DE3127146A1

DE3127146A1 - Method for correcting image errors (aberrations) caused by echo-time effects in the ultrasonic scanning of objects, in particular in ultrasonic reflection computer tomography and in the compound-B scanning method

Info

Publication number: DE3127146A1
Application number: DE19813127146
Authority: DE
Inventors: Eckhardt Dr. 8013 Haar Hundt; Gerd 8031 Gröbenzell Maderlechner
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1981-07-09
Filing date: 1981-07-09
Publication date: 1983-01-27

Abstract

In conventional ultrasonic scanning, the object is scanned by means of a multiplicity of echo sequences. For this purpose, the transmitter/receiver is displaced at right angles to the direction of irradiation. An echo sequence is recorded from each position and - as previously described - converted into the object region. These echo sequences are then assembled in a manner known per se in accordance with the position of the transmitter/receiver to form a two-dimensional split image. The differences in sound velocity inside the object and in the medium surrounding the latter lead to distortions in scale. This can give rise to losses of definition (un- sharpness) and image errors, which cause difficulty in diagnosis or can even cause a wrong diagnosis. The object of the present invention is to provide a method for correcting echo-time effects which are the cause of the disadvantages to be explained, thus permitting objects which have variable sound velocities, in particular of biological tissue, to be imaged largely free from distortion. A method is proposed for achieving this object, which is characterised in that partially differing sound velocities are adopted for the purpose of reconstructing the image of the relevant object region from the ultrasonic signals.

Description

Verfahren zur Korrektur von durch Laufzeiteffekte verur-Procedure for correcting runtimes caused by

sachten Bildfehlern bei der Ultraschall-Abbildung von Objekten, insbesondere bei der Ultraschall-Reflexions-Computer-Tomographie und bei dem Compound-B-Scan-Verfahren.slight image defects in the ultrasound imaging of objects, in particular in ultrasonic reflection computed tomography and in the compound B-scan method.

Die Ultraschall (US)-Abbildung von Objekten erfolgt mit Hilfe von Impulsen, die an den Grenzflächen des Objektes reflektiert werden. Dazu schickt ein Sender einen kurzen Ultraschall-Impuls aus. Trifft er auf die Grenzfläche des Objektes, so wird ein Teil seiner Energie reflektiert.The ultrasound (US) imaging of objects takes place with the help of Pulses that are reflected at the boundary surfaces of the object. To do this, sends a transmitter emits a short ultrasonic pulse. If it meets the interface of the Object, part of its energy is reflected.

Der restliche Anteil der US-Energie dringt in das Objekt ein. An der nächsten Grenzfläche des Objektes wird wiederum ein Teil der Energie reflektiert und zu dem Empfänger zurückgestrahlt. Der Empfänger detektiert also eine Folge von einzelnen Ultraschall-Impulsen, die an den Grenzflächen des Objektes reflektiert werden. Die Zeit t zwischen Aussenden des Impulses und Empfang eines Echos ist die Laufzeit des Ultraschall-Impulses von dem Sender zur Objektgrenzfläche und zurück zu dem Empfänger. Für die Zeit t gilt bei einem Abstand x zwischen Sender/Empfänger und Objektgrenzfläche der Zusammenhang t = x/v. Dabei ist v die Schallgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium. Über diesen Zusammenhang kann die zeitliche Signalfolge in eine räumliche Darstellung transformiert werden. Daraus lassen sich die Abstände der einzelnen Grenzflächen voneinander ermitteln. Dies ist allerdings nur dann exakt möglich, falls die Schallgeschwindigkeit über die gesamte Schallaufstrecke außerhalb und innerhalb des Objektes bekannt ist.The rest of the US energy penetrates the property. At the Part of the energy is reflected in the next interface of the object and reflected back to the receiver. The receiver thus detects a sequence of individual ultrasonic pulses, which are reflected at the boundary surfaces of the object will. The time t between sending the pulse and receiving an echo is the Travel time of the ultrasonic pulse from the transmitter to the object boundary and back to the recipient. For the time t, the following applies for a distance x between the transmitter / receiver and the object boundary the relationship t = x / v. Where v is the speed of sound in the medium of propagation. The temporal signal sequence in a spatial representation can be transformed. This can be used to determine the distances determine the individual interfaces from each other. However, this is only exact then possible if the speed of sound over the entire sound path is outside and is known within the object.

Im allgemeinen ist die Schallgeschwindigkeit des Objektes von seiner Umgebung verschieden. Die Umrechnung in die räumliche Darstellung erfolgte bisher mit einem einzigen konstanten Wert der Schallgeschwindigkeit. Die Signale aus dem Innern des Objekts müßten jedoch mit der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit umgerechnet werden.In general, the object's speed of sound is its own Environment different. The conversion into the spatial representation has been carried out so far with a single constant value of the speed of sound. the Signals from inside the object, however, would have to be at the actual speed of sound be converted.

Bei einer Umrechnung mit dem konstanten Wert der Schallgeschwindigkeit erscheint das Objekt daher um einen Faktor verkürzt, der sich aus dem Verhältnis der konstanten Schallgeschwindigkeit zu der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit ergibt. Veränderungen der Schallgeschwindigkeit zwischen Objekt und Umgebung bzw. innerhalb des Objektes führen auf diese Art zu Maßstabsverzerrungen.When converting with the constant value of the speed of sound the object therefore appears shortened by a factor that is derived from the ratio the constant speed of sound to the actual speed of sound results. Changes in the speed of sound between the object and the environment or in this way lead to scale distortions within the object.

Bei der üblichen Ultraschall-Abbildung wird das Objekt mit einer Vielzahl von Echofolgen abgetastet. Dazu wird der Sender/Empfänger senkrecht zur Einstrahirichtung verschoben. Aus jeder Position wird eine Echofolge aufgenommen und - wie vorher beschrieben - in den Ortsbereich umgerechnet. Diese Echofolgen werden dann in an sich bekannter Weise entsprechend der Position des Sender/Empfängers zu einem 2-dimensionalen Schnittbild zusammengesetzt.With the usual ultrasound imaging, the object is with a multitude sampled by echo sequences. To do this, the transmitter / receiver is perpendicular to the direction of irradiation postponed. An echo sequence is recorded from every position and - as before described - converted to the local area. These echo sequences are then in on known way according to the position of the transmitter / receiver to a 2-dimensional Composite sectional view.

In biologischem Gewebe variiert die Schallgeschwindigkeit etwa zwischen 1470 m/s bei Fett und 1570 m/s bei Bindegewebe. Zur Umrechnung bei der üblichen Bilddarstellung wird im allgemeinen die Schallgeschwindigkeit von Wasser mit ca. 1500 m/s angewandt.In biological tissue, the speed of sound varies roughly between 1470 m / s for fat and 1570 m / s for connective tissue. For conversion with the usual In general, the speed of sound in water is approx. 1500 m / s applied.

Die Unterschiede der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Objektes und in dem Objekt und dem dies umgebenden Medium führen zu Maßstabsverzerrungen. Es können sich dadurch Unschärfen und Bildfehler ergeben, die eine Diagnose erschweren oder sogar eine Fehldiagnose verursachen können.The differences in the speed of sound within the object and in the object and the medium surrounding it lead to scale distortions. This can result in blurring and image errors that make a diagnosis more difficult or even cause a misdiagnosis.

Solche Fehler machen sich bei der Ultraschall-Reflexions-Computer-Tomographie, insbesondere beim Compound-Scan-Verfahren bemerkbar, wo die einzelnen Echofolgen aus verschiedenen Richtungen aufgenommen werden. Dabei sind die Wege des Ultraschall-Impulses durch das Gewebe unterschiedlich und führen zu Verzeichnungen.Such mistakes are made in ultrasound reflection computed tomography, especially noticeable in the compound scan process, where the individual echo sequences can be recorded from different directions. Here are the paths of the ultrasonic pulse different through the fabric and lead to distortions.

Bei der Ultraschall-Reflexions-Computer-Tomographie werden Projektionen des Objektes aus verschiedenen Richtungen aufgenommen. Für verschiedene Richtungen sind aber die Wege durch das Objekt unterschiedlich. Dies führt zu Verzeichnungen, die für die einzelnen Projektionen unterschiedlich ausfallen. Bei der Überlagerung der Projektionen treten Unschärfen in den Konturen auf. Scharfe Linien werden verschmiert.In the case of ultrasonic reflection computed tomography, projections are made of the object taken from different directions. For different directions but the paths through the object are different. This leads to distortions, which turn out differently for the individual projections. When overlaying of the projections, blurring occurs in the contours. Sharp lines will be smeared.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Korrektur von Laufzeiteffekten, die Ursache für die erläuterten Nachteile sind, zu schaffen, so daß eine weitgehend verzeichnungsfreie Abbildung von Objekten mit inkonstanten Schallgeschwindigkeiten, insbesondere von biologischem Gewebe, ermöglicht ist.The present invention is based on the object of a method to correct runtime effects that are the cause of the disadvantages explained, to create, so that a largely distortion-free image of objects with inconstant sound velocities, especially of biological tissue, allows is.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, das durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist.The object on which the invention is based is achieved by a method according to the preamble of claim 1 solved by the in the characterizing Part of claim 1 specified features is characterized.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.Advantageous further developments of the invention are indicated in the subclaims indicated features.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer die Problematik der Ultraschall-Abbildung von Objekten verdeutlichenden Figur im einzelnen beschrieben.In the following, the invention is based on the problem of ultrasound imaging of objects clarifying figure described in detail.

Die Figur zeigt einen Sender/Empfänger 1 und ein in einem Abstand x0 von dem Sender/Empfänger 1 entferntes Objekt 2.The figure shows a transmitter / receiver 1 and one at a distance x0 object 2 removed from the transmitter / receiver 1.

Das Objekt 2 hat eine Ausdehnung x1 und die Schallgeschwindigkeit v1, die z. B. höher als vg ist. Das Objekt 1 ist in ein Ankopplungsmedium der Schallgeschwindigkeit vg eingebettet.The object 2 has an extension x1 and the speed of sound v1, the z. B. is higher than vg. The object 1 is in a coupling medium of the speed of sound vg embedded.

Bei der Umrechnung der zeitlichen Echofolge in den Ortsraum mit der Schallgeschwindigkeit vg wird der Abstand xg korrekt wiedergegeben. Dagegen wird die Ausdehnung x1 um den Faktor vO/v1 verkürzt dargestellt. Dies führt zu den eingangs erläuterten Bildfehlern.When converting the temporal echo sequence into the local area with the The speed of sound vg becomes the distance xg correctly reproduced. In contrast, the dimension x1 is shown shortened by the factor vO / v1. this leads to to the image errors explained at the beginning.

Um solche Bildfehler zu vermeiden, ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Korrektur von Laufzeiteffekten bei der Ultraschall-Abbildung von Objekten vorgesehen, daß für eine Rekonstruktion des Abbildes des betreffenden Objektbereiches aus den Ultraschall-Signalen bereichsweise unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten angenommen werden.In order to avoid such image errors, is in the method according to the invention intended to correct runtime effects in the ultrasound imaging of objects, that for a reconstruction of the image of the relevant object area from the Ultrasonic signals assumed different speeds of sound in areas will.

Es werden zwei Bereiche definiert, wobei der eine Bereich das ganze Objekt und der andere Bereich das umgebende Medium ist. Der veränderte Wert der Schallgeschwindigkeit wird jeweils auf den Teil der Echofolge angewendet, der in das abzubildende Objekt fällt. Dazu sind die Bereichsgrenzen des Objekts zu bestimmen. Es ist vorgesehen, daß die das Objekt und das umgebende Medium trennende Bereichsgrenze durch das Oberflächenecho des Objekts bestimmt wird. Wenn der Objektbereich bestimmt ist, wird für ihn die Geschwindigkeit v angenommen. Diese mittlere Schallgeschwindigkeit v kann aus Literaturangaben entnommen werden. Sie ist jedoch auch experimentell an Testobjekten, die typisch für den Anwendungsfall ausgewählt werden, zu bestimmen. Es kann vorteilhaft sein, die mittlere Schallgeschwindigkeit v am jeweiligen Objekt selbst zu bestimmen, wozu aus der Echofolge die naheliegende und die entfernte Grenze des Objekts zu bestimmen sind. Die mittlere Schallgeschwindigkeit v kann aus der Zeitdifferenz dieser beiden Signale und dem geometrisch meßbaren Abstand errechnet werden.Two areas are defined, one area being the whole Object and the other area is the surrounding medium. The changed value of the The speed of sound is applied to the part of the echo train that is in the object to be imaged falls. For this purpose, the area boundaries of the object must be determined. It is provided that the area boundary separating the object and the surrounding medium is determined by the surface echo of the object. When the object area determines is, the speed v is assumed for it. This mean speed of sound v can be taken from the literature. However, it is also experimental on test objects that are typically selected for the application. It can be advantageous to measure the mean speed of sound v at the respective object to determine for what purpose the near and the distant border from the echo sequence of the property are to be determined. The mean speed of sound v can be derived from the The time difference between these two signals and the geometrically measurable distance is calculated will.

Zur Ermittlung der mittleren Schallgeschwindigkeit v am jeweiligen Objekt, wozu die naheliegende und die entfernte Grenze des zu untersuchenden Objektes zu ermitteln ist, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß die entsprechenden Echosignale durch Auflegen eines Hilfsobjektes, beispielsweise eines Metallstabes, verstärkt werden. Durch die Auswertung dieser verstärkten Echosignale kann die mittlere Schallgeschwindigkeit v anschließend- wie bereits erläutert - aus der Zeitdifferenz dieser beiden Signale und dem geometrisch meßbaren Abstand errechnet werden.To determine the mean speed of sound v am in each case Object, including the near and distant border of the object to be examined is to be determined, can be provided according to an advantageous development of the invention be that the corresponding echo signals through Placing an auxiliary object, for example a metal rod, are reinforced. By evaluating this amplified echo signals, the mean speed of sound v can then- as already explained - from the time difference between these two signals and the geometrical one measurable distance can be calculated.

Die mittlere Schallgeschwindigkeit v kann jedoch auch mit Hilfe von Strukturen in dem Objekt, deren geometrische Dimensionen bekannt sind, bestimmt werden.However, the mean speed of sound v can also be calculated using Structures in the object, the geometric dimensions of which are known, determined will.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die mittlere Schallgeschwindigkeit v aus der zeitlichen Verschiebung einzelner Echofolgen aus verschiedenen Richtungen bestimmt wird, wobei korrespondierende Signale unterschiedlicher Messungen durch eine Korrelationsrechnung ermittelt werden. Für den Fall, daß die geometrische Form und Ausdehnung des Objektes oder einzelner Bereiche B1, B2, ... Bn davon bekannt ist, ist die jeweilige. mittlere Schallgeschwindigkeit v1 v2,... vn auch bereichsweise zu ermitteln und zur Korrektur heranzuziehen. Dadurch ergibt sich eine noch schärfere Abbildung des betreffenden Objektes.According to another development of the invention it is provided that the mean speed of sound v from the time shift of individual echo sequences is determined from different directions, with corresponding signals being different Measurements are determined by a correlation calculation. In the event that the geometric shape and expansion of the object or individual areas B1, B2, ... Bn of which is known is the particular. mean speed of sound v1 v2, ... vn can also be determined in areas and used for correction. This results in an even sharper image of the object in question.

Zur Verbesserung der Bildqualität ist desweiteren vorgesehen, daß Korrekturen iterativ mit veränderlichen Schallgeschwindigkeiten v1 ...... Vn ausgeführt werden, wobei eine jeweils erneute Rekonstruktion ausgeführt wird, bis die Bildqualität optimal ist. Bei einer derartigen, auf iterativem Wege durchgeführten Rekonstruktion kann aus einer ersten Rekonstruktion die Form des Objektes oder von Teilbereichen des Objektes näherungsweise ermittelt werden.To improve the image quality, it is also provided that Corrections carried out iteratively with variable sound velocities v1 ...... Vn each time a new reconstruction is carried out until the image quality is optimal. In the case of such a reconstruction carried out in an iterative manner the shape of the object or parts of it can be derived from an initial reconstruction of the object can be determined approximately.

Mit Hilfe jeder Näherung ist dann die jeweilige mittlere Schallgeschwindigkeit v1, v2 ... vn aus Echofolgen aus verschiedenen Abtastrichtungen für das gesamte Objekt und/oder für Teilbereiche des Objektes ermittelbar und für eine verbesserte Rekonstruktion anwendbar. Solche Näherungen kön- nen durch Variation der Geschwindigkeiten V1 v2 sooft wiederholt werden, bis ein befriedigendes Bild erzielt ist. Die Beurteilung der Bildqualität wird dabei visuellinteraktiv oder automatisch durchgeführt.With the help of each approximation, the respective mean speed of sound is then v1, v2 ... vn from echo sequences from different scanning directions for the whole Object and / or can be determined for partial areas of the object and for an improved one Reconstruction applicable. Such approximations can by variation of the speeds V1 v2 are repeated until a satisfactory image is achieved. The assessment of the image quality is visually interactive or carried out automatically.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß jeweils nur Objektausschnitte korrigiert werden und daß die korrigierten Bildausschnitte zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden.Another advantageous development of the invention provides that in each case only object sections are corrected and that the corrected image sections can be put together to form an overall picture.

Das Verfahren ist vorteilhafterweise ganz oder teilweise rechnergestützt.The method is advantageously completely or partially computer-aided.

20 Patentansprüche 1 Figur20 claims 1 figure

Claims

Method for correcting runtime effects image errors caused in the ultrasound imaging of objects, in particular in ultrasonic reflection computer tomography and in the compound B-scan method, in which ultrasonic imaging the runtime effects due to the different Velocities of sound are caused in the object to be imaged, d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that for a reconstruction of the image of the relevant Object area from the ultrasonic signals in areas different speeds of sound be accepted.

2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that two areas are defined, one area being the whole object and the other area is the surrounding medium.

3. The method of claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the object area to be mapped into several almost homogeneous areas (B # B2 ... B2 Bn> is subdivided, in each of which a mean speed of sound (V1, v2 ... v2) is assumed.

4. The method according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the changed value of the speed of sound in each case on the part of the Echo sequence is applied, which falls into the object to be imaged.

5. The method according to claim 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the area boundary separating the object and the surrounding medium through the surface echo of the object is determined.

6. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that im Object area a medium one Speed of sound (v) is assumed.

7. The method according to claim 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the mean speed of sound (v) is taken from literature will.

8. The method according to claim 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n et that the mean speed of sound (v) experimentally on test objects, which are typically selected for the application.

9. The method according to claim 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the mean speed of sound (v) determines itself at the respective object becomes, for which purpose the near and the distant boundary of the object from the echo sequence are to be determined, and that the mean speed of sound (v) from the time difference these two signals and the geometrically measurable distance is calculated.

10. The method according to claim 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the mean speed of sound (v) can be determined at the respective object is, where the near and the distant border of the object to be examined can be determined in that the corresponding echo signals by placing a Auxiliary object, for example a metal rod, are reinforced, and that the mean speed of sound (v) from the time difference between these two signals and the geometrically measurable distance is calculated.

11. The method according to claim 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i ch n e t that the mean speed of sound (v) using structures in the Object whose geometric dimensions are known is determined.

12. The method according to claim 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the mean speed of sound (v) from the time shift individual echo sequences from different directions is determined, with corresponding Signals of different measurements are determined by a correlation calculation.

13. The method according to claim 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that in the event that the geometric shape and extent of the object or individual areas (B1, B2 o .. Bn) of which are known, the mean sound velocities (vl> v2 ... vn) can also be determined in areas and used for correction.

14. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c It is noted that the corrections have been made to improve the image quality executed iteratively with variable sound velocities (V1, v2 ... Vn), each time a new reconstruction is carried out until the image quality is optimal.

15. The method according to claim 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c Not that in the case of the iterative reconstruction from a first reconstruction the shape of the object or of parts of the object is approximately determined and that with the help of this approximation the mean sound velocities (V1, v2. Von) from echo sequences from different scanning directions for the entire Object and for partial areas of the object determined and for an improved reconstruction be used.

16. The method according to claim 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the approximation so often with varied mean sound velocities (v1, v2, ... from) is repeated until a satisfactory image is obtained is.

17. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c It is true that only sections of the object are corrected in each case and that the corrected image details are combined to form an overall image.

18. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c it should be noted that the sharpness of the corrected image is assessed visually will.

19. The method according to any one of the preceding claims, d a d u r c Note that the sharpness of the corrected image is automatic is assessed with an algorithm.

20. The method according to the preceding claims, d a -d u r c h g It is not noted that the process is fully or partially computer-aided is.