmeverfahren ist auch bei hintereinander aufgenommenen Aufnahmeebenen (9) möglich, die linear entlang des Objekts (1) verlaufen, wozu freihändig abgetastet wird oder maschinell gesteuerte Scanner verwendet werden. Dabei wird das Volumen dadurch aufgenommen, dass die Umrisslinien (14) oder Segmente (25) der Umrisslinien (14) innerhalb der Querschnittsbilder (7) entlang einer Achse bewegt werden, die im wesentlichen senkrecht zu den Querschnittsbildern steht, bis die Umrisslinien (14) des nächsten Querschnittsbildes (7), die nächsten Aufnahmeebenen (9), erreicht sind. Hier ist die Bewegung keine Drehbewegung, sondern eine lineare Bewegung, da die Aufnahmeebenen (9) linear entlang des Objekts (1) in Abfolge aufgenommen wurden.
Fig. 8 stellt einen Wandler (4) für eine freihändige Aufnahme zusammen mit einem Positionsfühler (23) dar.
Fig. 9 zeigt einen Drehwandler (4), wie er in Fig. 2 dargestellt ist, welcher einen Ultraschallstrahl (8) zulässt, der sich in vorgegebenen Teilschritten oder gleichförmig dreht, wodurch das untersuchte Objekt (1) abgetastet wird.
Fig. 10 stellt den Wandler (4) aus Fig. 8 zusammen mit einem Positionsfühler (23) dar. Der Positionsfühler (23) ist bei der Erfassung der Drehachse (15) von Nutzen, wenn der Wandler (4) während der Aufnahme der Aufnahmeebenen (9) geringfügig bewegt wird. Die Informationen des Positionsfühlers (23) können berechnet werden, um die Aufnahmeebenen (9) bezüglich zu einander erneut auszurichten und korrekt zu positionieren.
Für dass erfindungsgemäße Verfahren zur raschen dreidimensionalen Aufnahme sind die folgenden vier Aufnahmetechniken möglich:
1. Eine freihändige Aufnahme mit dem Wandler (4) aus Fig. 7 und dem Positionsfühler (23) ist möglich, wenn verschiedene Aufnahmeebenen (9) erfasst werden, wobei der Positionsfühler (23) die räumliche Ausrichtung der verschiedenen Aufnahmeebenen (9) an die Umwandlungs- bzw. Transformationseinrichtung liefert.
2. Des Weiteren ist eine ausgelöste freihändige Aufnahme möglich, bei welcher ein Wandler (4) zusammen mit einem Positionsfühler (23) eingesetzt wird, wobei es sich um das gleiche Verfahren wie vorstehend beschrieben handelt, aber zusätzlich die Auslösung der Aufnahme über ein EKG und die Atmung vorgesehen ist.
3. Eine rasche motorisch gesteuerte Aufnahme mit einem Drehwandler (4) gemäß Fig. 8 und 9 lässt sich ebenso durchführen wie
4. eine rasche motorisch gesteuerte Aufnahme in Verbindung mit einem Positionsfühler (23). Der Positionsfühler (23) macht es möglich, dass die Aufnahmevorrichtung die korrekte Drehachse (15) so lokalisieren kann, dass Bewegungen der Ultraschall-Drehsonde (4) keinen Einfluss auf die Bildberechnung nehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur raschen dreidimensionalen Aufnahme lässt sich auch folgendermaßen für eine mehrfarbige Doppler-Untersuchung durchführen:
Bei einer routinemäßigen Ultraschalluntersuchung des Herzens diagnostiziert der Arzt Erkrankungen wie Mitralklappeninsuffizienz (MR), Aortenklappeninsuffizienz (AR), Mitralklappenstenose (MS), Aortenklappenstenose (AS), usw. unter Einsatz eines mehrfarbigen Dopplerverfahrens. Bei diesen Patienten liegt eine sehr schnelle turbulente Blutströmung vor (Jet Flow). Normalerweise wird ein Jet Flow durch ein Mosaikmuster in der mehrfarbigen Doppler-Sonographie dargestellt. Der Arzt, der den Patienten untersucht, versucht, durch Veränderung der Position der Sonde den stärksten "Jet Flow" sichtbar zu machen.
Bei der Routineuntersuchung bewertet der Arzt die Schwere der Erkrankung, indem er den Bereich (z. B. den Rückflussbereich) bei einem Jet Flow (Mosaikmuster) misst. Diese Bewertung erfolgt nur in einer Schnittebene. Durch Heranziehung eines Verfahrens zur dreidimensionalen mehrfarbigen Aufnahme der Strömung mit freihändiger Abtastung ist es möglich, die Erkrankung der Klappe genauer zu erfassen, d. h. in größerer Nähe zu den tatsächlichen Strömungsinformationen, auch wenn Fehler auftreten.
Dieses Verfahren läuft folgendermaßen ab:
1. Der stärkste Jet Flow wird durch Heranziehung des mehrfarbigen Doppler-Modus sichtbar gemacht.
2. Mit der Wandlersonde in derselben Position wird ein Herzzyklus aufgenommen, indem in Verbindung mit elektrokardiographischer Ausblendung freihändig von Hand abgetastet wird.
3. Die Wandlersonde wird in einem gewissen Umfang gedreht und es wird ein weiterer Herzzyklus aufgenommen. Diese Aufnahmen werden mehrmals fortgeführt, um 2-20, vorzugsweise 3-6 Tranchen des Herzzyklus zu erhalten.
4. Während der Aufnahme werden die Drehachse und die Position der Sonde geneigt, wobei alle Winkelinformationen und Lageinformationen zusammen mit den mehrfarbigen Doppler-Aufnahmen aufgezeichnet werden.
5. Die Drehachse wird für jedes Bild (jede Phase) auf die erste Position des stärksten Jet Flow ausgeglichen oder erneut ausgerichtet.
6. Dann wird die günstigste Phase für die Auswertung ausgewählt.
7. Nun wird der Jet-Flow-Bereich (Mosaikmuster) oder die Grenze jedes Bildes von Hand, in halbautomatischem oder automatischem Modus erfasst.
8. Das dreidimensionale mehrfarbige Strömungsvolumen wird berechnet und dann wird die Schwere der Erkrankung der Klappe diagnostiziert.
9. Eine andere Möglichkeit ist die Oberflächendarstellung eines mehrfarbigen Strömungsbildes für einen Herzzyklus aus einem bestimmten Blickwinkel unter Verwendung eines Drahtmodells als Volumenmodell gemäß der vorliegenden Erfindung.

Claims

1. Verfahren zur Aufnahme von dreidimensionalen Ultraschallbildern, welches die folgenden Schritte aufweist:

- Abtasten eines Gegenstands (1) mittels einer Einrichtung (4) zur zweidimensionalen Abtastung, um Aufnahmeebenen (9) für das Objekt (1) zu erhalten,

- Bewegen der Bildabtasteinrichtung (4) in vorgegebenen Schritten eine vorgegebene Anzahl von Malen oder homogen entlang des Objekts (1) unter Abtastung des Objekts (1),

- Digitalisieren jeder der Aufnahmeebenen (9),

- Aufzeichnen jeder der Aufnahmeebenen (9) und deren entsprechender Position, und

- Umwandeln der Aufnahmeebenen (9) in einen dreidimensionalen Datensatz mittels eines Umwandlungsprozesses, und

- Anzeigen des dreidimensionalen Datensatzes,

gekennzeichnet durch:

- Ausführen des Umwandlungsprozesses durch Erfassen der Umrisslinien des Objekts (1) innerhalb von Querschnittsbildern (7), wobei die Querschnittsbilder (7) Aufnahmeebenen (9) und/oder Schnittebenen (12, 13) des dreidimensionalen Datensatzes sind,

- Erstellen eines Drahtmodells (22) als Volumenmodell unter Verwendung der Positionen jeweiliger Querschnittsbilder (7) und der Umrisslinien (14) innerhalb der Querschnittsbilder (7).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verknüpfung von Umrisspunkten (17, 19) der Umrisslinien (14) unter Heranziehung von Techniken zur Aufnahme von Oberflächen und/oder zur Wiedergabe eines Volumens.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verknüpfung von Umrisspunkten (17, 19) der Umrisslinien (14) mit horizontalen und vertikalen Drahtmodell-Linien (20, 21), vorzugsweise mit einem Interpolations-Algorithmus.

4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verknüpfung von Umrisspunkten (17, 19) der Umrisslinien (14) durch Verknüpfen jedes der Umrisspunkte (19) mit allen benachbarten Umrisspunkten (19).

5. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Bewegen oder Drehen der Umrisslinien (14) bzw. von Segmenten (25) der Umrisslinien (14) innerhalb der Querschnittsbilder (7) entlang einer Achse, welche im wesentlichen senkrecht zu den Querschnittsbildern (7) verläuft, oder um eine gemeinsame Drehachse (15) der Querschnittsbilder (7), bis die Umrisslinien (14) des nächsten Querschnittsbildes (7) erreicht sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Erfassung der Umrisslinien (14) des Objekts (1) unter Verwendung von Graustufenbereichen, mit anschließender Anwendung von Algorithmen zur Verringerung des Rauschens, von Algorithmen zur Verbesserung der Ränder, und/oder Algorithmen zur Verringerung von räumlichen Artefakten.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Erstellung mehrerer Drahtmodelle als Volumenmodelle (22) eines Objekts (1) in dessen Bewegung und Anzeigen der dreidimensionalen Datensätze nacheinander, welche den Drahtmodellen (22) entsprechen, um so dynamische und/oder quantitative Informationen über das Objekt (1) zu erhalten.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Erstellung mehrerer Drahtmodelle als Volumenmodelle (22) eines Herzobjekts (1) in dessen Bewegung und Anzeigen der dreidimensionalen Datensätze entsprechend einem Algorithmus, bei welchem Schwankungen im Herzschlagzyklus durch elektrokardiographische Ausblendung und Schwankungen im Atmungszyklus durch Impedanzmessungen berücksichtigt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Bewegen der Bildabtasteinrichtung (4) um vorgegebene Winkelschritte über eine vorgegebene Anzahl von Malen, das Aufzeichnen jeder der Aufnahmeebenen (9) und deren entsprechender Winkelposition, und das Erfassen der Umrisslinien (14) des Objekts innerhalb von Querschnittsbildern (7) bezüglich einer gemeinsamen Drehachse (15) der Querschnittsbilder ()

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch das zusätzliche Aufzeichnen eines Querschnittsbildes oder mehrerer Querschnittsbilder aus Schnittebenen (12, 13) des Objekts (1), die im Wesentlichen senkrecht zu den unter einem Winkel positionierten Querschnittsbildern (7) verlaufen.

11. Vorrichtung zum Aufzeichnen von dreidimensionalen echographischen Bildern, welche folgendes aufweist:

- eine Bildabtasteinrichtung (4) zum Abtasten zweidimensionaler Abbildungen, welche das Objekt (1) abtastet, um so Aufnahmeebenen (9) des Objekts (1) aufzunehmen,

- eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen der Bildabtasteinrichtung (4) in vorgegebenen Schritten über eine vorgegebene Anzahl von Malen oder homogen entlang des Objekts (1),

- eine Digitalisierungseinrichtung zum Digitalisieren jeder der Aufnahmeebenen (9),

- eine Aufzeichnungseinrichtung zum Aufzeichnen jeder der Aufnahmeebenen (9) und deren entsprechender Position,

- eine Umwandlungseinrichtung zum Umwandeln der Aufnahmeebenen (9) in einen dreidimensionalen Datensatz mittels eines Prozesses zur geometrischen Umwandlung, und

- eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen des dreidimensionalen Datensatzes,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Umwandlungseinrichtung eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Umrisslinien (14) des Objekts (1) innerhalb von Querschnittsbildern (7) aufweist, wobei die Querschnittsbilder (7) die Aufnahmeebenen (9) und/oder Schnittebenen (12, 13) des dreidimensionalen Datensatzes sind, und

- dass eine Einrichtung zur volumetrischen Aufnahme zum Erstellen eines Drahtmodells (22) als Volumenmodell unter Verwendung der Positionen der Querschnittsbilder (7) und der Umrisslinien (14) innerhalb der Querschnittsbilder (7) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Bewegen der Bildabtasteinrichtung (4) einen Schnittmotor und eine Steuerlogik umfasst, welche die schrittweise Erfassung von Aufnahmeebenen (9) des Objekts (1) steuern.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildabtasteinrichtung (4) einen Positionsfühler (23) zum Erfassen der Positionen der Aufnahmeebenen (9) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung des Weiteren eine Einrichtung zur elektrokardiographischen Ausblendung und eine Auslöseeinrichtung zum Auslösen der Atmung für eine dynamische Abtastung von Herzobjekten (7) aufweist.