DE19910771A1

DE19910771A1 - Verfahren und Einrichtung zum Nachfolgen einer Abtastebenentbewegung beim dreidimensionalen Freihand-Ultraschall-Abtasten unter Verwendung adaptiver Flecken-Korrelation

Info

Publication number: DE19910771A1
Application number: DE19910771A
Authority: DE
Inventors: Larry Y L Mo; William Thomas Hatfield; Steven Charles Miller
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 1999-09-23
Also published as: US6012458A; US6106470A; JP4306864B2; IL128866A0; JPH11313822A; IL128866A

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Einrichtung angegeben zum Nachfolgen einer Scanebenenbewegung bei dreidimensionalen Freihand-Ultraschall-Abtasten unter Verwendung einer adaptiven Speckle- bzw. Flecken-Korrelation. Das Verfahren verwendet einen Korrelations-Index, der sich an unterschiedliche dynamische Displaybereiche und Nachbearbeitungsfilter adaptiert. Das Verfahren kann die folgenden Schritte enthalten: Wählen eines Kernels in jedem Einzelbild für Korrelations-Berechnungen; Zurückweisen doppelter Einzelbilder; Messen des Korrelationsgrades zwischen aufeinanderfolgenden Einzelbildern, Zurückweisen von Korrelations-Schützwerten, die mit Handzittern und anderen Artefakten in Verbindungen stehen können; und Berechnen des mittleren Bild-zu-Bild-Abstandes (d. h. zwischen zwei Schichten) auf der Basis des mittleren Korrelations-Schätzwertes. Diese Bild-basierte Bewegungsnachfolgetechnik ermöglicht eine dreidimensionale Rekonstruktion mit guter geometrischer Wiedergabetreue ohne Verwendung irgendeiner externen Positionsabtastvorrichtung.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Ultraschall- Bildgebung der menschlichen Anatomie zum Zwecke der medizi nischen Untersuchung und insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur bildlichen Darstellung der menschli chen Anatomie, indem die Intensität von Ultraschallechos detektiert wird, die von einem abgetasteten Volumen in ei nem menschlichen Körper reflektiert werden.

Übliche Ultraschall-Abtaster bzw. -Scanner erzeugen zweidi mensionale B-Mode-Bilder von Gewebe, bei denen die Hellig keit von einem Pixel auf der Intensität von der Echoantwort basiert. Die das Basissignal verarbeitende Kette in dem üb lichen B-Mode ist in Fig. 1 gezeigt. Ein Ultraschall- Wandlerarray 2 wird aktiviert, um ein akustisches Impuls bündel (Burst) entlang einer Scan- bzw. Abtastlinie zu sen den. Die zurückkehrenden HF Signale werden durch Wandlere lemente detektiert und dann durch einen Bündelformer 4 zu einem Empfangsbündel geformt. Die Ausgangsdaten (I/Q oder HF) des Bündelformers für jede Abtastlinie wird durch eine B-Mode-Verarbeitungskette 6 geleitet, die eine Ausgleichs filterung, Hüllkurvendetektion und logarithmische Kompres sion enthält. In Abhängigkeit von der Abtastgeometrie kön nen bis zu einige hundert Vektoren verwendet werden, um ein einziges akustisches Einzelbild (Bildframe) zu erzeugen. Um den temporären Übergang von dem einen akustischen Einzel bild zum nächsten zu glätten, kann vor der Scanumwandlung irgendeine akustische Einzelbildmittelung 8 ausgeführt wer den. Die Bildmittelung kann durch ein FIR- (mit endlicher Impulsantwort) oder ein IIR-Filter implementiert sein. Im allgemeinen sind die komprimierten Bilder in einem R-θ For mat (für einen Sektorscan), das durch den Scanwandler 10 in ein X-Y Format für ein Video-Display umgewandelt wird. Bei einigen Systemen kann die Bildmittelung an den X-Y Videoda ten vorgenommen werden (angegeben durch den gestrichelten Block 12), anstatt an den akustischen Einzelbildern (Frames) vor der Scanumwandlung, und gelegentlich können doppelte Videobilder zwischen akustischen Bildern einge setzt sein, um eine gegebene Bildrate (üblicherweise 30 Hz) der Videodarstellung zu ergeben. Die Videobilder werden zu einem Video-Prozessor 14 weitergeleitet, der im Grunde die Videodaten zu einer Display-Graukarte für ein Video-Display zusammenstellt.

Die Systemsteuerung ist in einem Hauptrechner 20 zentriert, der Operator-Eingaben über ein Operator-Interface 22 (z. B. eine Tastatur) annimmt und seinerseits verschiedene Unter systeme steuert. (In Fig. 1 sind nur die Bilddaten-Über tragungspfade dargestellt.) Während einer B-Mode-Bildgebung wird eine lange Folge bzw. Sequenz der neuesten Bilder ge speichert und automatisch in einem Filmspeicher 16 kontinu ierlich aktualisiert. Einige System sind so aufgebaut, daß sie die R-θ Akustikbilder sichern (dieser Datenpfad ist durch die gestrichelte Linie in Fig. 1 angezeigt), während andere Systeme die X-Y Videobilder speichern. Die in dem Filmspeicher 16 gespeicherte Bildschleife kann über eine Trackball-Steuerung wieder betrachtet werden, und ein Teil der Bildschleife kann für eine Festplattenspeicherung aus gewählt werden. Für einen Ultraschall-Scanner mit einem dreidimensionalen Freihand-Bildgebungsvermögen wird die ge wählte Bildsequenz, die in dem Filmspeicher 16 gespeichert ist, zu dem Hauptrechner 20 für eine dreidimensionale Re konstruktion übertragen. Das Ergebnis wird in einen anderen Abschnitt des Filmspeichers zurückgeschrieben, von wo es zu dem Display-System 18 über den Video-Prozessor 16 geschickt wird.

Gemäß Fig. 2 enthält der Scanwandler 10 einen Akustikzei lenspeicher 24 und einen X-Y-Speicher 26. Die B-Mode-Daten, die im Polarkoordinaten(R-θ) Sektorformat in dem Aku stikzeilenspeicher 24 gespeichert sind, werden in geeignet skalierte Intensitätsdaten in kartesischen Koordinaten transformiert, die im X-Y-Speicher gespeichert werden. Eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden Einzelbildern (Frames) von B-Mode-Daten werden im Filmspeicher 16 auf einer FIFO(First- In, First-Out)-Basis gespeichert. Der Filmspeicher ist wie ein Kreisbildpuffer, der im Hintergrund läuft und kontinuierlich Bilddaten einfängt, die in Realzeit für den Benutzer bildlich dargestellt werden. Wenn der Benutzer das System einfriert, hat der Benutzer die Möglichkeit, Bildda ten zu betrachten, die zuvor im Filmspeicher eingefangen wurden.

Der Hauptrechner weist eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 18 und einen Arbeitsspeicher 30 auf. Die CPU 28 hat einen darin eingebauten Festwertspeicher zum Speichern von Routinen, die zum Transformieren eines gewonnenen Volumens von Intensitätsdaten in eine Vielzahl von dreidimensionalen Projektionsbildern verwendet werden, die unter unterschied lichen Winkeln gewonnen wurden. Die CPU 28 steuert den X-Y-Spei cher 26 und den Filmspeicher 16 über den Systemsteuer bus 32. Genauer gesagt, steuert die CPU 28 den Datenfluß von dem Akustikzeilenspeicher 24 oder von dem X-Y-Speicher 26 des Scanwandlers 10 zu dem Video-Prozessor 14 und zu dem Filmspeicher 16 und von dem Filmspeicher zu dem Video- Prozessor 14 und zu der CPU 28 selbst. Jedes Einzelbild (Frame) der Bilddaten, das eine aus einer Vielzahl von Ab tastungen (Scans) oder Schichten durch das untersuchte Ob jekt darstellt, wird sequentiell in dem Akustikzeilenspei cher 24, in dem X-Y-Speicher 26 und in dem Video-Prozessor 14 gespeichert. Parallel dazu werden Einzelbilder aus ent weder dem Akustikzeilenspeicher oder dem X-Y-Speicher in dem Filmspeicher 16 gespeichert. Ein Stapel von Einzelbil dern, der das abgetastete Objektvolumen darstellt, wird im Abschnitt 16A des Filmspeichers 16 gespeichert.

Zweidimensionale Ultraschallbilder sind häufig schwierig zu interpretieren aufgrund des Unvermögens des Beobachters, die zweidimensionale Darstellung der abgetasteten Anatomie richtig zu sehen. Wenn jedoch die Ultraschallsonde über ei ne interessierende Fläche geschwenkt wird und zweidimensio nale Bilder gesammelt werden, um ein dreidimensionales Vo lumen zu bilden, wird sowohl für den trainierten als auch untrainierten Beobachter die Anatomie viel einfacher sicht bar gemacht.

Um dreidimensionale Bilder zu generieren, kann die CPU 28 eine Reihe von Transformationen ausführen unter Verwendung eines Strahlenwerf-Algorithmus, wie beispielsweise derjeni ge, der in dem US-Patent 5,226,113 oder 5,485,842 beschrie ben ist. Die Strahlwerftechnik wird auf die Daten für das interessierende Quelldatenvolumen angewendet, die aus dem Abschnitt 16A des Filmspeichers 16 zurückgewonnen werden. Die aufeinanderfolgenden Transformationen können eine Viel falt von Projektionstechniken beinhalten, wie beispielswei se Maximum-, Minimum-, Verbund-, Oberflächen- oder gemit telte Projektionen, die in Winkelschritten, z. B. in 10° In tervallen, in einem Winkelbereich, z. B. +90° bis -90°, gemacht werden. Jedes Pixel in dem projizierten Bild ent hält die transformierten Daten, die durch Projektion auf eine gegebene Bildebene abgeleitet sind. Zusätzlich spei chert zu der Zeit, als der Filmspeicher durch den Operator eingefroren wurde, die CPU 28 optional das letzte Einzel bild aus dem X-Y-Speicher 28 an vielen aufeinanderfolgenden Adressen im Abschnitt 16B des Filmspeichers 16. Die proji zierten Bilddaten für den ersten projizierten Sichtwinkel werden in die erste Adresse im Filmspeicherabschnitt 16B geschrieben, so daß die projizierten Bilddaten in einem in teressierenden Bereich auf dem Hintergrundbild superposi tioniert werden. Dieser Prozeß wird für jedes Winkelinkre ment wiederholt, bis alle projizierten Bilder in dem Film speicherabschnitt 16B gespeichert sind, wobei jedes proji zierte Einzelbild (Bildframe) aus einem interessierenden Bereich, der transformierte Intensitätsdaten enthält, und optional einem Hintergrundumfang besteht, der den interes sierenden Bereich umgibt und aus Hintergrund-Intensitäts daten besteht, die durch die transformierten Intensitätsda ten nicht überschrieben sind. Das Hintergrundbild macht es klarer, von wo jede bildlich dargestellte Projektion be trachtet wird. Der Operator kann dann irgendeines der pro jizierten Bilder für eine Darstellung (Display) auswählen. Zusätzlich kann die Sequenz von projizierten Bildern erneut auf dem Display-Monitor abgespielt werden, um das Objektvo lumen zu zeigen, als würde es sich vor dem Betrachter dre hen.

Es sind verschiedene Typen von viele Reihen aufweisende Wandlerarrays, einschließlich den sogenannten "1,25D" und "1,5D" Arrays, entwickelt worden, um die eingeschränkte Hö hen- bzw. Elevationsperformance von gegenwärtigen Einreihen ("1D")-Arrays zu verbessern. Wie sie hier verwendet werden, haben diese Begriffe die folgenden Bedeutungen: 1D) Eleva tionsapertur ist fest und der Fokus ist an einer festen Reichweite; 1,25D) Elevationsapertur ist variabel, aber die Fokussierung bleibt statisch; und 1,5D) Elevationsapertur, Schattierung und Fokussierung sind dynamisch variabel, aber symmetrisch zur Mittellinie des Arrays.

Bei dreidimensionalen Freihand-Ultraschallabtastungen wird ein Wandlerarray (1D bis 1,5D) in der Höhen- bzw. Elevati onsrichtung verschoben, um einen im wesentlichen parallelen Satz von Bildebenen durch die interessierende Anatomie zu gewinnen. Diese Bilder können in dem Filmspeicher gespei chert und später durch den Systemcomputer für eine dreidi mensionale Rekonstruktion zurückgewonnen werden. Wenn die Abstände zwischen den Einzelbildern (Image Frames) bekannt sind, dann kann das dreidimensionale Volumen mit dem rich tigen Seitenverhältnis zwischen den außerhalb und innerhalb der Scanebene liegenden Abmessungen rekonstruiert werden. Wenn jedoch die Schätzwerte des Abstandes zwischen den Schichten schlecht sind, kann eine signifikante geometri sche Störung des dreidimensionalen Objektes entstehen.

Im Stand der Technik ist eine Vielfalt von Bewegungssteue rungs- und Lageabtastverfahren vorgeschlagen worden, um die Höhen- bzw. Elevationsbewegung der Sonde auf entsprechende Weise zu steuern oder dieser zu folgen. Diese Systeme sind jedoch häufig teuer und in einer klinischen Umgebung schwierig anzuwenden. Um deshalb ein dreidimensionales Bild mit guter Auflösung in der Höhen- bzw. Elevationsrichtung zu rekonstruieren, ist es höchst wünschenswert, die Ver schiebungen in der Abtastebene direkt aus den Grad der Flecken- bzw. Speckle-Dekorrelation zwischen aufeinander folgenden Einzelbildern abschätzen zu können.

In dem Internationalen Patent WO 97/00482 hat Fowlkes u. a. ein Abtastebenenbewegungs-Folgeverfahren vorgeschlagen, das auf der Berechnung der Korrelation zwischen den Einzelbil dern (Image Frames) basiert. Es wurde angegeben, daß deren Korrelationsverfahren eine Adaption der Dekorrelations techniken ist, die zur Überwachung von Blutströmung verwen det werden. Eine Nachprüfung dieses Standes der Technik er gibt, daß es zwei allgemeine Lösungen wie folgt gibt:

(1) Trahey u. a. berichtete in "Speckle pattern correlation with lateral aperture translation: experimental results and implications for spatial compounding" IEEE Trans Ultraso nics, Ferreoelec. and Freq. Control, Band UFFC-33 (1986), Seiten 257-264, die erste Studie, die eine volle Korrelati onsfunktion von Intensitäten in Ultraschallbildern verwen dete. Diese Lösung verwendet HF- oder detektierte Bilddaten vor der Kompression, was aus der Tatsache deutlich wird, daß die Korrelationsfunktion durch die Echogesamtintensitä ten normiert ist (d. h. abhängig von der Systemverstärkung ist). Chen u. a. berichtet in "Determination of scan-plane motion using speckledecorrelation: theoretical considera tions and initial test", Int. J. Imaging Syst. Technol., Band 8 (1997), Seiten 38-44, über Phantomstudien, die die ses Korrelationsverfahren zur Berechnung bzw. Abschätzung der dreidimensionalen Überstreichstrecke verwendet.
(2) Bohs u. a. schlägt in "A novel method for angle independent ultrasonic imaging of blood flow and tissue mo tion", IEEE Trans. Bioned. Eng., Band 38 (1991), Seiten 280-286, eine einfachere Korrelationsmethode vor, die mit komprimierten Ultraschallbildern arbeiten sollte. Sie ist als die SAD Methode bezeichnet, da sie auf der Berechnung der Summe absoluter Differenzen zwischen entsprechenden Pi xeln in zwei Kernels bzw. Kernen basiert, die korreliert werden. Es wurde gefunden, daß diese rechnerisch effiziente Methode nahezu so gut wie die volle Korrelationsfunktion von Trahey u. a. arbeitet. Shehada u. a. berichtete in "Ultrasound methods for investigating the non-Newtonian characteristics of whole blood", IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelec. und Frq. Control, Band UFFC-41 (1994), Seiten 96-104, ebenfalls über eine Flußmessungsstudie, die auf SAD Korrelation von Ultraschallbildern basiert. Für eine Fluß- bzw. Strömungsmessung besteht die SAD Methode im Grunde in dem Auffinden des Verschiebungsvektors in der Abtastebene, der die SAD minimiert, so daß nur relative Änderungen in SAD von Bedeutung sind. Im allgemeinen kann sich jedoch für eine gegebene Kernelgröße die SAD Methode signifikant än dern mit der dynamischen Reichweiteneinstellung und der Nachverarbeitungsfilterung.

Bei Ultraschall-Scannern mit dreidimensionalem Freihand- Abtastvermögen haben die in dem Filmspeicher gespeicherten Bilder üblicherweise bereits eine logarithmische oder ir gendeine andere stark nicht-lineare Kompression für eine bildliche Darstellung durchlaufen (üblicherweise ein 8-Bit- Amplituden-Display). Diese Bilder können auch gewisse Nach bearbeitungsfilter, wie beispielsweise zur Glättung oder Kantenverbesserung, durchlaufen haben. Diese Komprimie rungs- und Filterungsvorgänge sind häufig nicht reversibel, und jeder Versuch, auch nur eine angenäherte "Dekompri mierung" zu machen, kann Quantifizierungsrauschen in die Bilder einführen. Aus diesem Grund kann die erste, oben er läuterte Lösung, die für vorkomprimierte Bilder ausgelegt ist, nicht am besten geeignet sein für eine Berechnung bzw. Abschätzung der Überstreichgeschwindigkeit.

Die SAD Lösung arbeitet mit komprimierten Bildern und hat den Vorteil der Rechengeschwindigkeit. Für eine dreidimen sionale Rekonstruktion muß jedoch die tatsächliche Dekorre lation von Einzelbild zu Einzelbild quantifiziert werden, um die Überstreichstrecke zu berechnen bzw. abzuschätzen. Die Verwendung von SAD alleine würde eine Kalibration für alle möglichen Kombinationen des dynamischen Display- Bereiches (der tiefenabhängig sein kann), der Filter, Ker nelgröße und Kerneltiefenposition erfordern.

Es besteht somit ein Bedarf für einen neuen Correlations- Index, der sich an unterschiedliche dynamische Reichweiten einstellungen und Nachbearbeitungsfilter adaptiert.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Nachfolgen der Scanebenenbewegung beim dreidimensionalen Freihand-Ultraschall-Scannen, wobei eine adaptive Flecken- bzw. Speckle-Korrelation verwendet wird. Das Verfahren verwendet einen Correlations-Index, der sich an einen unterschiedlichen dynamischen Display-Bereich und Nachbearbeitungsfilter adaptiert. Die Einrichtung gemäß ei nem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält: Mittel zum Wählen eines Kerns (Kernels) in jedem Einzelbild für Korre lations-Berechnungen; Mittel zum Zurückweisen von doppelten Einzelbildern; Mittel zum Messen des Korrelationsgrades zwischen aufeinanderfolgenden Einzelbildern; Mittel zum Zu rückweisen von Korrelations-Schätzwerten, die mit Handzit tern und anderen Artefakten verbunden sein können; und Mit tel zum Berechnen des mittleren Abstandes von Einzelbild zu Einzelbild (d. h. zwischen den Schichten) auf der Basis der Abschätzung der mittleren Korrelationen. Diese Mittel sind in einen Hauptrechner inkorporiert, der mit dem Filmspei cher in Verbindung steht. Ein Hauptvorteil dieser Bild basierten Bewegungsnachfolgetechnik ist der, daß sie eine dreidimensionale Rekonstruktion mit guter geometrischer Wiedergabetreue ohne Verwendung irgendeiner externen Posi tionsabtastvorrichtung ermöglicht.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbei spielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm und zeigt die für die Hauptfunktionen sorgenden Untersysteme in einem in Echtzeit arbeitenden Ultraschall-Bildgebungssystem.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm und zeigt Mittel zum Rekon struieren von Einzelbildern mit aufeinanderfolgenden volu metrischen Projektionen von Pixelintensitätsdaten.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die ein typi sches Kästchen für den interessierenden Bereich innerhalb eines Einzelbildes zeigt und ferner ein gewähltes Kernel in dem interessierenden Bereich zeigt.

Fig. 4 ist ein Fließbild und zeigt die Schritte des Ver fahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, durch das der mittlere Bild-zu-Bild-Abstand d zur Verwendung in einer dreidimensionalen Rekonstruktion abgeschätzt wird.

Fig. 5A ist ein Kurvenbild und zeigt die Dichte- Wahrscheinlichkeitsverteilung f_y (y) der log-komprimierten Rauschspektralleistung y für m = 100, wobei m = E[x] der erwartete Wert von x ist.

Fig. 5B ist ein Kurvenbild und zeigt die Dichte- Wahrscheinlichkeitsverteilung f_y (SAD = |y₁-y₂|), wobei y₁ und y₂ unabhängige, identisch verteilte zufällige Variable sind, die die Amplitude der entsprechenden Pixel in den zwei Kernels darstellen, die korreliert werden.

Fig. 3 zeigt ein typisches Kästchen 34 für den interessie renden Bereich (ROI für region-of-interest) in einem Ein zelbild (Image Frame) 36 (in diesem Beispiel ein Sektor scan), wie es durch den Benutzer gewählt ist. Es sei ange nommen, daß N Einzelbilder, die durch einen Freihand-Scan generiert sind, in dem Filmspeicher gespeichert sind. Das Verfahren zum Berechnen bzw. Abschätzen des mittleren Ab standes b von Einzelbild zu Einzelbild für eine dreidimen sionale Rekonstruktion (die durch den Hauptrechner auf der Basis der Daten ausgeführt wird, die aus dem Filmspeicher zurückgewonnen werden) ist in Fig. 4 beschrieben. Zunächst muß ein Kernel 38 (in diesem Beispiels M×M Pixel, aber im allgemeinen muß das Kernel nicht quadratisch sein) inner halb des interessierenden Bereiches 34, der ein relativ reines Speckle- bzw. Fleckenmuster (keine makroskopischen Strukturen) zeigt, identifiziert werden (Schritt 40), da das Korrelationsverfahren gemäß der Erfindung auf der Sta tistik von reinem Speckle basiert, das aus einem diffus streuenden Medium entsteht. Das Kernel 38 kann manuell ge wählt sein (z. B. durch einen Trackball) auf der Basis einer visuellen Beurteilung von einen oder mehreren Einzelbil dern. Alternativ kann irgendein automatisiertes Verfahren verwendet werden, um nach einem Kernel zu suchen, dessen Pixelamplitudenhistogramm mit der theoretischen Specklever teilung übereinstimmt. Beispielsweise können derartige Tests auf eine Messung der Histogrammbreite relativ zu nor malen Einstellungen des dynamischen Bereichs basiert wer den. Kernels, deren mittlere Pixelwerte zu klein sind (kein Signal) oder deren Varianzen zu groß sind (nicht homogen), sollten zurückgewiesen werden. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist ein gutes Anfangskernel 38 zum Testen eines an jeder der vier Ecken des interessierenden Bereiches (ROI) 34, wo bei angenommen wird, daß der Benutzer die Tendenz hat, die Strukturen von Interesse in der Mitte des ROI 34 anzuord nen.

Bevor zur Berechnung der Korrelation zwischen Kernels in aufeinanderfolgenden Einzelbildern weitergegangen wird, werden irgendwelche Doppelbilder, die in den N Quellbildern vorhanden sind, identifiziert und zurückgewiesen (Schritt 42 in Fig. 4). Doppelte Einzelbilder sind gelegentlich zwischen akustischen Einzelbildern eingefügt, um die Video monitor-Displayrate (üblicherweise 30 Hz) anzupassen. Wenn die doppelten Einzelbildpaare exakt identisch sind, können sie auf einfache Weise detektiert werden auf der Basis des Kriteriums, daß die SAD im wesentlichen gleich null ist. Wenn die Doppelbilder nicht exakt identisch sind, bei spielsweise aufgrund von Bildmittelungseffekten, dann kann irgendein Schwellenwertverfahren angewendet werden, um die nahezu identischen Einzelbilder zu detektieren. Wenn bei spielsweise mehr als ein gewisser Prozentsatz (beispiels weise 25%) der Pixel in dem Kernel von einem neuen Einzel bild sich von denjenigen in dem vorhergehenden Einzelbild um mehr als einen bestimmten Wert unterscheiden, dann läuft das neue Einzelbild als ein neues akustisches Bild durch; anderenfalls wird es als ein Doppelbild betrachtet, das zu rückgewiesen werden muß. Alternativ kann es für eine ver besserte Sicherheit beim Aussieben von Doppelbildern not wendig sein, die Gesamtstatistik von SAD Werten für alle (N-1) Quellbildpaare zu betrachten und die Bilder mit SAD Werten auszusortieren, die außerhalb normaler statistischer Abweichungen liegen.

Nachdem mögliche Doppelbilder ausgesiebt worden sind, be steht der nächste Schritt (Schritt 44 in Fig. 4) darin, einen Correlations-Index (CI) für alle benachbarten Bild paare in dem verbleibenden Satz von akustischen Einzelbil dern zu berechnen. Erfindungsgemäß wird ein Correlations- Index verwendet, der als ein normierter SAD betrachtet wer den kann, der sich an unterschiedliche Kernelgrößen, dyna mische Displaybereiche und Nachbearbeitungsfilter anpassen kann. Dieser Index ist vorteilhaft, da er sehr viel rechen effizenter ist als die volle Korrelationsfunktion, die von Chen u. a. offenbart wurde und die eine Bilddekomprimierung erfordert und bis zu 10 Einzelbilder für jede Berechnung bzw. Abschätzung der Korrelationsfunktion verwenden kann. Der Korrelations-Index gemäß der Erfindung liegt in dem Be reich von 100% für identische Kernels bis null für voll ständig unabhängige Specklemuster. Im Prinzip kann der Cor relations-Index auch negativ werden, wenn die zwei Kernels unterschiedliche Strukturen aufnehmen.

Im allgemeinen gibt es keine Garantie, daß das Kernel, das auf der Basis von einem Bild gewählt worden ist, auch ein homogenes Specklemuster in anderen Bildern enthält. Deshalb ist eine Sichtprüfung (Schritt 46 in Fig. 4) der Correla tions-Index-Schätzwerte angebracht. Beispielsweise kann ge wählt werden, alle Correlations-Indexproben unterhalb eines gewissen Sicherheits-Schwellenwertes (z. B. 20%) auszusor tieren, die ein axiales und/oder seitliches Abtastebenen zittern, eine Nadel in der Höhen- bzw. Elevationsbewegung oder eine Bildmittelung angeben (was dazu führen kann, daß unkorrelierte Bilder wie schwach korrelierte Bilder ausse hen). Es kann auch nützlich sein, die verbleibenden guten Korrelations-Indexwerte zu zählen (Schritt 47 in Fig. 4), um zu sehen, ob sie einen signifikanten Bruchteil der N Bilder bilden (z. B. müssen wenigstens 10% der Korrelations- Indexwerte gut sein). Wenn zu wenige Bilder sicher sind (CI < 20%), dann sollte der Benutzer aufgefordert werden (Schritt 48), entweder erneut mit einer langsameren und gleichmäßigeren Geschwindigkeit abzutasten oder manuell ei nen Schätzwert der gesamten Überstreichstrecke einzugeben.

Wenn es genügend gute Korrelations-Indexproben gibt, sollte deren Mittelwert gebildet werden (Schritt 50 in Fig. 4), um die statistische Variabilität zu verkleinern. Das Ergeb nis kann verwendet werden, um den entsprechenden mittleren Abstand d zwischen zwei Schichten zu berechnen (Schritt 52) auf der Basis eines vorkalibrierten CI/d-Modells (gespei chert im Speicher in der in der Fig. 2 gezeigten CPU 28) für jeden Sondentyp und Kerneltiefe. Wenn es genügend gute Korrelations-Indexabtastungen gibt, sollte der entsprechen de Mittelwert d für eine dreidimensionale Rekonstruktion recht zuverlässig sein.

Der Erfindungsgedanke ist ein adaptives Verfahren zum Nor mieren der SAD von zwei Bildkernels, so daß der entstehende Correlations-Index unabhängig ist vom dynamischen Display bereich, Nachbearbeitungsfilter und der Kernelgröße inner halb vernünftiger Grenzen. Die Grundidee besteht darin, aus theoretischer Flecken- bzw. Specklestatistik zu ermitteln, wem sich die mittlere SAD pro Pixel annähern würde, wenn die Bildkernels so weit voneinander entfernt wären, daß sie statistisch unabhängig werden (wenn es keine Bildmittelung gibt).

Es ist bekannt, daß die detektierte Speckle-Amplitude für ein diffuses homogenes streuendes Medium durch eine Ray leigh-Verteilung beschrieben wird. Es sei angenommen, daß die Bildkomprimierung vor der bildlichen Darstellung durch eine einfache logarithmische Funktion wie folgt im Modell dargestellt werden kann:

y = 10log [x+1] (1).

Statistische Standard-Operationen geben an, daß, wenn x nach Rayleigh verteilt ist, dann die Dichte- Wahrscheinlichkeitsfunktion pdf (von probability density function) von y gegeben ist durch

wobei a = (0,1)ln(10) eine Konstante ist und m = E[x] der erwartete Wert von x ist, der von der Systemverstärkung ab hängig ist. Für ein 8-Bit lineares Graubild ist y mit [0,255] für ein bildliche Darstellung adressiert, und ein Abtast-Histogramm für m = 100 ist in Fig. 5A aufgetragen.

Es sei angenommen, daß y₁ und y₂ unabhängige, identisch verteilte, zufällige Variable sind, die die Amplitude von entsprechenden Pixeln in den zwei Kerneln darstellen, die korreliert werden. Es muß nun die pdf von SAD = |y₁-y₂| er mittelt werden. Zunächst ist die pdf von (-y₂) einfach das Spiegelbild von derjenigen von y₂, die als die gleiche wie diejenige von y₁ angenommen ist. Die pdf von y₁+(-y₂) ist durch die Faltung von ihren entsprechenden pdfs gegeben, die in Fig. 5B gezeigt ist. Da die pdf von der Summe eine symmetrische Funktion um den Nullpunkt ist, ist die pdf von ihrem Absolutwert (SAD) einfach die positive Hälfte der Verteilung (mal zwei).

Es sei darauf hingewiesen, daß die halbe maximale Breite w der pdf von (y₁-y₂) (Fig. 5B) das etwa 1,5fache von der jenigen eines einzelnen y ist (Fig. 5A). In der Praxis kann die Komprimierungsfunktion von Gleichung (1) unter schiedlich sein, aber man kann immer der gleichen Näherung folgen, um die pdf der SAD abzuleiten. Wenn die Komprimie rungsfunktion nicht stark von Gleichung (1) abweicht und die Raumfilterungseffekte der Nachverarbeitung gemäßigt sind, kann die Breite des SAD Histogramms durch eine Kon stante y multipliziert mit derjenigen von jedem Bildkernel angenähert werden, wobei γ ≅ 1,5. Wenn die Raumfilter sehr stark sind, dann kann es sein, daß der Wert von γ entspre chend eingestellt werden muß. Für den Fachmann ist klar, daß die Breite der Pixelamplitudenverteilung über einem (M×M) Pixelkernel in dem k-ten Einzelbild auch durch ih ren effektiven Pixelwert definiert werden kann oder, gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, einfach durch die mittlere absolute Abweichung wie folgt:

wobei y_k(i) die Amplitude des i-ten Pixels ist und Mittel_k die mittlere Amplitude von allen M² Pixeln ist. All gemein ist s_k eine Funktion von der dynamischen Reichwei teneinstellung und der Nachverarbeitungs-Raumfilter.

Es sei angenommen, daß das SAD_k Bild für zwei entsprechende Kernels in den k-ten und (k+1)-ten Bildern wie folgt be rechnet worden ist:

Wenn der Bildabstand zunimmt, vergrößert sich die mittlere absolute Differenz pro Pixel, d. h. SAD_k/M², von null auf einen begrenzenden Wert von (γs_k), wenn die zwei Kernels statistisch unabhängig werden. Somit kann ein geeigneter Correlations-Index wie folgt definiert werden:

wobei γ ≅ 1,5 für ein log-komprimiertes Specklebild ist.

Experimente, die unter Verwendung unterschiedlicher Typen von bildgebenden Arrays ausgeführt worden sind, haben ge zeigt, daß der Correlations-Index sehr gut durch eine expo nentielle Abklingfunktion im Zwischenschichtabstand d wie folgt beschrieben werden kann:

CI = exp(-d/D_z) (6)

wobei D_z die Dekorrelationslänge ist, die eine charakteri stische Größe von dem Höhenstrahlenbündelprofil der Sonde ist. Da sich das Höhenstrahlenbündelprofil mit der Tiefe ändert aufgrund von Beugungs- und Gewebeschwächungseffekten ist D_z im allgemeinen eine Funktion der Tiefe z für eine gegebene Sendefrequenz. Da das Strahlenbündelprofil im Nah feld im allgemeinen weniger kohärent und komplex ist, wird erwartet, daß D_z im Nahfeld kleiner ist als in den Mittel- und Fernfeldern.

Wenn eine Korrelations-Indexabschätzung gegeben ist, kann der entsprechende Zwischenschichtabstand wie folgt berech net werden:

d = -D_zln(CI) (7).

Die Tatsache, daß CI exponentiell mit d abklingt, kann sich als ein Vorteil für die dreidimensionale Abtastung erwei sen: CI ist sehr empfindlich gegenüber kleinen Verschiebun gen oder langsamer Bewegung. Wenn d über die Elevations schichtdicke hinaus anwächst, fällt CI langsam in Richtung auf null ab. Gemäß Gleichung (7) kann sich für CI < 20% ei ne kleine Änderung in CI zu einer großen Änderung in d übertragen. Somit ist ein angemessener Sicherheitsschwel lenwert (Schritt 46 in Fig. 4) zum Zurückweisen schlechter Korrelations-Indexabtastungen beispielsweise CI = 20%; das heißt, jeder Wert unterhalb des Schwellenwerts kann durch Handzittern oder Abrutschen der Sonde hervorgerufen sein. Gleichung (7) kann verwendet werden zum Berechnen des mitt leren Zwischenschichtabstandes für die N Bilder auf der Ba sis des Mittelwertes von allen Korrelations-Indexwerten, die größer als der Sicherheits-Schwellenwert ist.

Anstelle der Verwendung eines Prozessors, um den mittleren Zwischenschichtabstand d während des Abtastens zu berech nen, kann die Relation zwischen d und CI durch andere Mit tel, wie beispielsweise eine Nachschlagetabelle, spezifi ziert werden. Das exponentielle Modell gemäß Gleichung (6) bietet jedoch die Möglichkeit, daß an jeder Tiefe die Be ziehung durch eine Dekorrelationslänge vollständig spezifi ziert ist. Für eine gegebene Sonde können die Dekorrelati onslängen für verschiedene Tiefen oder z-Intervalle kali briert sein, indem ein kontrolliertes Experiment durchge führt wird, bei dem ein motorgetriebener Sondenhalter ver wendet wird, um die Sonde mit einer konstanten Geschwindig keit über einen homogenen streuenden Phantomkörper verscho ben wird.

Bei der Ableitung von CI wurde keine Bildmittelung angenom men. In der Praxis hat die Bildmittelung die Tendenz, eine zusätzliche Korrelation zwischen benachbarten akustischen Bildern zu erzeugen, und zwar unabhängig davon, in welchem Abstand sie angeordnet sind. Dies bedeutet, daß die Bild mittelung bewirkt, daß der Korrelations-Index mit anstei gendem d (größeres effektives D_z) langsamer abklingt und in Richtung auf einen gewissen Basislinienwert ungleich null, der von den Grad der Bildmittelung abhängt. Dies ist in ex perimentellen Untersuchungen bestätigt worden, die zeigten, daß das exponentielle Abklingmodell gemäß Gleichung (6) noch gilt, so lange ein größeres effektives D_z verwendet wird und der Sicherheits-Schwellenwert für den Korrelati ons-Index oberhalb der Basislinien-Korrelation ungleich null gewählt ist, die mit den Bildmittelungseffekten ver bunden ist.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Insbesondere wird deutlich, daß die Erfindung dazu verwen det werden kann, einen Abstand zwischen benachbarten Scan- bzw. Abtastebenen zu berechnen, der nicht ein Mittelwert ist.

Claims

1. Einrichtung zur dreidimensionalen Bildgebung von einem Objektvolumen, enthaltend:
ein Ultraschall-Wandlerarray (2) zum Senden von Ultra schall-Strahlenbündeln und zum Detektieren von Ultra schallechos, die von dem Objektvolumen an einer Viel zahl von Sample- bzw. Probevolumina in einer Scan- bzw. Abtastebene reflektiert sind,
eine mit den Ultraschall-Wandlerarray (2) verbundene Einrichtung (10) zum Gewinnen von Bilddaten, die von Ultraschallechos abgeleitet sind, die von jeweils einer der vielen Scan- bzw. Abtastebenen durch das Objektvo lumen reflektiert sind,
eine Einrichtung (16) zum Speichern von Daten für jedes aus einer Vielzahl von Einzelbildern entsprechend der Vielzahl der Scan- bzw. Abtastebenen,
eine Einrichtung (20) zum Ermitteln eines Korrelations grades zwischen den Daten von entsprechenden Kernels von entsprechenden Paaren von aufeinanderfolgenden Ein zelbildern, wobei der entsprechende Korrelationsgrad eine Funktion von einer normierten Summe absoluter Dif ferenzen (SAD) zwischen entsprechenden Daten der ent sprechenden Kernels ist,
Mittel (20) zum Berechnen, als eine Funktion des Korre lationsgrades, eines Abstandes (d) zwischen entspre chenden der vielen Scan- bzw. Abtastebenen,
einen Display-Monitor (18) und
eine Einrichtung (14) zum bildlichen Darstellen eines projizierten Bildes auf dem Display-Monitor (18), das eine Funktion des Abstandes (d) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abstand (d) ein Mittelwert ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (20) zum Ermitteln eines Korrelationsgrades Mittel zum Aus sieben von im wesentlichen doppelten aufeinanderfolgen den Einzelbildern aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei die Mittel zum Aus sieben von im wesentlichen doppelten aufeinanderfolgen den Einzelbildern Mittel aufweisen zum Vergleichen der Summe absoluter Differenzen (SAD) mit einem Schwellen wert.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (20) Mittel zum Ermitteln eines Korrelationsgrades Mittel zum Abschätzen eines entsprechenden Correlations-Index (CI) für jedes Paar von aufeinanderfolgenden Einzelbil dern und Mittel aufweist zur Mittelung der Schätzwerte des Correlations-Index (CI).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, wobei der Abstand einen Wert d hat, der nach der folgenden Gleichung ermittelt ist:
d = -D_zln(CI)
wobei D_z eine Dekorrelationslänge ist, die eine charak teristische Größe von einem Profil des Elevations- bzw. Höhenstrahlenbündels des Ultraschall-Wandlerarrays (2) ist und CI ein Mittelwert der Schätzwerte des Correla tions-Index ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei die Einrichtung (20) zum Berechnen eines Abstandes eine Nachschlagetabelle aufweist, die den Wert d speichert.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, wobei die Einrichtung (20) zum Berechnen eines Abstandes einen Prozessor und Mit tel zum Eingeben der Dekorrelationslänge D_z in den Pro zessor aufweist.

9. Einrichtung zum Nachfolgen einer Scanebenenbewegung, enthaltend:
einen Ultraschall-Scanner zum Senden von Ultraschall- Strahlenbündeln und zum Detektieren von Ultraschal lechos, die von einer Vielzahl von Scan- bzw. Ab tastebenen reflektiert sind,
mit dem Ultraschall-Scanner verbundene Mittel zum Ge winnen von Daten für jedes aus einer Vielzahl von Ein zelbildern, wobei die Daten für jedes der Einzelbilder von Ultraschallechos abgeleitet sind, die von einer entsprechenden Scan- bzw. Abtastebene reflektiert sind,
Mittel zum Ermitteln eines Korrelationsgrades zwischen den Daten von entsprechenden Kernels von entsprechenden Paaren von aufeinanderfolgenden Einzelbildern, wobei der Korrelationsgrad eine Funktion von einer normierten Summe absoluter Differenzen (SAD) zwischen entsprechen den Daten von den entsprechenden Kernels ist, und
Mittel zum Berechnen, als eine Funktion des Korrelati onsgrades, eines Abstandes (d) zwischen entsprechenden aus der Vielzahl von Scan- bzw. Abtastebenen.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, wobei der Abstand (d) ein Mittelwert ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, wobei die Mittel zum Er mitteln eines Korrelationsgrades Mittel zum Aussieben von im wesentlichen doppelten aufeinanderfolgenden Ein zelbildern aufweisen.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, wobei die Mittel zum Aus sieben von im wesentlichen doppelten aufeinanderfolgen den Einzelbildern Mittel aufweisen zum Vergleichen der Summe absoluter Differenzen (SAD) mit einem Schwellen wert.

13. Einrichtung nach Anspruch 9, wobei die Mittel zum Er mitteln eines Korrelationsgrades Mittel zum Abschätzen eines entsprechenden Correlations-Index (CI) für jedes Paar von aufeinanderfolgenden Einzelbildern und Mittel aufweisen zur Mittelung der Schätzwerte des Correlati ons-Index (CI).

14. Einrichtung nach Anspruch 13, wobei der Abstand einen Wert d hat, der nach der folgenden Gleichung ermittelt ist:
d = -D_zln(CI)
wobei D_z eine Dekorrelationslänge ist, die eine charak teristische Größe von einem Profil des Elevations- bzw. Höhenstrahlenbündels des Ultraschall-Wandlerarrays ist und CI ein Mittelwert der Schätzwerte des Correlations- Index ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, wobei die Mittel zum Be rechnen eines Abstandes eine Nachschlagetabelle aufwei sen, die den Wert d speichert.

16. Einrichtung nach Anspruch 14, wobei die Mittel zum Be rechnen eines Abstandes einen Prozessor und Mittel zum Eingeben der Dekorrelationslänge D_z in den Prozessor aufweisen.

17. Verfahren zum Nachfolgen einer Scan- bzw. Abtastebenen bewegung, enthaltend:
manuelles Scannen mit einem Ultraschall-Scanner über ein Objekt,
Betreiben des Ultraschall-Scanners derart, daß er Ul traschall-Strahlenbündel sendet und Ultraschallechos detektiert, die von einer Vielzahl von Scan- bzw. Ab tastebenen reflektiert werden,
Gewinnen von Daten für jedes aus einer Vielzahl von Einzelbildern, wobei die Daten für jedes der Einzelbil der von Ultraschallechos abgeleitet werden, die von ei ner entsprechenden der Scan- bzw. Abtastebenen reflek tiert werden,
Ermitteln eines Korrelationsgrades zwischen den Daten von entsprechenden Kernels von entsprechenden Paaren von aufeinanderfolgenden Einzelbildern, wobei der ent sprechende Korrelationsgrad eine Funktion von einer normierten Summe absoluter Differenzen (SAD) zwischen entsprechenden Daten von den entsprechenden Kernels ist, und
Berechnen, als eine Funktion des Korrelationsgrades, eines Abstandes zwischen aufeinanderfolgenden der vie len Scan- bzw. Abtastebenen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Abstand ein Mit telwert ist.

19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt dem Er mittelns eines Korrelationsgrades den Schritt enthält, daß im wesentlichen doppelte aufeinanderfolgende Ein zelbilder ausgesiebt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Schritt des Aus siebens im wesentlichen doppelter aufeinanderfolgender Einzelbilder den Schritt enthält, daß die Summe absolu ter Differenzen (SAD) mit einem Schwellenwert vergli chen wird.

21. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Er mittelns eines Korrelationsgrades die Schritte enthält, daß ein entsprechender Correlations-Index (CI) für je des Paar aufeinanderfolgender Bilder geschätzt wird und die Schätzwerte des Correlations-Index gemittelt wer den.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Abstand einen Wert d hat, der nach der folgenden Gleichung ermittelt wird:
d = -D_zln(CI)
wobei D_z eine Dekorrelationslänge ist, die eine charak teristische Größe von einem Profil des Elevations- bzw. Höhenstrahlenbündels von dem Ultraschall-Scanner ist und CI ein Mittelwert der Schätzwerte des Correlations- Index ist.

23. Verfahren nach Anspruch 17, wobei dem Schritt des Er mittelns eines Korrelationsgrades der Schritt voran geht, daß ein Kernel in einem interessierenden Bereich von einem Einzelbild identifiziert wird, das ein Speck le- bzw. Fleckenmuster hat, das mit dem Fehlen von ma kroskopischen Strukturen übereinstimmt.