DE69933851T2

DE69933851T2 - Verfahren zur Reduzierung der Bildschärfeverzerrung in räumlich vermehrten Diagnostikbildern

Info

Publication number: DE69933851T2
Application number: DE69933851T
Authority: DE
Inventors: R. James JAGO; R. Robert ENTREKIN
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2019-10-01
Also published as: EP1046058B1; JP2002526226A; WO2000020886A1; EP1046058A1; DE69933851D1; US6117081A

Description

Mit der vorliegenden Patentanmeldung wird der Vorteil der vorläufigen US-amerikanischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/102.923, eingereicht am 1. Oktober 1998, beansprucht. Diese Anmeldung wird gleichzeitig mit der US-amerikanischen Patentanmeldung mit der Seriennummer [ATL-195] und dem Titel "Ultrasonic diagnostic imaging system with blurring corrected spatial compounding" eingereicht.
Diese Erfindung bezieht sich auf diagnostische Ultraschall-Bildgebungssysteme und insbesondere auf diagnostische Ultraschall-Bildgebungssysteme, die räumlich zusammengesetzte, bezüglich Bildschärfeverzerrung korrigierte Bilder erzeugen.
Die räumliche Bildzusammensetzung ist ein Bildgebungsverfahren, bei dem eine Anzahl von Ultraschallbildern eines gegebenen Ziels, die man von mehreren günstigen Ausgangspunkten oder -winkeln (Blickrichtungen) aus erhalten hat, zu einem einzigen zusammengesetzten Bild kombiniert werden, indem die von jedem Punkt erhaltenen Daten in dem zusammengesetzten Bildziel kombiniert werden, das aus jedem Winkel erlangt wurde. Beispiele für die räumliche Bildzusammensetzung sind in den US-amerikanischen Patentschriften 4.649.927, 4.319.489 und 4.159.462 zu finden. Die räumliche Zusammensetzungsbildgebung in Echtzeit wird durchgeführt, indem eine Reihe sich teilweise überlappender Teilbilder schnell aus im Wesentlichen unabhängigen räumlichen Richtungen erfasst wird, wobei ein Array-Wandler benutzt wird, um die elektronische Strahllenkung bzw. die elektronische Translation der Teilbilder zu implementieren. Die Teilbilder werden durch Summierung, Mittelwertbildung, Peak-Detektierung oder andere kombinatorische Mittel zu einem zusammengesetzten Bild kombiniert. Die Erfassungssequenz und die Erzeugung von zusammengesetzten Bildern werden kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit wiederholt, die durch die Erfassungsbildrate begrenzt wird, das heißt durch die Zeit, die für die Erfassung der vollen Anzahl von Abtastlinien über die ausgewählte Breite und Tiefe der Bildgebung benötigt wird.
Das zusammengesetzte Bild weist typischerweise weniger Speckles (körnige Strukturen) und eine bessere Spiegelungsdarstellung auf als herkömmliche, von einem einzigen Betrachtungspunkt aus erstellte Ultraschallbilder. Die körnige Struktur wird durch das Ziehen der Quadratwurzel von N in einem zusammengesetzten Bild mit N Teilbildern reduziert (d.h. der Speckle-Störabstand wird verbessert), wenn die zur Erzeugung des zusammengesetzten Bildes verwendeten Teilbilder im Wesentlichen unabhängig sind und gemittelt werden. Es können mehrere Kriterien benutzt werden, um den Grad der Unabhängigkeit der Teilbilder zu ermitteln (siehe beispielsweise O'Donnell et al in IEEE Trans. UFFC, Band 35, Nr. 4, 1988, auf den Seiten 470-476). In der Praxis impliziert dies bei der räumlichen Bildzusammensetzung mit einem gelenkten Linearwandler einen minimalen Lenkungswinkel zwischen den Teilbildern. Dieser minimale Winkel liegt typischerweise in der Größenordnung von einigen Grad.
Die zweite Weise, in der die räumliche Zusammensetzungsabtastung die Bildqualität verbessert, besteht in der Verbesserung der Erfassung von Spiegelgrenzflächen. Eine gekrümmte Grenzfläche zwischen Knochen und Weichteilgewebe erzeugt zum Beispiel ein starkes Echo, wenn das Ultraschallstrahlenbündel genau senkrecht zu der Grenzfläche steht, und ein sehr schwaches Echo, wenn das Strahlenbündel nur wenige Grad von der Senkrechten abweicht. Diese Grenzflächen sind oft gekrümmt, und mit einer herkömmlichen Abtastung kann nur ein kleiner Teil der Grenzfläche sichtbar gemacht werden. Bei der räumlichen Zusammensetzungsabtastung werden von vielen verschiedenen Winkeln aus Ansichten der Grenzfläche erfasst, so dass die gekrümmte Grenzfläche sichtbar gemacht und kontinuierlich über ein größeres Sichtfeld dargestellt wird. Die größere Winkelvielfalt verbessert allgemein die Kontinuität der Spiegelziele. Die zur Verfügung stehende Winkelvielfalt wird jedoch durch den Akzeptanzwinkel der Wandlerelemente begrenzt. Der Akzeptanzwinkel hängt von dem Zwischenraum zwischen den Wandlerelementen, der Frequenz und den Konstruktionsmethoden ab.
Die Herausforderungen bei der Erfassung räumlich ausgerichteter Bilder oder bei der räumlichen Ausrichtung einzelner Bilder nach deren Empfang können beträchtlich sein. Wenn die Aufgabe die Erzeugung räumlich zusammengesetzter Bilder in Echtzeit ist, ist die Herausforderung noch größer. Die Bildverarbeitung muss schnell und effizient sein, so dass die Bildrate zusammengesetzter Bilder in Echtzeit erscheint. Die zusammengesetzten Bilder können unter Bewegungsartefakten leiden, weil sich beim Erfassen der zusammenzusetzenden Bilddaten Organe wie das Herz und Blutgefäße fortwährend bewegen können.
Eines der Probleme in Zusammenhang mit der räumlichen Zusammensetzungsbildgebung in Echtzeit besteht darin, dass zur Erzeugung jedes neuen zusammenge setzten Bildes mehrere Bilderfassungen erforderlich sind. Der Zeitaufwand zur Erfassung eines räumlichen zusammengesetzten Bildes bestehend aus N Teilbildern ist etwa N mal länger als der für jedes einzelne Teilbild benötigte Zeitaufwand. Allgemein ist es wünschenswert, eine große Anzahl von Teilbildern zu erfassen, um die Bildqualität des zusammengesetzten Bildes zu maximieren. Da die zusammenzusetzenden Bilder jedoch zeitlich erfasst werden, kann das Zusammensetzen der Bilder zu einem unscharfen Bildresultat führen. Bildunschärfe tritt bei der räumlichen Zusammensetzungsbildgebung in Echtzeit auf, weil gemeinsame Merkmale in den erfassten Teilbildern beim Zusammensetzen nicht exakt zur Deckung kommen. Eine Fehlregistrierung zwischen Erfassungsbildern kann aus verschiedenen Gründen auftreten; beispielsweise:

1. kann sich die Position von Merkmalen innerhalb der Bildebene aufgrund einer Bewegung des Schallkopfes und/oder Patienten während der Erfassung verschieben (Bewegungs-Fehlregistrierung innerhalb der Ebene). Diese Art von Fehlregistrierung kann global (Translation und/oder Drehung des gesamten Bildes) oder lokal (Bildverzerrung aufgrund von Herz- oder Atmungsbewegung oder Gewebekomprimierung mit dem Schallkopf) sein.
2. kann sich die Position von Merkmalen aufgrund eine falschen Annahme in Bezug auf die Schallgeschwindigkeit verschieben, wodurch die Merkmale mit einer axialen und angularen Fehlregistrierung wiedergegeben werden (SOS-Fehlregistrierung). Diese Art von Fehlregistrierung kann auf eine falsche durchschnittliche Schallgeschwindigkeit oder Schwankungen der lokalen Schallgeschwindigkeit innerhalb unterschiedlicher Gewebearten zurückzuführen sein.

Folglich ist es wünschenswert, eine Unschärfe aufgrund von Ursachen wie diesen beim Zusammensetzen von Bildern für die Echtzeitanzeige zu vermeiden.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird durch eine Korrektur von Fehlregistrierungsfehlern die Unschärfe eines zusammengesetzten Bildes reduziert und die Bildqualität verbessert, indem die Teilbilder vor dem Zusammensetzen registriert werden. Dies ist durch die Anwendung von Bildregistrierungsverfahren möglich. Bildregistrierung ist hier als allgemeine Bezeichnung zu verstehen, um jeden Vorgang zu beschreiben, der globale und/oder lokale Verschiebungsinformationen zwischen zwei Bildern bewertet und ein Bild (oder beide Bilder) verzerrt ??, um sie zur Deckung zu bringen. Zur Bewertung der Verschiebung kann man eine Reihe von Verfahren benutzen, einschließlich Kreuzkorrelationssuche, Block-Matching-Algorithmen (BMA), maximale Helligkeit sowie Merkmalextraktion und -verfolgung. Basierend auf der Art und Größe der Verschiebungen können Verzerrungsalgorithmen von erster Ordnung, globale Transformationen (Translation und/oder Rotation) oder von höherer Ordnung sein (komplexe lokale Verzerrung). Die Teilbilder werden vor dem Zusammensetzen registriert, um die Bildqualität zu verbessern.
In den Zeichnungen zeigen:
1 in Form eines Blockschaltbildes ein gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiertes diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem;
2 in Form eines Blockschaltbildes eine bevorzugte Ausführungsform des räumlichen Zusammensetzungsprozessors aus 1;
3 ein Ablaufdiagramm zum Registrieren aller Teilbilder eines zusammengesetzten Bildes in einem Referenzbild;
4 ein Ablaufdiagramm für eine Pyramidenregistrierung von Teilbildern eines zusammengesetzten Bildes;
5 ein Ablaufdiagramm für die aufeinanderfolgende Registrierung und Zusammensetzung von Teilbildern eines zusammengesetzten Bildes;
6 ein Ablaufdiagramm für eine Pyramidenregistrierung nicht aufeinanderfolgender Bilder zur Bildung eines zusammengesetzten Bildes;
7 ein Ablaufdiagramm für die aufeinanderfolgende Registrierung und Zusammensetzung von neuen Teilbildern in Verbindung mit dem Entfernen alter Teilbilder aus dem zusammengesetzten Bild; und
8 die Verwendung von Referenzlinien zur Bildregistrierung.
Bezug nehmend auf 1 wird ein gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiertes diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem gezeigt. Ein Schallkopf 10 mit einem Wandler 12 sendet Strahlenbündel in unterschiedlichen Winkeln über ein Bildfeld aus, das durch das gestrichelte Rechteck und die gestrichelten Parallelogramme angedeutet ist. In der Zeichnung sind drei Gruppen von Abtastlinien angegeben, die mit A, B und C bezeichnet sind, wobei jede Gruppe in einem unterschiedlichen Winkel relativ zum Schallkopf gelenkt wird. Die Aussendung der Strahlenbündel wird durch einen Sender 14 gesteuert, der die Phase und die Einschaltzeit jedes Wandlerelements steuert, damit jedes Strahlenbündel von einem vorgegebenen Ausgangspunkt entlang des Arrays und in einem vorgegebenen Winkel ausgesendet wird. Die entlang jeder Abtastlinie zurückgeworfenen Echos werden von den Array-Elementen empfangen, mittels Analog-Digital-Umsetzung digitalisiert und an einen digitalen Strahlformer 16 weitergeleitet. Der digitale Strahlformer verzögert und summiert die Echos von den Array-Elementen, um eine Sequenz aus fokussierten, kohärenten digitalen Echo-Abtastwerten entlang jeder Abtastlinie zu bilden. Der Sender 14 und der Strahlformer 16 werden unter der Steuerung einer Systemsteuereinheit 18 betrieben, die ihrerseits auf die Einstellungen der Bedienelemente auf einer Benutzeroberfläche 20 reagiert, welche durch den Benutzer des Ultraschallsystems bedient wird. Die Systemsteuereinheit steuert den Sender an, die gewünschte Anzahl von Abtastliniengruppen in den gewünschten Winkeln sowie Energien und Frequenzen zu übertragen. Ferner steuert die Systemsteuereinheit den digitalen Strahlformer so, dass er die empfangenen Echosignale für die verwendeten Aperturen und Bildtiefen korrekt verzögert und kombiniert.
Die Abtastlinien-Echosignale werden durch einen programmierbaren digitalen Filter 22 gefiltert, der das interessierende Frequenzband definiert. Beim Abbilden harmonischer Kontrastmittel oder Durchführen einer harmonischen Bildgebung von Gewebe (engl. Tissue Harmonic Imaging, THI) wird der Durchlassbereich des Filters 22 so eingestellt, dass die Harmonischen des Sendebandes durchgelassen werden. Die gefilterten Signale werden dann von einem Detektor 24 detektiert. In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten der Filter und der Detektor mehrere Filter und Detektoren, so dass die empfangenen Signale in mehrere Durchlassbereiche aufgeteilt, einzeln detektiert und wieder kombiniert werden, um Bild-Speckle durch Frequenzzusammensetzung zu reduzieren. Bei einer B-Mode-Bildgebung führt der Detektor 24 eine Amplitudendetektierung der Echosigna-Hüllkurve durch. Bei der Doppler-Bildgebung werden für jeden Punkt in dem Bild Echogruppen zusammengestellt und einem Doppler-Verfahren unterzogen, um die Doppler-Verschiebung oder die Doppler-Leistungsintensität zu bewerten.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden die digitalen Echosignale durch räumliche Zusammensetzung in einem Prozessor 30 verarbeitet. Die digitalen Echosignale werden zunächst durch einen Preprozessor 32 vorverarbeitet. Der Preprozessor 32 kann die Signalabtastwerte auf Wunsch mit einem Gewichtungsfaktor vorgewichten. Die Abtastwerte können mit einem Gewichtungsfaktor vorgewichtet werden, der eine Funktion der Anzahl von Teilbildern ist, die zur Bildung eines bestimmen zusammengesetzten Bildes herangezogen werden. Der Preprozessor kann auch Randlinien gewichten, die sich an dem Rand von einem überlappenden Bild befinden, um die Übergänge zu glätten, wo sich die Anzahl der zusammengesetzten Teilbilder ändert. Die vorverarbeiteten Signalabtastwerte können dann in einer Wiederabtasteinheit 34 einer erneuten Abtastung unterzogen werden. Die Wiederabtasteinheit 34 kann die Schätzwerte von einem Teilbild erneut räumlich auf die eines anderen Teilbildes oder auf die Pixel des Anzeigeraums ausrichten. Dies kann wünschenswert sein, wenn es Bewegung zwischen Einzelbildern, Bewegung innerhalb eines Bildes oder eine Schallkopfbewegung während der Bilderfassung gibt.
Nach dem erneuten Abtasten werden die Einzelbilder durch eine Kombiniereinheit 36 zusammengesetzt. Das Kombinieren kann die Summierung, Mittelwertbildung, Peak-Detektierung oder andere kombinatorische Mittel umfassen. Die zu kombinierenden Abtastwerte können in diesem Prozessschritt vor dem Kombinieren auch gewichtet werden. Schließlich führt ein Postprozessor 38 eine Nachverarbeitung durch. Der Postprozessor normalisiert die kombinierten Werte auf eine Anzeigewertreihe. Die Nachverarbeitung kann am einfachsten mit Verweistabellen implementiert werden und kann gleichzeitig eine Komprimierung und Abbildung der Reihe der zusammengesetzten Werte auf eine Reihe von Werten vornehmen, die für die Anzeige des zusammengesetzten Bildes geeignet sind.
Der Zusammensetzungsprozess kann in einem Schätzdatenraum oder in einem Anzeigepixelraum durchgeführt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nimmt ein Bildrasterwandler 40 im Anschluss an den Zusammensetzungsprozess eine Abtastkonvertierung vor. Die zusammengesetzten Bilder können in einem Cineloop^®-Speicher 42 entweder in Schätzform oder Anzeigepixelform gespeichert werden. Wenn sie in Schätzform gespeichert werden, können die Bilder abtastkonvertiert werden, wenn sie aus dem Cineloop-Speicher zur Anzeige wiedergegeben werden. Der Bildrasterwandler und der Cineloop-Speicher können auch benutzt werden, um dreidimensionale Darstellungen der räumlich zusammengesetzten Bilder wiederzugeben, wie in den US-amerikanischen Patentschriften 5.485.842 und 5.860.924 beschrieben. Im Anschluss an die Abtastkonvertierung werden die räumlich zusammengesetzten Bilder durch einen Videoprozessor 44 für die Anzeige verarbeitet und auf einer Bildanzeigevorrichtung 50 angezeigt.
2 veranschaulicht eine bevorzugte Implementierung des Prozessors 30 zur räumlichen Zusammensetzung aus 1. Der Prozessor 30 wird vorzugsweise durch einen oder mehrere digitale Signalprozessoren 60 implementiert, die die Bilddaten auf verschiedene Weise verarbeiten. Die digitalen Signalprozessoren 60 können zum Beispiel die empfangenen Bilddaten gewichten und die Bilddaten erneut abtasten, um die Pixel von Teilbild zu Teilbild räumlich auszurichten. Die digitalen Signalprozessoren 60 leiten die verarbeiteten Teilbilder an eine Vielzahl von Teilbildspeichern 62 weiter, die die einzelnen Teilbilder zwischenspeichern. Die Anzahl der Teilbilder, die von den Teilbildspeichern 62 gespeichert werden kann, entspricht vorzugsweise mindestens der maximalen Anzahl von zusammenzusetzenden Teilbildern, zum Beispiel 16 Teilbildern. Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung reagieren die digitalen Signalprozessoren auf Veränderungen der Systemsteuerparameter, zu denen unter anderem die Bildanzeigetiefe, die Tiefe des Bereichs mit der größten Zusammensetzung, die klinische Anwendung, die Zusammensetzungsanzeigerate, die Betriebsart und die Erfassungsrate zum Bestimmen der Anzahl von zusammenzusetzenden Bildern zu einem gegebenen Zeitpunkt gehören. Die digitalen Signalprozessoren wählen in den Teilbildspeichern 62 gespeicherte Teilbilder für die Zusammenstellung zu einem zusammengesetzten Bild in einem Akkumulationsspeicher 64 aus. Das in dem Akkumulationsspeicher 64 gebildete zusammengesetzte Bild wird durch eine Normalisierungsschaltung 66 gewichtet oder abgebildet, dann auf die gewünschte Anzahl von Anzeigebits komprimiert und auf Wunsch anhand einer Verweistabelle (LUT) 68 erneut abgebildet. Anschließend wird das vollständig verarbeitete zusammengesetzte Bild zwecks Formatierung und Anzeige an den Bildrasterwandler übertragen.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden die Bilddaten der zusammengesetzten Teilbilder, die zur Bildung eines zusammengesetzten Bildes verwendet wurden, erneut abgetastet, um die Teilbilder vor dem Zusammensetzen räumlich zu registrieren und dadurch die Bildqualität zu verbessern, indem Unschärfeeffekte durch sich überlappende, nicht registrierte Bilddaten reduziert werden. Die Neuabtastung und Registrierung der Teilbilder erfolgt durch Programmierung der digitalen Signalprozessoren 60, die auf Teilbilder einwirken, welche in den Teilbildspeichern 62 gespeichert sind. Das endgültige registrierte und zusammengesetzte Bild wird dann im Akkumulationsspeicher 64 gespeichert. Verfahren nach dem Stand der Technik haben Bildregistrierungsmethoden zum Bewerten spezifischer Gewebeeigenschaften wie Schallgeschwindigkeit oder Elastizität als Diagnoseparameter (z.B. Robinson et al. in Ult. in Med. & Biol., Vers. 17, Nr. 6, S. 633-46 (1999) und Ophir et al. in Euro. J. Ult., Vers. 3, S. 49-70 (1996)) oder zum Bewerten der Schallkopfbewegung zum Erzeugen eines statischen „Panoramabildes" (z.B. US-Patenschrift 5.566.674) verwendet
Es gibt zahlreiche mögliche Implementierungen für eine Bildregistrierung vor dem Zusammensetzen gemäß der vorliegenden Erfindung. 3 veranschaulicht einen Teil einer Ausführungsform, das "Referenzbild"-Verfahren, wie es auf eine Erfassungssequenz für vier Teilbilder angewendet wird. Die vier Teilbilder zum Zusammensetzen sind in 3 in zeitlicher Abfolge als A, B, C und D gezeigt. Eines der Teilbilder (A) wird als „Referenzbild" bezeichnet, wobei nachfolgend erfasste Teilbilder (B, C und D) so verzerrt werden, dass ihre Merkmale mit den entsprechenden Merkmalen des Bildes A zur Deckung kommen. Wie das Ablaufdiagramm zeigt, wird Teilbild B nach seiner Erfassung mit Teilbild A registriert, dann wird Teilbild C erfasst und mit Teilbild A registriert, dann wird Teilbild B erfasst und mit Teilbild A registriert. Nachdem alle vier konstituierenden Teilbilder erfasst und registriert wurden, werden die ausgerichteten Teilbilder zusammengesetzt. Der Vorgang wird bei jeder neuen Erfassungssequenz (E, F, G, H mit E als neuem Referenzbild) wiederholt. Alternativ kann das Referenzbild bei jedem neuen Erfassungsbild aktualisiert werden (B, C, D, E mit B als Referenzbild; C, D, E, F mit C als Referenzbild usw.). Jedes Teilbild der vier Teilbildsequenzen kann als Referenzbild bestimmt werden.
4 veranschaulicht einen Teil einer zweiten Ausführungsform, bei dem Bildpaare registriert und zusammengesetzt werden, gefolgt von einem zweiten Schritt des Registrierens und Zusammensetzens der zuvor registrierten und zusammengesetzten Paare, hierin als „Pyramidenverfahren" bezeichnet. 4 veranschaulicht das Pyramidenverfahren für vier Teilbilder A, B, C und D. Im ersten Schritt des Verfahrens werden die Teilbilder A und B registriert und zusammengesetzt, dann werden die Teilbilder C und D registriert und zusammengesetzt. Diese zusammengesetzten Zwischenbilder, als U und V bezeichnet, werden dann registriert und zum endgültigen zusammengesetzten Bild zusammengesetzt.
Wenn eine nur teilweise Korrektur des Fehlregistrierungsfehlers akzeptabel ist (oder wenn es Bedingungen gibt, unter denen die Registrierung aller Teilbilder unzuverlässig ist), kann der erste Registrierungsschritt ausgelassen werden, wodurch eine wesentliche Reduzierung der Rechenanforderungen erzielt wird. In diesem Fall werden die zeitlich aneinander angrenzenden Bilder A und B zusammengesetzt, ebenso die zeitlich aneinander angrenzenden Bilder C und D. Die beiden resultierenden zusammengesetzten Zwischenbilder, U und V, werden dann registriert und zusammengesetzt. Eine weitere Alternative besteht darin, die Teilbilder A und B und dann die Teilbilder C und D zu registrieren, die registrierten Teilbildpaare zusammenzusetzen, dann den letzten Registrierungsschritt auszulassen und einfach die Zwischenbilder U und V zum endgültigen zusammengesetzten Bild zusammenzusetzen.
7 veranschaulicht einen Teil eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung, der darin besteht, dass, obwohl die Teilbildsequenz A, B, C, D in dieser Zeichnung zeitlich sequentiell ist, die zeitlich aneinander angrenzenden Teilbilder nicht räumlich aneinander angrenzend sind. Das heißt, die Blickrichtung des Teilbildes C ist in Bezug auf den Winkel nicht der Blickrichtung des Teilbildes B ähnlich, sondern es ist eine Blickrichtung, die sich deutlich von der des Teilbildes A unterscheidet, desjenigen Teilbildes, mit dem es anfänglich zusammengesetzt wurde. Dasselbe gilt für das Teilbildpaar B und D. Dies führt zu den bestmöglichen zusammengesetzten Zwischenbildern U und V, weil die zeitliche Nähe Bewegungsartefakte reduziert, während die eher deutlich divergierenden Blickrichtungen die Anisotropie in dem zusammengesetzten Bild verringern.
5 zeigt einen Teil einer noch anderen Ausführungsform, bei dem das zusammengesetzte Bild Teilbild für Teilbild mit anschließenden Registrierungs- und Zusammensetzungsschritten akkumuliert wird. In der dargestellten Ausführungsform werden die Bilder A und B registriert und zu einem ersten zusammengesetzten Zwischenbild B' zusammengesetzt. Das Bild B' wird dann mit Bild C registriert und zusammengesetzt, um eine weiteres zusammengesetztes Zwischenbild C' zu ergeben. Das Bild C' wird dann mit einem weiteren Bild D registriert und zusammengesetzt, um das endgültige zusammengesetzte Bild zu ergeben.
6 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die Registrierungstransformationen, denen jedes Teilbild unterzogen wird, verfolgt und gespeichert und dafür verwendet werden, um das Teilbild vollständig zu entfernen, wenn das zusammengesetzte Bild mit einem aktuellen Teilbild aktualisiert wird. Oben in der Zeichnung wird die Transformation U, die erforderlich ist, um die Schätzwerte von Teilbild A mit denen von Teilbild B zu registrieren, berechnet und benutzt, um die Registrierung von Teilbild A mit Teilbild B vorzunehmen, wodurch ein zusammengesetztes Bild B + A^U aus zwei Teilbildern erzeugt wird. Als nächstes wird die Transformation V, die das zusammengesetzte Bild B + A^U mit Teilbild C registriert, berechnet und benutzt, um die Registrierung vorzunehmen, wodurch ein zusammengesetztes Bild C + B^V + A^UV aus drei Teilbildern erzeugt wird. Es ist zu beachten, dass das Teilbild A nun durch die Transformationen U und V bearbeitet wurde. In diesem Beispiel ist das gewünschte Resultat ein zusammengesetztes Bild aus drei Teilbildern, was bedeutet, dass wenn das nächste Teilbild D registriert und mit dem zusammengesetzten Bild kombiniert wird, das anfängliche Teilbild A aus der Kombination entfernt wird. Dies bedingt zwei Prozessschritte. In einem der Prozessschritte wird die Transformation W, die das zusammengesetzte Bild C + B^V + A^UV mit Teilbild D registriert, berechnet und benutzt, um die Registrierung des zusammengesetzten Bildes mit Teilbild D vorzunehmen. In dem anderen Prozessschritt wird die Transformation UVW, die die Transformationen darstellt, die das Teilbild A zuvor erfahren hat, auf das Teilbild A angewandt und vom zusammengesetzten Bild subtrahiert. Dadurch werden alle Spuren von Teilbild A aus der Kombination entfernt, weil die Transformationen die aktuellen Positionen von Teilbild-A-Daten nach all den Transformationen abgrenzen, denen die Teilbilddaten unterzogen wurden. Die Teilbild-A-Daten werden somit säuberlich aus dem zusammengesetzten Bild entfernt, so dass ein neues zusammengesetztes Bild in der Form D + C^W + B^VW bleibt. Im nächsten Schritt wird ein neues zusammengesetztes Bild aus drei Teilbildern, E + D^X + C^WX, erzeugt, das Daten aus den Teilbildern C, D und E enthält, nachdem die Teilbild-B-Daten mittels Durchführung der Transformation VWX entfernt wurden, die die durch vorangegangene Registrierungen des Teilbildes B erfahrenen Änderungen verfolgt. Es ist zu sehen, dass jede Subtraktion die ältesten Teilbilddaten säuberlich entfernt, indem man die vom ältesten Teilbild erfahrene, vollständige Transformation benutzt, und dass mit der Hinzufügung jedes neuen Teilbildes ein neues zusammengesetztes Bild für eine Anzeige erzeugt wird. Dieses Registrierungsverfahren kann vorteilhaft mit einem einzelnen Akkumulator für zusammengesetzte Bilder implementiert werden, wie in der US-amerikanischen Patentschrift 6.126.599 mit dem Titel „Ultrasonic diagnostic imaging system with real time spatial compounding processor" ausführlicher beschrieben.
Die obigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Durchführen einer Registrierung vor dem Zusammensetzen sind im Wesentlichen äquivalent, solange alle Teilbilder ein hohes Maß an Ähnlichkeit haben. In der Praxis weisen die Teilbilder jedoch nicht immer das gewünschte hohe Maß an Übereinstimmung auf, aufgrund „räumlicher Artefakte", die durch ungleichmäßige, anisotrope oder streuende Gewebeeigenschaften erzeugt werden, wie beispielsweise:

1. stark dämpfendes Gewebe (z.B. fötale Rippen, Gallensteine, bestimmte Arten von Tumoren usw.), das Bildartefakte verursachen kann, die man als „akustische Schatten" bezeichnet. Diese Schatten werden in eine Richtung geworfen, die vom Einfallswinkel des Ultraschallstrahlenbündels abhängt. Ein räumlich zusammengesetztes Bild, das aus Teilbildern mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf dasselbe Ziel besteht, enthält an verschiedenen Stellen akustische Schatten, wodurch sich die Korrelation zwischen den Teilbildern verringert. Die offensichtliche Dekorrelation infolge akustischer Schattenbildung kann nicht mit Hilfe von Bildregistrierungsverfahren korrigiert werden, weil eine Registrierung der Schatten zu einer Fehlregistrierung der realen Anatomie führen würde.
2. anisotrope Reflektoren wie Sehnen, Knochenoberflächen und die Wände von Blutgefäßen, die Ultraschall auf spiegelförmige Weise reflektieren und dadurch Artefakte verursachen, die man als „highlight echoes" bezeichnet. „Highlight echoes" verlagern ihre Position je nach Beschallungswinkel und erzeugen dadurch eine Dekorrelation und/oder offensichtliche Fehlregistrierung zwischen Teilbildern. Obwohl es grundsätzlich wünschenswert ist, räumlich unterschiedliche Ansichten derartiger spiegelnder Ziele zu erfassen, so dass sie stetiger im zusammengesetzten Bild erscheinen, kann die aus „Highlight-Artefakten" resultierende Dekorrelation und/oder Fehlregistrierung Bildregistrierungsverfahren beeinträchtigen und zu ungenauen Registrierungsergebnisse führen.
3. unaufgelöste Streuungen im Gewebe, die häufig ein dem Ultraschallbild überlagertes „Texturmuster" erzeugen. Obwohl ein Teil dieses Muster auf die zugrundeliegende regelmäßige oder halbregelmäßige Mikrostruktur zurückzuführen ist, ist es überwiegend eine unerwünschte, wahllose Sprenkelung des Bildes, die man als „Speckle" kennt. Wenn dasselbe Gewebe aus unabhängigen räumlichen Richtungen abgebildet wird, sind auch die wahllosen Speckle-Muster voneinander unabhängig und erzeugen von Teilbild zu Teilbild eine Dekorrelation, die zu ungenauen Registrierungsresultaten beitragen kann.

Beim Vorliegen dieser räumlichen Artefakte arbeiten die Verfahren zum Registrieren vor dem Zusammensetzen nicht alle äquivalent. Das in 3 gezeigte Referenzbildverfahren arbeitet unter Umständen nicht zuverlässig, wenn die Teilbilder aus im Wesentlichen unterschiedlichen Richtungen erfasst werden. Die aus Schattenbildung oder spiegelnden Reflektoren resultierenden Artefakte können eine genaue Registrierung vor dem Zusammensetzen verhindern. In diesem Fall arbeitet das in 4 gezeigte Pyramidenverfahren unter Umständen besser, indem räumlich benachbarte Teilbilder (mit höherer Korrelation) vor dem Zusammensetzen registriert werden, gefolgt von einer Registrierung der zusammengesetzten Zwischenbilder. Glücklicherweise neigt die räumliche Zusammensetzung dazu, die Qualität der zusammengesetzten Zwischenbilder zu verbessern, indem sowohl spiegelnde Reflektoren vollständiger ausgefüllt als auch Speckles reduziert werden. Dies verbessert möglicherweise die Registrierungsqualität der zusammengesetzten Zwischenbilder, bevor sie zu einem endgültigen registrierten, zusammengesetzten Bild kombiniert werden.
Eine weitere wichtige Quelle der Teilbild-zu-Teilbild-Dekorrelation ergibt sich aus einer Bewegung des Schallkopfes in der Richtung senkrecht zur Bildebene (Eleva tionsbewegungsdekorrelation). Wenn der klinische Bediener nach Anomalitäten (d.h. in einer „Übersichtbetriebsart") sucht, wird die Sonde üblicherweise ziemlich schnell in der Elevationsrichtung bewegt, um möglichst viel Gewebe möglichst schnell zu sichten. Die Elevationsbewegungsdekorrelation hat zur Folge, dass zeitlich sequentielle Teilbilder zunehmend weniger korrelieren, weil sich Strukturen aus der Abtastebene herausbewegen und ihre zugehörigen Bildmerkmale verschwinden. Auch hier arbeitet das in 3 gezeigte Referenzbildverfahren unter Umständen nicht zuverlässig, weil die Elevationsbewegungsdekorrelation über die gesamte Erfassungssequenz eine genaue Registrierung vor dem Zusammensetzen verhindern kann. Das in 4 gezeigte Pyramidenverfahren arbeitet unter Umständen besser, indem zeitlich aneinander angrenzende Teilbilder (mit höherer Korrelation) vor dem Zusammensetzen registriert werden, gefolgt von einer Registrierung der zusammengesetzten Zwischenbilder.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Aufspüren einer Fehlregistrierung, das in 8 gezeigt ist, besteht darin, eine kleine Anzahl von „Kalibrierungslinien" zu erfassen, die zwischen jedem Teilbild eingefügt werden. Die durch diese Kalibrierungslinien definierte interessierende Region wird vorzugsweise aus einer konstanten Blickrichtung betrachtet und zum Aufspüren von Fehlregistrierungen mittels SAD (Summe der absoluten Differenzen) oder anderer Algorithmen verwendet. Wie in 8 gezeigt werden die zwischen den Teilbildern erfassten Kalibrierungs- oder Referenzlinien benutzt, um den SAD-Wert zu berechnen oder anderweitig den Grad der Fehlregistrierung zu messen, die während der zur Erfassung eines Teilbildes erforderlichen Zeit aufgetreten ist. Die Kalibrierungslinien müssen keine regelmäßige Liniendichte oder einheitliche Winkeligkeit aufweisen, sondern können einen breiten Abstand haben und/oder über die Bildebene verstreut sein sowie unterschiedliche Winkel haben. Ein spärlich abgetastetes Teilbild wird vortrefflich funktionieren. Obwohl zusätzliche Linien die Gesamtbildrate verringern, muss die zeitliche Verschlechterung wegen der geringen Anzahl von Referenzlinien nicht sehr groß sein, und in jedem Fall kann ein adaptiver Ansatz dem Benutzer weiterhin das Gefühl einer zufriedenstellend hohen Bildrate geben.
Text in der Zeichnung
1

Digital Beamformer – Digitaler Strahlformer
Filter – Filter
Detect. – Detektor
Pre-processor – Präprozessor
Resampler – Wiederabtasteinheit
Combiner – Kombiniereinheit
Post-processor – Postprozessor
Transmitter – Sender
System controller – Systemsteuereinheit
Display – Anzeigevorrichtung
Video processor – Videoprozessor
Scan Conv. – Bildrasterwandler
Cineloop memory – Cineloop-Speicher

2

Frame memories – Teilbildspeicher
From detector – vom Detektor
Digital signal processors – digitale Signalprozessoren
Accum. Memory – Akkumulationsspeicher
Norm. – Normalisierungsschaltung
LUT – Verweistabelle
To scan converter – zum Bildrasterwandler
Depth – Tiefe
Acq. Rate – Erfassungsrate
X comp depth – Tiefe der Region der größten Zusammensetzung
Clin. Appl. – klinische Anwendung
Display rate – Anzeigebildrate
Mode of oper. – Betriebsart

3

Reference frame – Referenzbild
Warp frame B(C,D) to register with – Teilbild B(C,D) zum Registrieren mit Teilbild
frame A – A verzerren
Form compound image – zusammengesetztes Bild formen

4, 5, 7

Frame A/B/C/D – Teilbild A/B/C/D
Warp ... to register with ... – ... zum Registrieren mit ... verzerren
Form compound image – zusammengesetztes Bild formen

6

Compute transform ... Apply ... to ... to register it with ... – Berechne Transformation ... Wende ... auf ... an, um es mit ... zu registrieren
Compound image ... – zusammengesetztes Bild ...
Apply transform ... – Transformation ... anwenden
Frame ... – Teilbild ...

8

Reference lines – Referenzlinien
SAD – Summe der absoluten Differenzen

Claims

Verfahren zur Reduzierung der Bildschärfeverzerrung in räumlich zusammengesetzten Diagnostikbildern, das die folgenden Schritte umfasst: – Erfassen diagnostischer Ultraschall-Teilbilder (A, B, C, D, E, F) aus einer Vielzahl unterschiedlicher Blickrichtungen; – räumliches Registrieren der genannten Teilbilder vor dem Zusammensetzen durch Berechnen einer Metrik, die die Ähnlichkeit oder Unterschiedlichkeit zwischen Teilbildern darstellt, und Registrieren der genannten Teilbilder auf der Grundlage der genannten Metrik; und – räumliches Zusammensetzen der genannten registrierten Teilbilder, um ein räumlich zusammengesetztes Bild (U, V, U'V, B'A, C'B'A, D'C'B'A, B + A^U, C + B^V + A^UV, D + C^W + B^VW, E + D^X + C^WX, F + E^Y + D^XY) zu formen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin folgende Schritte umfasst: – Entfernen eines zuvor zusammengesetzten Teilbildes auf der Grundlage einer Registrierungsmetrik, die auf dem genannten zuvor zusammengesetzten Teilbild (A^UVW, B^VWX, C^WXY) basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte Schritt des räumlichen Registrierens weiterhin ein räumliches Registrieren eines Teilbildes mit einem zusammengesetzten Bild von registrierten Teilbildern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der genannte Schritt des räumlichen Zusammensetzens das Kombinieren eines Teilbildes mit einem zusammengesetzten Bild umfasst, mit dem das genannte Teilbild räumlich registriert wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannten Schritte des Registrierens und Zusammensetzens von Teilbildern in der zeitlichen Sequenz erfolgt, in der die Bilder erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte Schritt des räumlichen Registrierens das Registrieren von Teilbildern umfasst, die nicht zeitlich aneinander angrenzen.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt des Festlegens eines Teilbildes als Referenzbild (A), und – wobei der genannte Schritt des räumlichen Registrierens das Registrieren anderer Teilbilder (B, C, D) mit dem genannten Referenzbild (A) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte Schritt des räumlichen Registrierens Folgendes umfasst: – Registrieren und Kombinieren von Teilbildern, um ein zusammengesetztes Zwischenbild (U, V) zu formen, und – wobei der genannte Schritt des räumlichen Zusammensetzens das Kombinieren zusammengesetzter Zwischenbilder (U, V) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der genannte Schritt des räumlichen Zusammensetzens das Registrieren und Kombinieren zusammengesetzter Zwischenbilder (U', V) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der genannte Schritt des räumlichen Registrierens Folgendes umfasst: – Registrieren und Kombinieren von räumlich nicht aneinander angrenzenden Teilbildpaaren, um zusammengesetzte Zwischenbilder zu formen.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt des Erfassens periodischer Kalibrierungsbilddaten, – wobei die genannte Metrik auf der Grundlage der genannten Kalibrierungsbilddaten berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der genannte Schritt des räumlichen Registrierens das Registrieren von Teilbildern umfasst, die Blickrichtungen aufweisen, die nicht räumlich aneinander angrenzend sind.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin folgenden Schritt umfasst: – Erfassen von Referenzbilddaten auf einer zeitverschachtelten Basis mit den genannten Teilbildern, und – wobei der genannte Schritt des räumlichen Registrierens Teilbilder auf der Grundlage der genannten Referenzbilddaten räumlich registriert.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die genannten Referenzbilddaten Gruppen von Referenzlinien umfassen, die zwischen den Erfassungszeiten der Teilbilder erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die genannten Referenzlinien eine entsprechende räumliche Ausrichtung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin folgende Schritte umfasst: – Erfassen eines neuen Teilbildes, und – räumliches Registrieren des genannten neue Teilbildes und des genannten räumlich zusammengesetzten Bildes, und – räumliches Zusammensetzen des genannten neuen Teilbildes mit dem genannten räumlich zusammengesetzten Bild, und Entfernen eines Teilbildes, das zuvor in dem genannten räumlich zusammengesetzten Bild enthalten war.