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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Ultraschallbildgebung und insbesondere
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Führungsbildes,
um den Benutzer bei der Erfassung eines gewünschten Bildes während eines
Ultraschallbildgebungsprozesses zu unterstützen.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Ein
herkömmliches
Ultraschallbildgebungssystem enthält ein Array von Ultraschallwandlern,
die während
eines Sendemodus eine Ultraschallwelle (eine Druckstoßwelle)
aussenden und während
eines Empfangsmodus eine reflektierte Welle empfangen, die von einem
gerade untersuchten Objekt reflektiert worden ist. Die räumliche
Antwort auf diese Ultraschallwelle wird als ein Ultraschallstrahlbündel oder
einfach Ultraschallstrahl bezeichnet. Im Allgemeinen ist der gesamte
Strahl (in zwei Wegen) eine Kombination von zwei gesonderten Strahlen:
einem Sendestrahl, der das Maß kennzeichnet,
in dem Energie in das Objekt eingebracht wird, und einem Empfangsstrahl,
der eine Systemantwort auf Echos kennzeichnet, die in verschiedenen
Punkten in einem Raum ihren Ursprung haben. Die Signale, die durch
die Wandler erzeugt werden, die auf die empfangene Druckwelle ansprechen,
werden verarbeitet, und die Ergebnisse werden in Form eines sichtbaren
Bildes des Objektes angezeigt.
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Das
Array enthält
gewöhnlich
mehrere Wandler, die in Form eines linearen Arrays oder einer Reihe konfiguriert
sind, wobei jeder Wandler während
des Sendemodus durch ein gesondertes Spannungssignal angesteuert
wird. Durch eine Auswahl einer zeitlichen Verzögerung (in Bezug auf eine Referenzzeit)
für die
an jedem Wandler angelegte Signalspannung wird eine Richtung der
durch die einzelnen Wandler ausgesandten Ultraschallstrahlenergie
gesteuert. Außerdem
kann eine Steuerung der Amplitude der Signalspannung, die auf jeden
Wandler angewandt wird, dazu verwendet werden, in Seitenkeulen des
Ultraschallstrahls vorhandene Energie zu verringern.
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Eine
Steuerung der Zeitverzögerung
steuert oder lenkt die Ultraschallenergie, die durch die Wandler ausgesandt
wird, um eine effektive Ultraschallwelle zu erzeugen, die sich entlang
des Objektes in einer gewünschten
Richtung oder entlang einer (auch als eine A-Linie bezeichneten)
Scannlinie ausbreitet (das Objekt scannt), wobei die Energie in
einem ausgewählten
Punkt auf der Scannlinie fokussiert ist. Dies bedeutet, dass die
Sendeenergie in einem festen Bereich (festen Fokuspunkt) in Bezug
auf das Wandlerarray fokussiert oder konzentriert ist, wobei die
Energie in diesem Bereich maximal festgelegt ist. In anderen Bereichen
(Abständen von
dem Wandlerarray) ist die Energie in einem geringeren Maße festgelegt,
so dass ein breiterer Strahl erzeugt wird. Somit kann, obwohl die
Energie in lediglich einem einzelnen Punkt auf der Scannlinie fokussiert
ist, die Energie an nahegelegenen Punkten (den Punkten, die eine
Fokuszone bilden) ausreichend sein, um einen reflektierten Strahl
zu erzeugen, der verarbeitet werden kann, um ein Bild mit ausreichender
seitlicher Auflösung
zu rendern bzw. wiederzugeben.
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Ähnliche
strahlkombinierende Prinzipien werden angewandt, wenn die Wandler
die reflektierte Ultraschallenergie von der Scannlinie empfangen.
Die an den Empfangswandlern erzeugten Spannungen werden in gesteuerter
Weise verzögert
und aufsummiert, so dass die effektiv empfangene Signalantwort in
erster Linie die Ultraschallenergie kennzeichnet, die von einer
einzelnen fokalen Zone entlang der Scannlinie des Objektes reflektiert
worden ist.
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Um
ein zweidimensionales oder planares Bild des Objektes zu erzeugen
(und in Anerkennung der Tatsache, dass die Ultraschallbildgebung
in dem Nahfeld stattfindet), werden die Wandler in den hintereinander liegenden
Bereichen gegenüber
dem Wandlerarray (Tiefen in dem gescannten Objekt) entlang der Scannlinie dynamisch
fokussiert, wenn die reflektierten Ultraschallwellen empfangen werden.
Der fokussierte Bereich basiert auf der gesamten Laufzeit (hin und
zurück)
des Ultraschallimpulses. Durch Steuerung der Zeitverzögerung,
die jedem Wandler zugeordnet ist, wird die empfangene Energie in
dem gewünschten
zeitvarianten Bereich oder der gewünschten zeitvarianten Tiefe
fokussiert. Eine derartige dynamische Fokussierung in dem Empfangsmodus
erzeugt eine nutzbare Antwort an dem Fokuspunkt und einer Reihe
von Abständen
in der Nähe
des Fokuspunktes. Der Bereich, über
dem die Zwei-Wege-Antwort des Systems gut fokussiert ist, wird als
die Fokustiefe bezeichnet. Außerhalb
der Fokustiefe leidet die Bildqualität, und die Reflexionen sind
nicht nutzbar, um das Bild zu erzeugen.
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Wie
ohne weiteres verständlich,
sind die momentanen Strahllenkungs- und Signalkombinationseinrichtungen
des linearen Wandlerarrays in der Lage, nur ein 2D-Bild des Ob jektes
zu erzeugen, wobei das Bild in der Ebene angeordnet ist, die zu
der Arrayoberfläche
senkrecht verläuft,
die die Zentren der Arrayelemente enthält.
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Aus
der Technik sind deformierbare Modelle bekannt, die zunächst bei
der Computeranimation eingesetzt worden sind, um eine realistische
Bewegung eines elastischen Objektes darzustellen. Ein deformierbares Modell
modelliert elastische Objektoberflächen unter Verwendung miteinander
verbundener Massenelemente entsprechend verschiedenen physikalisch
basierten oder geometrischen Techniken. Wie in 1 veranschaulicht,
wird eine Objektoberfläche 8 in
Form von Gittern aus Punktmassen 10 modelliert. Jede Masse
ist mit einer oder mehreren benachbarten Massen durch einen starren
elastischen Stab 12 verbunden, der, wenn er von seinem
Ruhezustand aus weg gebogen, gestreckt oder komprimiert wird, auf
die verbundenen Massen eine Gegenkraft ausübt. Verschiedene Massen können auch
durch weitere beispielhafte Verbindungsstäbe angeschlossen sein.
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Die
Dynamik der Oberfläche
8 kann
an jeder Masse durch eine Kräftegleichgewichtsgleichung,
wie beispielsweise die folgende, definiert werden:
wobei
x einen Positionsvektor der Massen darstellt, während m die Masse jedes Punktes
oder Teilchens ist, k eine viskose Reibungskonstante ist (die häufig als
gleich null angenommen wird) und das Variations- bzw. Differentialsymbol δE(x)eine
Rückstellkraft
darstellt, die zu der lokalen Krümmung
der Oberfläche
an der Stelle der Punktmasse proportional ist. Die Punkte repräsentieren
zeitliche Ableitungen der Vektorkomponente. Die Variable x und die
mit dem Punkt versehenen x-Variablen sind Vektoren in einem dreidimensionalen
Raum, die den momentanen Zustand (Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung,
etc.) des Modells in jedem zeitlichen Augenblick beschreiben. Zustandsgleichungen,
die das deformierbare Modell definieren, werden ausgehend von der
Kräftegleichgewichtsgleichung
abgeleitet und bestehen aus Zustandsvariablen sowie ihrer Ableitungen.
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Die
Kräftegleichgewichtsgleichung
beschreibt das Gleichgewicht von Kräften, die von einer Bewegung der
Punktmassen herrühren
(Kräften,
die auf der Objektdynamik basieren), Rückstellkräften, die auf die Krümmung der
Oberfläche
an der Stelle der Punktmasse zurückzuführen sind,
und äußeren Kräften, die
die Bewegung des modellierten Objektes beeinflussen. Für die Anwendung
bei der Computeranimation werden die äußeren Kräfte durch den Bediener der
Computeranimation spezifiziert.
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Bei
einer medizinischen Bildanalyse sind die äußeren Kräfte durch ein Potentialfeld
gekennzeichnet, das aus den akustischen Echos, die das Bild erzeugen,
abgeleitet wird. Starke Bildechos bilden ein starkes Potentialfeld,
während
schwache Bildechos (dunkle Bereiche des Bildes) ein schwaches Potentialfeld
erzeugen. Die Echoamplitude und das aus dieser hergeleitete Potentialfeld
können
als eine Art Ladung betrachtet werden, die entgegengesetzt geladene
Punktmassen des Objektes anzieht. Die Modellmassen werden folglich zu
den Regionen des starken Potentialfeldes hin angezogen, was das
Modell veranlasst, sich an das Bild anzupassen. Die Modellmassen
werden zu dem von den schwachen Bild echos abgeleiteten schwachem
Potentialfeld hin nur schwach angezogen.
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Wenn
ein deformierbares Modell für
eine statische Segmentierung eines ruhenden Bildes im Stand der Technik
eingesetzt wird, sind die äußeren Kräfte, die
von dem Potentialfeld abhängen,
im Allgemeinen wichtiger als die Dynamik der Modelloberfläche. Eine
Anwendung des deformierbaren Modells auf die Anwendung der statischen
Segmentierung erfordert lediglich, dass die endgültige Konfiguration des Modells
eine Gleichgewichtsposition der Oberfläche in dem durch das Bild erzeugten äußeren Potentialfeld
darstellt. Die Übergangsfunktion
des Modells kann eine beliebige Antwort sein, die für den Modellentwerfer
passend ist. Die schnellste statische Modellantwort tritt auf, wenn
die Modellpunkte eine sehr geringe Masse aufweisen, wodurch die
Effekte der Objektdynamik auf ein Minimum reduziert werden.
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(Diese
Art einer Antwort vermeidet auch ein Überschwingen und die resultierenden
Schwingungen, die in linearen Systemen auftreten können. Derartige
Schwingungen neigen dazu, die Modellantwort auf das Potentialfeld
zu verlangsamen.) In der Tat stellt das deformierbare Modell ohne
Berücksichtigung
der Objektdynamik ein Verfahren zur Schaffung einer eingeschränkten optimalen
Anpassung des Modells an das Bild dar. Die Einschränkung oder
Randbedingung ist eine Stetigkeitsbeschränkung (Smoothness Constraint)
und ist durch die elastischen Rückstellkräfte des
Modells gekennzeichnet. Die Zielfunktion stellt ein Maß für die Anpassung
des Modells an das Bild dar und ist durch das Energiepotentialfeld
gekennzeichnet, wie es aus dem Bild abgeleitet wird. Diese Technik
kann auch angewandt werden, um eine sich bewegende Oberfläche unter Verwendung
einer Folge von vollständigen
Bildern zu verfolgen, da jedes Bild gesondert unter Verwendung von
Randbedingungen eingepasst werden kann, die von Bildern abgeleitet
werden, die in etwa zur gleichen Zeit aufgenommen werden, um eine
sanfte oder stetige Entwicklung der Modellgestalt über die
Bildsequenz hinweg sicherzustellen.
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Das
in der obigen Gleichung angegebene Modell ermöglicht den Zustandvariablen
(z. B. Beschleunigung, Geschwindigkeit und Position der Massen)
sich in Abhängigkeit
von den verschiedenen Kräften,
die auf diese einwirken, zu entwickeln. Diese Entwicklung wird durch
einen zeitdiskreten Berechnungsprozess simuliert, in dem die zeitkontinuierliche
Zustandsübergangsmatrix,
die den vorstehenden Bewegungsgleichungen zugeordnet ist, integriert
wird, um eine zeitdiskrete Systemmatrix zu bilden. Jedes Mal, wenn
eine Multiplikation des Zustandsvektors mit dieser Matrix durchgeführt wird,
kann eine neue Information in Bezug auf eine äußere Kraft in die Berechnung
als eine zeitdiskrete Triebfunktion oder Führungsfunktion (Driving Function)
eingefügt werden.
Einzelheiten in Bezug auf derartige zeitdiskrete Systeme sind allgemein
bekannt. Siehe beispielsweise Digital Control of Dynamic Systems,
von G.F. Franklin und J.D. Powell (Addison Wesley, 1980).
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Führungsbildes
eines Objektes, das während
eines Ultraschallscanns gescannt werden soll, wobei das Verfahren
aufweist: Beschallen des Objektes, Empfang von Rücklaufechos von dem Objekt,
Verarbeitung der Rücklaufechos,
um einen Datensatz zu er zeugen, der das Objekt kennzeichnet, Vergleich
des Datensatzes mit mehreren Formmodellen, Auswahl eines am besten
passenden Formmodells (Best-Fit-Formmodells) als Reaktion auf den
Schritt des Vergleichs und Anzeigen des am besten passenden Formmodells
als das Führungsbild.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine Ultraschallbildgebungsvorrichtung zur
Erzeugung eines dreidimensionalen Führungsbildes eines Objektes.
Die Vorrichtung weist mehrere Ultraschallwandler zur Erzeugung einer
Ultraschallenergie während
eines ersten Scanns, zum Empfang erster Echos von dem Objekt und
zur Erzeugung erster Signale als Reaktion auf die ersten Echos,
einen Prozessor zur Erzeugung eines Datensatzes entsprechend den
ersten Signalen, wobei der Datensatz das Objekt kennzeichnet, wobei
der Prozessor zur Auswahl eines am besten passenden Formmodells
unter mehreren Formmodellen als Reaktion auf den Datensatz eingerichtet
ist, und eine erste Anzeige zum Anzeigen des am besten passenden
Formmodells als das Führungsbild
auf.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung kann leichter verstanden werden, und die Vorteile
und deren Nutzen werden offensichtlicher, wenn die folgende detaillierte
Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den Figuren
gelesen wird:
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1 veranschaulicht
einen Teil einer Oberfläche
eines deformierbaren Modells gemäß dem Stand der
Technik.
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2 veranschaulicht
ein Ultraschallsystem entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung.
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3 veranschaulicht
ein Flussdiagramm von Verarbeitungsschritten gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung.
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4 veranschaulicht
ein Führungsbild
entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung.
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Entsprechend
der üblichen
Praxis sind die verschiedenen beschriebenen Merkmale nicht maßstabsgetreu
eingezeichnet, sondern derart veranschaulicht, dass spezielle Merkmale,
die im Hinblick auf die Erfindung relevant sind, hervorgehoben sind.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente überall in
den Figuren und in dem Text.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bevor
das spezielle Verfahren und die spezielle Vorrichtung in Einzelheiten
beschrieben werden, die eine Erzeugung eines Führungsbildes zur Verwendung
während
einer Ultraschallbildgebung betreffen, sollte beachtet werden, dass
die vorliegende Erfindung in erster Linie in einer neuen und nicht
naheliegenden Kombination von Elementen und Prozessschritten beruht.
Um die Offenbarung nicht mit Einzelheiten zu füllen, die für einen Fachmann auf dem Fachgebiet
ohne weiteres offensichtlich sind, sind bestimmte herkömmliche
Elemente und Schritte weniger detailliert dargestellt, während die
Zeichnungen und die Beschreibung in größeren Einzelheiten andere Elemente
und Schritte veranschaulichen bzw. beschreiben, die dem Verständnis der
Erfindung dienen.
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Die
dargestellten Ausführungsformen
sollen keine Beschränkungen
in Bezug auf die Strukturen, Elemente oder verfahren der Erfindung
definieren, sondern lediglich beispielhafte Konstruktionen bereitstellen. Die
Ausführungsformen
sind eher optional als obligatorisch und eher veranschaulichend
als erschöpfend.
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Da
Ultraschallscanner kostengünstiger
werden, werden sie in zunehmend mehreren Anwendungen eingesetzt
und durch weniger erfahrene Benutzer verwendet. Eine Durchführung des
Scanns ist deutlich erleichtert, und es werden bessere Ergebnisse
erzielt, wenn sich der Bediener ein 3D-Abbild von dem relevanten anatomischen
Objekt (Quellenobjekt) und seiner Umgebungsobjekte machen kann.
Erfahrene Scannerbediener können
sich gewöhnlich
das Quellenobjekt oder Quellenvolumen im Geiste vorstellen, wobei
jedoch eine derartige Vor stellung für unerfahrene Benutzer problematisch
sein kann, was möglicherweise
zu Bildern mit schlechter Qualität
oder Bildern führen
kann, die wichtige anatomische Merkmale des Quellenvolumens auslassen.
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Um
einen größeren Einsatz
der Scanner, insbesondere unter Bedienern, denen ein detailliertes
Training fehlt und die gegebenenfalls nicht in der Lage sind, sich
das Quellenvolumen vorzustellen, zu unterstützen, ist es erwünscht, den
Bediener mit einer Führung
zu der während
des Scannprozesses beschallten Region zu versehen. Insbesondere
hat eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung den technischen Effekt, dass ein 3D-Führungsbild
oder -abbild (Map) des Quellenvolumens angezeigt wird und während des
Bildgebungsprozesses die momentane Scannebene auf dem 3D-Abbild
bzw. -Map angezeigt wird, wodurch dem Benutzer ermöglicht wird,
sich die momentane Scannebene in Bezug auf die zu beschallende Region
vorzustellen.
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In
einer Ausführungsform
enthält
das 3D-Map oder Führungsbild
Kennzeichnungen oder Markierungen, die die Stelle wichtiger anatomischer
Merkmale in dem abgebildeten Volumen anzeigen. Die Kennzeichnungen
sollen den Bediener während
des Scannprozesses unterstützen
und sicherstellen, dass die gewünschten
Merkmale abgebildet werden. Vorzugsweise findet die Erfindung eine
Anwendung auf die Abbildung abdominaler Organe oder auf andere Bildgebungsszenarios,
bei denen das Quellenvolumen sich nicht in dauernder Bewegung befindet,
da es nicht möglich
sein kann, ein akzeptables 3D-Führungsbild
eines sich bewegenden Quellenvolumens, wie beispielsweise des Herzens,
zu erzeugen.
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In
einer Ausführungsform
weist das angezeigte 3D-Führungsbild
oder -Map ein eine verhältnismäßig niedrige
Auflösung
aufweisendes, teiltransparentes, stetiges Renderingbild auf. Die
momentane Scannebene ist auf dem Bild überlagert, wodurch dem Bediener
ermöglicht
wird, eine Bewegung der Wandlersonde zu steuern um sicherzustellen,
dass die gewünschten
Quellenvolumenregionen während
des Scannprozesses beschallt werden.
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Um
das Führungsbild
zu erzeugen, lässt
der Bediener die Bildebene durch das Abtastvolumen (freihändig) streifen,
indem er die Wandlersonde (z. B. ein Wandlerarray) mit einer überstreichenden
Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit von Hand bewegt. Jeder Bildscann,
der während
dieses manuellen Überstreichens
oder Abtastens akquiriert wird, erzeugt einen Querschnitt oder eine
Ebene durch das Quellenvolumen (z. B. ein Körperorgan). Durch Bewegung
der Sonde mit einer konstanten Geschwindigkeit (in dem praktikablen
Maße)
stellt der Bediener sicher, dass die einzelnen Bildebenen parallel
zueinander liegen. Es ist zu beachten, dass während eines normalen Ultraschalldiagnostikscanns
der Bediener gewöhnlich
die Sondengeschwindigkeit verändert,
um gewünschte
Bilder zu erfassen, wobei er die Sonde verschwenken kann. Eine derartige
Verschwenkung der Sonde erzeugt eine Bildebene, die eine oder mehrere
der durch die konstante überstreichende
Bewegung aufgenommenen parallelen Ebenen unter einem Winkel, der
durch das Maß der
Verschwenkung bestimmt ist, schneidet. Die akustischen Antworten
von dem freihändigen Überstreichen
der Bildebene werden in der nachstehend beschriebenen Weise verarbeitet,
um einen 3D-Datensatz
zu erzeugen, der das freihändig
gescannte Quellenvolumen kennzeichnet.
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In
einer Ausführungsform
wird ein 3D-Datensatz, der das freihändig gescannte Quellenvolumen
kennzeichnet, durch Verarbeitung der Rücklaufechos unter Verwendung
einer Speckle-Korrelationsmethode erzeugt. Es ist bekannt, dass
die Rücklaufechos
von dem rückstreuenden
Volumen (der beschallten Region des Quellenobjektes), die als Reaktion
auf den gebündelten
Empfang der ausgesandten akustischen Welle erzeugt werden, ein Muster
aus zeitinvarianten konstruktiven und destruktiven Interferenzregionen
bilden, das als Specklemuster bezeichnet wird. Die Rücklaufechos
von dem Streuvolumen werden in Abhängigkeit von der Lage der Echostelle
korreliert, weil sie die charakteristische Wechselwirkung des Streuvolumens
mit der ausgesandten akustischen Energie repräsentieren.
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Wenn
sich die Bildebene bewegt (d. h. der Bediener die Wandlerarraysonde
entlang führt),
wird ein neues Specklemuster erzeugt, wobei Bereiche des neuen Specklemusters
mit entsprechenden Bereichen der vorherigen Specklemuster korreliert
werden. Dieser kontinuierliche Korrelationsprozess verfolgt die
Bildebene durch den Raum, um aufeinanderfolgende Bildebenen zuzuordnen.
Durch Korrelation ähnlicher
Bereiche in den Paaren von 2D-Bildebenen kann der Winkel und der
Versatz zwischen zwei Scannebenen bestimmt werden. Der Korrelationsprozess
registriert dadurch die Folge von gescannten 2D-Bildebenen zu einem
Datensatz (d. h. einem 3D-Datensatz),
der das freihändig
gescannte Volumen kennzeichnet. Der auf diese Weise erzeugte registrierte
Datensatz ist im Allgemeinen nicht in gleichmäßiger Weise im Raum abgetastet
und kann zur weiteren Verarbeitung auf ein regelmäßiges Abtastgitter
interpoliert werden.
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Der
3D-Datensatz wird in ein freihändiges
Scannmodell, beispielsweise ein deformierbares Modell mit „geringen
Massen" umgewandelt,
das die Größe und Gestalt
des freihändig
gescannten Quellenvolumens beschreibt. Eine Technik zur Erzeugung
des Modells aus dem Datensatz umfasst eine Erzeugung eines Potentialfeldes,
wie vorstehend beschrieben, in Abhängigkeit von dem 3D-Datensatz.
Das Potentialfeld wirkt dann auf eine Modelloberfläche ein,
um die Modelloberfläche
an das Potentialfeld und somit an die Gewebegrenzflächen, die
in dem 3D-Datensatz vorhanden sind, anzugleichen. In einer Ausführungsform
weist der Prozess der Anpassung des freihändigen Scannmodells an den
Datensatz ferner eine morphologische Filterung oder einen sonstigen
Glättungsprozess
auf, um den Speckleeffekt in dem 3D-Datensatz zu reduzieren. Wie
für einen
Fachmann allgemein bekannt, können
andere Modelle und Modellierungstechniken verwendet werden, um den
3D-Datensatz in ein Modell zu transformieren, das die Größe, Form
und Ausrichtung des freihändig gescannten
Volumens richtig erfasst.
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Um
das durch das freihändige
Scannmodell gekennzeichnete Quellenvolumen (z. B. Körperorgan)
zu identifizieren, ist eine Sammlung oder ein Archiv von potentiellen
statischen Kandidatenformmodellen vorgesehen. Diese statischen Modelle
weisen Punkte auf, die durch Verbindungssegmente miteinander verbunden sind.
Jedes Modell weist eine feste Form auf und ist über seiner Oberfläche relativ
fein abgetastet, um eine genaue Identifizierung des Formmodells
mit der besten Einpassung mit dem freihändigen Scannmodell sicherzustellen.
Jedes Formmodell enthält
ferner eine Identifizierung der wichtigen anatomischen Merkmale
des zugehörigen
Organs, die gemeinsam mit dem Führungsbild
angezeigt werden kann.
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Das
freihändige
Scannmodell wird mit den Kandidatenformmodellen verglichen, um das
Modell mit der höchsten
Korrelation zu bestimmen. Das Modell mit der höchsten Korrelation wird ausgewählt und
dient als das Führungsbild.
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Gemäß einer
Ausführungsform
umfasst der Vergleichsprozess eine Bestimmung des Formmodells, das
mit dem freihändigen
Scannmodell eine minimale Potentialenergiedifferenz hervorbringt.
Dies bedeutet, dass jedes Formmodell in der Sammlung (Datenbank)
ein Potentialfeld hervorruft, das auf das freihändige Scannmodell einwirkt.
Das Potentialfeld, das die geringsten Modifikationen an dem freihändigen Scannmodell verursacht,
ist das Formmodell mit der besten Einpassung (das Best-Fit-Formmodell).
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird der Maßstab
des freihändigen
Scannmodells modifiziert, um seine skalierten Versionen zu erzeugen,
wobei jede resultierende skalierte Version mit der Sammlung von
Kandidatenformmodellen verglichen wird, um das Modell mit der besten
Einpassung aufzufinden. Alternativ ist das freihändige Scannmodell in einer
anderen Ausführungsform
unveränderlich,
während
das Archiv mit den Formmodellen für jedes Modell unterschiedliche
Skalierungen (Größen) enthält.
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Gemäß einer
noch weiteren Ausführungsform
sind in der Sammlung bzw. dem Archiv mehrere Formmodelle enthalten,
die jeweils eine andere Drehausrichtung aufweisen. Diese Ausführungsform
kompensiert insbesondere die Winkelausrichtung des freihändigen Scannmodells
aufgrund des Winkelversatzes der Wandlersonde während des freihändigen Scannvorgangs.
Da jedoch der Bereich von Winkeln, unter denen das Quellenvo lumen
während
des freihändigen
Scanns beschallt werden kann, beschränkt ist, sollte lediglich eine entsprechend
begrenzte Anzahl von Quellenvolumendrehausrichtungen für jedes
Formmodell enthalten sein.
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In
einigen Fällen
werden die Form und die Größe eines
Archivmodells korreliert, wobei dieses Merkmal in dem Korrelationsprozess
integriert sein kann. Beispielsweise kann ein gescanntes Quellenvolumen,
das als eine sehr große
Niere erscheint, tatsächlich
eine medial platzierte einzelne Niere sein, die einen bekannten Geburtsdefekt
darstellt. Eine derartige Niere ist viel länglicher als eine normale Niere
und erfordert folglich ein besonderes, eindeutiges Archivmodell.
Jedoch muss es in denjenigen Situationen, in denen die Größe und die Form
des Modells miteinander korreliert werden, nicht unbedingt erforderlich
sein, sowohl die Modellgestalt als auch die Modellgröße mit dem
freihändigen
Scann zu vergleichen. Es muss nicht unbedingt erforderlich sein, das
längliche
Nierenmodell mit irgendwelchen freihändigen Scannbildern zu vergleichen,
die kleiner sind als eine vorbestimmte Größe, weil derartige freihändige Scannbilder
die längliche
Niere nicht repräsentieren
können.
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Das
aus dem Datensatz ausgewählte
Formmodell wird dem Bediener angezeigt, so dass es ihm als ein Führungsbild
während
eines nachfolgenden Analysescanns des Objekts dient. Vorzugsweise
wird das Führungsbild
in Form eines 3D-Renderingbildes,
einschließlich
eines Ortshinweises bzw. einer Stellenkennzeichnung für jedes
seiner wichtigsten Merkmale, angezeigt. Siehe das Führungsbild 250 in 4,
das Kennzeichnungen 252 aufweist.
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Wenn
der Bediener das Quellenvolumen erneut scannt, um das Ultraschallbild
für eine
Analyse zu erzeugen, wird in dem 3D-gerenderten Führungsbild 250 eine
momentane Scannebene 254 angezeigt, die dem Bediener hilft,
die Lage der momentanen Scannebene in Bezug auf das Quellenvolumen
zu bestimmen. Die Kennzeichnungen 252 führen den Bediener um sicherzustellen,
dass wichtige anatomische Merkmale des Quellenvolumens beschallt
werden. Wenn der Bediener das Wandlerarray führt, um die Scannebene zu verschieben,
bewegt sich das Scannebenenbild 254 relativ zu dem 3D-Führungsbild 250,
so dass andere Merkmalskennzeichnungen 252 in Abhängigkeit
von der Lage der Scannebene auf dem 3D-Bild angezeigt werden. Vorzugsweise
wird das angezeigte 3D-Führungsbild 250 in
Form eines glatten teiltransparenten Modells mit einer verhältnismäßig geringen
Auflösung
dargestellt.
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Um
die momentane Scannlinie in Bezug auf das 3D-Führungsbild zu lokalisieren
und die Ebene auf dem Bild festzulegen, werden Echoantworten von
dem momentanen Scann mit dem 3D-Bild korreliert, das aus den während des
freihändigen
Scanns erfassten Echos konstruiert worden ist. Eine Korrelationsspitze
zeigt die Lage des momentanen Scanns auf dem 3D-Renderingbild an.
Wenn der momentane Scann mit Echos aus dem freihändigen Scann nicht korreliert,
wird die momentane Scannebene nicht auf dem Führungsbild angezeigt.
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Es
ist bekannt, dass eine ungleichförmige
Bewegung der Wandlersonde während
des freihändigen Scanns
(beispielsweise eine Änderung
der Sondengeschwindigkeit) zu Störungen
in dem 3D-Datensatz führen
kann. Diese Störungen
können
während
des Speckle-Korrelationsprozesses kompensiert werden, um aus dem
freihändigen
Scann einen genauen Datensatz zu erzeugen, wodurch die Wahrscheinlichkeit
dafür,
dass das richtige Formmodell ausgewählt wird, erhöht wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform
weist die Datenbank mit Kandidatenformmodellen Eingaben auf, die
verzerrte Formmodelle enthalten, d. h. Formmodelle, die durch übliche Verzerrungen
gebildet sind, die beispielsweise durch die ungleichförmige Bewegung
der Wandlersonde während
des freihändigen
Scanns hervorgerufen sind.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform
weist die Datenbank Formmodellkandidaten auf, die verschiedene übliche physiologische
Formen für
das gerade untersuchte Quellenvolumen wiedergeben. Somit kann das
aus dem Datensatz ausgewählte
Modell mit lediglich einer Maßstabsänderung
als Reaktion auf die Ergebnisse des freihändigen Scanns angezeigt werden.
Wenn unterschiedliche Formmodelle enthalten sind, kann dies eine
leichtere und genauere Korrelation des freihändigen Scannmodells mit den
Kandidatenformmodellen in der Datenbank ermöglichen.
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2 veranschaulicht
ein Ultraschallbildgebungssystem 50, auf das die Lehre
der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann. Das System 50 enthält eine
Sonde 54, die ferner mehrere Ultraschallwandler 58 zum
Aussenden und Empfangen von Ultraschallenergie während eines Scanns eines Objektes 62 enthält. Ein
die Lehre einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwirklichender Prozessor 66 verarbeitet Rücklaufechos,
die durch die Wandler 58 empfangen werden, um ein Bild 70 auf
einer Anzeige 74 aufzubauen. Der Prozessor 66 erzeugt
das Bild auf der Basis der Rücklaufechos
und durch Auswahl eines am besten passenden Formmodells, wie dies
vorstehend beschrieben ist.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm unter Veranschaulichung von Schritten, die einer
Ausführungsform
der Erfindung zugeordnet sind. In Schritt 200 werden das
Quellenvolumen und Umgebungsregionen durch den Bediener freihändig gescannt.
Die Rücklaufechos
werden in Schritt 202 verarbeitet, wobei der resultierende Datensatz
in Schritt 204 einen 3D-Datensatz hervorbringt. In Schritt 205 wird
aus dem 3D-Datensatz ein freihändiges
Scannmodell abgeleitet, und dieses wird in Schritt 206 mit
mehreren Kandidatenformmodellen verglichen. In den nachfolgenden
Schritten 210 und 214 wird das Kandidatenformmodell,
das mit dem Datensatz die höchste
Korrelation aufweist, ausgewählt
und vorzugsweise in Form eines teiltransparenten 3D-Bildes mit verhältnismäßig geringer
Auflösung
angezeigt.
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Der
Bediener führt
einen genauen Neuscann des Quellenvolumens aus, wie dies in Schritt 216 angezeigt
ist. In Schritt 218 wird die momentane Scannebene in Bezug
auf das angezeigte Formmodell bestimmt, und diese wird in Schritt 222 gemeinsam
mit der Formmodellanzeige dargestellt. Die Rücklaufechos von dem genauen
Neuscann werden verarbeitet, um ein typisches Ultraschallbild zu
erzeugen, das gesondert von der Formmodellanzeige angezeigt wird.
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Fachleute
auf dem Fachgebiet werden erkennen, dass eine Vorrichtung, wie beispielsweise
ein Datenverarbeitungssystem, das eine CPU, einen Speicher, eine
Ein-/Ausgabe, einen Programmspeicher und andere geeignete Komponenten
enthält,
programmiert oder in sonstiger Weise gestaltet werden könnte, um
die Ausführungsformen
des Verfahrens gemäß der Erfindung
zu implementieren. Ein derartiges System enthält geeignete Programmmodule
zur Ausführung
der Verfah ren dieser Ausführungsformen.
Außerdem
wird der Fachmann erkennen, dass die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung im Zusammenhang mit anderen Computersystemkonfigurationen
ausgeführt
werden können,
zu denen tragbare Vorrichtungen, Multiprozessorsysteme, eine Mikroprozessor
basierte oder programmierbare anwendungsspezifische Elektronik,
Minicomputer, Großrechner
und dergleichen gehören.
Die Ausführungsformen
können
ferner in einer verteilten Rechenumgebung ausgeführt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthält
ein Herstellungsartikel, wie beispielsweise eine im Voraus aufgenommene
Disk oder ein sonstiges ähnliches
Computerprogrammprodukt zur Verwendung mit dem Datenverarbeitungssystem
ein Speichermedium und ein auf diesem aufgezeichnetes Programm zur
Leitung des Datenverarbeitungssystems, um die Ausführung der
erfindungsgemäßen Verfahren
zu ermöglichen.
Derartige Vorrichtungen und Herstellungsartikel fallen in den Rahmen
und Schutzumfang der Erfindung.
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Die
Erfindung ist in dem allgemeinen Kontext der von einem Computer
ausführbaren
Instruktionen, wie beispielsweise Programmmodule, die durch einen
Computer ausgeführt
werden, beschrieben worden. Im Allgemeinen enthalten Programmmodule
Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen, etc., die
bestimmte Aufgaben oder Tasks ausführen oder bestimmte abstrakte
Datentypen implementieren. Beispielsweise können die Softwareprogramme,
die der Erfindung zugrunde liegen, in unterschiedlichen Sprachen,
zur Verwendung mit unterschiedlichen Verarbeitungsplattformen kodiert
sein.
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Obwohl
die erfindungsgemäßen Ausführungsformen
in Bezug auf eine Abbildung von Körperorganen beschrieben worden
sind, ist die Lehre auf andere volumetrische Objekte anwendbar.
Während
die verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
beschrieben worden sind, das momentan als eine bevorzugte Ausführungsform
betrachtet wird, erschließen
sich einem Fachmann viele Varianten und Modifikationen. Demgemäß soll die
Erfindung nicht auf die speziell zur Veranschaulichung angegebenen
beispielhaften Ausführungsformen
beschränkt
sein, sondern in dem vollen Rahmen und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche ausgelegt
werden.
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Diese
Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform,
zu offenbaren und auch um einen Fachmann in die Lage zu versetzen,
die Erfindung auszuführen
und zu verwenden. Der patentschutzfähige Umfang der Erfindung ist durch
die Ansprüche
definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die einem Fachmann
einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang
der Ansprüche
liegen, wenn sie strukturelle Elemente oder Prozessschritte aufweisen,
die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn
sie äquivalente
strukturelle Elemente oder Prozessschritte mit unwesentlichen Unterschieden
zu dem Wortsinn der Ansprüche
enthalten.
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Es
ist ein Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Führungsbildes 250 eines
während
eines Ultraschallscanns zu scannenden Objektes beschrieben. Das
Verfahren weist eine Beschallung des Objektes 200, einen
Empfang von Rücklaufechos
von dem Objekt 202, eine Verarbeitung der Rücklaufechos
zur Erzeugung eines das Objekt kennzeichnen den Datensatzes 204/205,
einen Vergleich des Datensatzes mit mehreren Formmodellen 206,
eine Auswahl eines Best-Fit-Formmodells
in Abhängigkeit
von dem Vergleichsschritt 214 und eine Anzeige des Best-Fit-Formmodells
als das Führungsbild 214 auf.
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- 8
- Objektmodell
- 10
- Punktmasse
- 12
- Starrer
elastischer Stab
- 50
- Ultraschallsystem
- 54
- Sonde
- 58
- Ultraschallwandler
- 62
- Objekt
- 66
- Prozessor
- 70
- Bild
- 74
- Anzeige
- 200–222
- Schritte
- 250
- Führungsbild
- 252
- Hinweise,
Kennzeichnungen
- 254
- Scannebene