CN101331406A - 实时3d体绘制图像的更快速率 - Google Patents
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Abstract
本发明规定了通过以与采集帧相同的速率生成绘制图像而以更高速率生成超声体积图像。这可通过将采集与绘制进行分离来实现：不断地采集2D帧并将其存储在3D存储器中。一旦3D存储器装满，动态地用新的帧替换旧的帧。以所选速率在3D存储器上执行绘制。
Description
本发明涉及以比采集下层3D超声数据更高的速率来生成超声体绘制图像。具体而言，本发明涉及通过在采集到新的超声数据后马上将其合并到3D数据集中，从而以更高的速率生成体绘制图像，并且以更高的速率进行重新投影。
三维超声成像，包括单扫描(3D)和实时(通常称为4D或实况3D)两者，在现代超声系统上正变得越来越普遍。在临床上，它可用于很多应用中，包括：OB(例如，用于胎儿脸部和用于先天性缺陷的诊断)、心脏疾病(例如，用于射血分数的定量评估和用于心脏功能的可视化)以及其他。
实时(实况)3D包括以对于3D显示足够快的速率进行全体积数据的采集和显示，从而以临床上有用的速率示出3D绘制图像或多个切片。使用电动型换能器或2D阵列换能器可完成普通成像应用的3D数据捕获。图1示出了电动型换能器的典型3D/4D数据路径的方块图，其示出了采集步骤和可视化步骤两者。非电动型2D阵列换能器的信号路径与此类似，但不使用电机控制器和传动机构。
超声体绘制图像可通过将3D数据集投影到2D表面上而生成。这些图像典型地以与采集下层3D超声数据相同的速率来生成，这受到声传播时间和/或(对于机械3D探头而言)机械局限性的限制。大多数临床医生愿意这些速率更高些。
通过在电动机控制器的控制下机械地移动1D阵列并采集射束数据来完成电动化采集。在旋转或平移期间连续地移动探头并采集来自整个体积的扫描线(射束)或仅采集位于期望多个2D切片视图部位处的扫描线(射束)。通过前端控制器来设置这些射束的聚焦延迟、权重和计时。通过在方位和仰角两方面电子地导引各射束，再次在前端控制器并通常还在2D换能器自身内的微束形成器的控制下，来完成使用2D阵列换能器(X矩阵)的采集。然后将这样形成的各RF射束通过信号调节模块进行馈送，该信号调节模块通常执行各种标准的超声信号处理操作，例如包络检测、压缩等。
可视化软件的扫描转换器通过针对线性和扇形格式将各扫描线按位置进行组合(如图2所示)而生成体积或切片视图帧。将整个体积保持在图像存储器的3D电影回放历史缓冲器中，以待将其直接传送用于实时(实况3D)绘制或者能够保存或再次存储用于以后的3D评测。
在大多数情况下，通过将将整个体积数据沿观察点方向上的射线投影到2D平面上而生成超声3D或4D视图(也被称为绘制视图)。能操纵各种控制以调整体积的观察点方向、透明度和构造，以及剪裁并刻除外部区域，从而更好地观看内部区域。所得结果是“3D图像”，其提供体积的定性可视化。虽然具体的实现会有不同，但是体绘制近似光线(或超声)通过半透明体积进行的传播。所有体绘制算法的各基本步骤包括将颜色和不透明度分配给体积中的每一个样本，将沿着各线性射线的各样本投影到2D图像上，并累积沿每条射线投影的样本。这一处理显示在下面用于单条观察射线和相关图像像素的图3中。
在实时3D中操作的现有超声系统的一种局限在于，通常以与采集下层3D超声数据相同的速率-即，可视化速率与采集速率相同来生成体绘制图像。对于大视野(尤其是在OB和综合成像中)以及对于可接受的图像质量而言，为了对体积进行充分采样必须采集很大量的声扫描线，这导致可能低到只有几Hz的采集速率。这甚至对于矩阵(即2D)阵列亦是如此。由于可视化速率与采集速率相同，因此这对试图与正在显现的解剖结构进行实时交互的用户产生了问题。一种提高体积速率的方法是采集较少的数据，但这会牺牲视野或图像质量或者两者。
人们希望提供以更高速率生成的超声体积图像，避免前述现有技术的各种缺陷。
实时空间复合(Philips公司称之为SonoCT)涉及将从不同角度采集的多个、重叠2D图像中获得的超声数据进行平均，实时空间复合具有类似的问题，因为需要大量的声数据来生成一个完整的复合图像，这样实际上复合帧速率是低的。然而，来自SonoCT的经验已经显示出，与等待整个复合序列不同(见美国专利6,126,599)，如果一有任何新的信息出现就更新复合图像，具体而言通过每次采集到新的成分帧(即一次导引角度)时更新所述复合图像，则会极大地改进用户的体验。本质上，我们以成分帧速率而非复合帧速率来呈现所述复合图像，并且它们与人们优选在真正独立的复合图像间能够进行插值所获得的图像类似。用户通常察觉的帧速率是大约实际复合速率的两倍。另一优势是等待时间，因为用户以成分帧而非全部复合图像的速率来观看新的信息。
由于体积投影与SonoCT中使用的帧平均是非常类似的概念，因此这些相同的好处可通过在获得每个成分2D切片时，或以一些其他中间速率更新绘制图像而转移给3D体绘制成像。该思想是以临床需要和处理功率确定的速率，而非3D体积采集速率来更新体绘制图像。
本发明规定通过以与采集2D帧相同的速率，而非以采集3D体积的速率，或者以一些中间速率来生成绘制图像而以更高速率生成超声体积图像。
图1示出了显示实时3D采集的典型实时3D信号路径；
图2a示出了针对线性扫描的常规3D扫描转换；
图2b示出了针对扇扫的常规3D扫描转换；
图3示出了用于体绘制的常规方法；以及
图4示出了本发明如何修改典型的3D体绘制，从而以采集的2D帧的速率而非采集的体积速率来生成绘制图像。
参照各附图，图4描述了本发明的操作。系统(1)要求每个2D帧(5a)花费时间(t)来采集，使得在时间(Nt)内采集由N个2D帧组成的整个采集体积(5)。在现有技术中3D扫描转换器然后能以采集体积速率(1/Nt)生成3D体积，并且它们还能以相同的速率(1/Nt)进行绘制(并且因此被可视化，12)。然而，如图4所示，通过不断地在出现新的图像数据时就马上用其更新扫描转换体积，具体地通过增加(6)最近期的2D帧(5a)并从先前采集的体积(11a)中减去(7)相等的2D帧(11a)，然后有可能以采集帧速率(1/t)而非体积速率(1/Nt)生成各体绘制图像。
由于以2D采集帧速率进行的体绘制产生具有大量共有图像数据的绘制体积(N个2D帧中仅有1个是唯一的)，使得所绘制的图像看上去非常类似，实际上很可能体绘制将以介于2D采集速率(1/t)和3D采集速率(1/Nt)之间的某一速率进行。同样，以2D采集速率进行的体绘制也可能超过系统的处理资源，这是因为体绘制是需要相当密集的处理。来自SonoCT的经验建议大约(2/Nt)，即两倍于采集体积速率的体绘制速率可能代表较好的折衷方案。
这个概念需要3D体积缓冲器(10)，如图4所示，它将用于累积最近期的体积数据，以及需要分立的3D体积缓冲器(11)，其存储以前的体积数据。新的2D帧(5)将增加(6)到缓冲器(10)中，并将替换存储在3D体积(11)中的从同一空间位置处获得的旧2D帧，将其从该缓冲器(10)中减去(7)。体绘制(12)将以所选速率-即与所述体积采集速率无关的速率-运行3D体积缓冲器。
这样，本发明提供了一种通过以与典型地如图2b和3所完成和图示的采集帧相同的速率(1/t)而非采集体积的速率生成绘制图像而修改典型的3D体绘制(图2b和图3所示)的方法和系统。这一操作针对基于2D帧速率而非采集的体积速率的采集而言是实现为软件。
一个问题是已经在不同时候采集的体积各部分之间存在“撕裂”的风险。这可通过总是以与2D扫描方向成直角或接近直角进行投影而得到缓解，在这种情况下任何伪影不会比它们在正常(即，以采集体积速率)显示的投影视图中更糟。在矩阵阵列上，这易于确保各投影并不是直接沿着射束轴而只要射束的顶点在换能器上，这是因为原则上，各2D切片能以任何方向进行扫描。
本发明可运行支持实时3D成像的任何超声系统，并因此本发明并不局限于任何一种超声系统。通过说明性示例而非试图进行限制的方式，本发明可运行下列超声系统：Philips iU22；Philips iE33；GE Logic9；GE Voluson；Siemens Antares；以及Toshiba Aplio。
虽然对本公开来说已经描述了目前优选的各实施例，但是本领域的技术人员能对方法步骤及装置部件的布置做出很多改动。这些改动包含在权利要求书所定义的本发明精神之内。
Claims (10)
1、一种用于生成超声体绘制图像的方法，包括如下各步骤：
用3D扫描转换器生成3D体积；
提供3D体积缓冲器以积累近期的体积数据；
提供3D体积缓冲器以存储以前采集的体积数据，
通过增加近期的2D帧并替换从所述缓冲器中3D体积内的一些空间位置上获得的旧的相等2D帧，不断地用新的图像数据更新扫描转换体积，使得体绘制以所选速率在所述缓冲器上运行，并以比采集下层3D超声数据更高的速率来生成超声绘制图像。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述体绘制以介于2D采集速率(1/t)和3D采集速率(1/Nt)间的某一速率进行。
3、根据权利要求2所述的方法，其中，所述体绘制速率近似为所述采集体积速率的两倍(2/Nt)。
4、根据权利要求1所述的方法，还包括：
以与2D扫描方向成直角或接近直角进行投影，以便防止在不同时候采集的体积各部分之间的撕裂。
5、根据权利要求1所述的方法，其中，所述缓冲器实现为软件。
6、一种用于生成超声体绘制图像的系统，包括：
3D扫描转换器，用于生成3D体积；
3D体积缓冲器，用于积累近期的体积数据；
所述3D体积缓冲器通过增加近期的2D帧并替换从3D体积内的空间位置上获得的旧的相等2D帧，接收不断地用新的图像数据更新的扫描转换体积，使得体绘制在所述缓冲器中以所选速率运行，并以比采集下层3D超声数据更高的速率来生成超声绘制图像。
7、根据权利要求6所述的系统，其中，所述体绘制以介于2D采集速率(1/t)和3D采集速率(1/Nt)间的某一速率进行。
8、根据权利要求7所述的系统，其中，所述体绘制速率近似为所述采集体积速率的两倍(2/Nt)。
9、根据权利要求6所述的系统，还包括：
所述系统以与2D扫描方向成直角或接近直角进行投影，以便防止在不同时候采集的体积各部分之间的撕裂。
10、根据权利要求6所述的系统，其中，所述缓冲器实现为软件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20081224 |