-
ERFINDUNGSGEBIET
-
Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf die medizinische diagnostische
Ultraschallbildgebung und speziell auf die Verwendung von verformbaren
Modellen in Verbindung mit der Ultraschallbildgebung.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Ein
konventionelles Ultraschallbildgebungssystem umfasst eine Anordnung
von Ultraschallwandlern, die während eines Übertragungsmodus
eine Ultraschallwelle (eine transiente Druckwelle) übertragen
und während eines Empfangsmodus eine reflektierte Welle
empfangen, welche von einem untersuchten Objekt zurückgeworfen
wird. Das räumliche Antwortsignal auf diese Ultraschallwelle
wird als Ultraschallstrahl bezeichnet. Im Allgemeinen besteht der
gesamte (Zweiweg-)Strahl aus einer Kombination von zwei separaten
Strahlen: einem Übertragungsstrahl, welcher der Grad darstellt,
zu dem Energie im Objekt gespeichert wird, und einem Empfangsstrahl,
der ein Systemantwortsignal auf Echos darstellt, die ihren Ursprung
an verschiedenen Punkten im Raum haben. Die Signale, die von den
Wandlern, welche auf die empfangene Druckwelle ansprechen, generiert
werden, werden verarbeitet, und die Ergebnisse werden in Form eines
visuellen Bildes des Objekts angezeigt.
-
Die
Anordnung umfasst typischerweise eine Vielzahl von Wandlern, die
als lineare Anordnung oder Zeile konfiguriert sind, wobei jeder
Wandler während des Übertragungsmodus durch eine
separate Signalspannung angetrieben wird. Durch die Auswahl einer
Zeitverzögerung (in Relation zu einer Referenzzeit) für die
Signalspannung, der jeder Wandler ausgesetzt wird, wird die Richtung
der Ultraschallstrahlenergie reguliert, welche von den einzelnen
Wandlern übertragen wird. Zusätzlich kann die
Regulierung der Amplitude der auf jeden Wandler angewendeten Signalspannung
verwendet werden, um die in den Seitenkeulen des Ultraschallstrahls
vorhandene Energie zu senken.
-
Durch
die Regulierung der Zeitverzögerung wird die von den Wandlern
emittierte Ultraschallenergie gesteuert, so dass eine Gesamt-Ultraschallwelle
erzeugt wird, die in eine gewünschte Richtung entlang des Objekts
wandert (also das Objekt abtastet) oder entlang einer Abtastlinie
(die auch als A-Line bezeichnet wird) wandert, wobei die Energie
auf einen ausgewählten Punkt der Abtastlinie fokussiert
ist. Das heißt, dass die Übertragungsenergie von
der Wandleranordnung ausgehend auf einen festen Bereich (festen
Brennpunkt) fokussiert oder konzentriert ist, so dass in diesem
Bereich die maximale Energie vorhanden ist. In anderen Bereichen
(Abständen von der Wandleranordnung) ist die Energie zu
einem geringeren Grad lokalisiert, so dass ein breiterer Strahl
entsteht. Obwohl die Energie so an nur einem einzigem Punkt der
Abtastlinie fokussiert ist, kann die Energie an den folgenden Punkten
(den Punkten, die eine Brennpunktzone bilden) ausreichend sein, um
einen reflektierten Strahl zu erzeugen, der verarbeitet werden kann,
um ein Bild mit ausreichend lateraler Auflösung zu erzeugen.
-
Dieselben
Prinzipien der Strahlenkombination werden angewendet, wenn die Wandler
die reflektierte Ultraschallenergie von der Abtastlinie empfangen.
Die Spannungen, die an den empfangenen Wandlern erzeugt werden,
werden auf kontrollierbare Weise verzögert und summiert,
so dass die empfangene Gesamt-Signalantwort in erster Linie die
Ultraschallenergie darstellt, die von einer einzigen Brennpunktzone
entlang der Abtastlinie des Objekts reflektiert wird.
-
Um
ein zweidimensionales oder planares Bild des Objekts zu generieren
(und um zu erkennen, dass im Nahfeld die Ultraschallbildgebung erfolgt),
sind die Wandler während des Empfangsmodus dynamisch auf nachfolgende
Bereiche (Tiefen in das abgetastete Objekt hinein), die von der
Wandleranordnung ausgehend entlang der Abtastlinie verlaufen, fokussiert,
während die reflektierten Ultraschallwellen empfangen werden. Der
fokussierte Bereich beruht auf der Zeit, die die Ultraschallimpulse
zum Hin- und wieder Zurückwandern benötigen. Durch
die Regulierung der mit jedem Wandler verbundenen Zeitverzögerung
wird die empfangene Energie auf den gewünschten Zeitvarianz-Bereich
oder die gewünschte Tiefe fokussiert. Solch eine dynamische
Fokussierung des Empfangsmodus erzeugt ein verwendbares Antwortsignal
am Brennpunkt und einem Bereich von Abständen in der Nähe
des Brennpunktes. Der Bereich, über dem die Zweiwegantwort
des Systems gut fokussiert ist, wird als die Feldtiefe bezeichnet.
Außerhalb der Feldtiefe wird die Bildqualität
beeinträchtigt und die Reflexionen sind nicht für
die Erzeugung des Bildes verwendbar.
-
Wie
man erkennen kann, kann durch die unmittelbaren Strahlsteuerungs-
und Signalkombinationsfähigkeiten der linearen Wandleranordnung
nur ein 2D-Bild des Objekts erzeugt werden, wobei sich das Bild
in der normalen Ebene der Anordnungsoberfläche befindet
und die Zentren der Anordnungselemente enthält.
-
Das
planare zweidimensionale Bild, das von der standardmäßigen
linearen Wandleranordnung erzeugt wird, kann typischerweise für
Zehntel von Malen pro Sekunde aktualisiert werden. Die Aktualisierungsrate
wird durch die Zeit eingeschränkt, die der übertragene
Ultraschallimpulse benötigt, um zum weitesten Bildbereichspunkt
und wieder zurück zu wandern (die Rundumlaufwanderzeit).
Bei einer Echokardiogramm-Anwendung bestimmt zum Beispiel die Aktualisierungsrate
(die auch als Frame-Rate bezeichnet wird) die Genauigkeit, mit der
die Bewegung des Herzens abgebildet werden kann. Eine Frame-Rate
von ungefähr 30 Frames pro Sekunde erzeugt den Effekt der
Echtzeit-Bewegung, wozu auch die Echtzeit-Bewegung des Herzens gehört.
Höhere Frame-Raten sind nur in besonderen diagnostischen
Situationen erforderlich.
-
Die
Impulswanderzeit (und daher die Frame-Rate) hängt ferner
von der Schallgeschwindigkeit durch das abgebildete Gewebe ab. Geht
man von einem typischen 70-Grad-Sektorbild aus, das 128 separate
Ultraschallabtastlinien umfasst, die bis zu einer Tiefe von 10 Zentimetern
abgebildet werden, muss das Zeitintervall zwischen nachfolgenden
Bild-Frames (Frame-Aktualisierungen) lang genug sein, als dass der
Schallimpuls die folgende Strecke wandern kann: 128 × 10
cm × 2 = 2560 cm = 25,600 mm.
-
Die
Schallgeschwindigkeit beträgt in Gewebe etwa 1,54 mm/μsec,
daher müssen mindestens 16,62 Millisekunden für
die Erfassung der Daten eingeräumt werden, um in der beispielhaften
Anwendung einen einzigen Frame zu konstruieren. Da bei einer Frame-Rate
von 30 Frames pro Sekunde zur Erfassung jeder Frame 33,3 Millisekunden
zur Verfügung stehen, können in dem beispielhaften
Szenario leicht Bilder bei der gewünschten Rate von 30
Frames/Sekunde generiert werden.
-
Bestimmte
Ultraschallbildgebungssysteme generieren mehrere Übertragungsbrennpunktzonen,
d. h., hier ist der Übertragungsstrahl während
des Übertragungsmodus auf verschiedene Bereiche fokussiert.
Durch diese Praxis kann die Frame-Aktualisierungsrate eingeschränkt
werden. Ultraschallbilder werden erzeugt, indem die reflektierte
Energie von mehreren Brennpunktzonen zu einem einzigen Bild (oder
Frame) kombiniert wird, das in allen Bereichen fokussiert ist. Die
Verwendung solcher multipler Übertragungsbrennpunktzonen erfordert,
dass während jeder Bildabtastung in jeder beschallten Richtung
mehrere Strahlen gebildet werden, wobei unter Umständen
die Reduktion des Frames unterhalb der gewünschten 30 Frames
pro Sekunde erforderlich ist.
-
Dreidimensionale
Echtzeit-Ultraschallbilder (die als 4D-Bilder bezeichnet werden)
werden in einer planaren Wandleranordnung erzeugt, wobei jedes Echtzeit-Bildframe
ein volumetrisches 3D-Bild umfasst. Solche Bilder sind gängigerweise
für Geburtshilfe-Anwendungen erzeugt und angezeigt worden.
In letzter Zeit sind solche Bilder bei der Echokardiologie eingeführt
worden.
-
Obwohl
es erwünscht ist, dass solche volumetrischen 3D-Bilder
in Kardiologie-Anwendungen verwendet werden, steht aufgrund der
Einschränkungen der Frame-Raten bei der Echtzeit-3D-Bildgebung
nicht ausreichend Zeit zur Verfügung, um das gesamte Herzvolumen
(auch als Quellenvolumen bezeichnet) zu beschallen, die Echos zu
empfangen und zu verarbeiten und anhand von ihnen das Echtzeit-Bild
zu reproduzieren. Man nehme zum Beispiel an, dass es in einem 3D-Bild
gewünscht ist, 128 Ebenen mit 128 Linien pro Ebene abzubilden,
um das gewünschte Bildvolumen zu erzeugen. Die Erfassung
von 16,384 (128 × 128) Linien von Ultraschalldaten bis
zu einer Tiefe von 10 cm erfordert mehr als zwei Sekunden. Demnach
kann die gewünschte Frame-Rate von 30 Frames pro Sekunde
nicht aufrechterhalten werden.
-
Um
den Erfassungszeitnachteil zu überwinden und Informationsanzeigen
zu erzeugen, die mit 2D-Bildern vergleichbar sind, ist [das Vorgehen]
bekannt, anstelle von volumetrischen Echtzeit-3D-Bildern Zweiebenen-Bilder
zu erzeugen. In diesem Anzeigemodus werden zwei orthogonale Ebenen
beschallt und die resultierenden Bilder angezeigt. Diese zwei Bilder
können leicht unter Verwendung einer planaren Anordnung
erzeugt werden, da die Anordnung in eine beliebige Richtung strahlgesteuert
werden kann, während sie nur zweimal so viele Ultraschalllinien
wie das Standardbild erfordert. So kann die gewünschte
hohe Frame-Rate erzielt werden. Mit einiger Übung kann
ein Bediener ein 3D-Bild des Herzens mental anhand der beiden Zweiebenen-Bilder
konstruieren, doch für einen Neuling oder einen gelegentlichen
Benutzer ist dies ausgesprochen schwierig.
-
Es
ist auch bekannt, dass die Ultraschallbildgebungs-Erfassung mithilfe
von Strahlenbündelung beschleunigt werden kann. Gemäß dieser
Vorgehensweise wird ein einziger, breiter Hauptkeulen-Übertragungsstrahl
geformt, und mehrere parallele Empfangsstrahlen zeichnen die Echos
auf, die von der akustischen Energie im Hauptstrahl generiert werden.
Wenn für jeden Übertragungsstrahl N Empfangsstrahlen
vorhanden sind, wird der Prozess als N-zu-1-Strahlbündelung
bezeichnet. Das resultierende Zweiweg-Antwortsignal ist das Produkt
aus Empfangsstrahl und Übertragungsstrahl. Wenn das Empfangsstrahl-Muster
vollständig innerhalb der Hauptkeule des Übertragungsstrahls
liegt, besteht das Gesamtantwortsignal einfach aus dem Empfangsstrahl-Muster,
da die Hauptkeulen-Übertragungsenergie relativ konstant
ist. Dies wird als Einweg-Strahlenmuster bezeichnet.
-
Die
Seitenkeulen-Energie des Einweg-Strahls ist im Allgemeinen höher
als die Seitenkeulen-Energie des Zweiweg-Strahlenmusters, bei dem
die Übertragungs- und Empfangs-Seitenkeulen in denselben
Richtungen auftreten und sich daher gegenseitig abschwächen.
-
Wenn
die Seitenkeulen-Energie des Einweg-Antwortsignals in Bezug auf
das maximale Einweg-Antwortsignal normalisiert wird, welches die
Spitze der Hauptkeule darstellt, dann sind die Produkte der Seitenkeulen
der Übertragungs- und Empfangsstrahlen (die einzeln Antwortsignale
von weniger als 1 sind) niedriger als die Seitenkeulen des Empfangsstrahls
allein. Obwohl die Seitenkeulen des Zweiweg-Strahlenmusters in dieselbe
Richtung verlaufen, ist das Zweiweg-Seitenkeulen-Antwortsignal in
Relation zu dem maximalen Hauptantwortsignal der Zweiweg-Strahlen
geringer.
-
Bei
einer Herangehensweise an die volumetrische Echokardiologie-Bildgebung
wird die Bilderfassung mit einem EKG (Elektrokardiogramm) synchronisiert,
wobei nur ein Viertel der volumetrischen 3D-Bildgebung während
jedes Herzzyklus erfasst wird, wobei 4-zu-1-Strahlbündelung
angewendet wird. Das heißt, dass während jedes
Herzzyklus drei Viertel des angezeigten Bildes einer Aufzeichnung
aus einem von drei vorhergehenden Herzzyklen stammen. Nur bei einem
Viertel des angezeigten Bildes handelt es sich um ein Echtzeit-Bild.
Obwohl diese Verfahrensweise bestimmte bekannte Nachteile aufweist,
ermöglicht sie die Erzeugung von Bildern bei einer adäquaten
Frame-Rate.
-
In
Anbetracht der derzeitigen Einschränkungen des Standes
der Technik besteht eindeutig der Bedarf an einer Technologie, durch
die unter Verwendung einer planaren Ultraschallanordnung eine Visualisierung
eines volumetrischen Herz-Bildes mit hoher Frame-Rate ermöglicht
wird.
-
Verformbare
Modelle sind auf diesem Gebiet bekannt und wurden als erstes bei
der Computeranimation verwendet, um realistische Bewegungen eines
elastischen Objekts zu erzeugen. Ein verformbares Modell bildet
elastische Objektoberflächen ab, indem miteinander verbundene
Masseelemente gemäß verschiedenen auf Physik oder
Geometrie beruhenden Techniken verwendet werden. Wie in 1 illustriert,
wird eine Objektoberfläche 8 in Form von Gittern
von Punktmassen 10 dargestellt. Jede Masse ist mittels
eines steifen elastischen Stabs 12 mit einer oder mehreren
benachbarten Massen verbunden, der eine Rückstellkraft
auf die verbundenen Massen ausübt, wenn er aus seinem Ruhezustand
gebogen, auseinander gezogen oder zusammengedrückt wird.
Auch andere Massen können durch andere beispielhafte Verbindungsstäbe
miteinander verbunden werden.
-
Die
Dynamik der Oberfläche
8 kann an jeder Masse durch
eine Kraftausgleichs-Gleichung wie die folgende definiert werden:
wobei x ein Positionsvektor
der Massen, m die Masse jedes Punktes oder Partikels, k eine viskose
Reibungskonstante (oft mit Null gewählt) und das Variationssymbol δE(x)
eine Rückstellkraft ist, die proportional zur lokalen Kurvatur
der Oberfläche an der Position der Punktmasse ist. Die
Punkte stellen den Vektorkomponenten folgende Zeitableitungen dar.
Die Variable x und die x-Punkt-Variablen sind Vektoren in einem
dreidimensionalen Raum, welche die momentanen Bedingungen (Position,
Geschwindigkeit, Beschleunigung, etc.) des Modells zu jedem beliebigen
Augenblick beschreiben. Im Allgemeinen sind die Zustandgleichungen,
durch welche das verformbare Modell definiert wird, von der Kraftausgleichs-Gleichung
abgeleitet und bestehen aus Zustandvariablen und ihren Ableitungen.
-
Diese
Gleichung bildet das Gleichgewicht der Kräfte ab, das aus
der Bewegung der Punktmassen, Rückstellkräfte,
die aus der Kurvatur der Oberfläche an der Position der
Punktmasse entstehen, und externen Kräfte, welche die Bewegung
des modellierten Objekts kontrollieren, resultieren. Für
die Computeranimations-Anwendung werden die externen Kräfte
von dem Animator spezifiziert. Bei der medizinischen Bildanalyse entstehen
die externen Kräfte aus einem Potentialfeld, das vom Bild
abgeleitet wird. Bei einem Ult raschallbild werden die Massen zum
Beispiel von Regionen des Bildes angezogen, die starke Echos abbilden,
werden aber nicht von dunklen Regionen des Bildes angezogen, die
relativ schwache Echos abbilden. Das heißt, dass die Echogröße
als ein Typ von Ladung betrachtet wird und die entgegengesetzt geladenen
Punktmassen der Bildergrenzen von ihnen angezogen werden.
-
Das
in der obigen Gleichung aufgeführte Modell ermöglicht,
dass die Zustandvariablen (z. B. Beschleunigung, Geschwindigkeit
und Position der Massen) sich in Reaktion auf die verschiedenen
Kräfte entwickeln, die auf sie einwirken. Diese Entwicklung
wird durch einen Diskretzeit-Berechnungsprozess simuliert, in dem
die Zeitkontinuitäts-Zustandsübergangsmatrix,
die mit der obigen Bewegungsgleichung im Zusammenhang steht, integriert
wird, so dass sie eine diskrete Zeitsystemmatrix bildet. Jedes Mal,
wenn eine Multiplikation des Zustandsvektors mit dieser Matrix durchgeführt
wird, können neue Informationen zur externen Kraft als
diskrete Zeitantriebsfunktion in die Berechnung aufgenommen werden.
Die Details solcher diskreter Zeitsysteme sind wohlbekannt. Es sei
zum Beispiel auf
"Digital Control of Dynamic Systems" von
G. F. Franklin und J. D. Powell verwiesen (Addison Wesley, 1980).
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein
Verfahren zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes eines Objekts.
Das Verfahren beinhaltet die Lieferung eines Modells des Objekts,
die Beschallung der Regionen des Objekts aus Quellenwandlern, die
außerhalb des Objekts liegen, den Empfang von Antwortechos
vom Objekt an Empfangswandlern, die außerhalb des Objekts
liegen, Verarbeitung der Antwortechos und Generierung eines Hybridbildes
des Objekts, welches Objektregionen umfasst, die auf das Modell
des Objekts ansprechen, und Objektregionen umfasst, die auf die
Antwortechos ansprechen.
-
Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein Ultraschallbildgebungsgerät
zur Erzeugung eines Bildes eines Objekts. Das Gerät beinhaltet
eine Vielzahl von Ultraschallwandlern zur Generierung von Ultraschallenergie,
zum Empfang von Echos vom Objekt und zur Generierung von Signalen,
die auf die Echos ansprechen, einen Prozessor zur Aktualisierung
von mindestens einem Abschnitt eines Objektmodells gemäß den
Signalen und ein Display zum Anzeigen eines Hybridbildes des Objekts,
das auf das Objektmodell anspricht, wozu auch der Abschnitt gehört,
der gemäß der Signale aktualisiert wurde.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die
vorliegenden Erfindungen können einfacher nachvollzogen
werden und ihre Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten werden
deutlicher, wenn die folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden
Erfindungen im Zusammenhang mit den Figuren gelesen wird, für
welche gilt:
-
1 illustriert
einen Abschnitt einer Oberfläche eines verformbaren Modells
gemäß dem Stand der Technik.
-
2 illustriert
ein Ultraschallsystem gemäß den Erkenntnissen
der Erfindungen.
-
3 illustriert
ein Flussdiagramm der Verarbeitungsschritte gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
-
Gemäß der
gängigen Praxis werden die verschiedenen beschriebenen
Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet, sondern werden
so abgebildet, dass sie spezifische für die Erfindungen
relevante Merkmale betonen. Dieselben Referenzzahlen bezeichnen
in den Figuren und im Text durchgehend dieselben Elemente.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNGEN
-
Vor
der detaillierten Beschreibung der speziellen Verfahren und des
Geräts, die mit der Verwendung der formierbaren Modelle
bei der 3D-Ultraschallbildgebung im Zusammenhang stehen, sollte
beachtet werden, dass die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindungen vor allem aus einer neuartigen und nicht offensichtlichen
Kombination der Elemente und Prozessschritte bestehen. Um die Entdeckung
nicht durch Details, welche für auf diesem Gebiet fachkundige
Personen offensichtlich sein werden, undeutlich zu machen, werden bestimmte
konventionelle Elemente und Schritte weniger detailliert dargelegt,
während andere Elemente und Schritte, die zum Verständnis
der Erfindungen beitragen, in den Zeichnungen und der Spezifizierung
detaillierter beschrieben werden.
-
Die
dargelegten Ausführungsformen sollen keinesfalls Einschränkungen
in Bezug auf die Strukturen, Elemente oder Verfahren der Erfindungen
definieren, sondern lediglich beispielhafte Konstruktionen vorstellen.
Die Ausführungsformen sind eher als zulässig statt
als obligatorisch und eher als illustrative denn als erschöpfend
anzusehen.
-
Bei
der Benutzung eines verformbaren Modells, das für die statische
Segmentierung eines Standbildes nach dem Stand der Technik verwendet
wird, ist die externe Antriebskraft, die vom Potentialfeld abgeleitet wird,
im Allgemeinen wichtiger als die Oberflächendynamik der
Modelle. Bei der medizinischen Bildanalyse entstehen die externen
Kräfte aus einem Potentialfeld, das von den akustischen
Echos, die von dem Objekt empfangen, abgeleitet und für
die Erzeugung des Bildes verwendet wird. Bei einem Ultraschallbild
werden die Massen des Modells zum Beispiel von den Regionen des
Bildes angezogen, die von starken Echos gebildet werden, und werden
nicht angezogen von dunklen Regionen des Bildes, welche relativ
schwache Echos abbilden. Demnach wird die Echogröße
als ein Typ von Ladung betrachtet und die entgegengesetzt geladen Punktmassen
des Objekts werden von ihr angezogen.
-
Die
Anwendung des verformbaren Modells auf die statische Segmentierungs-Anwendung
erfordert nur, dass die Endkonfiguration des Modells eine Gleichgewichtsposition
der Oberfläche in dem externen Potentialfeld darstellt,
welches durch das Bild generiert wird. Bei dem transienten Antwortsignal
des Modells kann es sich um ein beliebiges Antwortsignal handeln,
das dem Gestalter des Modells günstig erscheint. Das schnellste
Antwortsignal eines statischen Modells tritt auf, wenn die Modellpunkte
eine sehr niedrige Masse haben, wodurch die Effekte der Dynamik
des Objekts minimiert werden. (Bei diesem Typ von Antwortsignal werden
auch Überschwingen und die resultierenden Schwingungen,
die in linearen Systemen auftreten können, eliminiert.
Durch solche Schwingungen wird die Reaktion des Modells auf das
Potentialfeld tendenziell verlangsamt.) Tatsächlich handelt
es sich bei der fehlenden Berücksichtigung der Objektdynamik
bei dem verformbaren Modell einfach um ein Verfahren zum Erzielen
einer eingeschränkten optimalen Anpassung des Modells an
das Bild. Bei der Einschränkung handelt es sich um eine
Einschränkung in Bezug auf die Gleichmäßigkeit,
und diese wird durch die elastischen Rückstellkräfte
des Modells dargestellt. Die angestrebte Funktion ist eine Messung
der Anpassung des Modells auf das Bild, und sie wird durch das Potentialenergiefeld dargestellt,
wie es vom Bild abgeleitet wird. Dies ist auch beim Nachverfolgen
einer Oberfläche der Fall, wenn eine Sequenz von vollständigen
Bildern verwendet wird, da jedes Bild separat angepasst werden kann,
indem wahrscheinlich Einschränkungen verwendet werden,
die von Bildern abgeleitet sind, die zur ungefähr selben Zeit
aufgenommen worden sind, um eine gleichmäßige
Entwicklung der Modellsform innerhalb der Bildsequenz sicherzustellen.
-
Im
Gegensatz zu der Verwendung von verformbaren Modellen nach dem Stand
der Technik werden bei den vorliegenden Erfindungen Modellkomponenten
von nicht zu vernachlässigender Masse verwendet, so dass
sich die Form und Position des Modells beim Fehlen von externen
Kräften weiterhin entwickeln kann. Dadurch kann das Modell
die Bewegung des Herzens über kurze Zeiträume
nachverfolgen, wenn nur spärliche Bilddaten verfügbar
sind.
-
Bei
der Erzeugung eines 3D-Echtzeit-Ultraschallbildes eines Herzens
steht nicht genug Zeit zum Beschallen des gesamten Quellenvolumens
zur Verfügung, als dass vollständige 3D-Frames
mit einer ausreichend hohen Rate erzeugt werden könnten,
so dass die Herzbewegung abgebildet werden kann. Um diese Einschränkung
zu überwinden, wird bei einer Ausführungsform
der Erfindung ein animiertes Bild des Herzens (oder eines anderen
Quellenvolumens oder Objekts) auf der Grundlage von aktuell verfügbaren
(Echtzeit)-Bilddaten (die auf die Antwortechos von den beschallten
Regionen ansprechen) für einen Abschnitt des Quellenvolumens
gebildet, wobei die verbleibenden Abschnitte des Quellenvolumens
gemäß ihrem verformbaren Modell wiedergegeben
werden. So wird ein vollständiges 3D-Bild (das als Hybridbild
bezeichnet werden kann, da bestimmte Abschnitte des Bildes aus den
Echtzeitechos vom Objekt und andere Abschnitte in Reaktion auf das
verformbare Modell erzeugt werden.) bei der gewünschten
Frame-Rate erzeugt. Durch die Möglichkeit zum Anzeigen
von Echokardiologie-Herzbildern in Echtzeit bei einer gewünschten
Frame-Rate, wie sie von den vorliegenden Erfindungen geboten wird,
wird die Analyse des sich bewegenden Herzens und seiner Charakteristiken
ermöglicht, wozu die Form, Geschwindigkeit und Beschleunigung
gehört.
-
Das
gesamte verformbare Modell des Herzens umfasst damit verbundene
Modelle der inneren Herzkammern und des äußeren
Myokards. Jede Herzkammer hat auch ihr eigenes verformbar Submodell
mit geschlossener Oberfläche, wobei die Submodelle durch
elastische Konnektoren miteinander verbunden werden, um sicherzustellen,
dass sie das richtige räumliche Verhältnis zueinander
aufweisen. In einer Ausführungsform des Modells generieren
Bereiche der Echogenizität (Bereiche, die bei Beschallung
ein Antwortecho hervorbringen) zwischen den inneren (Kammer-) und
den äußeren (Herz)-Grenzen des Myokards kein Potentialfeld,
weil die Modell-Konnektoren zwischen den inneren und äußeren
Wänden dazu tendieren, die Wände so dünn
wie möglich zu machen. Aber die Echos von Myokardregionen
außerhalb des Raumes zwischen den inneren und äußeren
Wänden beeinflussen die Form und Position (Ausrichtung)
des Modells, so dass es mit den Bildinformationen übereinstimmt.
Die Echos aus Regionen innerhalb des Raums zwischen den inneren
und äußeren Wänden zeigen eine Form oder
Position an, die sich nicht von der vorliegenden Form oder Position
des Modells unterscheidet und daher nicht verarbeitet wird.
-
Die
Modell-Konnektoren ermöglichen die Erweiterung und Kontraktion
der Dicke der äußeren Herzwand, insbesondere in
der Region der Herzkammern. Der Gleichgewichtszustand des Modells
umfasst ein stark reflektierendes Material für die Modellregionen
des Myokards, so dass diese Regionen stark auf die Antwortechos
ansprechen.
-
Ein
verformbares Modell des Herzens kann aus vier geschlossen Oberflächen
bestehen, welche die inneren Wände der vier Herzkammern
darstellen, die in einer größeren geschlossen
Oberfläche eingeschlossen sind, welche den Außenbereich
des Herzens darstellt. Die einzelnen Oberflächen sind durch
steife elastische Elemente miteinander verbunden, die den Verbindungen
zwischen den einzelnen Massen der Oberflächen ähneln,
wie sie in 1 illustriert werden. Die Modelle
der rechten und linken Herzkammern werden durch relativ steife Konnektoren
miteinander verbunden, welche die relative Starrheit des ventrikulären
Herzseptums darstellen. Die Konnektoren zwischen den Herzkammermodellen
und dem äußeren Herzmodell sind elastischer, wodurch
es dem Myokard ermöglicht wird, seine Dicke mehr zu verändern
als dies beim Herzseptum der Fall ist. Die zwei Vorhofmodelle liegen
neben den beiden ventrikulären Modellen und sind über
diesen angeordnet.
-
Um
ein genaues Bild zu liefern, wird der Zustand des verformbaren Modells
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
durch die Bildrücklaufdaten von den mehreren Ultraschallabtastlinien
aktualisiert. In einer Ausführungsform wird das Modell
durch Antwortechos von jeder Abtastlinie aktualisiert. Eine Region
des Herzens (oder ein anderes Quellenvolumen) wird beschallt und
die Ultraschallecho-Daten werden von der Abtastlinie (oder im Fall
eines Mehrfachscans als ein Bündel von Abtastlinien) erfasst.
Die Rücklaufdaten werden in eine Darstellung umgewandelt,
die sich für eine Anwendung auf das Modell eignet, d. h.
eine Anwendung auf das Modell in Form eines Potentialfeldes oder
in Form einer Veränderung im Potentialfeld. Dieses neue
Feld übt einen Einfluss auf die Dynamik des Modells (z.
B. Position, Bewegung, Form der Massen und daher die Regionen und
Oberflächen mitsamt der Massen) durch die Modell-Zustandsgleichungen
aus, wie die Zustandsgleichung, die von der oben aufgeführten
Kraftausgleichsgleichung abgeleitet ist, wobei das Potentialfeld
als eine externe Kraft betrachtet wird, die auf die Modellmassen
ausgeübt wird und daher die Zustandsvariablen des Modells
beeinflusst.
-
Die
aktualisierten Bildinformation, die durch den Potentialfeldterm
auf das Modell angewendet werden, haben insbesondere einen unmittelbarem
Effekt auf die Zustandsvariablen, die mit den Massen des Quellenvolumens
(und der Regionen, welche diese Massen enthalten) im Zusammenhang
stehen, die sich während der Abtastlinie innerhalb der
abgebildeten Region oder räumlich nah zu dieser befinden.
Daher handelt es sich bei jeder Modellaktualisierung, die auf eine
Ultraschall-A-Linie anspricht, um eine lokalisierte Aktualisierung des
Potentialfeldes, das anhand der Ultraschalllinien-Bilddaten generiert
wurde. Die akusti schen Daten von einer einzigen Ultraschallabtastlinie üben
tendenziell nur auf wenige von vielen Zustandvariablen des verformbaren
Modells einen starken Einfluss aus. Die Zustandvariablen, die Regionen
darstellen, die auf die Position der Abtastlinie folgen, werden
am stärksten beeinflusst, weil die Kräfte, die
auf die Massen dieser Region ausgeübt werden, umgekehrt
proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen der Masse und den
anziehenden Bildinformation ist (ebenso wie das Schwerkraft-Potentialfeld).
Es werden nur diejenigen Regionen des Modells aktualisiert, die
von der neuen Abtastlinie gekreuzt werden; das Potentialfeld, das
mit den anderen Regionen im Zusammenhang steht, bleibt unverändert.
-
Während
sich das externe Kraftfeld in Reaktion auf die neuen Bilddaten verändert,
werden die Massen des Modells neuen und unterschiedlichen Kräften
ausgesetzt. Die Zustandvariablen, die mit diesen Massen verbunden
sind, werden aktualisiert durch einen Berechnungsprozess aktualisiert,
der die mechanische Bewegung des Modells in Reaktion auf die ausgeübten
Kräfte, d. h. die Kräfte, die die Antwortechos
darstellen, simuliert, wie in Folgenden beschrieben wird.
-
Alle
Antwortecho-Bilddaten tragen zum Potentialfeld bei, das eine skalare über
den Raum definierte Funktion ist. Die Kraft, die an einem beliebigen
Punkt im Raum auf eine Masse ausgeübt wird, wird als Gradient des
Potentials an diesem Punkt berechnet. Die Konzepte entsprechen denen,
die bei der Lösung von Schwerkraftproblemen zum Einsatz
kommen.
-
Wenn
zwei Massenpartikel M1 und M2 durch einen Abstand R voneinander
getrennt werden, üben sie eine Anziehungskraft aufeinander
aus, die gegeben ist als:
wobei e ein Einheitsvektor
ist, der in die entsprechende Richtung zeigt, und γ eine
Konstante ist. Im Zusammenhang mit den vorliegenden Erfindungen
werden γ und die Potenz des Parameters R wie gewünscht
ausgewählt, um den Einfluss des Feldes auf das Modell zu
regulieren.
-
Zur
kontinuierlichen Verteilungen der Masse (wie die Bildinformation),
wird die Kraft als Integral über eine über den
Raum definierte Dichtefunktion beschrieben.
wobei dv ein Element des
Volumens ist, das an dem Abstand r von M1 lokalisiert ist, wobei
sich das verteilte Objekt innerhalb des Volumens V befindet. Der
Einheitsvektor e
r zeigt in die Richtung
der Punktmasse für das gegebene Volumenelement. Offensichtlich
handelt es sich bei der berechneten Kraft um einen Vektor und so kann
eine Schwerkraft-Beschleunigung definiert werden, indem F durch
M1 geteilt wird. Folglich kann ein Potentialfeld definiert werden,
indem berücksichtigt wird, dass für jeden Punkt
im Raum der Negativwert des Gradienten des Potentialfeldes an diesem
Punkt aufgrund des verteilten Objekts mit der Dichte ρ(x)
gleich der Beschleunigung aufgrund des Potentialfeldes ist. Da nur
Potentialunterschiede von Interesse sind, wird die Konstante, die
aus der Integration des Gradienten entsteht, unterdrückt.
Daher lautet das Potentialfeld aufgrund eines verteilten Objekts:
und die dazugehörige
Kraft auf einen Punkt der Masse M1 ist:
F = –M1
grad Φ -
Es
sei daran erinnert, dass die Position von M1 implizit in der Definition
des Potentials ausgedrückt ist.
-
Bei
dem Zustandsvariablenmodell, das im Zusammenhang mit den vorliegenden
Erfindungen verwendet wird und welches in Form von Beschleunigungen
und Geschwindigkeiten (d. h. der ersten Ableitung der Geschwindigkeit
und Positionszustandvariablen) notiert wird, wird die Beschleunigung,
die anhand des Potentialfeldes berechnet wird, direkt benutzt. (Diese
Diskussion folgt der von "Classical Dynamics of Particles
and Systems" von J. B. Marion (Academic Press, 1970).
-
Die
Technik für die Benutzung der Bilddaten zur Aktualisierung
der Zustandvariablen wird im Folgenden beschrieben. Nehmen wir an,
dass die folgende Kraftausgleich-Gleichung an einem gegebenen Massenpunkt
gilt: mx .. + kx . + Fmodel(x)
= Fimage(x)
-
In
dieser Gleichung ist F
model eine Kraft,
die von dem Abstand eines Partikels zu den benachbarten Partikeln
abgeleitet wird, mit denen es verbunden ist, und auch vom Grad abgeleitet
wird, zu dem dieser Partikel und seine Nachbarn außerhalb
einer Oberfläche der charakteristischen Form (zum Beispiel
einer Ebene oder dem Stück eines Zylinders) liegen. F
image wird unter Verwendung des oben beschriebenen
Potentialfeldes abgeleitet, daher gilt
-
Die
Umformung der Kraftgleichung zur Beschleunigung hin lautet:
-
Die
Definition zweier neuer Zustandvariablen x1 = x und x2 = dx/dt und
die Umformung der obenstehenden Gleichung zu zwei gekoppelten Differentialgleichungen
des ersten Grades ergibt
wobei
die zwei Kraftterme zu einer Beschleunigungs-Funktion A
total kombiniert
wurden, welche eine Funktion von x
1 und
der Position der anderen benachbarten Massen darstellt, d. h. dass
sie die Bildpotential-Funktion und die aufgrund des lokalen Zustandes
des Modells auftretenden Kräfte beinhaltet. Das gesamte
Zustandsvariablenmodell wird durch solch ein Gleichungspaar für
jede Punktmasse im ver formbaren Modell gegeben, und die Gleichungen
werden zwischen den Punktmassen durch die Abhängigkeit
der vom Modell abgeleiteten Kräfte auf die lokale Form
des Modells miteinander verbunden. So werden die neuen Zustandvariablen,
die den Zustand des Modells definieren, anhand der Kombination der
vom Modell abgeleiteten Kräfte und der vom Bild abgeleiteten
Kräfte nach jedem Ultraschallscan des Objekts berechnet.
Diese neuen Zustandvariablen werden dann in die Bildgenerierungssoftware
eingespeist, wo sie die Region des abgetasteten Bildes beeinflussen.
Das angezeigte Bild beruht auf der aktuellen, aktualisierten Version
der Modell-Zustandvariablen. Im Allgemeinen unterscheiden sich die
Werte der Zustandvariablen innerhalb des Modells aufgrund der dynamischen
Natur des Modells bei jeder neuen Datenaktualisierungszeit.
-
Man
nehme zur Kenntnis, dass die Bilddaten gemäß den
Erfindungen relativ spärlich sein können, das sie
keine Sequenz von vollständigen Bildern des beschallten
Objekts umfassen. Allerdings werden die Daten in Echtzeit geliefert
und reichen aus, um das Potentialfeld des verformbaren Modells zu
erzeugen, und verbessern so die Modellsdarstellung des beschallten
Objekts. Die häufige Eingabe von neuen Informationen in
den Modellzustand macht eine spärliche Aktualisierungsstrategie
möglich, während das Modell den Echtzeitzustand
des Herzens genau abbildet. Aktualisierungen mit hoher Rate, aber
spärlichen Aktualisierungen, sollten ausreichend sein,
um die Echtzeitfehler zwischen dem vorhergesagten Modell und dem
tatsächlichen Herzen zu begrenzen.
-
Der
Voraussagefehler des Aktualisierungsprozesses ist eine Messung des
Grades, zu dem das Modell und die zurückgeworfenen Ultraschallechos
voneinander abweichen. Wenn das Modell die genaue Position der Herzenswand
(oder einer anderen Herzstruktur) vorhersagt, wie sie von den Ultraschallbilddaten
bestimmt wird, dann sollte der Voraussagefehler Null betragen. In
dem Maße, in dem das Modell die Bildmerkmale nicht richtig
voraussagt, ist der Voraussagefehler größer als
Null. Die Modellmassen werden durch die Umwandlung der Bildinformation
in ein Potentialfeld von der Bildinformation angezogen, wie oben
beschrieben, so dass der Fehler zwischen dem Modell und den Bilddaten
reduziert wird, und zwar idealerweise auf Null. Daher ist die Potentialenergie
und das resultierende Potentialfeld tatsächlich proportional
zum Fehler zwischen der vom Modell vorhergesagten Position einer
Region oder der Struktur des Quellenvolumens und der abgebildeten
Position der Region oder Struktur. Die Potentialenergien betragen
tatsächlich niemals Null, aber ein Voraussagefehler von
Null sollte einem lokalen Minimum des Potentialfeldes entsprechen.
Bei einer Ausführungsform, bei der das Herzmodell für
jede Herzkammer eine innere und eine äußere Herzwand-Oberfläche
umfasst, ist der Gleichgewichtszustand (d. h. der minimale Fehler)
ein Zustand, in dem die Herzwandechos zwischen die zwei Oberflächen
fallen.
-
Im
Allgemeinen ist der Voraussagefehler hoch, wenn die Echos aus einer
beschallten Region nicht in der Modellabbildung dieser Regionen
enthalten sind. Wenn zum Beispiel die Echos nicht vom Inneren der Herzwandgrenzen
des Modells stammen, ist der Fehler, der mit den Herzwandgrenzen
verbunden ist, tendenziell höher. Der Voraussagefehler
ist niedrig, wenn die Abtastlinie keine Herzwandinformation enthält
oder wenn solche Echos durch die Position der Modellgrenzen als
Herzwand identifiziert werden. Weil bei den Erfindungen Potentialenergie
benutzt wird, um Voraussagefehler zu reduzieren, ist keine Potentialenergie
vorhanden, wenn keine Bildinformationen vorliegen. Daher kann kein
Modellfehler auftreten, wenn in der Modellregion von Interesse keine
Potentialenergie vorhanden ist. Aber es ist ein Fehler vorhanden,
wenn im Bildgebungsprozess Potentialenergie generiert wird, die
mit der Modellregion verbunden ist.
-
Wenn
das Modell die Position der Herzwände in einer bestimmten
Region mit einer relativ niedrigen Fehlerquote vorhersagt, dann
wird diese Region des Quellenvolumens in Relation weniger häufig
beschallt als eine Region, bei der der Voraussagefehler hoch ist.
Wenn relativ große Voraussagefehler auftreten, wird der Bildgebungsprozess
in Echtzeit kontrolliert, um den Bedarf des errechneten Modells
an zusätzlichen Daten zu decken, wobei die Voraussagefehler
reduziert werden, indem die Modellmassen zu den tatsächlichen
Positionen der beschallten Region hingezogen werden (d. h. durch
die Generierung eines Potentialfeldes).
-
Durch
einen Voraussagefehlerfilter (wie er bei adaptiven Filtern verwendet
wird) können die Strahlsteuerungs-Richtungen bestimmt werden,
wobei der Voraussagefehler relativ hoch ist und daher diese Regionen
beschallt werden, um die Fehler zu reduzieren. Zum Beispiel kann
der Filter eine Karte des beschallten Objekts mit darauf angezeigten
Voraussagefehlern generieren. Ein Echtzeitfeedback von der Modellkarte
an den Abtastprozess steuert die nächste Ultraschallabtastungs-Energie
zu dem Abschnitt des Objekts (Probevolumen) mit dem höchsten
Voraussagefehler. Zum Beispiel kann der Abtastvorgang häufiger
auf diejenigen Regionen gerichtet werden, die am schwierigsten durch
das verformbare Modell darzustellen sind, wie beispielsweise Herzklappen
oder Bereiche der Herzwand, die einen Herzwandschaden erlitten haben.
Außerdem kann die Dichte der Abtastlinien in einer zu beschallenden
Region in Reaktion auf die Objektfehlerkarte reguliert werden (d.
h. Abtastlinien mit höherer Dichte für Regionen
mit größeren Fehlern).
-
Die
elastischen Rückstellungskräfte des Modells halten
die Objektoberflächen tendenziell glatt und widerstehen
der Tendenz, "Falten zu werfen", wenn eine isolierte Abtastlinie
von Bilddaten erfasst wird, die diese Region des Objekts durchkreuzt.
-
Der
aktualisierte externe Kraftterm (die Potentialenergie oder das Potentialfeld),
der von jeder Abtastlinie abgeleitet wurde, verfällt mit
der Zeit, so dass ermöglicht wird, dass ältere
Bilddaten mit der Zeit verblassen, d. h. dass der Einfluss dieser
Daten auf den Zustand des Modells kontinuierlich reduziert wird.
Die Verfallsrate sollte vorzugsweise ausreichend hoch sein, so dass
Bilddaten für eine Zeit Einfluss auf das verformbare Modell
haben, die wesentlich kürzer ist als ein Herzzyklus. Durch
diesen Umstand werden häufige Aktualisierungen des Bildes
während eines Herzschlags und daher ein genaueres Modell
ermöglicht, welches eine genauere Analyse der Herzfunktion
liefert.
-
Aufgrund
der Masse in den Modell-Datenknoten sagt die Zustands-Gleichung
die Charakteristiken des Modells ohne neue Daten von Ultraschallbildern
(d. h. unter Fehlen von äußeren Kräften)
kontinuierlich vorher, wobei sie insbesondere auf die vorhergehende
Wandbewegung und die Zustandvariablen und Zustands-Gleichungen anspricht.
Be stimmte Zustandvariablen, die nicht durch einen spezifischen Scan
aktualisiert wurden, können durch das verfallende Potentialfeld
von vorhergehenden Abtastungen weiterhin aktualisiert werden. Ebenso
werden die relevanten Modell-Zustandvariablen aktualisiert, während
nachfolgende Abtastungen von anderen Regionen des Objekts verarbeitet
werden. Im Allgemeinen kann es sein, dass kein vollständiges
Bild des Quellenvolumens generiert wird, wenn das Modell eine korrekte
Vorhersage in Bezug auf Objektformen und -positionen trifft, wie
beispielsweise die korrekte Position und Form der Herzwand.
-
Obwohl
erfindungsgemäß Regions-Modellinformationen schneller
als die gewünschte Frame-Rate von ungefähr 30
Frames pro Sekunde aktualisiert werden, wird die globale Bildinformation
bei einer Rate aktualisiert, die zu niedrig ist, um für
jedes Masseelement des beschallten Objekts eine kontinuierlich aktualisierte externe
Kraft in der richtigen Richtung zu generieren. So hält
die Objektdynamik, wie sie von dem verformbaren Modell bestimmt
wird, die Massen in der Richtung in Bewegung, die von deren Zustandvariablen
bestimmt werden. Daher stellt die momentane Position jedes Massepartikel
x bis zu einem gewissen Grad eine Voraussage der Position (Geschwindigkeit,
Beschleunigung) der Herzwand und der Herzkomponenten auf der Grundlage der
Dynamik des Modells und auf der Grundlage der Echtzeitaktualisierungen
von den Beschallungsdaten dar.
-
Es
ist festgestellt worden, dass während jeder 33,3 ms Frame
ausreichend Zeit vorhanden ist, um ungefähr 25% des Herzvolumens
zu erfassen, indem man 4-zu-1-gebündelte Strahlen verwendet.
So scheint es, dass die abgebildeten Daten genug Information liefern
können, um die Zu standvariablen des Herzmodells zu aktualisieren,
um eine genaue Darstellung der Form des Herzens mitsamt den Herzwänden
und anderer Merkmale zu liefern. So kann ein klinisch genaues Modell
des beschallten Herzens gewonnen werden, wobei die akustische Ausbreitungszeit
und die gewünschte Frame-Rate berücksichtigt wird.
-
Da
das Potentialfeld durch ein Ultraschallbild generiert wird, können
Flecken (Textur) die Fähigkeit des Modells beeinträchtigen,
die Herzwände nachzuverfolgen. Eine Glättung oder
morphologische Filterung der Ultraschallamplituden-Daten vor der
Berechnung des Potentialfeldes kann zur Lösung dieses Problems
angewendet werden. Solche Techniken sind auf diesem Gebiet gut bekannt.
-
Die
Bewegung der Wandlersonde oder Drehung des Herzens in Bezug auf
die Sonde kann problematisch sein, da solch eine Bewegung die Ausrichtung
zwischen dem Ultraschallstrahl und dem Herzen verändert.
Das System einer Ausführungsform der Erfindung überwindet
diesen Effekt unter Berücksichtigung der Bildgebungsdaten
und des anhand von diesen generierten Potentialfeldes, indem das
gesamte Modell gedreht wird. Da die Abtastliniendaten ungefähr
jede 30 μsec aktualisiert werden, ist das Ausmaß der
Bewegung oder der Drehung, die zwischen den Datenaktualisierungen
auftreten kann, begrenzt. In einer Ausführungsform beinhaltet
das Modell zusätzlich Zustandvariablen, die einer Winkelgeschwindigkeit
zugeordnet sind, um es dem Modell zu ermöglichen, sich
im Raum in Reaktion auf eine Sondebewegung oder seiner eigenen Bewegung
in der Brust zu drehen. Wenn diese Zustandvariablen eingesetzt werden,
sollte der geringste Energieübertragungsweg, der durch
das Prinzip von Hamilton vorhergesagt wird, eher durch den winkelförmigen Bewegungssubraum
hindurchgehen als durch den Subraum des Phasenraums, der mit der
linearen Bewegung der Massepartikel verbunden ist.
-
Bei
der Anwendung der verformbaren Modellierung auf die 3D-Ultraschallbildgebung,
wie sie durch die vorliegenden Erfindungen dargelegt wird, kann
die Bewegung der Modelloberfläche Charakteristiken zeigen, die
bei einem linearen dynamischen System gängig sind. Die
normale Modellanwendung findet typischerweise in einer linearen
Region mit geringer Verschiebung (oder kleiner Kurvatur) satt. In
einer Ausführungsform wird die Bewegung des Modells in
Bezug auf die Steifigkeit kontrolliert. Daher tritt jede Resonanz
in dem System bei einer viel höheren Frequenz auf, als
der, bei der die Schwingung der externen, vom Bild abgeleiteten
Kraft erfolgt. Wegen der Schwierigkeit, die Elastik- und Masseparameter
korrekt einzustellen, werden bei einer Ausführungsform
keine reinen Elastik-Charakteristiken für die elastischen
Konnektoren verwendet, das heißt, dass wenn sich die Konnektoren
bis jenseits eines bestimmten Punktes strecken oder biegen, sich
der proportionale Faktor, welcher die Rückstellkraft bestimmt,
erhöht, so dass eine zu große Verformung vermieden
wird. Bei dem Modell können entweder lineare oder non-lineare
elastische Konnektoren verwendet werden; wobei durch letztere Fehler
bei der Form tendenziell eingeschränkt werden, so dass
sie tendenziell bevorzugt werden könnten.
-
Es
kann bei den vorliegenden Erfindungen nicht notwendig sein, die
Herzwandpositionen mit extremer Genauigkeit zu bestimmen. Das Modell
zeigt die Form, Bewegung und Ausrichtung des Herzens an. Eine angemessene
Herzanalyse erfordert keine exakten numerischen Parameter bei einem Modell.
So können Herzschlagvolumen-Berechnungen off-line durchgeführt
werden, wobei verschiedene Bilder verwendet werden, deren Erfassung
von dem Zustand des Modells geleitet werden kann, wie hier beschrieben.
-
In
einer anderen Ausführungsform wird die Kontraktionswelle,
die sich durch den Myokard fortsetzt, als eine Antriebskraft des
Systems dargestellt. Dies kann unter Verwendung von Oberflächen-EKG-Daten durchgeführt
werden, da die Position der Herzschrittmacherzellen innerhalb des
Modells definiert werden kann. Solch ein Merkmal kann zur Komplexität
der Berechnungen beitragen, kann aber bei der Voraussage von Herzbewegungen
nützlich sein.
-
Das
angezeigte Bild kann unter Berücksichtigung der Kombinationen
der verarbeiteten Antwortechos und des Modells generiert werden.
In einer Ausführungsform generiert das Modell direkt ein
angezeigtes Echtzeit-3D-Bild des Objekts, während das Modell
wie oben beschrieben aktualisiert wird. In einer anderen Ausführungsform
wird die Echtzeit-3D-Anzeige von Modell-Regionen, in denen der Fehler
akzeptabel ist, und für die verbleibenden Regionen von
in Echtzeit verarbeiteten Antwortechos der Objektanzeige abgeleitet.
In einer weiteren Ausführungsform werden Abschnitte des
Echtzeit-3D-Bild aus den verarbeiteten Antwortechos generiert, wo
diese verfügbar sind, und die verbleibenden Regionen des
angezeigten Objekts werden anhand des Modells bestimmt. In einer
weiteren Ausführungsform wird das angezeigte Modell über
das hochaufgelöste Zweiebenen-Bild (das zwei orthogonale
oder nicht-orthogonale Ebenen umfasst) gelegt. Diese Funktion kann nützlich
sein, um Sonden- und Ebenenanpassungen (die als Vorschaubild dienen)
vorzunehmen, wobei sie dem Benutzer dabei hel fen, die Herzbewegung
um die zwei angezeigten Ebenen herum zu visualisieren.
-
In
einer weiteren Ausführungsform, bei der das Modell Abschnitte
des Objekts bestimmt, die (wie oben beschrieben) mit Zweiweg-Strahlen
beschallt werden sollen, (wobei sowohl der Übertragungs-
als auch der Empfangsstrahl eine hohe räumliche Auflösung
liefert), und Abschnitte bestimmt, die mit Einweg-Strahlen beschallt
werden sollen (wobei nur die Empfangsstrahlen eine hohe Auflösung
haben, während der Übertragungsstrahlen ausreichend
breit sind, um eine Empfangsstrahlbündelung zu ermöglichen),
wird das Bild in direkter Reaktion auf die Antwortechos angezeigt.
In diesem Anzeigemodus ist es unter Umständen nicht notwenig,
das animierte Modell anzuzeigen, da das Ultraschallbild bei einer
vollen Frame-Rate und einer Bildgebung mit hoher Auflösung
(d. h. niedrigen Seitenkeulenleveln) aktualisiert werden kann, die
auf die Abschnitte des Quellenvolumens gerichtet ist, welche die
anatomischen Merkmale von Interesse enthalten. Es könnte auch
möglich sein, die Abschnitte der höchsten Seitenkeulen-Energieinterferenz
zu bestimmen, einfach weil das Modell die Beobachtungen in solchen
Regionen nicht gut voraussagt.
-
In
einer dazugehörigen Ausführungsform wird das beschallte
Objekt als eine durchsichtige oder halbdurchsichtige Graphik angezeigt,
wobei die hier beschriebenen Techniken verwendet werden, und wobei
verschiedene kleine hochaufgelöste Bilder mit der vollen
Frame-Rate über das Objektbild gelegt werden. Das kleine
Bild kann auf der Grundlage der Antwortechos direkt angezeigt werden
oder das Modell und das angezeigte aktualisierte Modell können
durch die Antwortechos aktualisiert werden. Die überlagerten
Bilder können planar oder in 3D sein.
-
Einer
weitere Ausführungsform der Erfindung beinhaltet einen
Ausgang einer Dopplerbereichsgate, welche die Position in Raum zeigt,
an der eine Blutgeschwindigkeits-Information erfasst wird. Die Blutgeschwindigkeits-Information
wird als ein separates Bild angezeigt, in welchem das Dopplerspektrum
in Relation zur Zeit dargestellt wird. Die Abweichung einer Frequenz
von einem Nullwert zeigt die mittlere Blutgeschwindigkeit und die
Breite des Dopplerspektrums das Vorhandensein von turbulentem oder
nicht-laminarem Blutfluss an. Es kann auch vorteilhaft sein, die
Bereichsgate räumlich zu bewegen, wobei Positionsinformationen vom
Modell verwendet werden, so dass der Blutfluss von einem bestimmten
Punkt in Raum in Relation zu einer Herzklappe nachverfolgt wird,
wie unten beschrieben.
-
Zum
Beispiel kann die Mitralklappe des Herzens in einem Modus mit hoher
Auflösung und voller Frame-Rate auf der Grundlage der Ultraschall-Antwortechos
dargestellt werden, während die generelle Kontur der Herzwände
in einem transparenten oder halbtransparenten Bild in Relation zu
der Mitralklappe dargestellt wird. (Die Herzwände werden
bei einer niedrigeren Rate als die Mitralklappenregion abgebildet).
Die Ultraschallbildgebungsrate reicht aus, um eine Echtzeit-Bewegung
der Klappe zu zeigen. Der Blutfluss in und aus der Klappe kann dargestellt
werden, indem Farbflussdarstellung verwendet wird, eine bekannte
Technik, bei der jedes Voxel eingefärbt wird, um die momentane
mittlere Dopplerverschiebung zu kodieren, welche die Blutgeschwindigkeit
anzeigt, oder indem eine Spektral-Dopplergate angewendet wird, mit
deren Hilfe das Spektrum des Blutes be stimmt werden kann. Dieses
Merkmal von einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindungen
ist besonders nützlich für die Diagnose von Prolapsleiden
der Mitralklappen.
-
In
einer weiteren Ausführungsform wird das Objekt oder Quellenvolumen
durch Bildgebungsregionen des Objekts gemäß einem
vorher festgelegten Muster beschallt. Ein zyklisches Abtastmuster
richtet die Ultraschallenergie auf die Objektregionen, wobei es
zu der anfänglichen Region zurückkehrt, nachdem
es die gewünschten Objektregionen abgetastet hat.
-
Die
Erkenntnisse der Erfindungen können auch auf eine 2D-Anordnung
angewendet werden, wobei die Abtastlinien in zwei Dimensionen abgebildet
und verarbeitet werden, um das Objektmodell wie oben beschrieben
zu aktualisieren.
-
2 illustriert
ein Ultraschallbildgebungssystem 50, auf das die Erkenntnisse
der vorliegenden Erfindungen angewendet werden können.
Das System 50 umfasst eine Sonde 54, die ferner
eine Vielzahl von Ultraschallwandlern 58 zur Übertragung
und zum Empfang von Ultraschallenergie während der Abtastung
eines Objekts 62 umfasst. Ein Prozessor 66, der
die Erkenntnisse der Erfindungen implementiert, verarbeitet die
Antwortechos, die von den Wandlern 58 empfangen werden,
um ein Bild 70 auf einem Display 74 zu konstruieren. Der
Prozessor 66 generiert das Bild auf der Grundlage der Antwortechos
und des verformbaren Modells des Objekts wie oben beschrieben.
-
3 illustriert
ein Flussdiagramm, das die Schritte zeigt, die mit einer Ausführungsform
der Erfindung verbunden sind. In einem Schritt 200 wird
ein Modell des Objekts (Quellenvolumen) bestimmt; das Modell umfasst
vorzugsweise ein verformbares Modell. Das Objekt wird in einem Schritt 202 beschallt,
und Antwortechos werden in einem Schritt 204 verarbeitet.
Das Modell wird in einem Schritt 208 in Reaktion auf die
Antwortechos aktualisiert. In einem Schritt 212 wird ein
Bild generiert und in Reaktion auf das aktualisierte Modell angezeigt. Gemäß einer
anderen Ausführungsform sprechen Abschnitte des angezeigten
Bildes auf das Modell und [andere] Abschnitte sprechen auf die Antwortechos
an.
-
In
einer weiteren Ausführungsform spricht die Ultraschallabtastrate
auf die Zeitableitung der Bewegung des Objekts, z. B. des schlagenden
Herzens, an. Das heißt, dass die Abtastrate mit dem Größerwerden der
Zeitableitung ansteigt. Diese Funktion ermöglicht eine
bessere [Abstimmung] des verformbaren Objektmodells an die Bewegung
des Herzens.
-
Auf
diesem Gebiet fachkundige Personen werden erkennen, dass ein Gerät,
wie beispielsweise ein Datenverarbeitungssystem, das eine ZVE, einen
Datenspeicher, I/O, Programmspeicher, einen Verbindungsbus und andere
geeignete Komponenten umfasst, programmiert oder anderweitig eingerichtet
werden könnte, um eine Umsetzung der Ausführungsformen
der Verfahren der Erfindung zu ermöglichen. Solch ein System würde
geeignete Programmmodule zur Ausführung der Verfahren dieser
Ausführungsformen umfassen, und zwar mit dem technischen
Effekt der Darstellung eines Bildes (das als Hybridbild bezeichnet
wird) eines beschallten Objekts, wobei sowohl ein Modell des Objekts
als auch die von dem Objekt stammenden Antwortechos verwendet werden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Herstellungsartikel
wie beispielsweise eine voraufgezeichnete Disk, oder ein ähnliches
Computerprogramm-Produkt zur Benutzung mit einem Datenverarbeitungssystemsystem,
ein Speichermedium und ein darauf aufgezeichnetes Programm zur Anweisung
an das Datenverarbeitungssystem, die Ausführung der Verfahren
der Erfindungen zu ermöglichen. Solche Geräte
und Herstellungsartikel fallen ebenfalls unter die Wesensart und
den Schutzumfang der Erfindungen.
-
Die
Erfindungen sind im allgemeinen Zusammenhang von computerausführbaren
Befehlen beschrieben worden, wie beispielsweise Programmmodulen,
die von einem Computer ausgeführt werden. Im Allgemeinen
umfassen Programmmodule Routines, Programme, Objekte, Komponenten,
Datenstrukturen, etc., welche bestimmte Aufgaben ausführen
oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. Zum Beispiel
können die Softwareprogramme, welche den Erfindungen zugrunde
liegen, in verschiedenen Sprachen kodiert werden, so dass sie mit
unterschiedlichen Verarbeitungsplattformen verwendet werden können.
In der nachfolgenden Beschreibung werden Beispiele für
die Erfindungen im Zusammenhang mit einem Webportal beschrieben, bei
dem ein Webbrowser verwendet wird. Es sei allerdings darauf hingewiesen,
dass die Prinzipien, die den Erfindungen zugrunde liegen, auch im
Zusammenhang mit anderen Typen von Computersoftware-Technologien
implementiert werden können.
-
Außerdem
werden sich auf diesem Gebiet fachkundige Personen darüber
im Klaren sein, dass die Ausführungsformen der Erfindung
mit anderen Computersystem-Konfigurationen ausgeführt werden
können, wozu tragbare Vorrichtungen, Multiprozessor-Systeme,
auf Mikroprozessoren beruhende oder programmierbare Verbraucherelekronik,
Minicomputer, Großrechner o. Ä. gehören,
ausgeführt werden können. Die Ausführungsformen
können auch in einer verteilten Computerumgebung ausgeführt
werden, in der Aufgaben von entfernten Verarbeitungsvorrichtungen
ausgeführt werden, die über ein Kommunikationsnetzwerk
miteinander verbunden sind. In der verteilten Computerumgebung können
sich Programmmodule sowohl in lokalen als auch entfernten Computerspeichermedien
befinden, wozu Memory-Speichervorrichtungen gehören. Diese
lokalen und entfernten Computerumgebungen können vollständig
innerhalb der Lokomotive oder innerhalb benachbarter Lokomotiven
[in consist or off-board in wayside] oder zentralen Büros
enthalten sein, wo eine drahtlose Kommunikation zwischen den Computerelementen
möglich ist.
-
Obwohl
die Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit
der Herzbildgebung beschrieben worden sind, können die
Erkenntnisse auf andere Körperorgane und andere volumetrische
Objekte angewendet werden, insbesondere auf diejenigen, die sich
in Bewegung befinden, und gerade wenn eine Visualisierung mit einer
hohen Frame-Rate (Formmodell) gewünscht ist. Da es sich
bei dem Herzen im Wesentlichen um eine Pumpe handelt, ist die Visualisierung
seiner mechanischen Eigenschaften oft wichtig für eine
angemessene Diagnose. Die Abbildung der Bewegung stellt oft eine
wichtige Komponente einer solchen Diagnose dar.
-
Obwohl
die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung im Rahmen
dessen beschrieben wurden, was zurzeit als eine bevorzugte Ausführungsform
betrachtet wird, werden für auf diesem Gebiet fachkundige
Personen verschiedene Variationen und Modifikationen offenkundig
sein. Obwohl sie im Zusammenhang der Bildgebung eines Herzens beschrieben wurden,
sind die Erkenntnisse der Erfindungen beispielsweise auch auf die
Bildgebung von anderen Organen oder mechanischen Geräten
anwendbar, insbesondere Organen oder mechanischen Geräten,
die bewegliche Komponenten enthalten. Die Bildgebungstechniken können auf
die nicht-destruktive Analyse eines Geräts, zum Beispiel
einer Pumpe, angewendet werden, um zu bestimmen, ob sie richtig
funktioniert. Folglich ist vorgesehen, dass die Erfindungen nicht
auf die spezifischen illustrativen Ausführungsformen beschränkt
sind. Vielmehr sollten sie innerhalb der gesamten Wesensart und
des gesamten Schutzumfangs der angehängten Ansprüche
interpretiert werden.
-
In
dieser schriftlichen Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung werden Beispiele verwendet, wozu auch der beste Modus
gehört, um die Erfindungen vorzustellen und auch, um es
jeder auf diesem Gebiet fachkundigen Person zu ermöglichen,
die Erfindungen herzustellen und zu benutzen. Der patentierbare Schutzumfang
der Erfindungen wird durch die Ansprüche definiert, und
kann andere Beispiele umfassen, die auf diesem Gebiet fachkundigen
Personen einfallen. Solche anderen Beispiele sollen im Schutzumfang
der Ansprüche eingeschlossen sein, wenn sie strukturelle
Elemente oder Prozessschritte aufweisen, die nicht von den wörtlichen
Formulierungen der Ansprüche abweichen, oder sofern sie äquivalente
strukturelle Elemente oder Prozessschritte enthalten, die sich nur
unwesentlich von den wörtlichen Formulierungen der Ansprüche unterscheiden.
-
Verfahren
zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes 70 eines Objekts.
Das Verfahren beinhaltet die Lieferung eines Modells 8 des
Objekts 62, 200, die Beschallung der Regionen
des Objekts aus Quellenwandlern 58, die außerhalb des
Objekts liegen 62, 202, den Empfang eines Antwortechos
vom Objekt 62 an Empfangswandlern 58, die außerhalb
des Objekts liegen 62, die Verarbeitung der Antwortechos 204 und
die Generierung eines Hybridbildes 70 des Objekts 62,
das Objektregionen umfasst, die auf das Modell 8 des Objekts 62 ansprechen,
sowie Objektregionen umfasst, die auf die Antwortechos 208/212 ansprechen.
-
- 8
- Objektmodell
- 10
- Punktmasse
- 12
- steifer
elastischer Stab
- 50
- Ultraschallsystem
- 54
- Sonde
- 58
- Ultraschallwandler
- 62
- Objekt
- 66
- Prozessor
- 70
- Bild
- 74
- Display
- 200
- Schritt
- 202
- Schritt
- 204
- Schritt
- 208
- Schritt
- 212
- Schritt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - "Digital Control
of Dynamic Systems" von G. F. Franklin und J. D. Powell verwiesen
(Addison Wesley, 1980) [0023]
- - "Classical Dynamics of Particles and Systems" von J. B. Marion
(Academic Press, 1970) [0047]