DE68920769T2

DE68920769T2 - Gerät zur Messung der Geschwindigkeit von Organen und der Blutströmung durch Korrelationsverfahren.

Info

Publication number: DE68920769T2
Application number: DE68920769T
Authority: DE
Inventors: Odile Bonnefous
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-04-19
Filing date: 1989-04-13
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2009-04-14
Also published as: FR2629997B1; EP0338618B1; JPH01313042A; JP2697894B2; US4928698A; EP0338618A1; DE68920769D1; FR2629997A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Organbewegungen und Blutströmungen, wobei die Vorrichtung erstens eine Korrelationsschaltung umfaßt, die auf der Basis zweier aufeinanderfolgender Echographielinien Korrelationsfunktionswerte liefert, und zweitens eine Multiplexinterpolationsschaltung umfaßt, die auf der Basis der genannten Korrelationsfunktionswerte eine Schätzung der Geschwindigkeit und des Wertes des entsprechenden Korrelations-Peaks liefert.
Die Erfindung wird vorteilhaft auf dem Gebiet der Echographie-Untersuchung von sich bewegenden Organen, wie etwa Herzwänden, und von Blutströmungen in den Gefäßen angewendet.
Die bei jeder Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Organbewegungen und Blutströmungen zu lösende allgemeine technische Aufgabe besteht darin, eine möglichst exakte Abschätzung der axialen Geschwindigkeit der untersuchten Bewegung zu erhalten, um mit Hilfe von Bildwiedergabevorrichtungen genaue Bilder der einer Ultraschall-Echographieuntersuchung unterzogenen Organe und Blutströmungen zu verschaffen.
In den letzten Jahren sind verschiedene Lösungen für diese technische Aufgabe vorgeschlagen worden. Die französische Patentanmeldung FR-A-2 590 790 beschreibt diesbezüglich eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Messung der Geschwindigkeit von Organbewegungen und Blutströmungen, bei der man sich die Tatsache zunutze macht, daß die aufeinanderfolgenden, von einem sich bewegenden Target zurückgesendeten Ultraschallsignale bei wiederholter Aussendung mit einer Folgeperiodendauer T durch die folgende Gleichung verbunden sind:
Sn+1(t) = Sn(t-τ)
Dies bedeutet, daß das Signal bis auf eine zeitliche Verschiebung τ ein Abbild des vorangegangenen Signals n ist. "τ" stellt die Zeit dar, die die Ultraschallwelle zusätzlich benötigt, um die Strecke Wandler-Target-Wandler von einem Puls zum nächsten zu durchlaufen. Anders ausgedrückt:
τ = 2VT/C
wobei V die Geschwindigkeit des Targets und C die Geschwindigkeit des Schalls ist. Es zeigt sich, daß die gesuchte Geschwindigkeit V durch Messung von τ ermittelt werden kann.
Die Funktion der Korrelation zwischen Sn(t) und Sn+1(t), definiert durch:
bestätigt, daß
Cn,n+1(to+u) = Cnn(to,u-r).
Die Zeit to ist mit der Untersuchungstiefe z verbunden durch to = 2z/C.
Die Funktion Cnn(to,u) ist eine Autokorrelationsfunktion und hat daher bei u = uo ein Maximum. Somit kann eine Messung der zeitlichen Verschiebung τ und daher der Geschwindigkeit V durchgeführt werden, indem gesucht wird, bei welchem Parameter u der Funktionswert Cn,n+1(to,u) maximal ist. Dazu wird die Korrelationsfunktion mit einem Abtastschritt Δt zwischen umin = -IΔt und umax = IΔt in Schritten von 1 abgetastet, um 2I+1 Korrelationsfunktionswerte zu erhalten. Der u = uo entsprechende Maximalwert dieser 2I+1 Werte ermöglicht die Messung von τ unter Ausnutzung der Gleichheit τ = uo.
Um abtastungsbedingte Fehler bei der Bestimmung des Maximums der Korrelationsfunktion zu beseitigen, ist es möglich, eine Multiplexinterpolationsschaltung zu verwenden, die auf der Basis der Korrelationsfunktionswerte eine genauere Schätzung der Werte für die Geschwindigkeit und den entsprechenden Korrelations-Peak liefert. Die französische Patentanmeldung FR-A-2 590 790 gibt ein Beispiel für diese Art der Echographiesignalverarbeitung, bei der die Korrelation zwischen Signalen eine mit "1-Bit-Korrelation" bezeichnete Korrelation ist, was so zu verstehen ist, daß die zuvor verwendeten Signale Sn+1 und Sn auf das Vorzeichen des Ultraschallsignals reduziert werden. Es ist bekannt, daß in diesem Fall der Peak der Korrelationsfunktion die Form eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist. Die Kenntnis dieser Form ermöglicht es, aufgrund des höchsten Punktes und der beiden ihm benachbarten Punkte den Korrelations-Peak durch lineare Interpolation vollständig wiederherzustellen und damit die Stelle von uo exakt zu bestimmen.
Dieses aus der Geschwindigkeitsmessung bekannte Verfahren, das auf der Analyse der zeitlichen Verschiebung beruht, hat erhebliche Vorteile gegenüber anderen Verfahren, die sich beispielsweise auf die Frequenz- oder Phasenverschiebung stützen. Insbesondere ermöglicht dieses Verfahren, breitbandige Sendesignale zu verwenden, wodurch eine bessere axiale Auflösung der Messung erhalten wird. Angesichts der Tatsache, daß bei dem Verfahren zur Messung mittels Korrelation keine Faltungserscheinungen auftreten, ist es gleichfalls möglich, Geschwindigkeiten zu messen, die jenseits der im allgemeinen von den üblichen Instrumenten vorgegebenen Schwelle liegen.
Das obenbeschriebene Verfahren hat allerdings den Nachteil, daß ein mit der Abtastung verbundener Fehler bei der Bestimmung der Position des Korrelations- Peaks möglich ist. Es kann nämlich vorkommen, daß der höchste Punkt der abgetasteten Korrelationsfunktion nicht zum dem gesuchten Korrelations-Peak gehört. Diese Situation kann eintreten, wenn komplexe Strömungen gemessen werden, die Gradienten mit beträchtlichen Geschwindigkeiten enthalten, die den Korrelations-Peak verringern können. Dieser Fehler zeigt sich in plötzlichen Diskontinuitäten bei der Rekonstruktion des Profils der Geschwindigkeit V als Funktion der Untersuchungstiefe z.
Die durch die vorliegende Anmeldung zu lösende technische Aufgabe besteht daher darin, eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Organbewegungen und Blutströmungen zu verwirklichen, die erstens eine Korrelationsschaltung umfaßt, die mit einem Abtastschritt von Δt arbeitet und auf der Basis zweier aufeinanderfolgender um kΔt (k = -I, -I+1, ..., I) verschobener Echographielinien 2I+1 Korrelationsfunktionswerte liefert, und zweitens eine Multiplexinterpolationsschaltung umfaßt, die auf der Basis der genannten Korrelationsfunktionswerte eine Schätzung der genannten Geschwindigkeit und des Wertes des entsprechenden Korrelations-Peaks liefert, wobei dank der Vorrichtung die Stelle des Maximums des Korrelations-Peaks eindeutig festgestellt werden kann, indem die infolge großer Geschwindigkeitsgradienten vorhandenen Artefakte beseitigt werden.
Die Lösung dieser technischen Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die genannten Korrelations- und Multiplexinterpolationsschaltungen die genannte Schätzung der Geschwindigkeit und des Wertes des Korrelations-Peaks innerhalb jeder der N im Intervall der zeitlichen Verschiebungen [-IΔt, +IΔt] definierten Zonen liefern und daß außerdem ein Nullstellendetektor vorhanden ist, der M Segmente definiert, die durch die Werte der Untersuchungstiefen begrenzt werden, bei denen der Schätzwert für die Geschwindigkeit in der Gesamtheit der N Zonen eine Nullstelle hat, wobei ein Speicher die kumulierten Werte Pij des der i-ten Zone (i = 1, ..., N) und dem j-ten Segment (j = 1, ... N) entsprechenden Korrelations-Peaks speichert, und wobei eine Detektionseinheit das gesuchte Geschwindigkeitsprofil rekonstruiert, indem für jedes Segment j das Geschwindigkeitsprofil in der Zone i, bei der Pij maximal ist, registriert wird.
Die Erfindung besteht also im wesentlichen darin, dem Korrelations-Peak entlang allen möglichen durch die N Zonen und die M Segmente repräsentierten Wege zu "folgen", wobei das Auswahlkriterium der in allen Bildern kumulierte Wert des Korrelations-Peaks ist. Der registrierte Weg ist derjenige, der dem größten Wert entspricht.
Zum besseren Verständnis der Funktionsweise und der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung wird die Erfindung im folgenden anhand von nicht-einschränkenden in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Schema einer erfindungsgemaßen Meßvorrichtung,
Figur 2 eine Kurve, die die Korrelationsfunktion als Funktion der Abtastung für den Fall einer 1-Bit-Korrelation sowie die Zonenstruktur darstellt,
Figur 3 für jede Zone den Verlauf der geschätzten Geschwindigkeit als Funktion der Untersuchungstiefe sowie die Segmentstruktur,
Figur 4 ein von der Anmelderin experimentell erhaltenes Ergebnis, und
Figur 5 die Struktur des dem Ergebnis aus Figur 4 entsprechenden Speichers.
Figur 1 zeigt in schematischer Form eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Organbewegungen und Blutströmungen. Diese Vorrichtung ist Teil eines Geräts zur Untersuchung mittels Ultraschall-Echographie, das unter anderem wenigstens einen, in Figur 1 nicht gezeigten Ultraschallwandler enthält, der zu einer Stufe zur periodischen Aussendung eines Impulssignals mit einer bestimmten Folgefrequenz F = 1/T gehört sowie zu einer Stufe zum Empfang der in Richtung des Wandlers zurückgesendeten Echographiesignale und zur Verarbeitung der empfangenen Signale. Die französische Patentanmeldung FR-A-2 590 790 gibt eine sehr ausführliche Beschreibung dieser verschiedenen Stufen. Die Empfangs- und Verarbeitungsstufe enthält vor allem eine Verzögerungsleitung zur Verzögerung um eine Folgeperiodendauer T, wodurch der gleichzeitige Empfang von zwei aufeinanderfolgenden Echographiesignalen Sn(t) und Sn+1(t) ermöglicht wird. Wie aus Figur 1 ersichtlich, werden diese beiden Signale Sn und Sn+1 von einer Korrelationsschaltung 100 verarbeitet, die mit einem Abtastschritt von Δt arbeitet.
Die Verzögerungsleitungen 101k verschieben das Signal Sn(t) um die Größe uk = kΔt, wobei die ganze Zahl k die Werte -I, -I+1, ..., -1,0, 1,.., I-1, I annimmt. Danach liefern die 2I+1 Korrelatoren 102k 2I+1 Korrelationsfunktionswerte, nämlich:
{Cn,n+1 (to,uk)}k&epsi; [-I,I]
Die Korrelatoren 102k können beispielsweise "1-Bit"-Korrelatoren sein. Für diesen Fall zeigt Figur 2 das Verhalten der Korrelationsfunktion, die, wie ersichtlich, aus Korrelations-Peaks in Form von gleichschenkligen Dreiecken besteht. Die Kurve aus Figur 2 entspricht einem Wert von I gleich 5, womit 11 Korrelationspunkte dargestellt werden. Dieser Fall tritt beispielsweise bei einer Sendefrequenz von 5 MHz und einer Abtastfrequenz von 20 MHz ein.
Die Gesamtheit der aus der Korrelationsschaltung 100 kommenden 2I+1 Korrelationsfunktionswerte gelangt danach in eine Multiplexinterpolationsschaltung 200. Diese Schaltung 200 nimmt eine Aufteilung der Korrelationspunkte vor, indem sie diese in N Zonen Zi (i = 1,...,N) gruppiert. Figur 2 zeigt eine solche Aufteilung auf 3 Zonen Z&sub1;, Z&sub2; und Z&sub3;, von denen jede 3 Korrelationspunkte umfaßt. Innerhalb jeder Zone Zi liefert die Schaltung 200 einen Wert der Schätzung für die Geschwindigkeit Vi und den Korrelations-Peak Pi. Diese Werte sind abhängig von der Zeit to, also von der Untersuchungstiefe, und werden daher mit Vi(z) und Pi(z) bezeichnet. Bei der 1-Bit-Korrelation (Figur 2) kann die Berechnung von Vi(z) und Pi(z) durch eine lineare Interpolation erfolgen, die am höchsten Punkt jeder Zone und der zwei benachbarten Punkte vorgenommen wird, wobei die Spitze des so gebildeten gleichschenkligen Dreiecks dem Paar Vi(z), Pi(z) entspricht. Dieses Interpolationsverfahren wird in der französischen Patentanmeldung FR-A-2 590 790 beschrieben.
Die N Geschwindigkeitsprofile Vi(z) können, wie in Figur 3 gezeigt, als Funktion von z aufgetragen werden. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die Profile Vi(z) Nullstellen aufweisen, die dem Fehlen eines Korrelations-Peaks in der betrachteten Zone Zi entsprechen; dies ist beispielsweise bei der Zone Z&sub2; in Figur 2 der Fall. Diese Nullstellen Z&sub1;, Z&sub2;,...,Zj,... werden von einem Nullstellendetektor 300 detektiert und ermöglichen die Definition von M Segmenten Δj(j-1,...M) entlang der Achse z. Bei dem Beispiel aus Figur 3 beträgt die Anzahl der Segmente M=7. Werden die M Segmente Δj auf diese Weise definiert, so ist es möglich, innerhalb jedes dieser Segmente für jede Zone Zi die Werte Pi(z) des Korrelations-Peaks zu kumulieren, um eine Zahl Pij festzulegen, die sich schreiben läßt als:
Die NxM Werte von Pij werden in einem Speicher 400 gespeichert, der von einer Detektionseinheit 500 folgendermaßen ausgelesen wird: Für jedes Segment Δj wird gesucht, bei welcher Zone Zi der Parameter Pij maximal ist. Der Teil des gesuchten Gesamtprofils V(z) innerhalb des Segments Δj ist dann genau Vi(z). Die Werte Vi(z) werden in einem Speicher gespeichert, und die Rekonstruktion erfolgt, indem nach den Werten gesucht wird, wo Pij maximal ist. Dies läßt sich in folgender Beziehung ausdrücken:
Bei dem Beispiel, das von der Anmelderin experimentell erhalten wurde und das in Figur 4 gezeigt ist, hatte der Speicher 400 die in Figur 5 gezeigte Struktur. Er enthielt 3x6 = 18 kumulierte Werte von Korrelations-Peaks. Die Maximalwerte für jedes Segment Δj sind mit einem Kreuz markiert. Das gesuchte Profil V(z) ist somit gegeben durch: V&sub2;(z) für die Segmente Δ&sub1;, Δ&sub2;, dann durch V&sub1;(z) für Δ&sub3;, Δ&sub4;, Δ&sub5; und schließlich wiederum durch V&sub2;(z) für Δ&sub6;.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Organbewegungen und Blutströmungen, die erstens eine Korrelationsschaltung (100) umfaßt, die mit einem Abtastschritt von Δt arbeitet und auf der Basis zweier aufeinanderfolgender, um kΔt (k = -I, -I+1, ..., I) verschobener Echographielinien 2I+1 Korrelationsfunktionswerte liefert, und zweitens eine Multiplexinterpolationsschaltung (200) umfaßt, die auf der Basis der genannten Korrelationsfunktionswerte eine Schätzung der genannten Geschwindigkeit und des Wertes des entsprechenden Korrelations-Peaks liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Korrelationsschaltung (100) und die Multiplexinterpolationsschaltung (200) die genannte Schätzung der Geschwindigkeit und des Wertes des Korrelations-Peaks innerhalb jeder der N im Intervall der zeitlichen Verschiebungen [-IΔt, +IΔt] definierten Zonen liefern und daß außerdem ein Nullstellendetektor (300) vorhanden ist, der M Segmente definiert, die durch die Werte der Untersuchungstiefen begrenzt werden, bei denen der Schätzwert für die Geschwindigkeit in der Gesamtheit der N Zonen eine Nullstelle hat, wobei ein Speicher (400) die kumulierten Werte Pij des der i-ten Zone (i = 1, ..., N) und dem j-tn Segment (j = 1, ... N) entsprechenden Korrelations-Peaks speichert, und wobei eine Detektionseinheit (500) das gesuchte Geschwindigkeitsprofil bildet, indem für jedes Segment j das Geschwindigkeitsprofil in der Zone i, bei der Pij maximal ist, registriert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Korrelationsschaltung (100) 1-Bit-Korrelatoren umfaßt und daß die genannte Multiplexinterpolationsschaltung (200) eine lineare Interpolation vornimmt.