DE10305603A1

DE10305603A1 - Einrichtung zum Erzeugen eines dreidimensionalen Ultraschallbildes

Info

Publication number: DE10305603A1
Application number: DE10305603A
Authority: DE
Inventors: Jens Fehre; Bernd Dr. Granz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-02-11
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: DE10305603B4; JP2004243120A; US7530951B2; JP4436693B2; US20040220476A1

Abstract

Eine Einrichtung zum Erzeugen eines dreidimensionalen Ultraschallbildes einer durch Atembewegungen ortsveränderlichen Körperregion (2) eines Patienten (4) enthält eine Ultraschallwandleranordnung (6) zum Erzeugen zeitlich aufeinander folgender B-Bilder (S1-S7) in einer ortsfesten Bildebene (zy), die aufgrund der Atembewegung zu verschiedenen Schnittebenen der Körperregion (2) gehören, und eine Bildverarbeitungseinrichtung (12) zum dimensionsrichtigen Zusammensetzen der zeitlich aufeinander folgenden B-Bilder (S1-S7) zu einem 3-D-Bild.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erzeugen eines dreidimensionalen Ultraschallbildes, die insbesondere beim Überwachen und Visualisieren der Zertrümmerung eines Konkrements bei der Lithotripsie Verwendung findet.
Um bei der Nierensteinzertrümmerung sicherzustellen, dass das betreffende Konkrement möglichst effizient, d. h. mit möglichst wenig Stoßimpulsen in einer für den Patienten schonenden Weise erfolgen kann, ist es wünschenswert, die sukzessive Zertrümmerung des Konkrements mit Hilfe einer dreidimensionalen Darstellung des Steines und seiner Umgebung zu visualisieren.
Eine solche dreidimensionale Visualisierung ist mit einer Einrichtung möglich, wie sie beispielsweise aus M. Bechtold, B. Granz, R. Oppelt, „2-D Array for Diagnostic Imaging", IEEE Ultrasonics Symposium 1996, Seiten 1573–1576, bekannt ist. Dort wird mit Hilfe einer zweidimensionalen Ultraschallwandleranordnung aus 64·64 Wandlerelementen durch phasenverzögerte Ansteuerung der Wandlerelemente ein dreidimensionales Bild erzeugt.
Ein dreidimensionales Ultraschallbild kann auch mit einer eindimensionalen Ultraschallwandleranordnung erzeugt werden, deren Wandlerelemente phasenverzögert angesteuert sind und mit Hilfe eines elektronischen Schwenks ein B-Bild erzeugen (lineares phased array). Durch einen mechanischen Schwenk senkrecht zur B-Bild-Ebene wird eine Folge von zweidimensionalen Bildern (B-Bild) bei jeweils bekannten Schwenkpositionen erzeugt. Die Folge dieser B-Bilder wird dann zu einem dreidimensionalen Bild zusammengesetzt.
Aus der DE-OS 198 28 947 A1 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Ultraschallbildes mit Hilfe eines linearen Ultraschallwandlerarrays bekannt, bei der das dreidimensionale Bild ebenfalls aus einer Vielzahl von B-Bildern zusammengesetzt ist, die zeitlich aufeinander bei einer Bewegung des linearen Ultraschallwandlerarrays entstehen. Durch eine spezielle Auswertung der zeitlich aufeinander folgenden B-Bilder ist eine dimensionsrichtige Wiedergabe eines dreidimensionalen Ultraschallbildes auch dann möglich, wenn die Bewegung ungleichmäßig erfolgt und beispielsweise manuell von der Bedienperson durchgeführt wird. Eine entsprechende kommerzielle Software ist von der Siemens AG unter dem Handelsnamen 3-Scape erhältlich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zum Erzeugen eines dreidimensionalen Ultraschallbildes anzugeben, die konstruktiv unaufwendig ist.
Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen enthält eine Einrichtung zum Erzeugen eines dreidimensionalen Ultraschallbildes einer durch Atembewegungen ortsveränderlichen Körperregion eine Ultraschallwandleranordnung zum Erzeugen zeitlich aufeinanderfolgender B-Bilder in einer ortsfesten Bildebene, die auf Grund der Atembewegung zu verschiedenen Schnittebenen der Körperregion gehören sowie eine Bildverarbeitungseinrichtung zum dimensionsrichtigen Zusammensetzen der zeitlich aufeinanderfolgenden B-Bilder zu einem 3D-Bild.
Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass allein die durch Atembewegung entstehende Verschiebung der Lage einer innenliegenden Körperregion des Patienten relativ zu einer ortsfesten B-Bildebene ausreicht, um mit Hilfe einer Abfolge der in einer ortsfesten Bildebene erzeugten B-Bilder ein 3D-Bild zu erzeugen. Unter. dem Begriff „ortsfest" ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die B-Scanebene (Bild ebene) entweder ortsfest zum Behandlungstisch oder ortsfest relativ zur Körperoberfläche angeordnet ist. Auch bei ortsfester Anordnung relativ zur Körperoberfläche wird die Körperregion des Patienten auf Grund seiner Atembewegung in verschiedenen Schnittebenen erfasst, da sich durch die Atembewegung die Körperoberfläche nur geringfügig und in erster Linie senkrecht zur Normalen bewegt, während die innenliegenden Organe in erster Linie eine Bewegung quer zur Normalen mit einem deutlich größeren Hub (bis zu 5cm) erfahren.
Um das maximale Volumen darstellen zu können, muss die Ultraschallwandleranordnung und die ihr zugeordnete Scan- oder Bildebene lediglich etwa senkrecht zur Richtung der durch die Atembewegung verursachten Verschiebungen der betreffenden Körperregionen positioniert und in dieser Position gehalten werden.
Als Ultraschallwandleranordnung ist insbesondere ein Ultraschallwandlerarray mit einer Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Wandlerelementen vorgesehen, das ohne mechanische Bewegung eine rein elektronische Erzeugung eines B-Bildes ermöglicht. Geeignet sind beispielsweise ein lineares Ultraschallwandlerarray, mit dem ein linearer Scan durchgeführt werden kann, oder ein Curved Linear Array oder ein phasenverzögert angesteuertes lineares Ultraschallwandlerarray, die die Durchführung eines elektronischen Schwenks ermöglichen.
Da zum Erzeugen eines 3D-Bildes ein Bewegen der Ultraschallwandleranordnung nicht mehr erforderlich ist, ist insbesondere bei deren unmittelbarer Anordnung auf der Haut des Patienten (Bildebene ortsfest relativ zur Körperoberfläche) eine gleichbleibende Ultraschall-Ankopplung sichergestellt, so dass Schwankungen der Bildqualität der einzelnen B-Bilder vermieden sind. Außerdem wird ein unabsichtliches Kippen des Arrays, durch das falsche Ebenen im Körper dargestellt werden würden, vermieden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bildverarbeitungseinrichtung zusätzlich Mittel zum Umwandeln des 3D-Bildes in ein oder mehrere C-Bilder. Dies ermöglicht die Betrachtung der überwachten Körperregionen in einer Darstellungsart, wie sie bei der Röntgendiagnostik üblich ist, so dass Röntgenbild und Ultraschallbild unmittelbar miteinander verglichen werden können. Diese Betrachtungsweise ist sehr vorteilhaft, da sich die diagnostischen Inhalte von Röntgen- und Ultraschallbildern addieren.
Eine Einrichtung gemäß der Erfindung findet insbesondere Verwendung zum Überwachen und Visualisieren der Zertrümmerung eines Konkrements bei der Lithotripsie. Mit ihr lässt sich einerseits die Zielgenauigkeit bei der Zertrümmerung erhöhen d.h. eine genaue Justierung des Fokus der Stoßwelle auf das Konkrement durchführen. Andererseits ist eine präzise und anschauliche Überwachung der Zertrümmerung des Konkrements möglich, so dass sowohl die Anzahl der zur Zertrümmerung erforderlichen Stoßwellenpulse als auch die Belastung gesunder Gewebezonen auf ein Minimum reduziert werden können. In dieser Anwendung ist die Einrichtung vorzugsweise integraler Bestandteil eines Lithotripters.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur eine Einrichtung gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
Gemäß dieser Figur ist über einer zu untersuchenden Körperregion 2 eines auf einem Behandlungstisch ruhenden Patienten 4 eine Ultraschallwandleranordnung 6 positioniert. Die Ultraschallwandleranordndung 6 erzeugt ein B-Bild in einer ortsfesten zy-Ebene. Hierzu kann die Ultraschallwandleranordnung 6 während der Bildaufnahme raumfest (ortsfest relativ zu einem Behandlungstisch) über eine Wasservorlaufstrecke beabstandet von der Hautoberfläche des Patienten 4 an diesen akustisch angekoppelt sein.
Im Ausführungsbeispiel ist als Ultraschallwandleranordnung 6 ein lineares Ultraschallwandlerarray vorgesehen, dessen Wandlerelemente 61–69 phasenverzögert angesteuert sind. Dieser kann unmittelbar (Ankopplung über ein Gel) auf der Hautoberfläche des Patienten 4, d. h. ortsfest relativ zur Körperoberfläche des Patienten, angeordnet sein. Alternativ zur Verwendung eines solchen Phased Arrays kann auch ein Linear Curved Array oder ein Linear Array vorgesehen sein, mit denen ein Schwenk bzw. ein Linearscan durchgeführt werden kann, ohne dass hierzu eine phasenverzögerte Ansteuerung der Wandlerelemente erforderlich ist. Grundsätzlich sind auch Ultraschallwandleranordnungen möglich, die mit Hilfe einer mechanischen Bewegung, beispielsweise durch mechanischen Schwenk eines Einzelwandlers, ein B-Bild erzeugen.
In der Figur ist zu erkennen, dass sich ein in der Körperregion 2 befindliches Untersuchungsobjekt, im Beispiel eine Niere 8 mit einem darin befindlichen Konkrement 10, aufgrund der Atembewegung des Patienten 2 nahezu linear in einer Richtung x hin und her bewegt, wobei der gesamte Bewegungshub Δx bis zu 5cm betragen kann.
Mit Hilfe der Ultraschallwandleranordnung 6 werden mit einer vorgegebenen Wiederholrate, beispielsweise 25Hz, in der ruhenden (ortsfesten) Bildebene zy zeitlich aufeinanderfolgend B-Bilder, d. h. zweidimensionale Schnittbilder aus der jeweils im Schwenkbereich der Ultraschallwandleranordnung 6 befindlichen Körperregion 2 erzeugt.
In der Figur sind gestrichelt die Lage der Niere 8 und des Konkrements 10 bei jeweils maximaler Auslenkung und durchgezogen in einer mittleren Position dargestellt. Während einer vollständigen Atembewegung werden eine Vielzahl von B-Bildern S1 bis S7 erzeugt (aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur 7 B-Bilder eingezeichnet). Das B-Bild S1 bildet eine Situation ab, in der sich die Niere 8 in der gestrichelt eingezeichneten Position I befindet. Dabei wird der Bereich der Niere durch die Ultraschallwandleranordnung 6 erfasst, der sich zu diesem Zeitpunkt in der zy-Ebene, d. h. in der Figur rechts vom Konkrement 10 befindet. Die Niere 8 bewegt sich in x-Richtung nach rechts, so dass die ruhende zy-Schnittebene nacheinander andere Zonen der Niere 8 schneidet. Bei der Aufnahme des B-Bildes S4 befindet sich die Niere 8 in Position II und das Konkrement 10 in der zy-Ebene, so dass es von der Ultraschallwandleranordnung 6 erfasst wird. Bei der Aufnahme des B-Bildes S7 wird in der zy-Ebene ein Bereich der Niere 8 erfasst, der links vom Konkrement 10 liegt (Position III).
Die aufeinanderfolgenden B-Bilder S1–S7 werden in einer Bildverarbeitungseinrichtung 12 dimensionsrichtig zu einem 3D-Bild zusammengesetzt, das eine räumliche Betrachtung der betreffenden Körperregion mit Hilfe eines Monitors 14 ermöglicht. Das dimensionsrichtige Zusammensetzen der einzelnen B-Bilder S1–S7 erfolgt nach einem Verfahren, wie es beispielsweise in der DE 198 28 947 A1 offenbart ist. Beim seitenrichtigen Zusammensetzen der B-Bilder S1 bis S7 entsteht ein räumliches Abbild 8 eines schematisch als Quader eingezeichneten Ausschnittes der Körperregion 2 um das Konkrement 10.
Um eine korrekte 3D-Wiedergabe zu erzielen, muss die Scan-Ebene zy der Ultraschallwandleranordnung 6 wenigstens annähernd senkrecht zur durch die Atembewegung verursachten Linearverschiebung der Körperregion 2 ausgerichtet werden. Hierzu wird beispielsweise zunächst die Array-Längsrichtung (Scan-Ebene) in die Richtung der Atembewegung ausgerichtet und die Richtung der maximalen Auslenkung festgestellt. Danach wird das Array um die z-Achse um 90° gedreht und steht dann genau senkrecht zur Atembewegung.
Mit Hilfe der Bildverarbeitungseinrichtung 12 ist es darüber hinaus möglich, auch eine C-Bild Darstellung, d.h. eine Darstellung in einer oder mehreren Projektionsebenen senkrecht zur z-Achse, d.h. parallel zur xy-Ebene vorzunehmen.

Claims

Einrichtung zum Erzeugen eines dreidimensionalen Ultraschallbildes einer durch Atembewegungen ortsveränderlichen Körperregion (2) eines Patienten (4), mit einer Ultraschallwandleranordnung (6) zum Erzeugen zeitlich aufeinander folgender B-Bilder (S1–S7) in einer ortsfesten Bildebene (zy), die aufgrund der Atembewegung zu verschiedenen Schnittebenen der Körperregion (2) gehören, und mit einer Bildverarbeitungseinrichtung (12) zum dimensionsrichtigen Zusammensetzen der zeitlich aufeinander folgenden B-Bilder (S1–S7) zu einem 3D-Bild.
Einrichtung nach Anspruch 1, bei der als Ultraschallwandleranordnung (6) ein Ultraschallwandler-Array vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Bildverarbeitungseinrichtung (12) Mittel zum Umwandeln des 3D-Bildes in ein oder mehrere C-Bilder umfasst.
Lithotripter mit einer Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Überwachen und Visualisieren der Zertrümmerung eines Konkrements (10) bei der Lithotripsie.