ITMI951825A1

ITMI951825A1 - Analisi e misurazione di variazioni temporali dei tessuti

Info

Publication number: ITMI951825A1
Application number: IT95MI001825A
Authority: IT
Inventors: Bjorn Olstad; Torbjorn Bakke
Original assignee: Vingmed Sound As
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 1997-03-02
Also published as: JPH08294488A; DE19532116A1; FR2724245A1; IT1277512B1; ITMI951825A0; US5476096A; FR2724245B1; NO943269D0

Abstract

Metodi per l'analisi e la misurazione in tempo reale di variazioni temporali dei tessuti in segnali ultrasonici per il miglioramento di immagini tessutali e per la caratterizzazione qualitativa e quantitativa della dimensione/forma degli oggetti raffigurati. Un dato numero delle inquadrature di immagine più recenti viene memorizzato e reso disponibile per l'analisi digitale dei dati e per ciascuna coordinata spaziale viene estratta l'evoluzione del segnale temporale o una sua evoluzione derivata. Le evoluzioni vengono analizzate digitalmente e l'immagine risultante viene visualizzata su una unità visualizzatrice come una immagine tessutale bidimensionale migliorata e/o una immagine indicatrice per una particolare categoria di tessuto o di fluido nella scena raffigurata.

Description

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO:

"ANALISI E MISURAZIONE DI VARIAZIONI TEMPORALI , DEI TESSUTI"

INQUADRAMENTO DELL'INVENZIONE

1. Campo dell'invenzione

L'invenzione riguarda il campo della diagnosi ultrasonica di strutture biologiche viventi, particolari metodi per l'analisi e la misurazione in tempo reale di variazioni temporali dei tessuti in segnali ultrasonici, per il miglioramento della qualità delle immagini tessutali, e la caratterizzazione qualitativa e quantitativa della dimensione/forma degli oggetti raffigurati.

2. Correlazione con la tecnica anteriore

Le tecniche per l'acquisizione in tempo reale di una sequenza di immagini ultrasoniche 2D (bidimensionali) vengono considerate come tecnica anteriore. Le tecniche per il filtraggio temporale in tempo reale di immagini 2D con un filtro ricorsivo vengono pure considerate come tecnica anteriore. Le tecniche per ottenere una quantificazione binaria di un dato oggetto basate sulla mediazione delle informazioni in una singola immagine 2D vengono pure considerate come tecnica anteriore [1,5].

Le tecniche per calcolare l'area di un oggetto 2D binario e le stime volumetriche, basate su un oggetto 2D binario e presupposti geometrici 3D, sono pure considerate come tecnica anteriore [1,5]. L'invenzione riguarda una combinazione di analisi temporali basata su

un dato numero di immagini 2D ultrasoniche,

nuovi principi per l'analisi temporale di segnali ultrasonici ed

eventuale post-elaborazione dei risultati dell’analisi temporale usando una elaborazione spaziale con una dimensione controllabile programmazione/utilizzatore della locale contiguità. Inoltre, l'invenzione descrive l’estrazione di una pluralità di componenti collegati dall'oggetto 2D binario e le simultanee misurazione e visualizzazione di attributi associati ad una pluralità di cavità nella scena raffigurata. Finalmente, l'invenzione fornisce metodi per utilizzare i risultati ottenuti della quantificazione automatica nella costruzione di geometrie 3D e 4D nella raffigurazione ultrasonica tridimensionale.

Lo scopo dell'invenzione è di utilizzare le informazioni che sono presenti in una sequenza temporale di immagini ultrasoniche - e spesso mal definite in una singola immagine 2D - per conseguire:

1. miglioramenti nella qualità delle immagini tessutali 2. nuove modalità quale il rilevamento di indicatori di fluidi specifici o di categorie tessutali, includendo la presenza di agenti di contrasto ultrasonico, e

3. consistenti caratterizzazioni dimensione/forma qualitative e quantitative degli oggetti rivelati in una analisi combinata spaziale temporale.

Inoltre, l'invenzione descrive come i risultati della quantizzazione automatica nella raffigurazione 2D possono essere utilizzati per ottenere efficientemente una dimensione/forma qualitativa e quantitativa nella raffigurazione 3D ultrasonica senza ricostruire immagini tridimensionali dalle singole immagini 2D.

La realizzazione della elaborazione temporale differisce dalla tecnica anteriore per il fatto che un dato numero di inquadrature di immagine viene reso disponibile per l'analisi temporale in tempo reale mediante qualsiasi algoritmo. Ciò apre la porta ad una varietà di possibili algoritmi includendo il miglioramento, dipendente dai dati, dell'immagine 2D ed il rilevamento di nuove modalità quale la presenza di agenti di contrasto ultrasonico. Questo rilevamento viene descritto nell'invenzione.

L'algoritmo migliorativo proposto per la raffigurazione tessutale 2D differisce dalla tecnica anteriore per il fatto che esso conserva localmente segmenti monotonici nella direzione temporale. Questa proprietà garantisce che l'eventuale rischio di influenzare il movimento delle pareti in una sequenza di immagini 2D viene minimizzato. Inoltre, fenomeni specifici quali le valvole del cuore umano possono essere trattati in modo specifico e pertanto l'effetto del filtraggio viene accuratamente sintonizzato a seconda del contenuto locale nella scena raffigurata.

La proposta realizzazione dell'algoritmo migliorativo per la raffigurazione tessutale 2D è basata su una approssimazione con una pluralità di segnali localmente monotonici e differisce dalla tecnica anteriore per il fatto che la proprietà monotonica viene sfruttata in un modo ottimale, la risoluzione temporale viene mantenuta nelle immagini filtrate e viene inibita la persistenza evanescente (ombra diluita; blurring) attraverso i contorni .

La quantificazione di oggetti 2D binari differisce dalla tecnica anteriore per il fatto che essa è basata sulle informazioni in un dato numero di immagini 2D consecutive e non in una singola immagine 2D e può quindi utilizzare tutto il potenziale descritto in questa invenzione a proposito dell'analisi temporale. Inoltre, viene applicato un filtro spaziale con una dimensione controllabile programmazione/utilizzatore della locale contiguità così che la risoluzione dei risultati della rivelazione può essere regolata per riflettere la qualità e l'importanza statistica delle immagini ultrasoniche sottostanti .

La misurazione e visualizzazione dei risultati della quantificazione binaria differiscono dalla tecnica anteriore per il fatto che una pluralità di componenti collegati può essere estratta e misurata con gli attributi associati simultaneamente visualizzati.

L'invenzione descrive come i risultati della quantificazione automatica nella caratterizzazione della raffigurazione 2D ultrasonica possono essere utilizzati per ottenere rappresentazioni di strutture 3D in una raffigurazione 3D ultrasonica. Questa tecnica differisce dalla tecnica anteriore per il fatto che possono essere ottenute informazioni dimensione/forma qualitative e quantitative per oggetti 3D con un ridotto fabbisogno di elaborazione perchè viene evitata la ricostruzione degli elementi primi volumetrici (voxel) rintracciabile nella tecnica anteriore per la raffigurazione ultrasonica 3D [3].

SOMMARIO D E L L 'I N V EN Z I O N E Nell'inquadramento delle teciche note, questa invenzione considera come punto di partenza metodi noti per l'acquisizione di immagini ultrasoniche 2D e 3D. L'invenzione descrive nuove tecniche per l'analisi digitale di una sequenza di immagini ultrasoniche consecutive e chiarisce come questa procedura può essere organizzata per conseguire immagini tessutali 2D migliorate o una visualizzazione di nuove modalità includendo la raffigurazione di agenti di contrasto ultrasonico. L'invenzione descrive inoltre come i risultati dell'analisi temporale possono essere combinati con uno schema di elaborazione spaziale per ottenere una rappresentazione binaria di un dato fluido o categoria tessutale estratta dalle informazioni contenute nella sequenza completa delle immagini 2D ultrasoniche. L'immagine binaria viene separata in una pluralità di componenti collegati e vengono calcolate e visualizzate simultaneamente in tempo reale le misurazioni associate. L’invenzione descrive inoltre come i risultati della quantizzazione automatica possono essere integrati per ottenere geometrie 3D e 4D dalla raffigurazione ultrasonica tridimensionale. Ciò che è nuovo e specifico nel metodo secondo l'invenzione viene definito più particolarmente nelle rivendicazioni allegate.

I vantaggi ottenuti con questa invenzione possono essere riassunti come segue:

1. L'elaborazione temporale descritta nell'invenzione utilizza un dato numero di immagini ultrasoniche che vengono rese disponibili per l'analisi in tempo reale mediante qualsiasi algoritmo.

2. L'algoritmo migliorativo temporale per immagini tessutali 2D conserva segmenti localmente monotonici il che minimizza il rischio di influenzare il movimento delle pareti in una sequenza di immagini 2D. Inoltre, viene mantenuta la velocità di inquadratura dell’originale sequenza di immagini e le valvole e le altre caratteristiche dipendenti dalle immagini possono essere trattate esplicitamente.

3. L’invenzione descrive come nuove modalità raffigurative possono essere generate mediante estrazione di informazioni dalle evoluzioni temporali. In particolare, l'invenzione descrive come possono essere messi in risalto nella scena raffigurata gli agenti di contrasto ultrasonico.

4. Un fluido raffigurabile in immagine o categorie di tessuti vengono identificati in tempo reale secondo le informazioni complete in una sequenza di immagini 2D. Inoltre, l'elaborazione spaziale viene eseguita con una dimensione spaziale della contiguità che può essere regolata dall'utilizzatore/programmazione per riflettere la qualità e la importanza statistica rintracciata nella sottostante sequenza di immagini ultrasoniche.

5. Le quantificazioni binarie possono essere separate in una pluralità di componenti collegati e misurate simultaneamente .

6. I risultati della quantificazione automatica vengono utilizzati per ottenere informazioni dimensione/forma qualitative e quantitative circa oggetti 3D nella raffigurazione ultrasonica 3D con un ridotto fabbisogno di elaborazione perchè viene evitata la ricostruzione dei voxel rintracciabile nella tecnica anteriore per la raffigurazione ultrasonica 3D.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L’invenzione verrà chiarita più da vicino nella seguente descrizione con riferimento ai disegni in cui:

• La figura 1 mostra una messa a punto con 5 inquadrature di immagine, 2 ritardi di immagine attraverso il processo di filtraggio, filtraggio non-ricorsivo, quantizzazione relativa alla terza immagine, filtraggio in un singolo banco di memoria e miscelazione fra il risultato filtrato e l'originale terza immagine.

• La figura 2 è simile alla figura 1 tranne che la quarta immagine riceve l'immagine filtrata invece dell'antico contenuto nella terza immagine per ottenere un filtraggio ricorsivo.

• La figura 3 è simile alla figura 1 tranne che l'entrata dei dati è stata modificata in modo tale che i dati non abbiano ritardo attraverso il processo di filtraggio.

• La figura 4 è simile alla figura 3 tranne che è stata indicata una possibile modifica per il filtraggio ricorsivo.

• La figura 5 illustra come vengono generati segnali temporali per varie ubicazioni spaziali in una scena 2D. • La figura 6 illustra un segnale temporale generato da una struttura in rapido movimento che passa attraverso una data coordinata spaziale.

• La figura 7 illustra come lo schema di raggi può essere fatto slittare in modo ciclico.

• La figura 8 illustra la contiguità (il dominio) spaziale usata nella post-elaborazione spaziale in tempo reale delle caratterizzazioni ottenute nell'analisi temporale.

• La figura 9 illustra una immagine indicatrice binaria con due componenti collegati.

• La figura 10 illustra come immagini indicatrici binarie possono essere integrate nella raffigurazione ultrasonica tridimensionale per ottenere caratterizzazioni della completa geometria tridimensionale dell'oggetto raffigurato.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE

Apparecchio per l'analisi temporale

Le tecniche per l'acquisizione in tempo reale di una sequenza di immagini ultrasoniche sono considerate come tecnica anteriore. In aggiunta, le inquadrature di immagine vengono di solito immagazzinate temporalmente in una memoria polmone circolare (ring buffer) che trattiene le inquadrature di immagine entro il dispositivo di scansione (scanner) per una successiva riproduzione e manipolazione informatica (editing). Il principio del filtraggio temporale di immagini ultrasoniche viene pure considerato come tecnica anteriore. La maggior parte degli scanner ultrasonici usa uno schema di filtraggio quale:

dove IF rappresenta l'immagine filtrata visualizata sull'unità visualizzatrice ed IM rappresenta le inquadrature di immagine che vengono direttamente misurate dallo scanner ultrasonico. L'equazione (1) viene ripetuta per ogni intervallo e per ogni linea di scansione nell'immagine, rappresentati rispettivamente da r e 0. Il parametro a viene usato per regolare in ampiezza la coda di immagini ultrasoniche che dovrebbero essere mediate nel filtro temporale.

L'invenzione descrive un apparecchio in cui i segnali misurati in una finestra temporale completa vengono resi disponibili per l'analisi digitale. Le figure 1, 2, 3 e 4 forniscono diagrammi a blocchi che dimostrano come ciò può essere realizzato. In questo esempio il numero di inquadrature di immagine misurate rese disponibili per l'analisi digitale è 5 e queste immagini vengono indicate nelle figure come "immagine 0", "immagine 1", "immagine 2", "immagine 3" ed "immagine 4". Ciascuna di queste immagini contiene i valori raffigurati o valori raffigurativi derivati registrati per ogni r e per ogni coordinata Θ nella scena raffigurata. Il filtro digitale temporale viene quindi calcolato come funzione di una sequenza temporale secondo:

N indica il dato numero di inquadrature che vengono usate nell'analisi temporale e l'equazione viene ripetuta per ogni intervallo ed ogni linea di scansione nelle immagini. Dopo ciascuna nuova acquisizione di immagini, la nuova immagine o una immagine con attributi derivati viene inserita come "immagine 0", la ennesima immagine viene cancellata ed il resto delle immagini viene fatto slittare logicamente di una posizione verso destra. L'immagine "Immagine k" conterrà quindi l'immagine registrata k stadi temporali prima, dove uno stadio temporale rappresenta il tempo di acquisizione per una singola immagine 2D. Le figure 1, 2, 3 e 4 etichettano una delle immagini come "immagine centrale". Questa immagine è 1'inquadratura di immagine che è in corrispondenza tori l'uscita del filtraggio temporale.

Le figure 1, 2, 3 e 4 indicano anche come può essere ottenuta una rappresentazione (a base di) bit {unità di informazione elementare che possono assumere il valore 0 oppure 1) quantizzata ai fini del segnale temporale. La rappresentazione bit viene ottenuta con una fra due tecniche:

1. Ciascuno dei valori viene quantizzato con un dato numero di bit applicando una quantizzazione diretta e lineare oppure una tecnica anteriore per una quantizzazione vettoriale non-lineare ottimale. Il numero di bit può essere distribuito in modo ineguale lungo il segnale temporale così che i valori vicino alla "immagine centrale" usano molti bit ed i valori lontano dalla "immagine centrale" usano pochi bit e sono quindi rappresentati solo con una quantizzazione sommaria.

2. Solo le differenze dal valore nella "immagine centrale" vengono quantizzate con un dato numero di bit applicando una quantizzazione diretta e lineare oppure una tecnica anteriore per una quantizzazione vettoriale non-lineare ottimale. Il numero di bit può essere ancora una volta distribuito in modo ineguale lungo il segnale temporale così che i valori vicino alla "immagine centrale" usano molti bit ed i valori lontano dalla "immagine centrale" usano pochi bit e sono quindi rappresentati solo con una quantizzazione sommaria. Il filtro temporale sarà in questo caso indipendente dal livello DC nel segnale e l'originale valore della "immagine centrale" deve essere aggiunto retroattivamente per ripristinare il corretto livello DC. Le figure 1, 2, 3 e 4 illustrano questo principio con un "Volume (PROM)" che mischia il risultato del filtraggio con l'originale valore della "immagine centrale" e può regolare la consistenza del filtro temporale finale.

La rappresentazione bit quantizzata può essere usata per ripristinare una rappresentazione quantizzata dell'originale segnale temporale. Il filtro reale viene perciò costruito passando attraverso tutte le possibili rappresentazioni bit, ripristinando il segnale temporale originale, calcolando un filtro temporale mediante un qualsiasi algoritmo su un computer e memorizzando il risultato all'indirizzo associato alla rappresentazione bit. Il filtro in tempo reale viene quindi realizzato come un miglioramento in un banco di memoria che contiene i risultati del filtraggio precalcolato all'indirizzo fornito dalla rappresentazione bit quantizzata del segnale temporale. Le figure 1, 2, 3 e 4 illustrano questo principio con un esempio. Il modulo "Filter LUT (PROM)" contiene il filtro precalcolato in un modulo di memoria da 2<18 >ottetti di bit (byte) = 256 kbyte che è indicizzato dalla rappresentazione bit quantizzata di 4 5+ 5+ 4= 18 bit. La dimensione del modulo di memoria aumenta esponenzialmente con il numero di bit nella rappresentazione quantizzata del segnale temporale. Con un simile approccio possono essere realizzate grandi finestre temporali con quantizzazione dettagliata, il segnale temporale è in questo caso decomposto in sequenze di bit che possono essere filtrate indipendentemente con un accesso diretto alla memoria e le uscite da questi moduli di memoria sono intercollegate in modo gerarchico, il modulo di memoria di rango più elevato contenendo il risultato del filtro finale calcolato dall'intero segnale temporale. Questo approccio limiterà nondimeno un po' il numero degli schemi di filtraggio che possono essere realizzati.

La figura 2 illustra come il flusso delle immagini può essere riorientato in modo che l'immagine dopo la "immagine centrale" riceva una copia della immagine filtrata invece della stessa "immagine centrale" nella successiva iterazione. Questo ri-orientamento permetterà schemi di filtraggio ricorsivo con i valori dopo la "immagine centrale".

Analisi temporale di segnali ultrasonici

L'ispezione visiva di una visualizzazione in tempo reale di immagini ultrasoniche 2D è spesso una importante fonte addizionale di informazioni a confronto con l'ispezione di una singola inquadratura 2D. Questo fatto è ancor più saliente se viene sospesa l'elaborazione temporale rintracciabile nei correnti scanner ad ultrasuoni. Molti fluidi e categorie di tessuti possono essere meglio identificati se la caratterizzazione usa informazioni provenienti da entrambi i domini spaziale e temporale invece di informazioni puramente spaziali come trovato nella tecnica anteriore per la quantificazione in tempo reale [1].

Miglioramento di immagini di cansione B tessutali e bidimensionali

E’ noto che la tecnica anteriore relativa al filtraggio temporale di immagini ultrasoniche riduce i componenti della macchiettatura e del rumore di fondo al prezzo di un ridotto movimento delle pareti e del blurring delle strutture in rapido movimento, quali le valvole. La tecnica anteriore relativa al filtraggio temporale è stata perciò ristretta, di solito, ad un compromesso conservativo fra queste due proprietà. L'analisi temporale descritta in questa invenzione permette la realizzazione in tempo reale di un qualsiasi filtro e può perciò essere utilizzata per realizzare filtri temporali per il miglioramento di immagini a scansione B tessutali 2D. Il filtro ricorsivo tradizionale fornito dall'equazione 1 può essere per esempio realizzato come:

Un criterio di progetto primario per filtri ultrasonici temporali è che il blurring temporale dovrebbe essere evitato mentre le strutture della macchiettatura e del rumore di fondo possono essere ancora soppresse nella sequenza di immagini. Questa invenzione perciò usa filtri temporali, per il miglioramento di immagini tessutali 2D, che sono progettati in modo da conservare sequenze monotoniche significative nei segnali temporali. Gli algoritmi descritti in [2,3,4] possono conseguire fino ad un certo punto questa proprietà, mediante una corretta regolazione, quando i filtri vengono applicati come filtri temporali.

Nelle figure 5 e 6 strutture cardiache umane vengono prese come esempi pertinenti per chiarire importanti aspetti di questa invenzione. La figura 5 illustra come una parete che si muove oltre una data coordinata spaziale genera una transizione monotonica nell'evoluzione del segnale temporale. L'immagine tessutale 2D è data da 50. Il segnale temporale è etichettato 54B e la coordinata spaziale associata è etichettata 53B. L'ubicazione della parete viene indicata per due esempi di tempi etichettati I filtri che modificano la forma (pendenza) della transizione in segnale 54B (includendo il filtro dato nell'equazione 1) sposteranno l'ubicazione della transizione nella direzione temporale e conseguentemente l'apparenza visiva del moto della parete verrà influenzata durante l'ispezione di una sequenza di immagini 2D. Abbiamo perciò bisogno che le transizioni significative vengano mantenute nel segnale filtrato. La figura 5 indica anche una eventuale variazione temporale 54A rintracciata entro una cavità 53A. Le fluttuazioni sono qui stocastiche e spesso noncorrelate nella direzione temporale. Non vengono perciò trovate transizioni monotoniche significative nel segnale e l'effetto del filtraggio può essere sintonizzato per massimizzare la soppressione di macchiettatura e rumore di fondo. La figura 5 indica anche una eventuale variazione temporale 54C rintracciata entro il tessuto 53C. L'effetto del filtraggio viene qui sintonizzato in modo tale che il rumore di fondo viene ridotto ma l'aspetto strutturale del tessuto viene ancora mantenuto.

Le strutture in rapido movimento generano un picco nel segnale temporale. Ciò è illustrato nella figura 6 con una immagine tessutale 2D ultrasonica 60. La parete ventricolare 61 viene indicata assieme all'ubicazione della valvola mitralica in tre consecutive immagini tessutali 2D, 63A, 63B e 63C. Per la posizione 62 è indicato un segnale temporale 64 così che 63A e 65A sono campionati nella stessa immagine tessutale 2D. Similmente 63B e 65B sono campionati nella stessa immagine tessutale 2D e finalmente 63C e 65C sono campionati nella stessa immagine tessutale 2D. Il filtro è perciò accuratamente sintonizzato per una precisa raffigurazione per esempio di valvole cardiache stimando la dimensione o l'importanza statistica dei picchi e facendo passare questo segnale attraverso il filtro non elaborato o addirittura accresciuto dal filtro temporale .

L'invenzione usa un approccio diretto per ottenere un filtraggio temporale che conserva significative sequenze monotoniche. Il metodo si applica ad una sequenza 1-dimensionale di misurazioni che può rappresentare l'evoluzione temporale di misurazioni in una ubicazione spaziale fissa nella raffigurazione ultrasonica bi- o tri-dimensionale. Il segnale 1-dimensionale viene approssimato con un numero di segmenti monotonici. un singolo segmento monotonico viene calcolato minimizzando l’errore quadratico fra le misurazioni ed il segnale filtrato che aumenta o diminuisce in modo monotonico.

Questa tecnica è descritta in [4] e nei riferimenti (bibliografici) in esso. In contrasto con il lavoro in [4] non abbiamo bisogno che il segnale temporale debba essere localmente monotonico in ogni punto. Questo requisito FI ridurrà efficacemente la velocità massimale di inquadratura della originale sequenza di immagini. Abbiamo invece bisogno che il segnale temporale possa essere decomposto in una sequenza di intervalli consecutivi che siano localmente monotonici. Il numero reale di segmenti è specificato in precedenza come un parametro per l’algoritmo o in termini di un numero massimale di segmenti. Nell'ultimo caso, la corrispondenza con le misurazioni reali viene usata per stimare il numero reale di segmenti monotonici presenti nel segnale da analizzare. L'approssimazione può essere efficientemente calcolata con una programmazione dinamica secondo 1'equazione:

indica l’errore ottenuto nell'approssimazione

del segnale con n segmenti monotonici ed

indica l'errore ottenuto nell'approssimazione del segnale con un singolo segmento monotonico come descritto in [4] e nei riferimenti in esso. I valori del filtro reale possono essere calcolati mantenendo le informazioni relative a dove erano state ubicate le suddivisioni ottimali e calcolando quindi approssimazioni monotoniche in ciascuno di questi segmenti , indipendentemente.

La regressione monotonica limita il comportamento oscillatorio del segnale ma conserva significative transizioni nel segnale ed inibisce il blurring attraverso i confini tra segmenti adiacenti. Nell’analisi temporale degli ultrasuoni queste proprietà del filtro vengono sfruttate per ottenere una significativa riduzione del rumore di fondo senza influenzare il moto della parete e l'identificazione della valvola.

Creazione e quantificazione di nuove modalità

L'analisi temporale descritta in questa invenzione permette la realizzazione di qualsiasi filtro e può perciò essere utilizzata anche per estrarre altri tipi di informazioni dai segnali temporali in aggiunta alla immagine a scansione B tessutale 2D. L'analisi temporale può essere descritta come segue:

dove IFI indica un indicatore di caratteristica (Feature Indicatori sono la sequenza temporale dei segnali misurati o di informazioni derivate acquisite per una data coordinata spaziale e alimentate all'analisi temporale. T(-) indica l'analisi temporale che estrae l'indicatore per la presenza di una data caratteristica nei segnali temporali. L'analisi temporale T( ■ ) può essere adattata in modo tale che I divenga un indicatore per un fluido specifico o una specifica categoria tessutale o sangue contenente agenti di contrasto ultrasonico oppure vari livelli di perfusione sanguigna in una data categoria tessutale. L'immagine risultante viene visualizzata su una unità visualizzatrice in tempo reale come una immagine separata o come una codifica a colori insieme con l'immagine tessutale 2D.

Una analisi temporale che caratterizza l'attività temporale può essere utilizzata come un indicatore di caratteristica per rilevare particolari caratteristiche includendo la presenza di agenti di contrasto ultrasonico. L'attività temporale può essere caratterizzata dalla misurazione della varianza di un segnale nella direzione temporale mediante una misurazione diretta della varianza statistica oppure normalizzando dapprima il segnale secondo la descrizione in questa invenzione per ottenere migliori immagini tessutali 2D. Detta normalizzazione assicurerà che le transizioni monotoniche dovute per esempio al movimento della parete non verranno codificate come regioni di attività temporale elevata.

Aumento della risoluzione spaziale e temporale

La velocità del suono in acqua/tessuto limita il numero di raggi che possono essere misurati per ogni secondo. Assumiamo che un dato scanner ad ultrasuoni possa misurare N raggi al secondo durante la raffigurazione tessutale 2D in tempo reale. La tecnica anteriore per la raffigurazione tessutale 2D permetterà all'utilizzatore di selezionare una data velocità di inquadratura. Indichiamo questa selezionata velocità di inquadratura con F, ove i valori tipici sono correntemente nell'intervallo da 20 a 60. I raggi N/F saranno in questo caso disponibili per campionare una singola inquadratura 2D e le immagini visualizzate sono versioni spazialmente interpolate delle inquadrature 2D.

Per migliorare la risoluzione spaziale e/o la velocità di inquadratura della raffigurazione tessutale 2D l'analisi temporale può essere applicata per migliorare la qualità della interpolazione spaziale. La tecnica è basata sui seguenti stadi:

1. Indichiamo con M il numero di raggi in una singola inquadratura e indichiamo con F la velocità di inquadratura (il numero di immagini per secondo). I raggi M vengono dapprima interpolati spazialmente così che viene ottenuta una immagine equivalente ad una acquisizione ordinaria con M-k raggi, k è un parametro della procedura ed assume i valori è dato dalla capacità di elaborazione dello scanner ad ultrasuoni .

2. Lo stadio 1 viene ripetuto k volte così che i raggi misurati M in ogni acquisizione vengono fatti slittare in modo tale che ciascuna delle posizioni del raggio sia misurata esattamente una volta dopo le k iterazioni dello stadio 1.

3 . Lo stadio 1 e lo stadio 2 vengono quindi ripetuti continuamente e la risultante sequenza di immagini 2D con raggi ciascuna viene usata come entrata in uno schema analisi temporale/interpolazione includendo tecniche descritte in questa invenzione o rintracciabili nella tecnica anteriore.

4. L'analisi temporale può utilizzare, in aggiunta, informazioni collaterali circa l'ubicazione dei raggi misurati così che queste misurazioni possono essere enfatizzate nella elaborazione temporale.

La tecnica descritta può essere usata per aumentare la risoluzione spaziale per una velocità di inquadratura prefissata o per aumentare la velocità di inquadratura per una determinata risoluzione spaziale o per ottenere miglioramenti in tutte due la velocità di inquadratura e la risoluzione spaziale. La figura 7 illustra il concetto per una immagine tessutale 2D 70. La figura illustra l 'esempio con k = 2. Ogni inquadratura di immagine pari nell'ordinamento temporale viene campionata con i raggi 71 ed ogni inquadratura di immagine dispari nell'ordinamento temporale viene campionata con i raggi 72. Lo schema di scansione fra i singoli raggi 71 è arbitrario e può essere usato per migliorare la qualità dell'immagine. Similmente, lo schema di scansione fra i singoli raggi 72 è pure arbitrario.

Elaborazione spaziale di indicatori temporali

Le dette immagini indicatrici non-binarie ottenute nell'analisi temporale come sopra descritto vengono elaborate con un filtro di contiguità spaziale in tempo reale per migliorare la consistenza statistica delle stime ottenute nella detta analisi temporale. Il filtro spaziale è progettato in modo tale che una pluralità di linee di scansione contigue e una pluralità di intervalli contigui vengano investigate prima che l'immagine venga mediata per ottenere una immagine indicatrice binaria. La figura 8 illustra l'entrata al filtro spaziale per una immagine tessutale 2D 80. Viene indicato un eventuale oggetto raffigurato come il ventricolo sinistro 81. La contiguità spaziale 84 include una pluralità di intervalli fra un valore minimale di intervallo 82A ed un valore massimale di intervallo 82B. La contiguità 84 include anche una pluralità di linee di scansione fra una linea di scansione tutta a sinistra 83A ed una linea di scansione tutta a destra 83B.

Il filtro di contiguità spaziale è progettato in modo tale che l'utilizzatore o una procedura automatica possono determinare una corretta dimensione in termini di numero di linee di scansione contigue o di numero di intervalli contigui. La consistenza/precisione della elaborazione spaziale può essere in questo modo regolata per adeguarsi alla qualità della evidenza statistica estratta dalla sottostante sequenza di immagini ultrasoniche .

Il filtraggio spaziale in tempo reale con grandi contiguità (domini) viene realizzato mediando dapprima l'immagine di ingresso e quindi accumulando il numero di elementi della immagine sopra il livello di soglia entro la contiguità spaziale e mediando finalmente questo numero con un valore dipendente dalla dimensione della contiguità spaziale.

Il livello di soglia è un parametro stabilito dall'utilizzatore o da procedure automatiche. Il livello di soglia viene fatto variare con la posizione spaziale nell'immagine data dall'indice della linea di scansione associata e dall'indice dell'intervallo associato.

Estrazione di informazioni alle immagini indicatrici binarie

L'immagine indicatrice binaria viene elaborata spazialmente e separata nei suoi componenti collegati. Si veda [5] per una definizione di componenti collegati. La figura 9 illustra l'estrazione di componenti collegati in una immagine tessutale 2D 90. In questo esempio l'immagine indicatrice binaria è separata in due componenti 91 e 92.

Le rappresentazioni digitali dei bordi di detti componenti collegati sono rese disponibili per l'analisi in tempo reale con elaborazione digitale e gli attributi estratti vengono visualizzati simultaneamente per detto componente collegato.

L'estrazione di componenti collegati permette interfacce-utente avanzate (ad alto livello) ove un dato oggetto nella scena raffigurata può essere -specificato fornendo semplicemente un punto all'interno della regione invece di una regione completa di interesse come descritto nella tecnica anteriore [1]. L'estrazione di molteplici oggetti permette anche la investigazione simultanea e co-registrata di più di una cavità.

Raffigurazione ultrasonica tri-dimensionale

Con il termine raffigurazione ultrasonica tridimensionale intenderemo:

1. Acquisizione ultrasonica tri-dimensionale per la ricostruzione di una geometria tri-dimensionale, oppure 2. Acquisizione tri-dimensionale stimolata con riccio cinetoscopico (cineloop) per la ricostruzione di una geometria tri-dimensionale dipendente dal tempo, oppure 3. Acquisizione tri-dimensionale in tempo reale ove le tre dimensioni spaziali vengono sottoposte a scansione abbastanza velocemente per fornire informazioni circa la geometria tri-dimensionale dipendente dal tempo.

La tecnica relativa alla raffigurazione ultrasonica tridimensionale è basata sulla elaborazione di rappresentazioni pluridimensionali, correttamente organizzate, dei dati acquisiti. Vengono quindi elaborati grandi archivi di dati ed i requisiti computistici per ottenere visualizzazioni o misurazioni sono molto elevati (severi). Questa invenzione utilizza le dette immagini indicatrici binarie per ottenere caratterizzazioni qualitative e quantitative della geometria 3D ottenuta nella raffigurazione ultrasonica tri-dimensionale. Le immagini indicatrici binarie possono essere ottenute mediante le tecniche descritte in questa invenzione oppure mediante tecniche che forniscono una quantificazione in tempo reale del contenuto informativo in una singola immagine ultrasonica 2D quale [1]. Questa alternativa costituisce un aspetto separato o indipendente dell'invenzione.

La geometria tri-dimensionale viene ottenuta mediante integrazione digitale di componenti binari come illustrato in figura 10. E' indicato un completo archivio di dati (dataset; DS) tri-dimensionale 100. In questo esempio una immagine tessutale bi-dimensionale è stata inclinata 102, ma sono possibili anche altre geometrie come quelle ottenute mediante traslazione e rotazione. Il dataset tri-dimensionale può essere parte di una sequenza di tali dataset che include le variazioni temporali della scena tri-dimensionale raffigurata. I risultati della quantificazione estratti dalla sottostante raffigurazione 2D 101 sono indicati nella figura insieme ad una organizzazione 103 dei confini di questi oggetti. I componenti sovrapposti sono integrati mediante correlazione di punti contigui ai confini. Il carico computistico di questa elaborazione è piccolo semplicemente per il fatto che devono essere trattate le rappresentazioni digitali del confine dei componenti binari determinate nella quantificazione in tempo reale. In figura 10 viene pure indicata la geometria interpolata 104.

Le geometrie tri-dimensionali ricostruite ottenute con detta tecnica possono essere visualizzate e misurate con la tecnica anteriore per la visualizzazione e misurazione di oggetti tri-dimensionali. Dette visualizzazioni e misurazioni possono quindi essere ottenute con un piccolo carico di elaborazione e le dette visualizzazioni e misurazioni possono essere mantenute in tempo reale per la raffigurazione ultrasonica tri-dimensionale in tempo reale.

La descrizione di cui sopra può essere riassunta come segue:

Metodi per l'analisi e la misurazione in tempo reale di variazioni temporali dei tessuti in segnali ultrasonici per il miglioramento qualitativo delle immagini tessutali e per la caratterizzazione qualitativa e quantitativa della dimensione/forma degli oggetti raffigurati. Il metodo viene usato per l'analisi dei segnali ultrasonici acquisiti per l'investigazione di strutture biologiche viventi. L'applicazione principale sarà in ospedali e simili. Il metodo si applica ad una acquisizione ultrasonica in tempo reale di immagini 2D. Un dato numero delle più recenti inquadrature di immagine viene memorizzato e reso disponibile per l'analisi digitale dei dati. Per ciascuna coordinata spaziale viene estratta l'evoluzione del segnale temporale o una evoluzione derivata del segnale temporale. Queste evoluzioni vengono analizzate digitalmente e l'immagine risultante può essere visualizzata su una unità visualizzatrice come una immagine tessutale 2D migliorata e/o una immagine indicatrice per una particolare categoria di tessuto/fluido nella scena raffigurata. Secondo un particolare e importante aspetto di questa invenzione la detta immagine risultante può essere ulteriormente elaborata con un filtro spaziale, che investiga una pluralità di linee di scansione contigue ed una pluralità di intervalli contigui per ciascuna coordinata di immagine, e finalmente mediata per ottenere un indicatore binario degli oggetti raffigurati che vengono rivelati in una caratterizzazione combinata spazio/tempo. Una pluralità di componenti collegati viene estratta dall'immagine indicatrice binaria e resa disponibile per l'elaborazione del computer in tempo reale includendo la misurazione e la simultanea visualizzazione dell’area e/o di altri attributi derivati associati a detti componenti collegati. Le rappresentazioni digitali di detti componenti collegati o altre tecniche per la quantificazione in tempo reale di immagini ultrasoniche vengono usate nella raffigurazione ultrasonica tri-dimensionale per accumulare geometrie tri-dimensionali e tetra-dimensionali per le caratterizzazioni dimensione/forma mediante misurazioni e visualizzazioni tri-dimensionali.

Claims

R I V E N D I C A Z I O N I 1. Metodo per l'analisi e la misurazione in tempo reale di variazioni temporali di tessuti in segnali ultrasonici durante l'investigazione di strutture biologiche viventi per il miglioramento qualitativo di immagini tessutali e per la caratterizzazione qualitativa e quantitativa della dimensione/forma degli oggetti raffigurati, includendo cavità, recipienti, categorie tessutali o vari livelli di perfusione sanguigna in una data categoria tessutale comprendente gli stadi di: • acquisizione e memorizzazione di un predeterminato numero di inquadrature di immagini ultrasoniche, • aggiornamento del numero memorizzato di inquadrature di immagini cancellando l'inquadratura più vecchia ed includendo una nuova inquadratura di immagine, • messa a disposizione del numero memorizzato di -inquadrature di immagini per l'analisi digitale dei dati, • analisi digitale della evoluzione temporale per ciascuna coordinata spaziale nel numero di immagini memorizzato, • memorizzazione del risultato della analisi temporale come immagine indicatrice non-binaria, e • visualizzazione di detta immagine indicatrice nonbinaria su una unità visualizzatrice.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente gli stadi di: • ottenimento della immagine indicatrice non-binaria con un livello di soglia variante spazialmente per produrre una immagine indicatrice binaria, • estrazione di una pluralità di componenti collegati dalla immagine indicatrice binaria, ● estrazione di rappresentazioni digitali dei bordi di detti componenti collegati e loro messa a disposizione per l'analisi in tempo reale con elaborazione digitale, e ● visualizzazione in tempo reale dell'area e di altri attributi derivati associati simultaneamente ad una pluralità dei detti componenti collegati.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre gli stadi di: • memorizzazione delle dette inquadrature di immagini ultrasoniche in una coda di immagini FIFO (First In First Out) di lunghezza fissa e mantenimento dell'ordinamento di registrazione fra le inquadrature di immagini, ● quantizzazione dei segnali temporali con un dato numero di bit che può essere distribuito in modo ineguale lungo le inquadrature di immagini, e • uso di detta rappresentazione bit come indirizzo di ricerca in un banco di memoria, o in una architettura gerarchica intercollegata di banchi di memoria/ contenente una rappresentazione precalcolata del filtro temporale .
4. Metodo secondo la rivendicazione 3, comprendente inoltre gli stadi di selezione di una inquadratura, nella sequenza di inquadrature di immagini, e di riorientamento del flusso di inquadrature di immagini in modo tale che detta immagine indicatrice non-binaria sostituisca la inquadratura di immagine selezionata nel successivo stadio temporale quando una nuova inquadratura di immagine è stata acquisita per conseguire un filtraggio ricorsivo in una porzione della detta sequenza di inquadrature di immagini.
5. Metodo secondo la rivendicazione 3, comprendente inoltre gli stadi di quantizzazione dei valori ottenuti in una sequenza di inquadrature di immagini, per- una data coordinata spaziale relativa ad un valore associato ad una inquadratura di immagine selezionata in detta sequenza di inquadrature di immagini, e quindi di miscelazione del detto valore associato alla inquadratura di immagine selezionata con il risultato del filtro dato dal valore dell'immagine indicatrice non-binaria per la stessa coordinata spaziale per ridurre il numero di bit nella detta rappresentazione bit quantizzata.
6. Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre gli stadi di calcolo della detta immagine indicatrice non-binaria, ottenuta mediante detta analisi della evoluzione temporale come versione migliorata della immagine di scansione B tessutale 2D, e di visualizzazione di essa su una unità visualizzatrice in tempo reale.
7. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 6, comprendente inoltre lo stadio di applicazione di un filtro che conserva localmente segmenti monotonici nella detta analisi della evoluzione temporale.
8. Metodo secondo la rivendicazione 7, comprendente inoltre lo stadio di utilizzazione di una approssimazione dei segnali temporali o di segnali temporali derivati con una pluralità di segnali localmente monotonici come base per la detta analisi di evoluzioni temporali.
9. Metodo secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre gli stadi di calcolo della detta immagine indicatrice non-binaria, ottenuta mediante la detta analisi temporale, come indicatore per un fluido specifico, o per una specifica categoria di tessuti, o per sangue contenente agenti di contrasto ultrasonico, o per vari livelli di perfusione sanguigna in una data categoria di tessuti, e di visualizzazione di essa su una unità visualizzatrice in tempo reale come immagine separata o come codifica a colori insieme alla immagine tessutale 2D.
10. Metodo secondo la rivendicazione 9, comprendente inoltre lo stadio di utilizzazione di una misura della varianza temporale come base per la detta analisi di evoluzioni temporali.
11. Metodo secondo la rivendicazione 6 o 9, comprendente inoltre gli stadi di interpolazione spaziale di un numero di linee di scansione fra ciascuna linea di scansione misurata nelle immagini ultrasoniche 2D, di sfalsamento della posizione delle linee di scansione misurate in un modo ciclico fra ciascuna acquisizione di immagine 2D, cosi che tutte le linee di scansione vengono misurate esattamente una volta dopo un ciclo completo, e di applicazione di questa sequenza di immagini alla detta analisi temporale o ad altre tecniche che realizzano filtraggi/interpolazioni nella direzione temporale.
12. Metodo secondo le rivendicazioni 1 e 2, comprendente inoltre lo stadio di elaborazione della detta immagine indicatrice non-binaria con un filtro di contiguità spaziale, che investiga una pluralità di linee di scansione contigue ed una pluralità di intervalli contigui prima che la detta immagine indicatrice temporale venga mediata.
13. Metodo secondo la rivendicazione 12, comprendente inoltre gli stadi di calcolo del detto filtro mediando dapprima l'immagine, di accumulo del numero di elementi di immagine sopra il livello di soglia entro la detta contiguità spaziale e finalmente di mediazione di questo numero con un valore dipendente dalla dimensione della detta contiguità spaziale.
14 . Metodo secondo la rivendicazione 13, comprendente inoltre lo stadio di controllo della dimensione della detta contiguità spaziale in modo tale che la risoluzione della rivelazione possa essere regolata per adeguersi alla qualità delle sottostanti immagini ultrasoniche.
15. Metodo secondo la rivendicazione 2, comprendente inoltre lo stadio di integrazione digitale di una sequenza di detti componenti collegati estratti in una acquisizione ultrasonica tri-dimensionale per la ricostruzione di una geometria tri-dimensionale.
16. Metodo secondo la rivendicazione 2, comprendente inoltre lo stadio di integrazione digitale di detti componenti collegati provenienti da un dato numero di cineloop in una acquisizione ultrasonica tri-dimensionale stimolata per la ricostruzione di una geometria tri-dimensionale dipendente dal tempo.
17. Metodo secondo la rivendicazione 2, comprendente inoltre lo stadio di integrazione digitale di detti componenti collegati provenienti da una acquisizione ultrasonica tri-dimensionale in tempo reale, fornendo una descrizione in tempo reale e dipendente dal tempo di una geometria tri-dimensionale.
18. Metodo per sintetizzare almeno una geometria tridimensionale in una raffigurazione ultrasonica tridimensionale basata sui risultati di un metodo per l'analisi e la misurazione in tempo reale di variazioni temporali e/o spaziali di tessuti in segnali ultrasonici durante l'investigazione di strutture biologiche viventi per la caratterizzazione qualitativa e quantitativa della dimensione/forma degli oggetti raffigurati, includendo cavità, recipienti, categorie tessutali o vari livelli di perfusione sanguigna in una data categoria tessutale comprendente gli stadi di: • produzione in tempo reale di una immagine indicatrice binaria basata sul contenuto informativo in una singola inquadratura di immagine ultrasonica 2D o in una sequenza di inquadrature di immagini ultrasoniche 2D, • estrazione di una pluralità di componenti collegati dalla detta immagine indicatrice binaria, e <● >ricostruzione digitale di geometrie tri-dimensionali integrando una sequenza di detti componenti collegati estratti durante una acquisizione ultrasonica tridimensionale per la ricostruzione di una geometria tridimensionale.
19. Metodo per sintetizzare almeno una geometria tridimensionale in una raffigurazione ultrasonica tridimensionale basata sui risultati di un metodo per l'analisi e la misurazione in tempo reale di variazioni temporali e/o spaziali di tessuti in segnali ultrasonici durante l'investigazione di strutture biologiche viventi per la caratterizzazione qualitativa e quantitativa della dimensione/forma degli oggetti raffigurati, includendo cavità, recipienti, categorie tessutali o vari livelli di perfusione sanguigna in una data categoria tessutale comprendente gli stadi di: • produzione in tempo reale di una immagine indicatrice binaria basata sul contenuto informativo in una singola inquadratura di immagine ultrasonica 2D o in una sequenza di inquadrature di immagini ultrasoniche 2D, ● estrazione di una pluralità di componenti collegati dalla detta immagine indicatrice binaria, e • ricostruzione digitale di geometrie tri-dimensionali integrando una sequenza di detti componenti collegati estratti durante una acquisizione ultrasonica tridimensionale stimolata per la ricostruzione di una geometria tri-dimensionale dipendente dal tempo.
20. Metodo per sintetizzare almeno una geometria tridimensionale in una raffigurazione ultrasonica tridimensionale basata sui risultati di un metodo per l'analisi e la misurazione in tempo reale di variazioni temporali e/o spaziali di tessuti in segnali ultrasonici durante l'investigazione di strutture biologiche viventi per la caratterizzazione qualitativa e quantitativa della dimensione/forma degli oggetti raffigurati, includendo cavità, recipienti, categorie tessutali o vari livelli di perfusione sanguigna in una data categoria tessutale comprendente gli stadi di: • produzione in tempo reale di una immagine indicatrice binaria basata sul contenuto informativo in una singola inquadratura di immagine ultrasonica 2D o in una sequenza di inquadrature di immagini ultrasoniche 2D, ● estrazione di una pluralità di componenti collegati dalla detta immagine indicatrice binaria, e • ricostruzione digitale di geometrie tri-dimensionali integrando una sequenza di detti componenti collegati estratti durante una acquisizione ultrasonica tri-dimensionale in tempo reale fornendo la descrizione di una geometria tri-dimensionale dipendente dal tempo in tempo reale.
21. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 15÷20 comprendente inoltre lo stadio di calcolo delle qualitative e quantitative caratteristiche dimensione/forma dei detti oggetti tri-dimensionali.
22. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 15÷20 comprendente inoltre lo stadio di creazione di visualizzazioni tri-dimensionali dei detti oggetti tridimensionali .