DE69721803T2

DE69721803T2 - Verfahren und anlage zur rekonstruktion eines ultraschallbildes

Info

Publication number: DE69721803T2
Application number: DE69721803T
Authority: DE
Inventors: Peter Klein; Markus Marquart; Bernhard Mumm
Original assignee: Tomtec Imaging Systems GmbH
Current assignee: Tomtec Imaging Systems GmbH
Priority date: 1996-11-07
Filing date: 1997-11-07
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2017-11-08
Also published as: EP0937263A1; EP0937263B1; DE69721803D1; WO1998020360A1; US6228028B1; JP3684243B2; JP2002503981A; AU4720197A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rekonstruktion einer Abbildung und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur drei- und vierdimensionalen Rekonstruktion von Abbildungen gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1, 15, 21 und 23.

STAND DER TECHNIK

Bildgebende Verfahren mittels Ultraschall werden wegen der mit der Röntgenstrahlung verknüpften gesundheitlichen Verfahren als Ersatz für die mit Röntgenstrahlen arbeitenden bildgebenden Verfahren immer beliebter. Bei den bildgebenden Verfahren mittels Ultraschall bringt man einen oder mehrere piezoelektrische Messwertwandler als Sender in Kontakt mit der Haut des Patienten und speist sie mit Energie in der Weise, dass sie ein oder mehrere Ultraschallsignale erzeugen. Die Ultraschallsignale werden durch Veränderungen in der Dichte des Gewebes reflektiert, zum Beispiel an dem interessierenden Organ, und die reflektierten Signale werden von einem oder mehreren piezoelektrischen Messwandlern als Empfänger empfangen. Die erfassten Daten, und zwar die Zeit (gemessen ab dem Zeitpunkt der Aussendung des Signals), die das Signal bis zum Empfang des bzw. der empfangenden piezoelektrischen Messwandler(s) benötigt, und die Stärke des empfangenen Signals können mit der Position (x, y, z) und der Ausrichtung (Alpha, Beta, Gamma) der Sonde so kombiniert werden, dass eine Vielzahl von zweidimensionalen Abtast- oder Abbildungsebenen erzeugt wird. Zur Bildung einer dreidimensionalen Abbildung des Organs wird ein Ausgabevolumen erzeugt, das eine Anzahl von Elementen enthält.
Dann wird jedem Element ein Wert aus der Grauskala zugewiesen, indem alle Abtastebenen nacheinander und unabhängig von einander verarbeitet werden.
Bei der Auslegung eines leistungsfähigen Systems zur dreidimensionalen Ultraschall- Abbildung gelten viele verschiedene Überlegungen. Zunächst sollten während der Erzeugung des Ausgabevolumens die Bilddaten nicht ignoriert werden. Werden Bilddaten in den Abtastebenen nicht berücksichtigt, kann sich dies nachteilig auf die Qualität der Abbildung auswirken. Zum zweiten sollte die Verarbeitung der Bilddaten in allen Abtastebenen rasch erfolgen, wozu nur der kleinstmögliche Speicherplatz benötigt wird. Drittens sollte der Benutzer die Möglichkeit haben, mit einer Reihe verschiedener Algorithmen zu arbeiten, um die Bilddaten in den Abtastebenen zu verarbeiten. Diese Flexibilität macht es dem Benutzer möglich, den Algorithmus auszuwählen, bei dem er die höchste Qualität in der Abbildung erhält.
In der Vorveröffentlichung WO 91/03792 werden ein System und ein Verfahren zum Aufbauen einer drei- oder vierdimensionalen Abbildung offenbart, welche ein Objekt beschreibt, bei welchem ein Messwertwandler vorgesehen ist, um Ultraschallenergie durch mindestens einen Teil eines Objekts in einer Vielzahl von Bildebenen zu leiten, sowie ein Empfänger zum Empfangen der reflektierten Energie in jeder Bildebene aus der Vielzahl von Bildebenen zur Bildung von Bildinformationen, welche das Objekt beschreiben und der Vielzahl von Bildebenen entsprechen. Solche Bildinformationen werden zum Beispiel in Form einer dreidimensionalen Anordnung von Voxel- Werten abgespeichert.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System und ein Verfahren zur Rekonstruktion von Abbildungen zu schaffen, insbesondere zum Aufbauen einer drei- oder vierdimensionalen Abbildung, welche ein Objekt beschreibt, bei welchen die Qualität einer solchen Abbildung durch gleichzeitiges Verkürzen der Zeit und Reduzieren der Datenmenge während des Abtastvorgangs und Datenerfassungsvorgangs verbessert wird.
Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung und weitere Zielsetzungen in der Auslegung werden durch das in der vorliegenden Erfindung vorgesehene Verfahren zur Abbildung mit Ultraschall und die zugehörige Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1, 15, 21 und 23 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben und beansprucht.
Mit dem Verfahren ist es möglich, eine drei- oder vierdimensionale Abbildung eines Objekts wie zum Beispiel eines Organs (z. B. für die Diagnose in der Medizin) oder eines Maschinenteils (z. B. zur Identifizierung eines Defekts) aufzubauen. Das System umfasst zumindest die folgenden Schritte:
a) Erzeugen einer Vielzahl von Bildebenen (bzw. Abtastebenen), wobei jede Bildebene Bildinformationen enthält, die ein Objekt beschreiben; und
b) Bestimmen der Bildinformationen in jeder Bildebene aus der Vielzahl von Bildebenen, die sich innerhalb eines definierten Abschnitts eines Ausgabevolumens befindet, um eine erste Teilmenge von Bildinformationen zu definieren, welche dem definierten Abschnitt entsprechen. Bei dem definierten Abschnitt kann es sich um ein Bildelement mit jeder beliebigen Anzahl von Bildzeichen handeln, wie zum Beispiel Pixel (d. h. zweidimensionale Bildelemente), Voxel (d. h. dreidimensionale Bildelemente) oder Toxel (d. h. vierdimensionale Bildelemente).
Wie bereits ausgeführt, wird der Schritt zur Erzeugung im Allgemeinen dadurch vorgenommen, dass eine Ultraschallsonde von Hand über das Objekt geführt wird oder dass verschiedene piezoelektrische Messwertwandler in einer Wandleranordnung elektronisch gepulst werden. Die Position der Ultraschallsonde wird im typischen Fall durch einen Positionsfühler bestimmt, der an der Ultraschallsonde angebracht ist.
Dabei muss der räumliche Versatz (x, y, z, α, β, γ) zwischen dem Positionsfühler oder der verwendeten Sonde und dem piezoelektrischen Messwertwandler in der Wandleranordnung, welcher den Ultraschallstrahl erzeugt, bestimmt werden. Dieser Versatz lässt sich unter Heranziehung verschiedener Methoden ermitteln. Beispielsweise kann eine Messung mit einem dreidimensionalen Ultraschall-Phantom vorgenommen werden. Dann lässt sich der Versatz durch Messung definierter Orientierungspunkte in diesem Phantom in Abbildungen bestimmen, die aus unterschiedlichen Richtungen erfasst werden.
Das Ausgabevolumen umfasst im Allgemeinen eine Vielzahl definierter Abschnitte. Deshalb wird der Schritt zur Bestimmung für jeden Abschnitt aus der Vielzahl definierter Abschnitte wiederholt, um eine Teilmenge von Bildinformationen zu definieren, die jeweils der Vielzahl definierter Abschnitte entsprechen.
Im typischen Fall umfassen die Bildinformationen die Koordinaten eines Orts (z. B. x, y, z) relativ zu einer Bezugsachse, eine Winkelausrichtung der Sonde (Alpha, Beta, Gamma) und einen Wert aus der Grauskala. Im hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff "Grauwert" bzw. "Wert aus der Grauskala" auf einen Wert aus der Grauskala mit oder ohne Farbinformation, Doppler-Abbildungsinformationen des Gewebes oder jedwede anderen Parameter, welche das Aussehen des Objekts beschreiben. Das Ausgabevolumen wird im typischen Fall durch drei senkrecht auf einander stehende Bezugsachsen definiert. Bei dem Schritt zur Bestimmung werden die Bildinformationen, die innerhalb des definierten Abschnitts liegen oder sich innerhalb eines ausgewählten Abstands des definierten Bereichs befinden, so identifiziert, dass sie die erste Teilmenge der Bildinformationen definieren.
Die erste Teilmenge von Bildinformationen kann ausgewertet werden, um eine zweite Menge von Bildinformationen zu definieren, die aus der ersten Teilmenge von Bildinformationen abgeleitet ist. Dabei unterscheidet sich die zweite Teilmenge von Bildinformationen von der ersten Teilmenge von Bildinformationen. Die Auswertung kann unter Heranziehung eines jeden bekannten Algorithmus zur Interpolation vorgenommen werden, unter anderem des Algorithmus für den ersten gefundenen Wert, des Algorithmus für den kleinsten Abstand, des Algorithmus für einen gewichteten Durchschnittswert und des Algorithmus für den letzten gefundenen Wert. Dabei wird dem definierten Abschnitt des Ausgabevolumens ein Wert aus der Grauskala zugewiesen. Der Wert aus der Grauskala steht in Bezug zu einer Vielzahl von Grauwerten in der ersten Teilmenge von Bildinformationen.
Es gibt eine Reihe von Vorteilen, die mit dem Abbildungsverfahren mif Sortierung durch alle Bildinformationen verbunden sind. Der Grauwert für ein Voxel oder Toxel im Ausgabevolumen (auch als Tolumen bezeichnet) wird durch Verwendung aller entsprechenden Bildinformationen im Eingangsvolumen bestimmt. Zum Beispiel wird bei der Erzeugung des Ausgabevolumens die Bildinformation nicht ignoriert. Deshalb ist die Qualität der Abbildung vergleichsweise hoch. Die gleichzeitige Verarbeitung ausgewählter Bildinformationen in allen Abtastebenen kann auch rasch unter Verwendung des kleinsten Speicherplatzes ausgeführt werden. Schließlich hat der Benutzer die Möglichkeit, eine Reihe verschiedener Algorithmen zur Verarbeitung der Bilddaten in den Abtastebenen heranzuziehen. Diese Flexibilität ermöglicht es dem Benutzer, den Algorithmus auszuwählen, der eine Abbildung mit höchster Qualität liefert.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet außerdem eine Anlage für die Ultraschallabbildung zum Aufbauen von drei- oder vierdimensionalen Abbildungen, welche ein Objekt beschreiben. Vorzugsweise umfasst die Anlage dabei folgendes:
a) eine Einrichtung zum Erzeugen einer Vielzahl von Bildebenen, wobei jede Bildebene Bildinformationen enthält, welche das Objekt beschreiben; und
b) eine Einrichtung zum Bestimmen (z. B. einen Prozessor), welche die Bildinformationen in jeder Bildebene aus der Vielzahl von Bildebenen bestimmt, die sich innerhalb eines definierten Abschnitts des Ausgabevolumens befinden, um eine erste Teilmenge von Bildinformationen zu definieren, welche dem definierten Abschnitt in dem Ausgabevolumen entsprechen. Dabei steht die Erzeugungseinrichtung mit der Bestimmungseinrichtung in Kommunikationsverbindung, um so den Bildaufbau zu ermöglichen.
Bei der Erzeugungseinrichtung kann es sich um jede geeignete Vorrichtung zur Erfassung von Bilddaten handeln, beispielsweise eine Ultraschallsonde, die an ein Ultraschallsystem angeschlossen ist. An der Ultraschallsonde kann dann ein Positionsfühler als Empfänger angebracht werden, um die Position der Ultraschallsonde zu bestimmen. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines elektromagnetischen Systems zur Positionserfassung erzielt werden. Des Weiteren kann die Erzeugungseinrichtung eine Kalibrierung zur Bestimmung der Größe eines Pixels aus einer Vielzahl von Pixeln in jeder Bildebene umfassen.
Die Anlage kann außerdem eine Auswerteeinrichtung (z. B. einen Prozessor) zum Auswerten der ersten Teilmenge von Bildinformationen für die Definierung einer zweiten Menge von Bildinformationen aufweisen, die aus der ersten Teilmenge von Bildinformationen abgeleitet ist. Dabei unterscheidet sich die zweite Teilmenge von Bildinformationen von der ersten Teilmenge von Bildinformationen. Die Auswerteeinrichtung kann dem definierten Abschnitt des Ausgabevolumens einen Wert aus der Grauskala zuweisen. Der Wert aus der Grauskala steht vorzugsweise in Beziehung zu einer Vielzahl von Grauwerten in einer ersten Menge von Bildinformationen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Aufbauen einer drei- oder vierdimensionalen Abbildung vorgesehen, welche das Gewebe eines Patienten beschreiben, wobei eine zeitbezogene Information verwendet wird. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
a) Erzeugen von Bildinformationen, welche das Gewebe beschreiben und einer Vielzahl von Bildebenen entsprechen, wobei die Bildinformationen einen Zeitstempel (z. B. einen Zeitpunkt, zu dem die Bildinformationen erzeugt wurden) umfassen. Dieser Zeitstempel kann ein absoluter Zeitstempel und/oder ein relativer Zeitstempel sein, der bei einem definierten Ereignis erzeugt wird. Zum Beispiel kann es sich bei einem solchen Ereignis um eine definierte Phase im Herzzyklus (beispielsweise mit einem EKG gemessen) und/oder im Atmungszyklus eines Patienten handeln;
b) Überwachen zumindest des Herzzyklus und/oder des Atmungszyklus des Patienten während des Schritts zur Erzeugung, um so eine Menge an Zeitsignalen zu liefern;
c) Ausfiltern der Bildinformationen anhand der Beziehung der Bildinformationen zu den Zeitsignalen; und
d) anschließendes Erzeugen einer Abbildung des Gewebes.
Der Überwachungsschritt kann eine Reihe von Teilschritten umfassen. Im Falle von Herzzyklen erzeugt man anhand der Ableitung eines EKG-Signals mit anschließender Umwandlung in digitale Werte eine Vielzahl von Herzsignalen (eine Art von Zeitsignal). Dabei wird dann jeder digitale Wert mit einem Schwellwert verglichen, um so die Zyklen der Kontraktion und Entspannung der Herzmuskulatur zu identifizieren. Im Falle von Atmungszyklen erzeugt man eine Vielzahl von Atmungssignalen (eine andere Art von Zeitsignal) und wandelt sie in digitale Werte um. Wie im Fall von Herzsignalen wird dann jeder der digitalen Werte mit einem Schwellwert verglichen, um Zyklen der Kontraktion und Entspannung der Zwerchfellmuskulatur zu identifizieren.
Im Filterungsschritt werden die zeitlichen Abstände zwischen den Zyklen der Kontraktion und Entspannung der Herz- oder Zwerchfellmuskulatur bestimmt und bei der Auswahl eines optimalen Zeitintervalls verwendet. Dabei werden die Zeitstempel für jede einzelne Bildinformation einzeln mit dem ausgewählten Zeitintervall verglichen. Wenn die Zeitstempel für eine bestimmte Bildinformation in das Zeitintervall fallen, wird die Information bei der Erzeugung der Abbildung des Gewebes berücksichtigt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die Information bei der Erzeugung der Abbildung nicht berücksichtigt. Eine andere Möglichkeit der Verwendung der Zeitstempel besteht darin, einen kontinuierlichen Strom von Abbildungen zusammen mit den Zeitstempeln zu erzeugen. Die Bildinformationen werden dann nach der Erfassung in Entsprechung zu den Zeitstempeln im Nachhinein ausgefiltert oder aussortiert.
Bei Anwendungen in der Herzmedizin können nach dem Ausfilterungsschritt die verschiedenen Bildelemente im Ausgabevolumen anhand der Zeitstempel sortiert werden, um so Abbildungen des Herzens zu ausgewählten Zeitpunkten während eines Herzzyklus oder an dem ausgewählten Punkt während einer Reihe von Herzzyklen zu erhalten.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 stellt die bildgebende Ultraschallanlage und den Computer zur Rekonstruktion der Abbildungen dar;
Fig. 2 ist eine Darstellung der sortierten Abtastebenen, die während der Bilderfassung erzeugt werden;
Fig. 3 stellt das Ausgabevolumen und ein Bildelement in dem Ausgabevolumen dar;
Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm zur Darstellung der Schritte bei der Bilderfassung und Bildrekonstruktion;
Fig. 5-7 stellen verschiedene Ablaufdiagramme für verschiedene Algorithmen dar, die während der Bildrekonstruktion zur Bestimmung eines Werts aus der Grauskala für ein Bildelement verwendet werden können;
Fig. 8 zeigt den kleinsten Abstand und den größten Abstand relativ zu einem interessierenden Bildelement;
Fig. 9A und 9B sind jeweils Abbildungen einer zweidimensionalen Abtastebene für einen Sektorenscanner (Fig. 9A) und einen linearen Scanner (Fig. 9B);
Fig. 10 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ist die Darstellung des EKG-Signals in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 12 ist eine Darstellung digitaler Werte, die aus dem EKG-Signal in Abhängigkeit von der Zeit übersetzt wurden;
Fig. 13 stellt die Kurve des R-R-Intervalls in Abhängigkeit von der Zeit dar;
Fig. 14 zeigt die Stärke der Atmung in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 15 ist ein Histogramm, dem die digitalen Werte für die Atmung zugrunde liegen;
Fig. 16 stellt die verschiedenen Ausgabevolumina V&sub1; bis Vn in einem repräsentativen R-R-Intervall dar; und
Fig. 17 zeigt eine Vielzahl von zweidimensionalen Abbildungen, welche jeweils aus einer Bildabtastung stammen und Bildinformationen enthalten.

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung und Rekonstruktion von Abbildungen vor, die bei Ultraschallanwendungen besonders nützlich sind. Das Verfahren umfasst vorzugsweise die folgenden Schritte: (i) Erzeugen einer Vielzahl von Abtastebenen, welche Bildinformationen zusammen mit räumlichen und/oder zeitbezogenen Informationen über ein Objektenthalten; (ii) Bilden eines Ausgabevolumens für die Rekonstruktion der Abbildungen, welches eine Vielzahl von Bildelementen umfasst (z. B. Bildelemente aus jeder Anzahl von Dimensionen, beispielsweise Pixel, Voxel oder Toxel); und (iii) Bestimmen der Bildinformationen in jeder Ebene aus der Vielzahl von Abtastebenen, welche in einen ausgewählten Abstand eines ausgewählten Bildelements in dem Ausgabevolumen fällt oder in dem ausgewählten Bildelement selbst enthalten ist. Die Bildinformationen, die in den ausgewählten Abstand des ausgewählten Bildelements fallen oder in dem ausgewählten Bildelement selbst enthalten sind (hier als "definierter Abschnitt des Ausgabevolumens" bezeichnet) können in der Datenbank abgespeichert und später mit beliebig vielen Techniken ausgewertet werden. Zum Beispiel können in den Fällen, in denen Bildinformationen aus zahlreichen Abtastebenen in den ausgewählten Abstand fällen oder in dem Bildelement enthalten sind (d. h. die Bildinformationen für ein bestimmtes Bildelement enthalten eine Vielzahl von Werten für x, y, z, Alpha, Beta, Gamma, und/oder weitere Parameter (z. B. den Grauwert bei Ultraschallanwendungen)) die Bildinformationen mittels verschiedener Schätzverfahren ausgewertet bzw. analysiert werden, z. B. Verfahren mit dem ersten gefunden Wert, dem letzten gefundenen Wert, dem kleinsten Abstand, einem gewichteten Mittelwert und dergleichen, um so die Bildinformation als resultierender Grauwert in dem Ausgabeelement auszufiltern. Die vorgenannten Schritte werden nach einander für jedes Bildelement in dem Ausgabevolumen wiederholt, bis alle Bildelemente in dem Volumen Bildinformationen enthalten.
Das Verfahren ist für die Erzeugung von drei- und vierdimensionalen Abbildungen aus zweidimensionalen Bildinformationen besonders nützlich. Bei Ultraschallanwendungen werden zum Beispiel die Abtastebenen in eine Vielzahl von Pixeln (d. h. zweidimensionale Elemente) aufgeteilt, wobei jedes Pixel Bildinformationen enthält. Die Abtastebenen enthalten Informationen über die Position (x, y und z) und die Ausrichtung (Alpha, Beta, Gamma) der Ultraschallsonde im Raum in Abhängigkeit von der Zeit. Die Menge an Bilddaten für jedes Voxel oder Toxel enthält Informationen über die Position der Voxel oder Toxel und die Grauwerte. Es wird somit deutlich, dass die Abtastebenen im Wesentlichen parallel zu einander verlaufen können, zum Beispiel in den Fällen, in denen die Sonde auf einer Schlitteneinrichtung angebracht ist, oder relativ zueinander gedreht sein können, beispielsweise in den Fällen, in denen sich die Sonde um eine feststehende Achse dreht (z. B. um eine der Achsen x, y oder z), oder auch willkürlich bewegt werden können, wenn die Sonde von einem geeigneten Nachführsystem positioniert wird.
Mit dieser Technik ist es möglich, auf der Grundlage von Bildinformationen eine genauere Abbildung zu rekonstruieren. Bei dieser Technik werden Bildinformationen für jedes Voxel nicht verworfen, sondern können alle Bildinformationen enthalten, die sich innerhalb des angegebenen Abstands eines Teils des Voxels befinden und die den Benutzer in die Lage versetzen, mittels einer aus vielen Techniken ausgewählten Technik, die der Benutzer wählt, eine Analyse der Umgebung vorzunehmen. Somit ist der Benutzer bei der Auswahl der Analysetechnik flexibel, welche ihm bei einer bestimmten Anwendung die genaueste Abbildung liefert.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Ausgabevolumen unter Verwendung räumlicher und zeitlicher Bildinformationen erzeugt. Die in jedes Bildelement einzubeziehende geeignete Bildinformation wird somit für jede Ebene aus einer Vielzahl von Abtastebenen dadurch bestimmt, dass Bildinformationen ausgewählt werden, die sich innerhalb eines ausgewählten Abstands des Elements befinden oder in dem ausgewählten Bildelement selbst enthalten sind und/oder innerhalb eines ausgewählten Zeitintervalls eines ausgewählten Bezugspunkts liegen. Beispielsweise kann das bildgebende Ultraschallsystem bei der Abtastung einen "Zeitstempel" aufdrücken und damit Bildinformationen liefern. Der Zeitstempel gibt die Zeit der Abtastung und damit der Erfassung der Bildinformationen (die aber nicht der Zeitstempel ist) relativ zu einem ausgewählten Bezugspunkt an. Der Zeitstempel kann relativ zur Einleitung der Abfolge bei der Bilderfassung gemessen werden (d. h. er ist ein absoluter Zeitstempel), relativ zum nächstgelegenen Herzzyklus (bzw. einer R-Welle) (was bedeutet, dass der Zeitstempel relativ zur R-Welle ist), relativ zum nächstgelegenen Atmungszyklus (d. h. der Zeitstempel ist relativ zum Atmungszyklus) oder relativ zu einem anderen ausgewählten Bezugszeitpunkt. Die Verwendung von Zeitstempeln ermöglicht je nach Bedarf die Sortierung der zu verarbeitenden Bildelemente anhand von räumlichen Informationen und/oder zeitlichen Informationen. Der Zeitstempel ermöglicht es einem Benützer in vorteilhafter Weise, bei Anwendungen an Organen, die sich in Bewegung befinden, zum Beispiel am Herzen, die Daten freihändig zu erfassen und während der Organbewegung einen Bildaufbau an ausgewählten Zeitpunkten vorzunehmen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhalten die Bildinformationen die Daten eines eindimensionalen Ultraschallstrahls statt der zweidimensionalen Ultraschallbilder, wie sie üblicherweise bei der Rekonstruktion der Bilder verwendet werden. Bei den Daten des Ultraschallstrahls handelt es sich um die Ultraschallinformationen entlang eines eindimensionalen Ultraschallstrahls (die im typischen Fall von einem einzigen piezoelektrischen Element oder einer Anordnung von piezoelektrischen Elementen erzeugt werden), der sich aus der Reflexion des Strahls am Gewebe oder an Körperstrukturen ergibt. Zum Beispiel enthalten die Ultraschallstrahl-Daten "Rohdaten" eines Hochfrequenzstrahls, demodulierte Strahldaten und jedes Signal entlang des Strahls, das aus den "rohen" Hochfrequenzdaten abgeleitet wurde. Im Allgemeinen wird mit Hilfe von Daten, die von einer Vielzahl von Ultraschallstrahlen erzeugt werden, ein zweidimensionales Ultraschallbild gebildet. Verwendet man Ultraschallstrahl-Daten als Bildinformationen, und nicht zweidimensionale Ultraschallabbildungen, kann die vorliegende Erfindung drei- und vierdimensionale Abbildungen erzeugen, die genauer sind als jene, die mit Hilfe der zweidimensionalen Abbildungen allein erzeugt wurden. Damit wird offensichtlich, dass beim Umwandeln der Ultraschallstrahl-Daten in zweidimensionale Abbildungen vor der Rekonstruktion einer drei- oder vierdimensionalen Abbildung wertvolle Daten verworfen werden können. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem, indem sie die Strahldaten direkt in die drei- und vierdimensionalen Abbildungen umsetzt und die dazwischen liegenden zweidimensionalen Abbildungen nicht verwendet.
Fig. 4 stellt die Schritte zum Erzeugen einer dreidimensionalen Abbildung eines abgetasteten Objekts gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Entsprechend Fig. 1 und 4, speziell gemäß den Prozessschritten 50 und 54, bringt der Benutzer bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Sender 22 eines Positionserfassungssystems an der Patientenliege an, um so ein zwei- oder dreidimensionales elektromagnetisches "Gitter" zu bilden (gebildet durch sich überdeckende elektromagnetische Felder), sowie einen Empfänger 10 an der Ultraschall-Abbildungssonde 10, die mit dem Ultraschallsystem 14 verbunden ist, um so die Position und die Ausrichtung der Sonde 10 in dem elektromagnetischen Gitter während der Datenerfassung in Abhängigkeit von der Zeit aufzuzeichnen. Dabei ist erkennbar, dass andere geeignete Gittersysteme auch zum Nachführen der Sonde eingesetzt werden können, wie zum Beispiel ein Infrarot-Gittersystem. Alternativ kann jede andere geeignete Sonde eingesetzt werden, unter anderem eine Vorrichtung mit Sondenschlitten, wie sie in den US-Patentschriften 5,295,486 und 5,105, 819 beschrieben werden (die hier durch Querverweis einbezogen werden) oder eine feststehende Sonde, wie sie in der US- Patentschrift 5,159,931 beschrieben ist (die hier durch Querverweis einbezogen wird).
In den Prozessschritten 58, 64 und 66 und in dem Entscheidungsschritt 62 wird eine Messung mit einem Kalibrierphantom vorgenommen, um die exakte Position des Fühlers auf der Sonde und deren Versatz (x, y, z, α, β, γ) zu bestimmen, und anschließend wird eine Abbildungs-Kalibrierung erzeugt, um die Pixel-Größe (x und y) des Einzelbilds zu bestimmen. Das Kalibrierphantom informiert den zentralen Prozessor im Computer 18 über den Versatz im Raum und über die Ausrichtung, die innerhalb eines angegebenen Betrags der Sondenverschiebung liegen. Wenn die Messung nicht erfolgreich ist, wird der Prozess 58 wiederholt. Wenn die Messung erfolgreich ist, werden im Prozessschritt 66 die Pixelgröße (x und y) des Einzelbildes und der Versatz im Speicher des Computers 18 gespeichert.
Gemäß den Prozessschritten 70 bis 74 wird die Abtastung bzw. die Aufnahme der Bildinformationen vorgenommen. Nach Lokalisierung des Objekts bzw. der abzutastenden Anatomie im Prozessschritt 70 wird freihändig abgetastet oder ein anderes geeignetes Abtastverfahren ausführt, indem die Sonde über das Objekt platziert und relativ zum Objekt bewegt wird oder indem verschiedene Messwertwandler in einer Wandleranordnung gepulst werden. Beim freihändigen Abtasten bewegt der Benutzer die Sonde über das Objekt und kann dabei die Sonde jederzeit in jeder beliebigen Richtung um einen beliebigen Betrag verschieben, drehen und kippen. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 werden die Position (x, y und z) und die Ausrichtung (Alpha, Beta und Gamma) der Sonde über die Zeit durch den Empfänger des Positionsfühlers, der an der entsprechenden Abtastebene 26a-n' angebracht ist, erfasst. Dabei ist offensichtlich, dass zur Definition einer Ebene im Raum ein Punkt (x, y und z) auf der Ebene und die Ausrichtung (Alpha, Beta und Gamma) der Ebene benötigt werden. Der Benutzer beendet die Erfassung, wenn n' Abtastebenen erfasst wurden, wobei n' eine ausreichend große Zahl von Abtastebenen ist, die eine Rekonstruktion einer Abbildung des abgetasteten Objekts ermöglicht. Die Bildinformationen enthalten rohe Abbildungen, welche die Ultraschallreflexion für eine Anzahl spezieller Abtastebenen in dem Objekt repräsentieren. Die Bildinformationen für jede der Abtastebenen 26a-n' werden in digitaler Form zusammen mit allen entsprechenden raumbezogenen und zeitbezogenen Koordinaten und Richtungen im Computerspeicher abgespeichert.
Im Prozessschritt 78 wird das Koordinatensystem, das während der Erfassung von Abbildungen verwendet wird, nach oben links in jeder Abtastebene versetzt oder verschoben. Dies geschieht durch Kalibrierung der rohen Abbildung(en) in jeder Erfassungsebene, durch Verschiebung von dem Koordinatensystem weg, das seinen Ursprung im Empfänger des Fühlers hat, nach oben links in jeder Abtastebene, und durch Einstellung der geringsten Auflösung der Abmessungen der rohen Abbildung. Unter Verwendung der gespeicherten Werte der früheren Messung mit dem Kalibrierphantom werden die rohen Abbildungen dadurch kalibriert, dass die Auflösung von x und y, welche der Breite und der Höhe der Abbildung entsprechen (gemessen in Millimeter pro Pixel) des Objekts definiert wird. Um das Koordinatensystem des Fühlers zu verschieben, wird für x, y und z die folgende Gleichung verwendet:
x' = Tb + Rb * R1(Ti + x)
wobei Tb = die Verschiebung des Positionsfühlers, Rb = die aus den Winkeln des Positionsfühlers berechnete Drehmatrix, R1 = die Matrix, welche das Kippen der Abbildungsebene relativ zu der Ebene beschreibt, welche von dem Empfänger des Positionsfühlers definiert wird, und Ti = Verschiebung des oberen linken Teils der Abtastebene relativ zum Ort des Positionssenders. Es ist offensichtlich; dass sich die Gleichung für y heranziehen lässt, indem "y" für "x" eingesetzt wird, und auch für z, indem "z" für "x" substituiert wird. Dabei ist die Auflösung in allen Dimensionen des Volumens auf die niedrigste Auflösung der Dimensionen der rohen Abbildung eingestellt. Mit anderen Worten wird die geeignete Anzahl von Pixeln bestimmt, welche jedem Millimeter des Ausgabevolumens in den Richtungen x, y und z entsprechen.
Im Prozessschritt 82 wird die Ausrichtung des Koordinatensystems (x, y und z) so verändert, dass das Ausgabevolumen in erheblichem Umfang auf ein Mindestmaß reduziert wird. Dieser Schritt minimiert das Risiko, dass die Speicherkapazität des Computers 18 überschritten wird, indem das Volumen zu groß gemacht wird. Dementsprechend wird die Ausrichtung des Koordinatensystems so eingestellt, dass das Volumen die verschiedenen Abtastebenen enthält, welche den kleinsten Speicherraum belegen.
Im Prozessschritt 86 wird die Ausrichtung (x, y und z) wieder geändert, um die Dimension "z" zur kleinsten Abmessung zu machen. Auf diese Weise ist die z-Achse so ausgerichtet, dass die kleinste Abmessung des abgetasteten Objekts auf der z- Achse liegt.
Gemäß Fig. 3 und 4 werden in dem Prozessschritt 90 Bildinformationen in jeder der Abtastebenen, die sich innerhalb des ausgewählten Abstands eines Teils jedes einzelnen Bildelements 94a-m im Ausgabevolumen 98 (z. B. Voxel-Kubus) befinden, bestimmt. Die Zielsetzung bei der volumetrischen Rekonstruktion besteht in der Transformierung der Bildinformationen, welche jedem Pixel der verschiedenen Abtastebenen 26a-n' entsprechen, in ein dreidimensionales orthogonales Koordinatensystem. Damit werden die erfassten rohen Abbildungen mit der Abmessung Xin und Yin in den Abtastebenen 26a-n' in ein Ausgabevolumen 98 mit den Abmessungen x, y und z umgesetzt. Eine ausgegebene Abb. 102 stellt nun eine Schicht des Ausgabevolumens 98 dar. Die Dimensionen des Ausgabevolumens in x- und y-Richtung entsprechen der Bildbreite und der Bildhöhe. Die Abmessung z des Ausgabevolumens wird durch einen Vektor beschrieben, der im Wesentlichen senkrecht auf einem ausgegebene Einzelbild steht.
Der Algorithmus für die Rekonstruktion nimmt eine sequentielle Iteration durch jedes Bildelement im Ausgabevolumen vor und rechnet den Wert aus der Grauskala durch Ableitung aus den Bildinformationen in allen Abtastebenen hoch, die von dem gewählten Abstand des Bildelements umschlossen werden oder sich innerhalb dieses Abstands befinden. Somit ist vor der Heranziehung des Algorithmus zur Rekonstruktion das Ausgabevolumen "leer" und enthält keine Bildinformationen, und wird erst dann sequentiell mit Bildelementen, eins nach dem anderen, von dem Algorithmus gefüllt. Im Gegensatz hierzu füllen vorhandene Algorithmen zur Rekonstruktion sequentiell das Ausgabevolumen mit Bildinformationen, die sich innerhalb der Abtastebenen befinden. Dies geschieht hier in der Form "Abtastebene nach Abtastebene" und nicht nach dem Prinzip "Bildelement nach Bildelement".
Der erfindungsgemäße Algorithmus zur Rekonstruktion kann mathematisch für jedes Bildelement in dem Ausgabevolumen, indem für jedes Bildelement alle Abtastebenen überprüft werden und dann für das ausgewählte Bildelement die Abtastebenen identifiziert werden, die sich mit einer Kugel mit dem Radius "R" schneiden, dessen Mittelpunkt bei dem interessierenden Bildelement liegt. Dabei ist klar erkennbar, dass die Kugel durch ein Rechteck oder eine andere geeignete geometrische Form ersetzt werden kann.
Bei jedem Iterationsschritt wird "R" anhand der Werte MinDist (kleinster Abstand) und MaxDist (größter Abstand) bestimmt. Wie Fig. 8 zeigt, stellen die Werte MinDist und MaxDist zwei diskrete räumliche Abstände zwischen dem ausgegebenen Bildelement und dem eingegebenen Bildelement dar. Genauer gesagt, geben MinDist und Max- Dist die Abstände in dem Raum an, der durch die Koordinaten x, y und z in Beziehung zu dem interessierenden Bildelement 96 steht. MinDist und MaxDist sind Werte, die als Abstands-Schwellwerte für "R" im Algorithmus für den Abstand verwendet werden. Die Einstellwerte für MinDist und MaxDist hängen von der Größe der Pixel einer einzelnen Datenmenge ab, die aus der Bildkalibrierung abgeleitet sind. Damit sind die Pixelgrößen für alle Einzelbilder einer Datenmenge identisch. MinDist und MaxDist werden gemäß den nachstehenden Gleichungen berechnet:
MinDist = Eingangs-Pixelgröße [x] und
MaxDist = 6·Eingangs-Pixelgröße [x].
Wenn zum Beispiel die Pixelgrößen der durch Bildkalibrierung erfassten Einzelbilder 0,50 mm pro Pixel für die x-Dimension (horizontal) und 0,34 mm pro Pixel für die y- Dimension (vertikal) betragen, dann wird MinDist auf 0,5 mm und MaxDist auf 6 · 0,5 = 3 mm eingestellt.
Die Differenz MaxDist - MinDist wird in n-1 Schritte unterteilt, um so DeltaDist zu erhalten, wobei n die Anzahl der Iterationsschleifen in dem Algorithmus zur Rekonstruktion darstellt. Vorzugsweise wird n auf 4 eingestellt. Damit wird DeltaDist durch die folgende Gleichung definiert:
DeltaDist = (MaxDist - MinDist)/(n - 1)
Setzt man den Wert von DeltaDist ein, dann wird der Wert von "R" je nach dem Iterationsschritt durch eine der folgenden Beziehungen bestimmt:
Nachdem alle Bildinformationen in der Umgebung jedes Bildellements 94a-m im Ausgabevolumen 98 (wobei m die Anzahl von Bildelementen im Ausgabevolumen angibt) durch die vorstehend erläuterte Umgebungsanalyse bestimmt wurden oder wenn die Umgebungsanalyse für ein Bildelement nach dem anderen durchgeführt wird, dann können in dem Prozessschritt 90 beliebig viele Analysetechniken herangezogen werden, um jedem Bildelement einen bestimmten Wert aus der Grauskala oder jeden anderen Parameter zuzuweisen. Zu diesen Techniken gehören zum Beispiel ein Algorithmus für den ersten gefundenen Wert, ein Algorithmus für den kleinsten Abstand, ein Algorithmus für einen gewichteten Mittelwert und ein Algorithmus für den letzten gefundenen Wert.
Fig. 5 stellt ein Ablaufdiagramm für den Algorithmus für den ersten gefundenen Wert dar, der gleichzeitig auch als Technik für die vorgenannte Umgebungsanalyse herangezogen wird. Dabei werden höchstens n Iterationsschritte durchgeführt. Im ersten Iterationsschritt wird der erste eingegebene Pixel-Grauwert, der aufgefunden wird und näher bei einem Abschnitt des Bildelements 94 als MinDist liegt, als der tatsächliche Wert aus der Grauskala für das spezielle Bildelement 94 herangezogen. Wird kein solches Pixel aufgefunden, dann wird MinDist auf MinDist + DeltaDist gesetzt und wird der Vorgang wiederholt. Wird nach n wiederholten Vorgängen kein Pixel gefunden, dann bleibt der Pixel-Wert undefiniert.
Es wird nun auf den Prozessschritt 100 in Fig. 5 verwiesen, bei welchem das erste Bildelement 94a im Ausgabevolumen 98 ausgewählt wird und ebenso das erste Pixel in der ersten Abtastebene in einem Stapel Einzelbilder. Der Stapel Einzelbilder stellt einfach die Zusammenstellung aller Abtastebenen 26a-n' dar. Im Entscheidungsprozess 104 ermittelt der zentrale Prozessor, ob das Bildelement 94a das letzte Bildelement im Ausgabevolumen 98 ist. Trifft dies zu, verlässt der zentrale Prozessor den Algorithmus. Trifft dies nicht zu, dann schaltet der zentrale Prozessor zum Entscheidungsschritt 108 weiter, wo festgestellt wird, ob es sich beim aktuellen Iterationsschritt um den letzten Iterationsschritt "n" handelt. Trifft dies zu, dann schaltet der zentrale Prozessor zum Prozessschritt 112 weiter. Ist das nicht der Fall, dann arbeitet der zentrale Prozessor mit dem Entscheidungsschritt 116 weiter, wo er ermittelt, ob das jeweils berücksichtigte Pixel das letzte Pixel im Einzelbildstapel ist. Trifft dies zu, dann arbeitet der zentrale Prozessor mit den Prozessschritten 120 und 124 weiter, wo die Nummer des Iterationsschritts um "1" erhöht wird und die Pixelnummer auf das erste Pixel gesetzt wird und dann zum Entscheidungsschritt 104 zurückgeschaltet wird. Ist dies nicht der Fall, schaltet der zentrale Prozessor zum Entscheidungsschritt 128 weiter, wo ermittelt wird, ob der Abstand vom Mittelpunkt des Bildelements 94a zu dem Pixel in der interessierenden Abtastebene 26a-n kleiner ist als der ausgewählte Radius (d. h. MinDist). Trifft dies zu, dann arbeitet der zentrale Prozessor mit dem Prozessschritt 132 weiter, wo er den Wert aus der Grauskala für das Bildelement 94a gleich dem Grauwert des Pixels setzt. Trifft dies nicht zu, dann schaltet der zentrale Prozessor zum Prozessschritt 136 weiter, wo er das nächste Pixel auswählt und zum Prozessschritt 108 zurückkehrt. Im Prozessschritt 112 werden die Schritte für das nächste (im typischen Fall das benachbarte) Bildelement im Ausgabevolumen wiederholt.
In Fig. 6 wird der Algorithmus für den kürzesten Abstand dargestellt. Bei diesem Algorithmus wird der Wert aus der Grauskala des Pixels der Abtastebenen 26a-n', das dem Bildelement 94a-m am nächsten liegt und näher als MinDist liegt, als der Grauwert des Bildelements 94a-m genommen. Im Prozessschritt 140 wählt der zentrale Prozessor das erste Bildelement 94a aus. Im Entscheidungsschritt 144 ermittelt der zentrale Prozessor, ob das Bildelement das letzte Bildelement ist. Trifft dies zu, dann verlässt der zentrale Prozessor den Algorithmus. Trifft dies nicht zu, dann arbeitet der zentrale Prozessor mit dem Prozessschritt 148 weiter, in dem er den Wert der Grauskala für das Bildelement 94a gleich dem Grauwert des Pixels setzt, das in den verschiedenen Abtastebenen 26a-n' dem Bildelement 94a am nächsten liegt. Wenn die am nächsten liegenden Pixel in gleichem Abstand von dem Bildelement liegen, können zur Auswahl des Wertes aus der Grauskala geeignete mathematische Techniken herangezogen werden, unter anderem die Techniken zur Ermittlung des gewichteten Mittelwerts. Im Prozessschritt 152 wiederholt der zentrale Prozessor die vorhergehenden Schritte für das nächste Bildelement 94b im Ausgabevolumen 98, und so weiter, bis die Schritte für das Bildelement 94 m ausgeführt sind.
Fig. 7 stellt den Algorithmus für den gewichteten Mittelwert där. Dabei stellt der Wert aus der Grauskala für das Bildelement 94a-m den linearen, mit dem Abstand gewichteten Mittelwert aller benachbarten Eingangspixel in den Abtastebenen 26a-n' dar. Wenn, wie bereits ausgeführt, im augenblicklichen Iterationsschritt keine Nachbarn aufgefunden werden, dann wird der Ablauf bis zu n Male mit MinDist = MinDist + DeltaDist wiederholt. Im Prozessschritt 156 wird das Bildelement 94a als erstes Bildelement im Ausgabevolumen gesetzt und dann der aktuelle Iterationsschritt auf n = 1 gesetzt. Anschließend arbeitet der zentrale Prozessor mit dem Entscheidungsschritt 160 weiter, in dem der zentrale Prozessor ermittelt, ob das Bildelement 94a das letzte Bildelement im Ausgabevolumen 98 ist. Trifft dies zu, dann verlässt der zentrale Prozessor den Algorithmus. Trifft dies nicht zu, dann arbeitet der zentrale Prozessor mit dem Entscheidungsschritt 164 weiter, in dem er ermittelt, ob es sich bei der jeweiligen Iteration um den letzten Schritt handelt (d. h. ob die Iteration den n- ten Iterationsschritt darstellt). Trifft dies zu, dann schaltet der zentrale Prozessor zum Prozessschritt 168 weiter, in dem er den Grauwert des Bildelements auf den Hintergrundwert setzt und zum Prozessschritt 160 weiterschaltet. Trifft dies nicht zu, dann arbeitet der zentrale Prozessor mit dem Entscheidungsschritt 172 weiter, in dem er die Pixel im Einzelbildstapel identifiziert, die näher am Bildelement 94a liegen als der Radius "R" (d. h. MinDist). Werden solche Pixel nicht identifiziert, wird im Prozessschritt 176 die Nummer des Iterationsschritts um 1 erhöht und kehrt der zentrale Prozessor zum Entscheidungsschritt 164 zurück. Wird ein Pixel identifiziert, schaltet der zentrale Prozessor zum Prozessschritt 180 weiter, in dem er den gewichteten Mittelwert der Grauwerte aller der Pixel ermittelt, die als innerhalb des Radius "R" des Bildelements 94a befindlich identifiziert wurden, und weist den gewichteten Mittelwert der Grauwerte als den Wert des Bildelements aus der Grauskala zu. Im Prozessschritt 168 wiederholt der zentrale Prozessor die vorhergehenden Schritte für das nächste Bildelement 94b im Ausgabevolumen, und so weiter, bis die Schritte für das Bildelement 94 m ausgeführt wurden.
Im Anschluss an den Abschluss des Prozessschritts 90 sichert der zentrale Prozessor im Prozessschritt 200 die Informationen für die Rekonstruktion der Abbildung im Speicher. Im Entscheidungsschritt 204 ermittelt der zentrale Prozessor, ob noch eine weitere Abtastung bzw. Erfassung von Bildinformationen benötigt werden. Ist dies der Fall, schaltet der zentrale Prozessor zum Prozessschritt 66 zurück. Trifft dies nicht zu, dann verlässt der zentrale Prozessor den Algorithmus.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel werden im Prozessschritt 90 Ultraschallstrahl-Daten verwendet, um eine Rekonstruktion der Abbildung vorzunehmen anstelle von zweidimensionalen Abbildungen, die aus den Strahldaten gebildet werden, wie dies bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel erläutert wurde. Durch Berechnung der Position der Ultraschallstrahldaten im Raum in Kombination mit der raumbezogenen Information für die zweidimensionale Abtastebene, welche die Ultraschallstrahldaten enthält, kann dieses Ausführungsbeispiel schräg liegende Abtastebenen sortieren, um so drei- und vierdimensionale Abbildungen zu bilden. Es ist dabei offensichtlich, dass bei der Rekonstruktion von drei- und vierdimensionalen Abbildungen üblicherweise Ultraschallstrahldaten, welche einer bestimmten Abtastebene entsprechen, in eine einzelne zweidimensionale Abbildung umgesetzt werden. Gemäß der Darstellung in Fig. 9A und B kann jede Abtastebene 250a, b eine Vielzahl von Ultraschallstrahlen 254, 258 enthalten, wobei die Anzahl der Strahlen pro Abtastebene im typischen Fall 64, 128 oder 256 beträgt. Wenn die Position der Abtastebene 250a, b bekannt ist, in welcher der Strahl erzeugt wird, dann ist es möglich, die Nummer des Strahls (d. h. 1. Strahl, 2. Strahl, usw.), die Art der Sonde (d. h. lineare, gekrümmt lineare, sektorielle Sonde, usw.), die Position jedes Strahls 254a-n bzw. 258a-n im Raum zu bestimmen. Dabei werden der Ort der Strahls und seine zugehörigen Daten im vorstehend beschriebenen Prozessschritt 90 verwendet, um jedes der Bildelemente im Ausgabevolumen abzuschließen.
In Fig. 10 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden bei der Rekonstruktion von drei- und vierdimensionalen Abbildungen unter Verwendung der vorstehend erläuterten Techniken sowohl die raumbezogenen als auch die zeitbezogenen Bildinformationen verwendet. Dabei wird zusammen mit jedem Element der Ultraschallstrahldaten oder der aus den Strahldaten erzeugten zweidimensionalen Abbildung ein Zeitstempel abgespeichert. Dabei kann jeder Zeitstempel einen ausgewählten Zeitraum darstellen, zum Beispiel ein Intervall von 16,5 Millisekunden. Damit stellen zwei Zeitstempel 33 Millisekunden nach einem ausgewählten Datumspunkt dar, und so fort. Im typischen Fall reicht ein Zeitstempel von etwa 1 bis etwa 100 Millisekunden. Wenn die Bilderfassung abgeschlossen ist, können raumbezogene Informationen verwendet werden, um die Strahldaten oder eine daraus abgeleitete Serie von zweidimensionalen Abbildungen in einen Datensatz mit dreidimensionalen Abbildungen umzuwandeln, während die Informationen des Zeitstempels dazu verwendet werden, die zweidimensionalen Abbildungen oder die Strahldaten in einen Satz vierdimensionaler Daten umzuwandeln.
Es wird nun wieder auf Fig. 10 Bezug genommen, nach welcher der Computer die vorstehend genannten Schritte ausführt und zusätzlich die Prozessschritte 260, 264, 268 und 272 vorgesehen sind. Der Prozessschritt 260 ist im Wesentlichen der gleiche wie der schon erläuterte Schritt 90. Damit kann ein Ausgabevolumen aufgebaut werden, das alle die Bildinformationen enthält, welche jedem der Zeitstempel entsprechen. Das Ausgabevolumen kann in späteren Schritten dazu verwendet werden, eine Vielzahl von Ausgabevolumen zu bilden, welche einer Vielzahl von verschiedenen Zeitstempeln oder Zeitpunkten im Herzzyklus entsprechen.
Im Prozessschritt 264 wird anhand der zeitlichen Verteilung der Bildinformationen, die sich auf die Bewegung des Herzens oder auf den Herzzyklus beziehen, eine Filterung vorgenommen. Während der Bilderfassung wird unter Verwendung herkömmlicher Techniken das EKG-Signal neben einschlägigen analogen Werten überwacht, die für jede zweidimensionale Abbildung oder jedes einzelne Strahldatum abgespeichert sind. Zusätzlich wird ein absoluter Zeitstempel und/oder ein Zeitstempel relativ zur R-Welle ermittelt und zusammen mit den Bild- oder Strahldaten abgespeichert. Diese Daten sind in Fig. 17 abgebildet.
Im Prozessschritt 264 werden die Bildinformationen anhand der Länge des Herzzyklus (d. h. des Intervalls zwischen benachbarten R-Wellen) ausgefiltert. Dabei wird deutlich, dass das Herz nicht mit gleichbleibendem Rhythmus schlägt und dass deshalb je nach der Länge des Herzzyklus bestimmte Abbildungen, die während einiger Herzzyklen erfasst werden, gegebenenfalls aussortiert werden müssen. Um den Filterschritt auszuführen, leiten eine geeignete instrumentelle Ausrüstung mit geeigneter Software das analoge EKG-Signal an einer Reihe von Punkten S&sub1; bis Sn beim Patienten ab, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist (vgl. Fig. 11) und wandelt die Größe des Signals an jedem Punkt in einen proportionalen digitalen Wert um. Aus Fig. 12 wird deutlich, dass die über einem Schwellwert liegenden digitalen Werte in R-Wellen R&sub1; bis Rn (d. h. Kontraktionen der Herzmuskulatur) umgewandelt werden, wohingegen von den digitalen Werten unterhalb der Schwellenhöhe angenommen wird, dass sie einer Entspannung der Herzmuskulatur entsprechen (d. h. dem Intervall zwischen benachbarten R-Wellen). Die Zeitabstände t&sub1; bis tn zwischen benachbarten R-Wellen R&sub1; bis Rn werden ermittelt und es wird ein Histogramm der in Fig. 13 dargestellten Art aufgetragen. Dabei wird angenommen, dass der Scheitelwert 280 der sich dabei ergebenden Kurve 284 einem perfekten R-R-Intervall entspricht. Es wird ein Intervall "I" gewählt, wobei der Scheitelwert 280 der Kurve als dessen Mittelpunkt fungiert. Die Breite des Intervalls "I" wird anhand geeigneter Kriterien ausgewählt, die auf diesem Gebiet bekannt sind. In späteren Schritten zur Rekonstruktion werden nur Bildinformationen verwendet, die in as ausgewählte Intervall "I" fallen. Bildinformationen, die außerhalb des Intervalls liegen, werden als anomale Werte aussortiert.
Im Prozessschritt 268 werden die Bildinformationen anhand der Atmungsphase des Patienten ausgefiltert. Da das Herz sich während der Atmung bewegt, können natürlich bestimmte Abbildungen je nach der Atmungsphase unter Umständen aussortiert werden, um die Bildqualität zu verbessern. Zur Vornahme dieser Filterung wird die Atmung des Patienten mit Hilfe einer geeigneten Geräteausstattung während der Bilderfassung überwacht. Um diese Filterung vorzunehmen, leitet eine geeignete Instrumentenausrüstung mit entsprechender Software in der auf diesem Gebiet bekannten Technik das analoge Atmungssignal beim Patienten (vgl. Fig. 14) an einer Reihe von Punkten S&sub1; bis Sn ab und wandelt die Größe des Signals an jedem Punkt in einen proportionalen digitalen Wert um. Die digitalen Werte werden dazu verwendet, ein Histogramm der in Fig. 15 dargestellten Art zu erstellen. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Scheitelpunkt 290 der sich dabei ergebenden Kurve 294 einer perfekten Atmungsphase relativ zum R-R-Intervall entspricht. Es wird ein Intervall "I" gewählt, dessen Scheitelwert 290 in der Kurve 294 in der Mitte des Intervalls liegt. Die Breite des Intervalls "I" wird anhand geeigneter Kriterien gewählt, die auf diesem Gebiet bekannt sind. In den späteren Schritten zur Rekonstruktion werden nur die Bildinformationen verwendet, die in das ausgewählte Intervall "I" fallen. Alle Bildinformationen außerhalb des Intervalls werden als anomale Werte ausgesondert.
Nach dem Filterschritt können die verschiedenen Bildelemente im Ausgabevolumen anhand des Zeitstempels sortiert werden, um Abbildungen des Herzens an ausgewählten Punkten im Herzzyklus oder an den ausgewählten Punkten während einer Reihe von Herzzyklen zu erhalten. Dies ist in Fig. 16 für eine Vielzahl von Ausgabevolumina V&sub1; bis Vn für einen repräsentativen Herzzyklus dargestellt, der von R-Wellen R&sub1; und R&sub2; gebildet wird. Im ersteren Fall wird der Zeitstempel verwendet, der sich auf die R-Welle bezieht, so dass ein Ausgabevolumen jedem Zeitstempel in einem repräsentativen r-r-Intervall entspricht. Anders ausgedrückt, enthält jeder Zeitstempel Bildinformationen aus einer Reihe unterschiedlicher Ultraschall-Abtastungen, die zu unterschiedlichen Zeiten vorgenommen wurden. Im letzteren Fall wird der absolute Zeitstempel verwendet, so dass ein Ausgabevolumen jedem absoluten Zeitstempel über eine Reihe von r-r-Intervallen entspricht.
Auch wenn verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben wurden, liegt es doch auf der Hand, dass für den Fachmann auf diesem Gebiet Modifizierungen und Anpassungen bei diesen Ausführungsbeispielen offensichtlich sind. Dabei ist dies ausdrücklich dahingehend zu verstehen, dass solche Modifizierungen und Anpassungen in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

1. Verfahren zum Aufbauen einer drei- oder vierdimensionalen Abbildung, welche ein Objekt beschreibt, bei welchem Ultraschallenergie (254, 258) durch mindestens einen Teil eines Objekts geleitet und dabei Bildinformationen zur Beschreibung des Objekts erzeugt werden, wobei die Bildinformationen einer Vielzahl von Bildebenen entsprechen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Bestimmen der Bildinformationen in jeder Ebene aus der Vielzahl von Bildebenen, die sich innerhalb eines ersten definierten Abschnitts eines drei- oder vierdimensionalen Ausgabevolumens (98) befindet, um eine erste Teilmenge von Bildinformationen zu definieren, welche dem ersten definierten Abschnitt entsprechen, wobei der erste definierte Abschnitt gleichzeitig Bildinformationen von zwei oder mehr Ebenen aus der Vielzahl von Bildebenen umfasst und wobei das Ausgabevolumen (98) durch eine Vielzahl definierter Abschnitte definiert wird;

- Wiederholen des Schritts zur Bestimmung für jede Ebene aus der Vielzahl von ersten definierten Abschnitten zur Definition einer Teilmenge von Bildinformationen, die jeweils der Vielzahl definierter Abschnitte entsprechen, und

- anschließendes Auswerten jeder Teilmenge aus der Vielzahl von Teilmengen von Bildinformationen zum Aufbauen der drei- oder vierdimensionalen Abbildung des Objekts.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zur Bilderzeugung den Schritt umfasst, eine Ultraschallsonde (10) über das Objekt zu führen, wobei die Position der Ultraschallsonde (10) durch einen Positionsfühler bestimmt wird, der an der Ultraschallsonde (10) angebracht ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Bildebene eine Vielzahl von Bildpunkten enthält und dass jeder Bildpunkt mindestens eine Höhe oder eine Breite besitzt, und bei welchem eine Dimension des definierten Abschnitts des Ausgabevolumens (98) eine Funktion zumindest der Höhe oder der Breite darstellt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildinformationen Ortskoordinaten relativ zu einer Bezugsachse enthalten und dass das Ausgabevolumen (98) durch die Bezugsachse definiert wird, und dass der Schritt zur Bestimmung die Identifizierung der Bildinformationen umfasst, die sich innerhalb des definierten Abschnitts befinden oder die innerhalb einer ausgewählten Distanz des definierten Abschnitts liegen, um die erste Teilmenge von Bildinformationen zu definieren.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zur Bestimmung den folgenden Teilschritt umfasst:

Ausfiltern der ersten Teilmenge von Bildinformationen zur Definition einer zweiten Menge von Bildinformationen, die aus der ersten Teilmenge von Bildinformationen abgeleitet ist, wobei die zweite Teilmenge von Bildinformationen sich von der ersten Teilmenge von Bildinformationen unterscheidet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilschritt zur Filterung unter Einsatz von mindestens einem aufgefundenen Algorithmus ausgeführt wird, und zwar einem Algorithmus für den kleinsten Abstand, einen Algorithmus für einen gewichteten Durchschnitt und/oder einen Algorithmus für den zuletzt aufgefundenen Wert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Teilschritt zur Filterung dem definierten Abschnitt des Ausgabevolumens (98) ein Wert aus der Grauskala zugewiesen wird, wobei der Wert aus der Grauskala auf eine Vielzahl von Grauwerten in der ersten Teilmenge von Bildinformationen bezogen ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ebene aus der Vielzahl von Abtastebenen eine Vielzahl von Ultraschallstrahlen umfasst und dass die Bildinformationen einen oder mehrere aus der Anzahl jedes Ultraschallstrahls aus der Vielzahl die Ultraschallstrahlen umfassen, sowie die Art der Sonde (10) und die Position jedes Ultraschallstrahls im Raum.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildinformationen mindestens einen Zeitstempel enthalten.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es des Weiteren den folgenden Schritt umfasst:

Ausfiltern der Bildinformationen auf der Grundlage der zeitlichen Verteilung von Bildinformationen relativ zum Herzzyklus eines Patienten.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es des Weiteren die folgenden Schritte umfasst:

Überwachen eines EKG-Signals während des Arbeitsschritts zum Erzeugen einer Vielzahl von Herzsignalen;

Umwandeln der Herzsignale in digitale Werte;

Vergleichen jedes der digitalen Werte mit einem Schwellwert zur Identifizierung der Kontraktion der Herzmuskeln und der Entspannung der Herzmuskeln, Bestimmen der zeitlichen Abstände zwischen den Kontraktionen der Herzmuskeln; sowie anhand des Arbeitsschritts zur Bestimmung:

Auswählen eines zeitlichen Intervalls und

Ausschließen der Bildinformationen, die nicht in den Rahmen des zeitlichen Intervalls fallen.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es des Weiteren den folgenden Schritt umfasst:

Ausfiltern der Bildinformationen anhand der zeitlichen Verteilung der Bildinformationen relativ zum Atmungszyklus eines Patienten.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es des Weiteren die folgenden Schritte umfasst:

Überwachen der Atmungsphase eines Patienten während des Arbeitsschritts zum Erzeugen einer Vielzahl von Atmungssignalen;

Umwandeln der Atmungssignale in digitale Werte;

Vergleichen jedes der digitalen Werte mit einem Schwellwert zur Identifizierung der Kontraktion der Zwerchfellmuskeln und der Entspannung der Zwerchfellmuskeln;

Bestimmen des zeitlichen Abstands zwischen den Kontraktionen der Zwerchfellmuskeln anhand des Bestimmungsschritts;

Auswählen eines zeitlichen Intervalls, und

Ausschließen von Bildinformationen, die nicht in den Rahmen des zeitlichen Intervalls fallen.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgabevolumen (98) durch ein dreidimensionales Koordinatensystem definiert wird, welches die Position jeder. Bildebene aus der Vielzahl von Bildebenen im Raum relativ zu einem Ursprungspunkt liefert.

15. Anlage zum Aufbauen einer drei- oder vierdimensionalen Abbildung, welche ein Objekt beschreibt, die einen Sender aufweist, um durch mindestens einen Teil eines Objekts in einer Vielzahl von Bildebenen Ultraschallenergie (254, 258) zu leiten, sowie einen Empfänger zum Empfangen der reflektierten Ultraschallenergie (254, 258) in jeder Bildebene aus der Vielzahl von Bildebenen zur Bildung von Bildinformationen, welche das Objekt beschreiben und der Vielzahl von Bildebenen entsprechen, gekennzeichnet durch:

- eine Einrichtung zum Bestimmen der Bildinformationen in jeder Bildebene aus der Vielzahl von Bildebenen, die sich innerhalb eines ersten definierten Abschnitts eines drei- oder vierdimensionalen Ausgabevolumens (98) befindet, um eine erste Teilmenge von Bildinformationen zu definieren, welche dem ersten definierten Abschnitt entsprechen, wobei der erste definierte Abschnitt gleichzeitig Bildinformationen von zwei oder mehr Ebenen aus der Vielzahl von Bildebenen umfasst und wobei das Ausgabevolumen (98) eine Vielzahl definierter Abschnitte umfasst;

- eine Einrichtung zum Bestimmen der Bildinformationen in jeder Ebene aus der Vielzahl von Bildebenen, die sich innerhalb jedes definierten Abschnitts des Ausgabevolumens (98) befindet, um eine Teilmenge von Bildinformationen zu definieren, welche jeweils der Vielzahl definierter Abschnitte entsprechen, und

- eine Einrichtung zum Auswerten jeder Teilmenge aus der Vielzahl von Teilmengen von Bildinformationen zum Aufbauen der drei- oder vierdimensionalen Abbildung des Objekts.

16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Sender ein Empfänger eines Positionsfühlers angebracht ist, wobei der Empfänger des Positionsfühlers die Position des Senders im Raum bestimmt.

17. Anlage nach den Ansprüchen 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass jede Bildebene eine Vielzahl von Bildpunkten enthält und dass jeder Bildpunkt mindestens eine Höhe oder eine Breite besitzt, und bei welcher eine Dimension des definierten Abschnitts des Ausgabevolumens (98) eine Funktion zumindest der Höhe oder der Breite darstellt.

18. Anlage nach einem der Ansprüche 15-17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildinformationen Ortskoordinaten relativ zu einer Bezugsachse enthalten und dass das Ausgabevolumen (98) durch die Bezugsachse definiert wird, und dass die Einrichtung zur Bestimmung Mittel zum Identifizieren der Bildinformationen aufweist, die sich innerhalb des definierten Abschnitts befinden oder die innerhalb einer ausgewählten Distanz jedes Abschnitts aus der Vielzahl definierter Abschnitte liegen, um jede der Teilmengen an Bildinformationen zu definieren, welche jedem Abschnitt aus der Vielzahl definierter Abschnitte entsprechen.

19. Anlage nach einem der Ansprüche 15-18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Auswerten Mittel zur Verarbeitung der ersten Teilmenge von Bildinformationen aufweist, um eine zweite Menge von Bildinformationen zu definieren, welche aus der ersten Teilmenge von Bildinformationen abgeleitet sind, wobei die zweite Teilmenge von Bildinformationen von der ersten Teilmenge von Bildinformationen verschieden ist.

20. Anlage nach einem der Ansprüche 15-19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung dem ersten definierten Abschnitt des Ausgabevolumens (98) einen Wert aus der Grauskala zuordnet, wobei der Wert aus der Grauskala in Beziehung zu einer Vielzahl von Werten aus der Grauskala in der ersten Teilmenge der Bildinformationen steht.

21. Verfahren zum Aufbauen einer drei- oder vierdimensionalen Abbildung, welche ein Objekt beschreibt, welches den Schritt umfasst, eine Ultraschallsonde (10) über ein Objekt zu führen, um eine Vielzahl von Bildebenen zu erzeugen, wobei jede Bildebene Bildinformationen zur Beschreibung eines Merkmals eines Objekts enthält, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) Bestimmen der Bildinformationen in jeder Ebene aus der Vielzahl von Bildebenen, die sich innerhalb jedes Abschnitts aus einer Vielzahl definierter Abschnitte eines dreidimensionalen Ausgabevolumens (98) befindet, um eine Teilmenge von Bildinformationen zu definieren, welche jeweils jedem einzelnen definierten Abschnitt entsprechen, wobei eine Vielzahl der definierten Abschnitte gleichzeitig Bildinformationen aus zwei oder mehr Ebenen aus der Vielzahl von Bildebenen umfasst; und

(b) anschließendes Zuweisen eines Werts aus der Grauskala zu dem ausgewählten definierten Abschnitt anhand der Teilmenge von Bildinformationen, welche dem ausgewählten definierten Abschnitt entspricht.

22. Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch die Wiederholung des Arbeitsschritts (b) für jeden Abschnitt aus der Vielzahl definierter Abschnitte zur Definition einer drei- oder vierdimensionalen Darstellung des Objekts.

23. Verfahren zum Aufbauen einer drei- oder vierdimensionalen Abbildung, welche das Gewebe eines Patienten beschreibt, welches den Schritt zur Erzeugung von Bildinformationen umfasst, welche das Gewebe beschreiben und einer Vielzahl von Bildebenen entsprechen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) Bestimmen der Bildinformationen in jeder Ebene aus der Vielzahl von Bildebenen, die sich innerhalb eines ersten definierten Abschnitts eines drei- oder vierdimensionalen Ausgabevolumens (98) befindet, um eine erste Teilmenge von Bildinformationen zu definieren, welche dem ersten definierten Abschnitt entsprechen, wobei der erste definierte Abschnitt gleichzeitig Bildinformationen aus zwei oder mehr Ebenen aus der Vielzahl von Bildebenen umfasst und wobei das Ausgabevolumen (98) durch eine Vielzahl von definierten Abschnitten definiert wird,

(b) Wiederholen des Schritts zur Bestimmung zur Definition einer Teilmenge von Bildinformationen, die jeweils einem jedem Abschnitt aus der Vielzahl definierter Abschnitte entspricht;

(c) Überwachen zumindest des Herzzyklus oder zumindest des Atmungszyklus des Patienten während des Schritts zur Erzeugung;

(d) Zuweisen eines Zeitstempels zu jeder Bildinformation aus der Vielzahl einzelner Bildinformationen;

(e) Bereitstellen einer Menge von zeitlichen Signalen aus dem Arbeitsschritt zur Überwachung;

(f) Ausfiltern der Bildinformationen anhand der Beziehung der Zeitstempel zu den Zeitsignalen, und

(g) anschließendes Erzeugen einer Abbildung des Gewebes.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass es des Weiteren den folgenden Schritt umfasst:

Erzeugen eines Ausgabevolumens (98) aus den Bildinformationen und den entsprechenden Zeitstempeln, welches eine Vielzahl von Bildelementen (94a-m) enthält, wobei jedes Bildelement (94a-m) Bildinformationen und die entsprechenden Zeitstempel enthält.

25. Verfahren nach den Ansprüchen 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe Herzgewebe ist und dass der Schritt zur Erzeugung die Durchsortierung durch die Vielzahl einzelner Bildinformationen anhand des Zeitstempels umfasst, um so eine Abbildung des Herzgewebes während eines ausgewählten Teils des Herzzyklus zu bilden.