DE69936036T2

DE69936036T2 - Verfahren und Gerät zur automatischen Kompensierung von Zeit-Verstärkung und/oder Seitenintensität-Verstärkung bei der B-Mode Ultraschallbildgebung

Info

Publication number: DE69936036T2
Application number: DE69936036T
Authority: DE
Inventors: Larry Y.L. Waukesha Mo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2019-12-01
Also published as: JP4405017B2; US6102859A; JP2000197637A; EP1005833A1; DE69936036D1; EP1005833B1

Description

Diese Erfindung betrifft im Wesentlichen B-Mode-Ultraschallbildgebung von biologischen Geweben. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren zur Feinabstimmung eines B-Mode-Ultraschallbildes durch Anpassen der Verstärkungseinstellung als eine Funktion der axialen und/oder lateralen Position.
In der B-Mode-Ultraschallbildgebung werden zwei-dimensionale Bilder von Gewebe erzeugt, in welchen die Helligkeit eines Pixels auf der Intensität des Rücklaufechos basiert. Während der herkömmlichen zwei-dimensionalen Bildgebung erzeugen Verstärkungseinstellungen Änderungen am gesamten Bild. Die Verstärkung wird typischerweise nach einer Strahlformung und vor einer Signalverstärkung, d.h., vor der Hüllkurvendetektion angepasst. Die als "Zeitverstärkungskompensation" (TGC – time gain compensation) bekannte Verstärkungseinstellung in der axialen Richtung, wird ausgeführt, indem die Verstärkung als eine Funktion der Tiefe vergrößert oder verringert wird. Zusätzlich kann eine "Lateralverstärkungskompensation" (LGC – lateral gain compensation) dazu genutzt werden, die Verstärkungseinstellung als eine Funktion einer seitlichen Position anzupassen.
Der TGC-Block an dem Ausgang des Strahlformers ist im Wesentlichen eine tiefenabhängige Verstärkungssteuerung, die dafür ausgelegt ist, das empfangene Signal zu kompensieren, um die durch Gewebe bei zunehmenden Tiefen verursachte Abschwächung zu korrigieren. Sie wird oft auf der Basis eines nominalen Gewebeabschwächungsfaktors (z.B. 0,5 dB/cm-MHz) und von Strahlbeugungsverlusten als eine Funktion der Tiefe fest gelegt. Die Aufgabe besteht darin, eine gleichmäßige Gewebebildhelligkeit von dem Nahfeld bis zu dem Fernfeld zu erzeugen. In der Praxis können die Gewebeabschwächungseigenschaften von dem angenommenen konstanten Faktor (oder einer Anwendungs-abhängigen internen TGC-Kurve) abweichen und können insbesondere signifikant mit der Tiefe variieren, wenn makroskopische Strukturen und Reflektoren vorhanden sind. Insbesondere ist es, wenn Fernfeldregionen sehr verrauscht sind, erwünscht, deren Pixelintensitäten für eine beste Gesamtbilddarstellung zu unterdrücken. Aus diesen Gründen ist eine manuelle TGC-Einstellung üblicherweise mittels einer Reihe von "Schiebereglern" (Potentiometern) oder Drehknöpfen auf der Frontplatte für unterschiedliche Tiefenzonen vorgesehen. Die extern eingestellte TGC für unterschiedliche Tiefenzonen wird üblicherweise graphisch als eine TGC-Kurve in der Monitordarstellung angezeigt. Die TGC-Graphik wird beispielsweise mittels eines Graphikprozessors als eine Überlagerung auf der Bilddarstellung erzeugt.
Auf dem Sektor der Herz-Bildgebung erzeugen die Herz-Gewebe/Grenzen, die parallel zu dem Ultraschallstrahl verlaufen, oft keine starren Echos. Daher hat es sich zusätzlich zur TGC-, LGC-Anpassung als nützlich erwiesen, Herzgrenzen innerhalb ausgewählter Bildsektoren zu verstärken, während die Kammern dunkel belassen werden. Die LGC ermöglicht dem Benutzer die Verstärkung in der lateralen Ebene zu steuern, indem die Verstärkungseinstellung als eine Funktion der lateralen Position angepasst wird. Beispielsweise wird die Verstärkung in kleinen vom Benutzer gewählten Sektoren quer zu dem Bild gesteuert. Die LGC kann an demselben Punkt wie eine TGC in dem B-Mode Verarbeitungspfad implementiert werden. Eine der TGC-Kurve ähnliche graphische Darstellung der LGC-Kurve wird ebenfalls oft auf dem Videomonitor dargestellt.
Ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus US 5 477 858 bekannt.
Obwohl Scanner nach dem Stand der Technik dem Benutzer einen Host mit einstellbaren Bildgebungsparametern bieten, welche die Sendefrequenz, die akustische Ausgangsleistung, externe TGC- und LGC-Regler, den Frame-Mittelungswert, Dynamikbereich, Kantenverstärkungsfilter und Videograuzuordnung beinhalten, wovon alle signifikant die Empfindlichkeit, Gleichmäßigkeit und Merkmalsverbesserungen eines Bildes beeinflussen, hat der die Ultraschalluntersuchung Ausführende üblicherweise nicht die Zeit (oder das Training), um alle verfügbaren Regler vollständig zu optimieren. Um die leichte Nutzung und den Wirkungsgrad der Ultraschalluntersuchung zu verbessern, besteht ein Bedarf einen Teil der grundlegenden Bildgebungsparameterauswahl auf der Basis tatsächlicher Bilddaten zu automatisieren.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Automatisierung der externen TGC- und/oder LGC-Einstellungen auf der Basis von B-Mode Bilddaten. Die automatischen Verstärkungseinstellungen zielen auf die Angleichung der mittleren Signalintensitäten entlang der axialen (für TGC) und/oder lateralen (für LGC) Richtung des Bildes und auf die Unterdrückung jedes Seitenbands (für TGC) und/oder Sektor (für LGC), die hauptsächlich Rauschen enthalten. Dieses Merkmal der automatischen Verstärkungseinstellung reduziert die Zeit für die TGC- oder LGC-Einstellung. Einige zusätzliche manuelle Einstellungen (über die externen TGC/LGC-Regler) können durchgeführt werden, um Kanten weiter hervorzuheben, oder um die Verstärkungseinstellungen fein abzustimmen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird das automatische TGC/LGC-Anpassungsverfahren in Software auf einem digitalen Scanner implementiert. In der Praxis sind viele Varianten in der Grundsystemarchitektur möglich. In der bevorzugten Ausführungsform werden die TGC/LGC-Funktionen zwischen dem Strahlformer und dem B-Mode Prozessor implementiert. In anderen Systemkonfigurationen können die TGC/LGC-Funktionen in dem analogen Eingangsende vor dem Strahlformer oder nach der B-Mode Detektion implementiert werden. In einigen herkömmlichen Systemen werden die akustischen oder R-θ Daten (vor der Scanumwandlung) im Kine-Speicher gespeichert. Der automatische TGC/LGC-Algorithmus der vorliegenden Erfindung kann alle derartigen Standardaufbauvarianten unterstützen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet das automatische TGC/LGC-Anpassungsverfahren ein Rauschmodell der gesamten B-Mode Verarbeitungskette von dem Strahlformer über den B-Mode Prozessor bis zu dem abschließenden Videoprozessor. Im Wesentlichen nutzt das Rauschmodell den Umstand, dass die Hauptrauschquelle in einem digitalen Scanner in der Eingangselektronik (Vorverstärker) liegt, welche als weißes Gauss'sches Rauschen, dessen RMS-Amplitude (für normale Betriebstemperatur) genau kalibriert werden kann, modelliert werden kann. Somit kann unter Einbeziehung der Kenntnis der genauen Systembandbreiten und Verstärkungen an verschiedenen Punkten in dem Signalverarbeitungspfad und der Einstellung des Anzeigedynamikbereiches und der Videograuzuordnung, das Rauschmodell genutzt werden, um genaue Rauschstatistiken (Mittelwert und Wahrscheinlichkeitsverteilung) in dem B-Mode Bild für jede Kombination einer internen (voreingestellten) TGC/LGC-Kurve und von Frontplattenverstärkungseinstellungen vorherzusagen.
Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen wird ein Bildframe von Anzeigepixelintensitätswerten in ein reguläres Gitter von Kernels durch den Host-Computer unterteilt. Der Host-Computer ruft dann die aktuellen Einstellungen aller zugehörigen verstärkungsbezogenen Parameter für jeden Kernel ab. Ein Rauschmodell wird dazu genutzt, um den mittleren Rauschpegel in jedem Kernel vorherzusagen. Für jeden Kernel berechnet der Host-Computer die mittlere (oder gesamte) Pixelintensität und vergleicht diese mit dem vorhergesagten mittleren (oder gesamten) Rauschen. Ein Signal wird als in einem Kernel vorhanden angesehen, wenn dessen mittlere Anzeigepixelintensität deutlich über dem vorhergesagten Rauschpegel liegt. Andererseits wird das Kernel als nur Rauschen enthaltend betrachtet. Für jede Reihe (Sektor) werden die Kernels, welche Signale enthalten, gezählt. Wenn diese Anzahl kleiner als ein bestimmter Schwellenwert ist, wird dann diese Reihe (Sektor) als "hauptsächlich Rauschen" klassifiziert. Für jede Reihe (Sektor), dessen Signalkernelzählwert über dem kritischen Schwellenwert liegt, berechnet der Host-Computer dann die mittlere Anzeigepixelintensität, d.h., den "Reihen-(Sektor)-Mittelwert" aller Kernel, die Signale enthalten (d.h., ausschließlich der Kernel, die kein Signal enthalten). Auf der Basis eines gegebenen optimalen mittleren Graustufenwertes für die B-Mode Bildanzeige ermittelt der Host-Computer dann die Verstärkungseinstellung für jede Reihe (Sektor), welche den Graustufenwert (auf der Basis der aktuellen Grauzuordnungseinstellungen) entsprechend dem Reihen(Sektor)-Mittelwert auf den optimalen Graustufenwert verschiebt. Die erforderliche Verstärkungseinstellung kann in Dezibel unter Verwendung des Rauschmodells berechnet werden, welches den aktuellen dynamischen Bereich und die Grauzuordnungseinstellungen berücksichtigen sollte. Die Verstärkungseinstellung wird dann auf die akustischen Rohdaten (HF oder Basisband) für jede Reihe (Sektor) angewendet, um den Reihen-(Sektor)-Mittelwert über dem gesamten Bild zu anzugleichen.
Optional kann für die Reihen (Sektoren), welche als "hauptsächlich Rauschen" klassifiziert wurden, die Reihen-(Sektor)-Verstärkung automatisch reduziert werden, um das Rauschen zu unterdrücken.
Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann entweder eine oder beide von den TGC und den LGC automatisiert werden. Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Schema ist, das eine Blockdarstellung eines Ultraschallbildgebungssystems gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
2 ein Schema ist, das eine Blockdarstellung eines B-Mode Bildrauschmodells darstellt, das bei der Durchführung der TGC und LGC gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird.
3 ein Schema ist, das ein Ultraschallsektorbild darstellt, welches in ein regelmäßiges Gitter von Kernels zur Verwendung in TGC und LGC unterteilt worden ist.
Ein Ultraschall-Bildgebungssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist allgemein in 1 dargestellt. Der Hauptdatenpfad beginnt mit den analogen HF-Eingängen zu der Strahlformerkarte 4 aus dem Wandler 2. Die Strahlformerkarte 4 weist einen Strahlformer, einen Demodulator und Filter auf. Die Strahlformersignaleingänge sind die niedrigpegeligen analogen HF-Signale aus den Wandlerelementen. Der Strahlformer ist für die Analog/Digital-Wandlung und für die Sende- und Empfangsstrahlformung verantwortlich. Der Demodulator empfängt die erfassten Datenabtastwerte und gibt zwei summierte digitale I- und Q-Basisband-Empfangsstrahlen aus. Diese akustischen Datenabtastwerte sind aus dem reflektierten Ultraschall von entsprechenden Fokuszonen der gesendeten Strahlen abgeleitet. Die I- und Q-Akustikdaten aus dem Demodulator werden an entsprechende FIR-Filter gesendet, welche mit Filterkoeffizienten programmiert sind, um ein Frequenzband passieren zu lassen, das bevorzugt an der Grundfrequenz f₀ der Sendewellenform oder einer (sub)harmonischen Frequenz davon zentriert ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Vektoren gefilterter I- und Q-Akustikdaten in einen TGC/LGC-Block 6 eingegeben, welcher eine Zeitverstärkungs- und/oder Lateralverstärkungs-Kompensation erzeugt. Die Zeitverstärkungskompensation stimmt das Bild in der axialen Richtung durch Vergrößern oder Verringern der Verstärkung als eine Funktion der Tiefe (Zeit) für alle empfangenen Vektoren fein ab. Die Lateralverstärkungskompensation stimmt das Bild in der lateralen Richtung durch Erhöhen oder Verringern der Verstärkung als eine Funktion der lateralen Position (Bündel- oder Vektorposition) fein ab. In dem ersteren Falle wird die Verstärkung in kleinen Reihen des Bildes gesteuert. In dem letzteren Falle wird die Verstärkung in kleinen Sektoren des Bildes gesteuert.
Jedes I- und Q-Vektoreingangssignal in den TGC/LGC-Block 6 entspricht einem entsprechenden Empfangsstrahl. Für die Zeitverstärkungskompensation wendet der Block 6 Tiefen-abhängige digitale Verstärkungen auf einen akustischen Datenvektor an. Für die Lateralverstärkungskompensation wendet der Block 66 Winkel-abhängige digitale Verstärkungen auf entsprechende Vektoren der akustischen Daten an. Während des Scannens werden aufeinander folgende Vektoren (A-Linien) in den TGC/LGC-Block 6 zur Verstärkungskompensation eingegeben. In dem Falle, in welchem sowohl TGC als LGC bereitgestellt wird, kann eine entsprechende Verstärkung automatisch auf jedem Punkt entlang eines Vektors erzeugt werden, wobei die Verstärkung einer Funktion der Tiefe (z.B. eines Bereiches R) und des Vektorwinkels (d.h., des Sendestrahlwinkels θ) ist.
Die von dem TGC/LGC-Block ausgegebenen akustischen Daten werden an den B-Mode Prozessor 8 gesendet. Der B-Mode Prozessor 8 wendet die akustischen I- und Q-Daten aus dem TGC/LGC-Block 6 in eine logarithmisch-komprimierte Version der Signalhüllkurve um. Die B-Mode Funktion bildet die Zeit variierende Amplitude der Hüllkurve des Signals als eine Graustufe ab. Die Hüllkurve eines Basissignals ist die Größe des Vektors, welchen I und Q darstellen. Der I, Q Phasenwinkel wird in der B-Mode Darstellung nicht genutzt. Die Größe (d.h., Intensität) des Signals ist die Wurzel der Summe der Quadrate der orthogonalen Komponenten, d.h., (I² + Q²)^1/2. Die B-Mode Intensitätsdaten werden an einen Scanumwandler 10 ausgegeben, welcher eine B-Mode Akustiklaufzeitspeicher gefolgt von einem (nicht dargestellten) X-Y Anzeigespeicher aufweist. Der Akustiklaufzeitspeicher akzeptiert die verarbeiteten Vektoren der B-Mode Intensitätsdaten und führt, falls erforderlich, eine Interpolation aus. Der B-Mode Akustiklaufzeitspeicher führt auch die Koordinatentransformation der B-Mode Intensitätsdaten von dem Polarkoordinaten(R-θ)Sektorformat oder einem linearen Format kartesischer Koordinaten in entsprechend skalierte Anzeigepixelintensitätsdaten in kartesischen Koordina ten durch, welche in den X-Y Anzeigespeicher gespeichert werden.
Die scanumgewandelten Frames werden an einen Videoprozessor 12 weitergeleitet, welcher die Pixelintensitätsdaten einer Graustufenzuordnung für die Videodarstellung zuordnet. Ein herkömmliches Ultraschall-Bildgebungssystem verwendet typischerweise eine Vielzahl von Grauzuordnungen, welche einfache Übertragungsfunktionen der Intensitätsrohdaten in Anzeige-Graustufenwerte sind. Die Graustufen-Bildframes werden dann an den Anzeigemonitor 14 zur Anzeige gesendet.
Die durch den Monitor 14 dargestellten B-Mode Bilder werden aus einem Bildframe von Daten erzeugt, in welchem jedes Datenelement die Intensität oder Helligkeit eines entsprechenden Pixels in der Anzeigeeinrichtung anzeigt. Ein Bildframe kann z.B. aus einem 256×256 Datenarray bestehen, in welchem jeder Anzeigepixeldatenwert eine 8-Bit Binärzahl ist, welche die Pixelhelligkeit anzeigt. Jedes Pixel besitzt einen Intensitätswert, welcher eine Funktion des Rückstreuquerschnittes eines entsprechenden Abtastvolumens in Antwort auf Abfrage-Ultraschallpulse und die verwendete Grauzuordnung ist. Das dargestellte Bild repräsentiert das Gewebe und/oder die Blutströmung in einer Ebene durch den abgebildeten Körper.
Aufeinander folgende Frames der Pixelintensitätsdaten werden in einem Kine-Speicher 20 auf einer Durchrücke (FIFO-Basis gespeichert. Der Kine-Speicher speichert die Pixelintensitätsdaten, welche bereits mit der TGC und allen anderen graphischen Daten kombiniert wurden. Der Kine-Speicher speichert auch die Pixelintensitätsdaten, welche bereits in dem ersten Abschnitt des Videoprozessors in eine Videoframerate umgewandelt wurden, aber vor der Grauzuordnung. Die Speicherung kann kontinuierlich oder ein Ergebnis eines externen Auslöseereignisses sein. Der Kine-Speicher 20 ist wie ein ringförmiger Bildpuffer, der im Hintergrund läuft, und Bilddaten erfasst, die in Echtzeit dem Benutzer angezeigt werden. Wenn der Benutzer das System (durch die Betätigung einer geeigneten Vorrichtung auf der Benutzerschnittstelle 18) einfriert, hat der Benutzer die Möglichkeit, zuvor in dem Kine-Speicher erfasste Bilddaten zu betrachten.
Die Systemsteuerung ist in einem Host-Computer zentriert, welcher Bedienereingangssignale über die Bedienerschnittstelle 18 (z.B. eine Steuertafel) empfängt und wiederum die verschiedenen Subsysteme steuert. Der Host-Computer 16 führt Steuerfunktionen auf Systemebene aus. Ein (nicht dargestellter) Steuerbus stellt die Schnittstelle von dem Host-Computer zu den Subsystemen bereit. Eine (nicht dargestellte) Scan-Steuerung stellt Echtzeit-(Akustikvektorraten)-Steuereingangssignale für die verschiedenen Subsysteme bereit. Die Scan-Steuerung wird durch den Host-Computer mit den Vektorsequenzen und Synchronisationsoptionen für die akustischen Frame-Erfassungen programmiert. Somit steuert die Scan-Steuerung die Strahlverteilung und die Strahldichte. Die Scan-Steuerung überträgt die von dem Host-Computer definierten Strahlparameter über einen (nicht dargestellten) Scan-Steuerbus auf die Subsysteme.
Das herkömmliche System hat die Fähigkeit, graphische Symbole auf jedem Ultraschallbild zu überlagern. Die Überlagerung von graphischen Darstellungen auf den Bildframe wird in dem Videoprozessor 12 erreicht, welcher den Ultraschallbildframe aus dem X-Y Anzeigespeicher in dem Scanumwandler 10 und die graphischen Daten aus einem (nicht dargestellten) Graphikanzeigespeicher erhält. Die graphischen Daten werden verarbeitet und in den graphischen Anzeigespeicher mittels eines Graphikprozessors 22 eingegeben, welcher mit den anderen Subsystemen durch den Host-Computer synchronisiert wird.
Das automatisierte TGC/LGC-Anpassungsverfahren kann in Software durch den Host-Computer implementiert werden. Eine Schlüsselkomponente des Verfahrens ist ein Rauschmodell der gesamten B-Mode Verarbeitungskette von dem Strahlformer über den B-Mode Prozessor bis zu dem abschließenden Videoprozessor. Für eine gegebene Position (x, y) in dem B-Mode Bildframe) wird das Bildrauschmodell verwendet, um den Rauschwert (als eine B-Mode Intensität oder Graustufenwert) an dieser Position vorherzusagen. Für derzeitige digitale Scanner besteht das Bildrauschmodell aus verschiedenen Schlüsselkomponenten, deren Details von der spezifischen Subsystemauslegung für einen bestimmten Scanner abhängen. Die in jeder Komponente involvierten Rausch/Verstärkungs-Berechnungen sind Standardpraktiken in der Systemauslegung, so dass nachstehend nur die Hauptfunktion jeder Komponente beschrieben wird.
Ein Rauschmodell eines B-Mode Bildes, das zur Anwendung in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geeignet ist, ist allgemein in 2 dargestellt. Das Eingangsrauschmodell (Block 24) berechnet den durch die Eingangselektronik (z.B. den Vorverstärker) in einem einzelnen Empfangskanal erzeugten Gauss'schen Rauschpegel und jedes Quantisierungsrauschen in Verbindung mit der Analog/Digital-Wandlung. Das Rauschen der analogen Elektronik wird oft als thermisches Rauschen bezeichnet und kann genau für einen vorgegebenen Temperaturbereich kalibriert werden. Abhängig von der elektrischen Impedanz des Wandlers, welcher mit dem Eingang verbunden ist, kann das thermische Rauschen eine flache spektrale Leistungsdichte aufweisen oder nicht.
Die Anzahl von Empfangskanälen, die zum Rauschen beitragen, ist von der Empfangsaperturgröße abhängig, welche durch das Empfangsaperturmodell (Block 26) auf der Basis der bekannten Apertursteuerparameter (d.h., der F-Zahl und der Abschattung) für die gegebene Sonde und der (x, y) Position berechnet wird.
Das Eingangsverstärkungsmodell (Block 28) berechnet das Gesamtrauschen aus allen unabhängigen Empfangskanälen, und bezieht die Effekte aller Filterverstärkungen in dem Strahlformer, einschließlich jeder TGC/LGC mit ein.
Der B-Mode Verarbeitungsblock (Block 30) passt das Rauschen für die Rauschverstärkungen an, die in dem B-Mode Detektor und den Filtern einschließlich der Scanumwandlung auftreten. Die Standard-Rauschtheorie zeigt, dass die detektierte Hüllkurve des Gauss'schen Rauschens einer Rayleigh-Wahrscheinlichkeitsverteilung folgt, welche vollständig durch ihren Mittelwert spezifiziert ist.
Das Anzeigeverarbeitungsmodell (Block 32) berücksichtigt die Effekte der logarithmischen Kompression und der Grauzuordnung und gibt die vorhergesagte Rauschverteilung an der eingegebenen (x, y) Position des Bildes aus.
Das vorstehend beschriebene Rauschmodell läuft auf dem Host-Computer ab. Vor dem Ablauf des Rauschmodells benötigt der Host-Computer alle zugehörigen internen und externen Systemeinstellungen, wie z.B. die momentane TGC-Kurve, die Sende-Brennpunktzonenpositionen, die Bildtiefe, die Dynamikbe reicheinstellung der Anzeige und die Grauzuordnungseinstellung. Der Host-Computer speist dann diese Parameter in die verschiedenen Komponenten des Bildrauschmodells ein.
Der Host-Computer führt auch den automatischen TGC/LGC-Algorithmus aus. Es wird angenommen, dass ein Bild des interessierenden Bereichs gleichzeitig auf dem Videomonitor dargestellt wird. Die automatische TGC/LGC kann mittels einer einzigen Taste (oder einer Soft-Taste) aktiviert werden. Die Hauptschritte in dem TGC/LGC-Algorithmus gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind wie nachstehend beschrieben.
In Antwort auf die Aktivierung der automatischen TGC/LGC-Funktion wird das Bild kurzzeitig eingefroren, um das Speichern von einem bis zu mehreren neuesten Bildframes in dem Kine-Speicher zu ermöglichen, welche dann von dem Host-Computer zur Analyse ausgelesen werden können. Wenn mehr als einer verwendet wird, wird ein Mittelwert genommen, um die statistischen Variationen vor der Bildanalyse zu reduzieren. Die Größe des Bildes (Einzel- oder Mittelwert) wird ermittelt und wird dann in ein regelmäßiges Gitter 34 von Kernels 36 gemäß Darstellung in 3 unterteilt, wobei die Anzahl der Reihen und Sektoren (Spalten) der Kernels in dem Gitter wenigstens so groß wie die Anzahl entsprechender TGC und LGC Knopf/Schiebe-Potentiometer auf der Fronttafel sein sollte. Die Kernel-Abmessungen sind durch gleiche Bereichs- und Vektorwinkel-Abstände für einen Sektor oder einen krummlinigen Scan (gemäß Darstellung in 3) definiert, und sie sind Rechtecke oder Quadrate für einen geradlinigen Scan.
Der Host-Computer ruft die aktuellen Einstellungen für alle zugehörigen verstärkungsbezogenen Parameter, wie z.B. das interne TGC, die Empfangsapertur und die B-Mode Prozes sorverstärkungen für jedes Kernel innerhalb des Gitters ab. Diese können üblicherweise von anderen Systemprogrammen ausgelesen oder aus bekannten Systemparametern berechnet werden. Diese Parameterwerte werden in das Rauschmodell eingegeben, um den mittleren Rauschpegel in jedem Kernel des Gitters zu berechnen.
Für jedes Kernel in dem Gitter vergleicht der Host-Computer den Mittelwert (oder Gesamtwert) der Pixelintensität mit dem vorhergesagten mittleren (oder gesamten) Rauschen. Ein Signal ist vorhanden, wenn die mittlere Pixelintensität eines Kernels deutlich (z.B. 10 dB) über dem vorhergesagten mittleren Rauschwert für dasselbe Kernel liegt. Ansonsten wird das Kernel als nur Rauschen enthaltend betrachtet.
Zur automatischen TGC-Kompensation werden die nachstehenden Schritte durchgeführt. Für jede Reihe werden die Kernels, welche Signale enthalten, gezählt. Wenn diese Anzahl kleiner als ein gewisser Schwellenwert (z.B. 10 Prozent der Gesamtanzahl der Kernels in einer Reihe) ist, wird dann diese Reihe als "hauptsächlich Rauschen" klassifiziert. Für jede Reihe, dessen Kernelanzahl mit Signal über dem kritischen Schwellenwert liegt, wird die mittlere Pixelintensität aller Kernel, die Signale enthalten (d.h., ausschließlich der Kernel, die kein Signal enthalten) berechnet. Dieses ergibt den "Reihenmittelwert", welcher in einen Graustufenwert durch den Host-Computer unter Bezugnahme auf die aktuellen Grauzuordnungseinstellungen umgewandelt werden kann. Auf der Basis eines gegebenen optimalen mittleren Graustufenwertes für die B-Mode Bilddarstellung (z.B. für einen 8-Bit Videograuskala kann der optimale mittlere Graustufenwert 200 sein) ermittelt der Host-Computer dann die Verstärkungseinstellung für jede Reihe, welche den mittleren Graustufenwert der Reihe auf den op timalen Graustufenwert verschiebt. Die erforderliche Verstärkungseinstellung kann unter Verwendung des Rauschmodells berechnet werden, welches den aktuellen dynamischen Bereich und die Grauzuordnungseinstellungen berücksichtigen sollte. Tatsächlich sollte sie genau äquivalent zu der Einstellung der externen TGC-Knöpfe sein, welche die Eingangs- und/oder B-Mode Prozessorverstärkungen abhängig von der Systemarchitektur beeinflussen. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Verstärkungseinstellungen für jede Reihe im Block 6 (siehe 1) angewendet, um die Reihenmittelwerte über das gesamte Bild anzugleichen. Dieses wird genauso ausgeführt, als ob der Benutzer dieselben Verstärkungseinstellungen über die TGC-Schiebepotentiometer oder Knöpfe an der Fronttafel ausführen würde. Optional kann für die Reihen, welche als "hauptsächlich Rauschen" klassifiziert wurden, die Reihe automatisch ausgeschaltet werden, um das Rauschen zu unterdrücken (indem deren mittlerer Graustufenwert um einen festen Betrag verschoben wird, oder indem er auf den Null-Graustufenwert verschoben wird).
Für eine automatische LGC läuft die Prozedur genau parallel zur der für die vorstehend beschriebene automatische TGC ab. Für jeden Sektor (für Sektorscans) oder jede Spalte (für Linearscans) werden die Kernels, welche ein Signal enthalten, gezählt. Wenn diese Anzahl kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert (z.B. 10 Prozent der Gesamtanzahl der Kernels in einem Sektor oder einer Spalte) ist, wird dann dieser Sektor (Spalte) als "hauptsächlich Rauschen" klassifiziert. Für jeden Sektor (Spalte), dessen Signalkernelzählwert über dem kritischen Schwellenwert liegt, wird die mittlere Pixelintensität aller Kernel, die Signale enthalten (d.h., ausschließlich der Kernel, die kein Signal enthalten) berechnet. Dieses ergibt den "Sektor-(Spalten)-Mittelwert", welcher in einen Graustufenwert durch den Host-Computer unter Bezugnahme auf die aktuellen Grauzuordnungseinstellungen umgewandelt werden kann. Auf der Basis des vorstehend beschriebenen optimalen mittleren Graustufenwertes ermittelt der Host-Computer dann die Verstärkungseinstellung für jeden Sektor (Spalte), welche den mittleren Graustufenwert des Sektors (der Spalte) auf den optimalen Graustufenwert verschiebt. Wiederum wird die erforderliche Verstärkungseinstellung unter Verwendung des Rauschmodells berechnet, wobei der aktuelle dynamische Bereich und die Grauzuordnungseinstellungen berücksichtigt werden. Wiederum sollte dieses genau äquivalent zu der Einstellung der externen LGC-Knöpfe sein. Die Verstärkungseinstellungen für jeden Sektor (Spalte) werden im Block 6 (siehe 1) angewendet, um den Sektor-(Spalten)-Mittelwert über dem gesamten Bild anzugleichen. Wiederum kann für diejenigen Sektoren (Spalten), welche als "hauptsächlich Rauschen" klassifiziert wurden, die Sektor-(Spalten)-Verstärkung automatisch abgeschaltet werden, um das Rauschen zu unterdrücken.
Der Graphikprozessor 22 (siehe 1) liefert Graphikdaten an den Videoprozessor 12 zur Anzeige auf dem Monitor 14. Diese Graphikdaten sind dafür ausgelegt, die Größen der automatischen Verstärkungseinstellungen und die entsprechenden relativen Positionen in dem Bild anzuzeigen. Bevorzugt nehmen die graphischen Daten die Form von TGC- und LGC-Kurven an. Die TGC-Kurven- und LGC-Kurven-Graphik in dem Anzeigemonitor wird automatisch durch den Graphikprozessor aktualisiert. Ein unterschiedlicher Linientyp kann zum Anzeigen der automatischen TGC- und LGC-Kurven verwendet werden, sodass sie von den den TGC- und LGC-Schiebepotentimeter-Positionen entsprechenden Kurven unterschieden werden können. Beispielsweise kann, wenn die automatische TGC aktiviert ist, eine durchgezogene Kurve verwendet werden, um die aktive TGC-Kurve anzu zeigen und eine Strichlinie, für die manuell eingestellte TGC-Kurve. Wenn die automatische TGC abgeschaltet wird, kehrt die Strichlinienkurve auf eine durchgezogene Kurve zurück, um anzuzeigen, dass nun wieder die Schiebepotentiometer-TGC-Kurve aktiv ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden sowohl die automatische TGC als auch LGC durch den Host-Computer angewendet, um die Verstärkung in den lateralen und axialen Ebenen zu steuern. Alternativ kann der Computer nur den einen oder anderen Verstärkungskompensationstyp anwenden.
Die vorstehenden bevorzugten Ausführungsformen wurden nur für den Zweck der Darstellung offenbart. Varianten und Modifikationen des Konzeptes der Erfindung sind für den Fachmann auf diesem Gebiet leicht ersichtlich. Beispielsweise sind die automatisierten TGC/LGC-Funktionen der Erfindung nicht auf eine Implementation zwischen dem Strahlformer und dem B-Mode Prozessor begrenzt, sondern können stattdessen in dem analogen Eingang vor dem Strahlformer oder nach der B-Mode Detektion implementiert werden. Ferner ist die Erfindung nicht auf die Verarbeitung der Anzeigeintensitätsdaten beschränkt. Bei Systemen, in welchen die akustischen oder R-θ Daten (vor der Scanumwandlung) in dem Kine-Speicher gespeichert werden, kann der automatische TGC/LGC-Algorithmus auf die akustischen Rohdaten anstelle der Anzeigeintensitätsdaten angewendet werden.
So wie er in den Ansprüchen verwendet wird, bezieht sich der Begriff "akustische Daten" auf das empfangene Signal an jedem beliebigen Punkt zwischen dem Wandler und dem Scanumwandler; der Begriff "Pixelintensitätsdaten" bezieht sich auf die scanumgewandelten Signale vor der Grauzuordnung; und der Begriff "Graustufenwertdaten" bezieht sich auf die an die An zeigevorrichtung ausgegebenen Grauzuordnungs-Pixelintensitätsdaten. Der Begriff "Kernel mit Signal", wie er in den Ansprüchen verwendet wird, bedeutet einen Kernel mit einer mittleren Pixelintensität, welche um eine vorbestimmte Größe größer als der für dasselbe Kernel vorhergesagte mittlere Rauschwert ist. Man wird ferner erkennen, dass die Berechnung des Gesamtpixelintensitätswertes innerhalb eines Kernels das Äquivalent einer Berechnung der mittleren Pixelintensität wie in den Ansprüchen beschrieben ist.

Claims

System zur Abbildung von biologischen Geweben, aufweisend: ein Ultraschallwandlerarray (2) mit mehreren Wandlerelementen; einen Sendestrahlformer (4) zur Impulssteuerung des Wandlerarrays, um Ultraschallstrahlen in ersten und zweiten Scans zu senden; einen Empfangsstrahlformer (4) zum Ausbilden von Empfangsstrahlen akustischer Daten, die aus Echosignalen gewonnen werden, die durch das Wandlerarray anschließend an die Aussendungen detektiert werden; eine Signalverarbeitungskette (6, 8, 10) zum Umwandeln der akustischen Daten in den ersten beziehungsweise zweiten Scans entsprechende erste und zweite Bildframe von Pixelintensitätsdaten, wobei die Signalverarbeitungskette eine Verstärkungskompensationskomponente (6) aufweist, um die Verstärkung der akustischen Daten als eine Funktion von Verstärkungseinstellungen anzupassen; einen Computer (16), der dafür programmiert ist, die Verstärkungseinstellungen als eine Funktion des ersten Bildframes von Bildintensitätsdaten und der aktuellen Einstellungen aller zugehörigen verstärkungsbezogenen Systemparameter gemäß einem Rauschmodell zu ermitteln, und die Verstärkungseinstellungen an die Verstärkungskompensationskomponente rechtzeitig zu liefern, um die Verstärkung der von dem zweiten Scan erfassten akustischen Daten anzupassen; einen Videoprozessor (12) zum Umwandeln des Bildframes von Pixelintensitätsdaten in einen Bildframe mit Grauskalenstufedaten; und eine Anzeigevorrichtung (14) zum Anzeigen eines dem Bildframe aus Grauskalenstufendaten repräsentierenden Bildes; und dadurch gekennzeichnet, dass: der Computer dafür programmiert ist, die nachstehenden Schritte auszuführen: (a) Unterteilen des ersten Bildframes von Pixelintensitätsdaten in ein reguläres Gitter von Kernels (36), die mehrere Sätze ausgerichteter Kernels ausbilden; (b) Abrufen der aktuellen Einstellungen aller zugehörigen verstärkungsbezogenen Parameter für jeden Kernel; (c) Vorhersagen des mittleren Rauschpegels in jedem Kernel unter Verwendung des Rauschmodells; (d) Berechnen der mittleren Pixelintensität für jeden Kernel; (e) Vergleichen des vorhergesagten mittleren Rauschpegels mit der berechneten mittleren Pixelintensität für jeden Kernel; (f) für jeden Kernelsatz, Zählen der Kernels mit einer um eine vorbestimmte Größe größeren mittleren Pixelintensität als der vorhergesagte mittlere Rauschpegel, um einen Zählwert von Kernels mit Signal zu erzeugen, (g) für jeden Kernelsatz, dessen Zählwert von Kernels gleich oder größer als ein kritischer Schwellenwert ist, Berechnen einer mittleren Pixelintensität aller Kernels mit Signal, um einen Kernelsatzmittelwert zu erzeugen; (h) auf der Basis eines optimalen mittleren Grauskalenwertes, Ermitteln der Verstärkungseinstellung für jeden Kernelsatz, welche den Grauskalenwert entsprechend dem jeweiligen Kernelsatzmittelwert zu dem optimalen Grauskalenwert verschiebt; und (i) Senden der Verstärkungseinstellungen an die Verstärkungskompensationskomponente.
System nach Anspruch 1, wobei der Computer ferner dafür programmiert ist, die entsprechende Abwärtsverstärkungseinstellung zu ermitteln, welche das Rauschen für jeden Kernelsatz unterdrückt, dessen Zählwert von Kernels mit Signal kleiner als ein kritischer Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Unterteilung des ersten Bildframes von Pixelintensitätsdaten in ein regelmäßiges Gitter von Kernels, die mehrere Sätze ausgerichteter Kernels ausbilden, den Schritt der Unterteilung des ersten Bildframes mit Bildintensitätsdaten in ein reguläres Gitter von mehrere Reihen ausbildenden Kernels umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei der Schritt (f) für jede eine vorbestimmte Bedingung erfüllende Reihe das Ermitteln einer mittleren Pixelintensität aller Kernels mit Signal umfasst, um einen Zeilenmittelwert zu erzeugen; und der Schritt (g) das Ermitteln der Verstärkungseinstellung für jede Reihe umfasst, welche den der jeweiligen Reihe entsprechenden Grauskalenwert auf den optimalen Grauskalenwert verschiebt.
System nach Anspruch 3, wobei der Computer ferner dafür programmiert ist, die entsprechende Abwärtsverstärkungseinstellung zu ermitteln, welche das Rauschen für jede Reihe unterdrückt, deren Zählwert von Kernels mit Signal kleiner als ein kritischer Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Unterteilung des ersten Bildframes von Pixelintensitätsdaten in ein regelmäßiges Gitter von Kernels, die mehrere Sätze ausgerichteter Kernels ausbilden, den Schritt der Unterteilung des ersten Bildframes mit Bildintensitätsdaten in ein reguläres Gitter von mehrere Sektoren ausbildenden Kernels umfasst.
System nach Anspruch 6, wobei der Schritt (f) für jeden eine vorbestimmte Bedingung erfüllenden Sektor das Ermitteln einer mittleren Pixelintensität aller Kernels mit Signal umfasst, um einen Zeilenmittelwert zu erzeugen; und der Schritt (g) das Ermitteln der Verstärkungseinstellung für jeden Sektor umfasst, welche den dem jeweiligen Sektor entsprechenden Grauskalenwert auf den optimalen Grauskalenwert verschiebt.
System nach Anspruch 6, wobei der Computer ferner dafür programmiert ist, die entsprechende Abwärtsverstärkungseinstellung zu ermitteln, welche das Rauschen für jeden Sektor unterdrückt, dessen Zählwert von Kernels mit Signal kleiner als ein kritischer Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Unterteilung des ersten Bildframes von Pixelintensitätsdaten in ein regelmäßiges Gitter von Kernels, die mehrere Sätze ausgerichteter Kernels ausbilden, den Schritt der Unterteilung des ersten Bildframes mit Bildintensitätsdaten in ein reguläres Gitter von Kernels mit mehreren Spalten umfasst.
System nach Anspruch 9, wobei der Schritt (f) für jede eine vorbestimmte Bedingung erfüllenden Spalte das Ermitteln einer mittleren Pixelintensität aller Kernels mit Signal umfasst, um einen Spaltenmittelwert zu erzeugen; und der Schritt (g) das Ermitteln der Verstärkungseinstellung für jede Spalte umfasst, welche den der jeweiligen Spalte entsprechenden Grauskalenwert auf den optimalen Grauskalenwert verschiebt.
System nach Anspruch 1, wobei der Computer ferner dafür programmiert ist, die entsprechende Abwärtsverstärkungseinstellung zu ermitteln, welche das Rauschen für jede Spalte unterdrückt, deren Zählwert von Kernels mit Signal kleiner als ein kritischer Schwellenwert ist.
Verfahren zum automatischen Einstellen der Verstärkung in einem Ultraschall-Bildgebungssystem, mit den Schritten: (a) Unterteilen eines Bildframes von Pixelintensitätsdaten in ein reguläres Gitter von Kernels, die mehrere Sätze ausgerichteter Kernels ausbilden; (b) Abrufen der aktuellen Einstellungen in dem Ultraschall-Bildgebungssystem aller zugehörigen verstärkungsbezogenen Parameter für jeden Kernel; (c) Vorhersagen des mittleren Rauschpegels in jedem Kernel unter Verwendung eines Rauschmodells; (d) Berechnen einer Funktion der Pixelintensität für jeden Kernel; (e) Vergleichen des vorhergesagten mittleren Rauschpegels mit der berechneten Pixelintensitätsfunktion für jeden Kernel; (f) für jeden Kernelsatz, Zählen der Kernels mit einer um eine vorbestimmte Größe größeren Pixelintensitätsfunktion als ein vorhergesagter mittlerer Rauschpegel, um einen Zählwert von Kernels mit Signal zu erzeugen, (g) für jeden Kernelsatz, dessen Zählwert von Kernels mit einem Signal gleich oder größer als ein kritischer Schwellenwert ist, Berechnen einer mittleren Pixelintensität aller Kernels mit Signal, um einen Kernelsatzmittelwert zu erzeugen; (h) auf der Basis eines optimalen mittleren Grauskalenwertes, Ermitteln der Verstärkungseinstellung für jeden Kernelsatz, welche den Grauskalenwert entsprechend dem jeweiligen Kernelsatzmittelwert zu dem optimalen Grauskalenwert verschiebt; und (i) Anpassen der Verstärkung gemäß den Verstärkungseinstellungen während des nachfolgenden Betriebs des Ultraschall-Bildgebungssystems.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Funktion eine mittlere Pixelintensität ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Funktion eine Gesamtpixelintensität ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei jeder Kernelsatz eine entsprechende Reihe in dem Gitter bildet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei jeder Kernelsatz einen entsprechenden Sektor in dem Gitter bildet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei jeder Kernelsatz eine entsprechende Spalte in dem Gitter bildet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Verstärkungseinstellungen entlang jedem Vektor akustischer Daten variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Verstärkungseinstellungen quer zu Vektoren akustischer Daten variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt der Ermittlung einer entsprechenden Abwärtsverstärkungseinstellung, welche das Rauschen für jeden Kernelsatz unter drückt, dessen Zählwert von Kernels mit Signal kleiner als ein kritischer Schwellenwert ist.