DE69934649T2

DE69934649T2 - Verfahren für doppler-bildgebung bewegter gewebe und flüssigkeikn im körper und ultraschall-doppler-bild-gebungssystem zur ausführung des verfahrens

Info

Publication number: DE69934649T2
Application number: DE69934649T
Authority: DE
Inventors: L. Aline CRITON; T. Marshall ROBINSON; Thanasis Loupas; B. Roy PETERSON; R. Patrick PESQUE; F. Helen ROUTH
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: WO1999058061A1; EP0996364A1; NO992323D0; DE69934649D1; US6036643A; JPH11342130A; EP0996364B1; NO992323L

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur nichtinvasiven Bildgebung bewegter Gewebe und Flüssigkeiten in dem Körper, und insbesondere zur Ultraschall-Bildgebung von Blutströmung und bewegtem Gewebe durch die Doppler-Verarbeitung der Reaktion auf ausgesendete Ultraschallwellen. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem zur Ausführung des genannten Verfahrens.
Hintergrund der Erfindung
Wenn Ultraschallwellen in den Körper ausgesendet werden und diesen durchqueren, bewirkt ihre Interaktion mit dem Körper die Entwicklung von Nichtlinearitäten in den Signalen. Diese nichtlinearen Signalkomponenten, einschließlich Oberschwingungsfrequenzen der Sendegrundfrequenz, können von Gewebe- und Blutzellen auf die gleiche Weise reflektiert werden wie Grundfrequenzsignale, und die Reflexionen können erkannt und verwendet werden, um ein Ultraschallbild zu erzeugen.
Wie in der US-amerikanischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 943.546 und dem Titel „Ultrasonic Diagnostic Imaging of Response Frequency Differing From Transmit Frequency" erläutert, gibt es eine Anzahl von Eigenschaften der nichtlinearen Signalkomponenten, die vorteilhaft in der Bildgebung genutzt werden können. Hierzu gehören der reduzierte Nebenkeulenpegel des nichtlinearen oder Oberschwingungs-Strahlenbündels und die Tatsache, dass die nichtlinearen Signalkomponenten nicht ausgesendet werden, sondern während des Durchquerens des Körpers entstehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurden weitere Aspekte dieser nichtlinearen oder Oberschwingungs-Echosignale entdeckt, die in bestimmten klinischen Bildgebungsanwendungen zu äußerst wünschenswerten Ergebnissen führen können. Insbesondere wurde entdeckt, dass Oberschwingungs-Echosignale trotz der Tatsache, dass sie eigentlich Verzerrungen des gesendeten Signals sind, einer Doppler-Verarbeitung unterzogen werden können und Doppler-verschobene Signale ergeben, die die Frequenzverschiebung, Geschwindigkeit, Doppler-Leistung und Varianz darstellen.
Es gibt jedoch zwei diese Entdeckung scheinbar behindernde physikalische Gesetze, die die Oberschwingungssignale betreffen. Eines besagt, dass die Amplitude oder Intensität eines Oberschwingungssignals geringer ist als die des Grundfrequenzsignals, so dass Oberschwingungssignale einen geringeren Störabstand aufweisen als das Signal mit Grundfrequenz. Das andere besagt, dass Ultraschallwellen beim Durchqueren des Körpers einer tiefenabhängigen Frequenzabschwächung unterzogen werden. Da Signale mit Oberschwingungsfrequenz bei Vielfachen der Sendegrundfrequenz liegen, unterliegen sie diesen Prinzipien und neigen dazu, bei geringeren Amplituden aufzutreten und durch das Durchqueren des Körpers schneller abgeschwächt zu werden als niedrigere Grundfrequenzen.
Ein Problem besteht darin, dass dies die Fähigkeit zum Messen von Blutströmungseigenschaften bei größeren Tiefen im Körper durch die Doppler-Verwendung von Oberschwingungsfrequenzen zu begrenzen scheint.
In dem Dokument EP-A-0851 241 werden ein Gerät und Verfahren zur räumlichen Anzeige von Doppler-Signalen beschrieben, die aus Oberschwingungssignalen einer Grundfrequenz erlangt wurden.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bildgebungsverfahren und ein Bildgebungssystem vorzuschlagen, die geeignet sind, diese Begrenzungen zu vermeiden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein derartiges Verfahren in Anspruch 1 beansprucht.
In dem Verfahren gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung werden Doppler-verarbeitete Oberschwingungssignale vorteilhaft genutzt, um die Blutströmung in bestimmten Körperbereichen, zum Beispiel den Koronararterien, und Gewebebewegung im Körper, zum Beispiel die bewegten Wände des schlagenden Herzens, zu messen und anzuzeigen. Die Blutströmung in den linksventrikulären Koronararterien ist gut für die Oberschwingungsbildgebung geeignet, weil die Nähe dieser Koronararterien zu der Oberfläche des Körpers den Empfang von akzeptablen diagnostischen Doppler-Oberschwingungssignalen ermöglicht. Die stärkeren Oberschwingungsreflexionen vom Gewebe befinden sich auf einem anfänglichen Intensitätsniveau, das ihre Detektierbarkeit selbst nach längerem Durchqueren des Körpers im Vergleich zu den üblichen Doppler-Echos der Blutströmung verlängert. Die Doppler-Oberschwingungssignale mit höherem Niveau vom Gewebe erleichtern auch die Segmentierung des Herzwandgewebes von der Kammerblutströmung und ermöglichen damit eine genauere Visualisierung der Herzwand. Die Entwicklung der nichtlinearen Komponenten erst nach Durchqueren des Gewebes reduziert Clutter von den Rippen, das bei der transthorakalen Herzbildgebung problematisch ist. Clutter aufgrund von Änderungen der Schallgeschwindigkeit, wenn Grundfrequenzwellen Fettgewebe durchqueren, wird durch die Verwendung von Doppler-verarbeiteten Oberschwingungssignalen ebenfalls erheblich reduziert. Ein diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 7 beansprucht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 in Form eines Blockschaltbildes ein diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde;
2 die Frequenzbänder von Gewebe- und Blutströmungs-Doppler-Signalen;
3 die relativen Amplituden von Gewebe- und Blutströmungs-Doppler-Signalen; und
4 die multivariate Segmentierung von Doppler-Oberschwingungssignalen von Gewebe und Blutströmung.
Beschreibung der Ausführungsformen
Bezug nehmend auf 1 ist ein gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiertes diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Eine Sonde oder ein Schallkopf 10 enthält ein Wandler-Array 12, das Ultraschallwellen in einem Frequenzbereich, der eine Grundfrequenz f_tr enthält, in den Körper aussendet und von Blutzellen und Gewebe in dem Körper zurückgeworfene Echos empfängt.
Die Sendefrequenz f_tr und die Zeitsteuerung der Ultraschallwellen-Aussendung unterliegen der Steuerung einer Sendefrequenz-Steuereinheit 14. Die gesendeten Wellenformen und empfangenen Echosignale werden durch einen Sende/Empfangsschalter 16 zum und vom Wandler-Array geleitet. Der Sende/Empfangsschalter 16 leitet empfangene Echosignale an einen Analog-Digital-Umsetzer (A/D-Umsetzer) 18 weiter, der die empfangenen Echosignale in digitale Signalabtastwerte umsetzt, indem er die empfangenen Signale mit einer Abtastfrequenz f_s abtastet, die für die Bandbreite der empfangenen Signale geeignet ist. Die digitalen Signale werden an einen Strahlformer 20 weitergeleitet, um kohärente digitale Echosignale zu formen. Der Betrieb der Sendefrequenz-Steuereinheit, des Sende/Empfangsschalters, des A/D-Umsetzers und des Strahlformers wird durch eine Strahlformer-Steuereinheit 22 koordiniert.
Die kohärenten Echosignale werden mit Hilfe eines Addierer 32 an eine Normalisierungsschaltung 34 weitergeleitet. Ebenfalls mit dem Addierer 32 verbunden ist ein Linienpuffer 30. Der Linienpuffer und der Addierer werden benutzt, um die Oberschwingungssignalkomponenten der empfangenen Echosignale mit Hilfe des Impulsinvertierungsverfahrens zu trennen, wie im Folgenden ausführlicher erläutert wird. Die Normalisierungsschaltung nutzt einen digitalen Multiplizierer, um die Verstärkung der empfangenen Signale durch eine Folge von Koeffizienten zu variieren, um eine dynamisch variierende Wandlerapertur zu kompensieren, wenn Echos aus zunehmender Tiefe empfangen werden. Das Ausgangssignal der Normalisierungsschaltung 34 wird an den Eingang eines Quadratur-Bandpassfilters (QBP) 36 weitergeleitet. Der Quadratur-Bandpassfilter liefert drei Funktionen: Bandbegrenzung der HF-Echodaten, Erzeugen von In-Phase- und Quadratur-Paaren von Abtastliniendaten, und digitales Demodulieren von Echosignalen zu Zwichen- oder Basisbandfrequenzen. Der QBP umfasst zwei separate Filter, einen zum Erzeugen von In-Phase-Abtastwerten (I) und den anderen zum Erzeugen von Quadratur-Abtastwerten (Q), wobei jeder Filter durch eine Vielzahl von Multiplizierer-Akkumulatoren (MACs) gebildet wird, die einen FIR- oder IIR-Filter implementieren. Die Eigenschaften der Normalisierungsschaltung und des QBP werden durch Koeffizienten bestimmt, die von einem Koeffizientenspeicher 38 bereitgestellt werden.
Die Oberschwingungs-Echosignale werden einem B-Mode-Prozessor 40 und einem Doppler-Prozessor 50 zugeführt. Im B-Mode-Prozessor 40 werden die Oberschwingungs-Echosignale durch einen Quadratgesetz-Detektor 42 der Form
detektiert. Die detektierten Grauskala-Signale werden dann bei 44 einer Grauskala-Verarbeitung wie einer logarithmischen Kompression oder anderen Justierungen des Dynamikbereichs und des Rauschpegels unterzogen. Die Grauskala-Signale werden durch eine Grauskala-Abbildungsschaltung 46 auf den gewünschten Anzeigebereich und das gewünschte Bid format abgebildet.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden die Oberschwingungs-Echosignale (nichtlinear) einer Doppler-Verarbeitung unterzogen, um Doppler-Verschiebungseigenschaften wie Frequenz (Geschwindigkeit), Doppler-Leistung (Intensität), Beschleunigung oder Varianz zu erhalten. Der Doppler-Prozessor 50 wird eine Gruppe von zwei oder mehr empfangenen Oberschwingungs-Echosignalen von dem gleichen räumlichen Ort verarbeiten und die Doppler-Phasen- oder Frequenzverschiebung bestimmen. Der Doppler-Prozessor kann die Doppler-Verschiebung durch eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder eine Autokorrelations-Schätzeinheit 54 schätzen. Die Schätzeinheit 54 kann auch einen Bewegtzielindikator umfassen, wie in der US-amerikanischen Patentschrift 5.718.229 beschrieben. Vorzugsweise setzt die Doppler-Schätzeinheit eine zweidimensionale Autokorrelation ein, die eine Autokorrelation sowohl in der Zeit als auch im Raum durchführt, wie in der US-amerikanischen Patentschrift 5.386.830 beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass die zweidimensionale Autokorrelation präzise und hochaufgelöste Schätzwerte für die Doppler-Verschiebung ergibt. Die Doppler-Schätzeinheit arbeitet mit einer Oberschwingungs-Referenzfrequenz im Bereich von 2 f_tr in der Doppler-Gleichung. Das bedeutet, es wird eine Doppler-Gleichung in der Form
verwendet, wobei f₀ = 2 f_tr
Die Oberschwingungs-Echosignale werden über zwei Wege, einen Bus 9 oder mittels eines Wandfilters 52, an die Doppler-Schätzeinheit 54 weitergeleitet. Der Wandfilter entfernt niederfrequente Gewebesignalkomponenten aus den breitbandigen Oberschwingungs-Echosignalen, wenn der Benutzer nur Blutströmungs-Informationen verarbeiten und anzeigen möchte. Wenn der Benutzer bewegtes Gewebe oder sowohl bewegtes Gewebe als auch Blutströmung darstellen möchte, wird der Wandfilter umgangen und die Doppler-Schätzung erfolgt unter Verwendung der ungefilterter Oberschwingungssignale auf dem Bus 90.
Die Funktion des Wandfilters 52 wird durch die Durchlassbereiche aus 2 dargestellt, die gemäß dem Geschwindigkeits-/Frequenzmaßstab der Doppler-Schätzeinheit 54 gezeichnet sind. Der rechte Durchlassbereich 104 ist ein Hochfrequenz-Durchlassbereich über einer Grenzfrequenz oder Geschwindigkeit (f_c/v_c) von 50 Hz bis 500 Hz, über der die Doppler-Frequenzen im Allgemeinen den Blutströmungsgeschwindigkeiten entsprechen. Bei der Oberschwingungs-Farbströmungs-Bildgebung wird der Wandfilter verwendet, um Signale unterhalb dieses Blutströmungs-Signaldurchlassbereichs 104 zu eliminieren, die bei der Farbströmungs-Bildgebung der Blutströmung als Clutter betrachtet würden. Bei der Doppler-Oberschwingungs-Bildgebung von Gewebe wird der Wandfilter 52 umgangen, um alle empfangenen Signale, diejenigen, die vom Gewebe stammen ebenso wie diejenigen, die von Blutzellen stammen, einer Doppler-Verarbeitung zu unterziehen. Die von dem Gewebe zurückgesendeten Echos würden im Allgemeinen im niederfrequenten Durchlassbereich 102 unterhalb der Grenzfrequenz von 50–500 Hz liegen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird nach der Doppler-Schätzeinheit 54 ein Segmentierungsprozessor 56 eingesetzt, wenn nur Oberschwingungs-Gewebebewegungsinformationen oder Oberschwingungs-Blutströmungsinformationen segmentiert werden sollen. Der Segmentierungsprozessor funktioniert nach dem Prinzip, dass Gewebebewegung im Allgemeinen bei niedrigeren Frequenzen/Geschwindigkeiten stattfindet als die Blutströmung, wie in 2 dargestellt, und dass die Intensität der vom Gewebe zurückgesendeten Doppler-Signale 112, 114 im Allgemeinen von größer ist oder eine größere Amplitude aufweist als die Doppler-Signale 116, 118, 120, die von der Blutströmung zurückgesendet werden, wie in 3 dargestellt. Diese Prinzipien werden genutzt, um das Verhalten des Segmentierungsprozessors 56 zu formen, das wie in 4 dargestellt erscheinen kann. Diese Zeichnung zeigt zwei Grenzlinien 132 und 134 im Doppler-Signalamplituden- und Geschwindigkeits-/Frequenzbereich. Unterhalb der Grenzlinie 134 befinden sich Signale mit niedriger Amplitude, die im Allgemeinen als Rauschen betrachtet werden und nicht angezeigt werden. Über der oberen Grenze 132 befinden sich Doppler-Signale mit hoher Amplitude und niedriger Frequenz, die im Allgemeinen als Gewebesignale betrachtet werden. Zwischen den beiden Grenzen befinden sich Doppler-Signale mit niedrigerem Pegel und hoher Frequenz, die im Allgemeinen als Blutströmungs-Signale betrachtet werden. Wenn zum Beispiel nur ein Bild der Gewebebewegung angezeigt werden soll, werden nur Signale über der oberen Grenze 132 in dem Bild verwendet. Wenn ein Farbströmungsbild der Blutströmung gewünscht wird, werden nur Signale zwischen den Grenzen 132 und 134 verwendet. Der Segmentierungsprozessor 56 trennt also Blutströmungs- und Gewebesignale voneinander und vom Rauschen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Grenzen 132 und 134 keine festen, statischen Schwellenwerte, sondern sie werden adaptiv durch andere datenabhängige Kriterien zusätzlich zu Doppler-Frequenz und Signalamplitude bestimmt, zum Beispiel die Anwesenheit oder Abwesenheit von Grauskala-Information an dem gleichen oder dem be nachbarten Bildort (Pixel), der gerade verarbeitet wird. Auf diese Weise wird „fuzzy logic" verwendet, um den Charakter der Signale zu bestimmen, die in der Nähe der Grenzen liegen.
Die segmentierten Oberschwingungs-Blutströmungs- oder Gewebesignale oder die volle Bandbreite von sowohl Gewebe- als auch Blutströmungs-Oberschwingungssignalen werden durch eine Farbkarte 58, die bei Bedarf eine Bildrasterwandlung in das gewünschte Bildformat umfassen kann, auf eine Reihe von Farbwerten abgebildet. Die Farbkarte der Doppler-Oberschwingungssignale kann dann durch einen Videoprozessor 70 der Grauskalakarte überlagert werden. Alternativ können die Signale der Farbkarte Pixel für Pixel mit den werden der Grauskalakarte gemischt werden. Ein Farbpixel kann zum Beispiel durch die Helligkeit des entsprechenden Grauskalapixels aufgehellt werden oder das Grauskalapixel kann in Übereinstimmung mit der Schattierung des Farbpixels leicht eingefärbt werden, indem beide vermischt werden.
Die Farbkarte des bewegten Gewebes oder der Blutströmung kann auch alleine angezeigt werden, wenn dies gewünscht wird. Eine weitere Alternative besteht darin, eine Sequenz von Grauskala- oder Farbkarten oder beiden dreidimensional durch einen 3D-Prozessor 60 zu verarbeiten. Mit Hilfe der in den US-amerikanischen Patentschriften 5.474.073 und 5.485.842 beschriebenen Verfahren kann eine 3D-Wiedergabe der Oberschwingungs-Blutströmung alleine durchgeführt werden, oder es kann mit Hilfe der Verfahren aus den US-amerikanischen Patentschriften 5.669.385 und 5.720.291 ein kombiniertes 3D-Bild von sowohl Oberschwingungs-Farbe als auch Grauskala gebildet werden.
Es ist auch möglich, eine Oberschwingungs-Farbkarte entweder einem Oberschwingungs- oder einem Grundfrequenz-Grauskalenbild zu überlagern oder sie hiermit zu mischen. Empfangene Echos in entweder dem Grundfrequenzband oder dem Oberschwingungsfrequenzband können dem Grauskala-Prozessor zur Verarbeitung und Anzeige mit den Oberschwingungs-Gewebe- oder Farbströmungs-Informationen vorgelegt werden. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, Grauskala-Sendeimpulse mit Doppler-Sendeimpulsen zu verschachteln, wobei die Grauskala-Echos in dem gewünschten Frequenzband empfangen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Grundfrequenzband und das Oberschwingungsfrequenzband durch Impulsinvertierung oder parallele oder Zeitmultiplex-Filterung zu trennen und dann die Grundfrequenzbandsignale an den Grauskala-Prozessor 40 zu leiten und die Oberschwingungssignale an den Doppler-Prozessor 50.
Eine weitere Form der Verarbeitung und Anzeige ist eine Oberschwingungs-Farb-M-Mode-Anzeige. Bei diesem Verfahren werden Gruppen von Doppler-Oberschwingungssignalen wiederholt von dem gleichen räumlichen Linienort erfasst, einer Doppler-Verarbeitung unterzogen und als eine Funktion der Zeit angezeigt. Der Benutzer kann Änderungen in der Bewegung von Blutströmung oder Gewebe über die Zeit an dem angezeigten Linienort erkennen. Dies kann auch in drei Dimensionen erfolgen, indem Einzelbilder von Doppler-Oberschwingungsinformationen an dem gleichen räumlichen Ort erfasst und die Einzelbilder dreidimensional mit dem 3D-Prozessor 60 angezeigt werden.
Wie oben erwähnt, gibt es zwei bevorzugte Verfahren zum Trennen der Grundfrequenz- und Oberschwingungssignale und Frequenzbänder. Eines ist das Impulsinvertierungsverfahren, bei dem zwei Linien an dem gleichen räumlichen Ort erfasst und unterschieden werden, wie in der US-amerikanischen Patentschrift 5.706.819 beschrieben. Die beiden Linien werden von Sendesignalformen erfasst, die entgegengesetzte Phasen haben. Die erste Linie wird in dem Linienpuffer 30 gespeichert und dann auf einer räumlichen Basis zu der zweiten Linie addiert, wenn die zweite Linie am Addierer 32 empfangen wird. Da die beiden empfangenen Signale von Sendesignalen mit entgegengesetzter Phase stammen, werden die Grundfrequenzkomponenten von entgegengesetzter Phase sein und sich ausheben. Die Oberschwingungskomponenten höherer Ordnung, quadratische Funktionen, werden nicht aufgehoben, sondern konstruktiv kombiniert. Die Grundfrequenzsignale werden somit eliminiert und die Oberschwingungssignale verstärkt, so dass die Oberschwingungssignalkomponenten für die nachfolgende Oberschwingungssignalverarbeitung verbleiben.
Wenn zwei Signallinien subtrahiert statt addiert werden, werden natürlich die Grundfrequenzkomponenten verstärkt und die Oberschwingungskomponenten aufgehoben, so dass die Grundfrequenzsignale ohne Oberschwingungskomponenten zur nachfolgenden Verarbeitung übrig bleiben.
Die zweite Möglichkeit zum Trennen des Grundfrequenzbandes und des Oberschwingungsfrequenzbandes ist die digitale Filterung. Die bevorzugte Vorgehensweise für die Ausführungsform aus 1 besteht darin, den Linienpuffer 30 zu umgehen, so dass der gesamte empfangene Durchlassbereich der Signale dem QBP 36 vorgelegt wird. Die Koeffizienten des QBP 36 werden so gewählt, dass der QBP als ein FIR- oder IIR-Filter funktioniert, der den Oberschwingungs-Durchlassbereich definiert. Der QBP wird im Wesentlichen das Grundfrequenzband herausfiltern und die Oberschwingungssignalkom ponenten zur nachfolgenden Verarbeitung und Anzeige des Oberschwingungssignals übrig lassen.
Die durch den Videoprozessor erzeugten Signale werden auf der Bildanzeige 80 angezeigt.
Es hat sich gezeigt, dass sich die Doppler-Oberschwingungs-Bildgebung gut für eine Reihe von Diagnoseanwendungen eignet. Wenn ein Echokardiologe versucht, das sich bewegende Endokard zu erkennen, würde der Nachhall von den Rippen und Echorücksendungen von der Blutströmung innerhalb der Herzkammer als Clutter zu sehen sein. Wird durch Doppler-Verarbeitung und Segmentierung der Gewebesignale ein Bild nur anhand der Oberschwingungssignale vom bewegten Gewebe gebildet, wird der Echokardiologe besser in der Lage sein, die zarte Gewebeauskleidung des schlagenden Herzens zu visualisieren. Dank der Tatsache, dass der Doppler-Prozessor Oberschwingungssignale verarbeitet, werden außerdem Clutter oder Trübungen von Rippenechos, die bei Grundfrequenz-Herzbildern häufig anzutreffen ist, im Wesentlichen eliminiert. Rippenechos treten im Nahfeld auf und haben sehr geringe nichtlineare oder Oberschwingungsartefakte. Dies ist weitgehend auf die Tatsache zurückzuführen, dass nichtlineare Signalkomponenten erst jenseits des Nahfelds aufzutreten beginnen. Auf ähnliche Weise wird Clutter, das auf unterschiedliche Geschwindigkeiten der Schallfortpflanzung durch Fettgewebe unterhalb der Haut zurückzuführen ist, durch die Doppler-Verarbeitung der Oberschwingungen weitgehend eliminiert. Die Oberschwingungssignale des Gewebes liegen bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausreichend über üblichen Rauschpegeln, selbst wenn man die tiefenabhängige Abschwächung berücksichtigt, so dass tiefe Strukturen wie die Herzwand in der Mitte des Brustkorb-Hohlraums leicht einer Doppler-Verarbeitung unterzogen und dargestellt werden können, was bei vielen Blutströmungssignalen eventuell nicht der Fall ist. Der höhere Pegel der Oberschwingungssignale des Gewebes stellt ein praktisches Mittel zur Segmentierung der Oberschwingungssignale des Gewebes von den Oberschwingungssignalen der Blutströmung und anderem Rauschen mit niedrigem Pegel dar.
Die einer Doppler-Verarbeitung unterzogenen Oberschwingungssignale weisen aufgrund der beteiligten höheren Frequenzen eine größere Auflösung auf als ihre Grundfrequenz-Entsprechungen. Das bedeutet, dass eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem gleichen System, das mit Grundfrequenz arbeitet, bei gleicher Impulswiederholfrequenz (PRF) eine bessere Doppler-Auflösung aufweist. Wenn die Impulswiederholfrequenz konstant bleibt, hat dies die Auswirkung auf den Bereich der Doppler-Erkennung, dass das obere Ende des Geschwindigkeitsbereichs halbiert wird; ein Grundfrequenz-Doppler-Bereich mit einer maximalen Geschwindigkeit von 20 cm/s würde bei Oberschwingungs-Doppler-Betrieb zu einem Bereich mit einem Spitzenwert bei 10 cm/s werden. Dadurch eignet sich das System gut für die Doppler-Oberschwingungs-Bildgebung von Gewebe, wo die Geschwindigkeiten erwartungsgemäß niedriger sind als bei Blutströmungsanwendungen.
Die Prinzipien der vorliegenden Anmeldung können auch auf Spektral-Doppler angewendet werden. Gruppen von Doppler-Oberschwingungssignalen können wiederholt von dem gleichen Volumen erfasst und einer Doppler-Verarbeitung unterzogen werden, um Spektrallinien zu entwickeln, die das momentane Spektrum der Geschwindigkeit am Ort des Abtastvolumens darstellen. Die Spektrallinien werden ein einer überstreichenden oder scrollenden Anzeige mit der Zeit angezeigt, wodurch Informationen über die Veränderung der Blutströmungsgeschwindigkeiten bei sich ändernden Auswirkungen des Herzschlagzyklus bereitgestellt werden.
Es ist zu beachten, dass die Funktionen des erfindungsgemäßen Bildgebungsverfahrens bei einem Ultraschall-Untersuchungsgerät durch einen geeignet programmierten Computer oder durch einen oder mehrere Spezialprozessoren mit Schaltungsmitteln ausgeführt werden können, die dafür eingerichtet sind, die genannten Funktionen auszuführen.
Text in der Zeichnung
1

T/R Sw. – Sende/Empfangsschalter
A/D – Analog-Digital-Umsetzer
Beamformer – Strahlerformer
L.Buf. – Linienpuffer
Norm. – Normalisierungsschaltung
QBP – Quadratur-Bandpassfilter
Coeff. Mem. – Koeffizientenspeicher
Transmit freq. Control. – Sendefrequenz-Steuereinheit
B.F. controller – Strahlformer-Steuereinheit
Video processor – Videoprozessor
G.S. map – Grauskala-Abbildungsschaltung
Grayscale processing – Grauskala-Verarbeitung
detect – Detektor
color map – Farbkarte
segmentation processor – Segmentierungsprozessor
Doppler est. – Doppler-Schätzeinheit
Wall filter – Wandfilter
Display – Anzeige

Claims

Verfahren zur Bildgebung von bewegtem Gewebe und Blutströmung innerhalb des Körpers, das die folgenden Schritte umfasst: – Aussenden eines Ultraschallsignalfrequenzbandes in den Körper, das eine Grundfrequenz umfasst; – Empfangen eines Ultraschallsignalfrequenzbandes, das in Reaktion auf das genannte ausgesendete Ultraschallfrequenzband zurückgesendet wurde und eine Oberschwingung der genannten Grundfrequenz enthält, welche sich entwickelt hat, als die genannten ausgesendeten Signalfrequenzen den Körper durchquerten; – Trennen eines empfangenen Oberschwingungssignals, das der Oberschwingungsfrequenz entspricht, von einem empfangenen Grundfrequenzsignal, welches der Grundfrequenz entspricht; – Doppler-Verarbeiten des genannten empfangenen Oberschwingungssignals; – Anzeigen der genannten Doppler-verarbeiteten Oberschwingungssignale auf räumlicher Basis; dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Verfahren weiterhin einen Schritt des Segmentierens des empfangenen Oberschwingungssignals in ein empfangenes Oberschwingungssignal, das von der Blutströmung stammt, und ein empfangenes Oberschwingungssignal, das von bewegtem Gewebe stammt, umfasst, wobei die von bewegtem Gewebe stammenden empfangenen Oberschwingungssignale niedrigere Frequenzen und höhere Amplituden aufweisen als die von Blutströmung stammenden empfangenen Oberschwingungssignale.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Trennens auf einer digitalen Filterung basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Trennens auf einem Impulsinvertierungsverfahren basiert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Trennens Folgendes umfasst: – Speichern einer ersten Linie des empfangenen Signals, die einem bestimmten Ort entspricht; – Addieren der genannten ersten Linie zu einer zweiten Linie des empfangenen Signals, die dem genannten bestimmten Ort entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin die folgenden Schritte umfasst: – Grauskala-Verarbeiten der durch die genannte Sonde empfangenen Signale, um Grauskala-Signale zu erzeugen; – Erzeugen eines Bildes, das Grauskala-Signale mit Doppler-verarbeiteten Oberschwingungssignalen kombiniert; und – Anzeigen des genannten Bildes.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die genannten Grauskala-Signale Grauskala-Oberschwingungssignale oder Grauskala-Grundfrequenzsignale sind.
Diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem zur Darstellung von bewegtem Gewebe und Blutströmung innerhalb des Körpers, das Folgendes umfasst: – Mittel (14, 16, 18, 20, 22) zum Aussenden eines Ultraschallsignalfrequenzbandes in den Körper, das eine Grundfrequenz umfasst, und zum Empfangen eines Ultraschallsignalfrequenzbandes, das in Reaktion auf das genannte ausgesendete Ultraschallsignalfrequenzband zurückgesendet wird und eine Oberschwingung der gerannten Grundfrequenz enthält, welche sich entwickelt hat, als die genannten ausgesendeten Signalfrequenzen den Körper durchquerten; – eine Schaltung zum Trennen eines empfangenen Oberschwingungssignals, das der Oberschwingungsfrequenz entspricht, von einem empfangenen Grundfrequenzsignal, welches der Grundfrequenz entspricht; – einen Doppler-Prozessor (50) zum Verarbeiten der genannten empfangenen Oberschwingungssignale; – eine Anzeige zum Anzeigen der genannten Doppler-verarbeiteten Oberschwingungssignale auf räumlicher Basis; dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Doppler-Prozessor weiterhin eine Segmentierungsschaltung (52, 56) umfasst, um das empfangene Oberschwingungssignal in ein empfangenes Oberschwingungssignal, das von der Blutströmung stammt, und ein empfangenes Oberschwingungssignal, das von bewegtem Gewebe stammt, aufzuteilen, wobei die von bewegtem Gewebe stammenden empfangenen Oberschwingungssignale niedrigere Frequenzen und höhere Amplituden aufweisen als die von Blutströmung stammenden empfangenen Oberschwingungssignale.
Diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 7, wobei die genannte Segmentierungsschaltung (56) dafür eingerichtet ist, Fuzzy Logic zum Unterscheiden zwischen Oberschwingungssignalen von Gewebe und Oberschwingungssignalen von der Blutströmung zu nutzen.
Diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 7, wobei die Trennschaltung einen digitalen Filter (36) umfasst.
Diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 7, wobei die Trennschaltung eine Impulsinvertierungsschaltung umfasst, um zwei Linien an dem gleichen räumlichen Ort zu erfassen und zwischen ihnen zu unterscheiden.
Diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 10, wobei die Impulsinvertierungsschaltung Folgendes umfasst: – einen Puffer (30), um in Reaktion auf einen ersten Ultraschallimpuls eine erste Linie des empfangenen Signals zu speichern, die einem bestimmten Ort entspricht; – einen Addierer (32), um in Reaktion auf einen zweiten Ultraschallimpuls von anderer Polarität als der genannte erste Ultraschallimpuls die genannte erste Linie zu einer zweiten Linie des empfangenen Signals zu addieren, die dem genannten bestimmten Ort entspricht.
Diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 7, das weiterhin eine Normalisierungsschaltung (34) zum Variieren einer Verstärkung des empfangenen Signals umfasst.
Diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 7, das weiterhin Folgendes umfasst: – einen Grauskala-Prozessor (40) zum Verarbeiten der durch die genannte Sonde empfangenen Signale, um Grauskala-Signale zu erzeugen; und – eine Kombinierschaltung zum Erzeugen eines Bildes, das Grauskala-Signale und Doppler-verarbeitete Oberschwingungssignale kombiniert.
Diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 13, wobei die genannten Grauskala-Signale Grauskala-Oberschwingungssignale oder Grauskala-Grundfrequenzsignale sind.
Diagnostisches Ultraschall-Bildgebungssystem nach Anspruch 7, das weiterhin eine Sonde (10) umfasst, die mit den Mitteln (14, 16, 18, 20, 22) zum Aussenden eines Ultraschallsignalfrequenzbandes in den Körper gekoppelt ist.