DE112020002488T5

DE112020002488T5 - Muskelbildgebungssystem

Info

Publication number: DE112020002488T5
Application number: DE112020002488.1T
Authority: DE
Inventors: Jin Wang; Sheng Jin; Jingping Xu; Yishuang Meng
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2022-02-24
Also published as: WO2020234438A1; CN113853163A; US20220211341A1

Abstract

Ein Muskelbildgebungssystem, das eine Ultraschallsonde verwendet, um einen oder mehrere Muskeln eines Subjekts abzubilden. Eine Verarbeitungseinheit steuert einen Antriebsmechanismus, um eine Position der Ultraschallsonde in Bezug auf das Subjekt einzustellen. Eine Position der Ultraschallsonde, während eines Bildgebungsverfahrens, basiert mindestens teilweise auf einer Form des Subjekts, die durch einen Formsensor erkannt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Erhaltens von Informationen über die Muskeln eines Subjekts und insbesondere des Erhaltens und Verarbeitens von Bildern der Muskeln eines Subjekts.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist üblich, dass Subjekte nach Schlaganfall oder Subjekte, die mit Multipler Sklerose (MS) leben, Bewegungsschwierigkeiten haben. Dies ist auf eine Schlaffheit oder Spastizität der Muskeln des Subjekts zurückzuführen, die eine freiwillige Bewegung des Subjekts verhindert oder behindert. Es ist wichtig, den Fortschritt/Zustand des Subjekts, z. B. nach Schlaganfall, zu verfolgen oder zu bewerten, um die Behandlung des Subjekts anzupassen. Insbesondere besteht ein fortlaufender Wunsch, den Zustand der Muskeln eines Subjekts genau zu bewerten, was potenzielle Bewegungsschwierigkeiten widerspiegelt, mit denen das Subjekt konfrontiert ist.
In der Regel wird die Bewertung des Muskels eines Subjekts durch einen qualifizierten Kliniker, wie einen Arzt oder Therapeuten, durchgeführt, der die Muskeln eines Subjekts manuell beobachtet oder misst, um ein Bewertungswerkzeug auszufüllen, das auch als Skalierung, Erhebungsinstrument oder Fragebogentabelle bezeichnet werden kann. Das Bewertungswerkzeug stellt einen Interpretationswert bereit, um die Funktionalitäten des Subjekts zu bewerten. Geeignete Bewertungswerkzeuge schließen den „Brunnström-Ansatz“, das „Fugl-Meyer-Assessment der Sensomotorik-Funktion“ (FMA) oder die „Modifizierte Ashworth-Skala“ (MAS) ein.
Manuelle Bewertungsverfahren sind jedoch zeit- und ressourcenaufwändig und können ungenau sein, z. B. aufgrund ungenauer Messungen durch den Kliniker. Eine vorgeschlagene Lösung besteht darin, Ultraschall- oder andere medizinische Bilder der Muskeln eines Subjekts zu verwenden, um (automatisch) Messungen der Muskeln des Subjekts durchzuführen. Dies erfordert jedoch immer noch ein von dem Kliniker durchzuführendes zeit- und ressourcenintensives Bildgebungsverfahren, das möglicherweise nicht genau durchgeführt wird.
Es besteht daher ein fortlaufender Wunsch, die Zeit und die Ressourcen zu reduzieren, die erforderlich sind, um Messungen der Muskeln eines Subjekts zu erhalten, und eine Genauigkeit bei dem Erhalten davon zu verbessern.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.
Gemäß Beispielen entsprechend einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Muskelbildgebungssystem zum Erhalten von Ultraschalldaten über einen oder mehrere Muskeln eines Subjekts bereitgestellt. Das Muskelbildgebungssystem umfasst: eine Ultraschallsonde, die dafür ausgelegt ist, ein Bildgebungsverfahren durchzuführen, wobei das Bildgebungsverfahren das Abbilden eines oder mehrerer Muskeln des Subjekts umfasst, um dadurch Ultraschalldaten des einen oder der mehreren Muskeln zu erfassen; einen Antriebsmechanismus, der dafür ausgelegt ist, eine Position der Ultraschallsonde während des Bildgebungsverfahrens anzupassen; einen Formsensor, der dafür ausgelegt ist, eine Form des Subjekts abzutasten; und eine Verarbeitungseinheit, die dafür ausgelegt ist, den Antriebsmechanismus während des Bildgebungsverfahrens, basierend auf der abgetasteten Form des Subjekts, zu steuern.
Somit liegt ein Muskelbildgebungssystem vor, bei dem die Steuerung der Position einer Ultraschallsonde automatisch basierend auf einer bestimmten Form des Subjekts (z. B. eines Arms oder eines Beins) durchgeführt wird. Da die Form des Subjekts durch seine Muskeln definiert ist, kann während des Bildgebungsverfahrens durch Steuern der Ultraschallsonde basierend auf ihrer Form die Ultraschallsonde den Muskel bzw. die Muskeln des Subjekts besser verfolgen und abbilden. Dies verbessert die Genauigkeit und die Einfachheit der Bildgebung des Muskels bzw. der Muskeln des Subjekts.
Die Form eines Subjekts ist die äußere Begrenzung oder Kontur des Subjekts. Dies kann durch ein 3D-Konturbild des Subjekts dargestellt werden (z. B. konstruiert durch einen Formsensor einer Ausführungsform). Ist die Form des Objekts bekannt, so ist auch die Stelle der äußeren Begrenzungen des Objekts bekannt, so dass die Ultraschallsonde auf, an oder in Bezug auf die äußeren Begrenzungen des Subjekts positioniert werden kann. Insbesondere kann der Formsensor dafür ausgelegt sein, eine Form des Subjekts in Bezug auf die Ultraschallsonde (z. B. aus Sicht dieser) zu bestimmen. Die Ultraschallsonde kann daher während eines Bildgebungsverfahrens automatisch in Kontakt mit den äußeren Begrenzungen des Subjekts gehalten werden.
Die vorliegende Erfindung stellt einen automatischen Weg für ein Muskelbildgebungssystem bereit, um einen oder mehrere Muskeln des Subjekts abzubilden.
Der Formsensor kann zum Beispiel einen strukturierten Lichtsensor, eine Stereokamera und/oder einen oder mehrere Näherungssensoren umfassen.
Der Formsensor kann dafür ausgelegt sein, eine Form der Muskeln des Subjekts abzutasten. Die Form des Subjekts wird durch die Form der Muskeln des Subjekts definiert. Somit kann durch das Abtasten einer Form des Subjekts eine Form und Stelle der Muskeln des Subjekts identifiziert werden, und die Ultraschallsonde kann positioniert werden, um der Form der Muskeln zu folgen.
Die Verarbeitungseinheit kann dafür ausgelegt sein, den Antriebsmechanismus zu steuern, so dass die Ultraschallsonde an einer Oberfläche der Haut des Subjekts gehalten wird.
Die Stelle der Haut des Subjekts kann von dem Formsensor berechnet oder bestimmt werden, so dass die Form des Subjekts von dem Formsensor erkannt wird. Somit ist die Verarbeitungseinheit in der Lage, die Ultraschallsonde an einer Oberfläche der Haut des Subjekts (z. B. in Kontakt mit dem Subjekt) zu halten. Dies bedeutet, dass die Ultraschallbildgebung mit verbesserter Genauigkeit erfolgen kann.
In einigen Ausführungsformen ist der Formsensor dafür ausgelegt, einen Abstand zwischen dem Formsensor und der Oberfläche des Subjekts zu verfolgen, um dadurch eine Form der Oberfläche des Subjekts zu bestimmen. Dies ermöglicht wirksam das Aufbauen einer Tiefenkarte des Subjekts durch den Formsensor, um dadurch eine Form des Subjekts zu bestimmen. Dies stellt ein anpassbares und ressourcenarmes (z. B. preiswertes) Verfahren zum Bestimmen einer Form des Subjekts bereit. Die Tiefenkarte ermöglicht es der Verarbeitungseinheit, den Antriebsmechanismus zu steuern, so dass die Ultraschallsonde in einem bestimmten Abstand zum Subjekt (z. B. in Kontakt mit diesem) gehalten wird - da die relative Position der Ultraschallsonde in Bezug auf die berechnete Tiefenkarte bestimmt werden kann.
In einigen Ausführungsformen ist der Antriebsmechanismus dafür ausgelegt, die Position der Ultraschallsonde in mindestens einer ersten und einer zweiten orthogonalen Achse anzupassen; der Formsensor ist dafür ausgelegt, einen Abstand zwischen dem Formsensor und der Oberfläche des Subjekts entlang der zweiten orthogonalen Achse zu verfolgen, wobei ein Versatz in Bezug auf die zweite orthogonale Achse, zwischen dem Formsensor und der Ultraschallsonde, bekannt ist oder leicht berechnet werden kann; und die Verarbeitungseinheit ist dafür ausgelegt, den Antriebsmechanismus, während des Bildgebungsverfahrens, zu steuern, um eine Position der Ultraschallsonde iterativ anzupassen, wobei: die Größe der iterativen Anpassung an die Position der Ultraschallsonde in der ersten orthogonalen Achse vordefiniert ist; und die iterative Anpassung an die Position der Ultraschallsonde in der zweiten orthogonalen Achse gesteuert wird, um die Ultraschallsonde in Kontakt mit der Oberfläche des Subjekts zu halten.
In einigen Ausführungsformen ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, eine Position der Ultraschallsonde unter Verwendung des Antriebsmechanismus iterativ anzupassen. Das von der Ultraschallsonde durchgeführte Bildgebungsverfahren kann das Erfassen eines Ultraschallbildes des Subjekts zwischen jeder iterativen Anpassung der Ultraschallsonde umfassen.
Somit kann die Ultraschallsonde eine Reihe oder Folge von Ultraschallbildern an unterschiedlichen Stellen des Subjekts erhalten. Diese Reihe oder Folge von Ultraschallbildern bildet die Ultraschalldaten des einen oder der mehreren Muskeln und kann später verwendet werden, um ein 3D-Ultraschallbild von einer Nachverarbeitungseinheit/einem Nachverarbeitungsmodul zu rekonstruieren.
In einigen Ausführungsformen ist der Antriebsmechanismus dafür ausgelegt, die Position der Ultraschallsonde in mindestens zwei orthogonalen Achsen anzupassen; und die Verarbeitungseinheit ist dafür ausgelegt, dass während des Bildgebungsverfahrens die Größe der iterativen Anpassung an die Position der Ultraschallsonde in mindestens einer Achse vordefiniert ist und, basierend auf der abgetasteten Form des Subjekts, in mindestens einer anderen Achse variabel ist.
Somit kann die Bewegung der Ultraschallsonde in einer ersten orthogonalen Achse, zum Beispiel X-Achse, vordefiniert sein, wobei die Bewegung der Ultraschallsonde in einer zweiten und/oder dritten orthogonalen Achse (Y-Achse oder Z-Achse) auf der abgetasteten Form basiert (z. B. um die Bewegung in der ersten Achse zu berücksichtigen).
Mit anderen Worten, die Ultraschallsonde kann entlang einer bestimmten Bewegungsrichtung in Bezug auf das Subjekt bewegt werden (z. B. entlang einer ersten orthogonalen Achse), wobei eine vertikale und/oder Seite-an-Seite-Bewegung der Ultraschallsonde basierend auf der erkannten Form des Subjekts gesteuert wird.
Dies kann zum Beispiel ermöglichen, dass die Ultraschallsonde in (gutem) Kontakt mit der Haut des Subjekts gehalten wird, wenn die Ultraschallsonde entlang der X-Achse auf dem Subjekt nach unten oder oben bewegt wird.
Die Verarbeitungseinheit kann dafür ausgelegt sein, eine Benutzereingabe zu empfangen, die jede vordefinierte Größe der iterativen Anpassung in der mindestens einen Achse definiert. Somit kann ein Benutzer in der Lage sein, zu definieren, wie sich die Ultraschallsonde in einer bestimmten Bewegungsrichtung bewegt, z. B. dem Intervall zwischen unterschiedlichen aufgenommenen Ultraschallbildern.
In einigen Ausführungsformen ist der Antriebsmechanismus dafür ausgelegt, die Position der Ultraschallsonde in mindestens einer ersten und einer zweiten orthogonalen Achse anzupassen; und der Formsensor ist mit dem Antriebsmechanismus verbunden, so dass eine Anpassung an die Position der Ultraschallsonde entlang der ersten orthogonalen Achse eine entsprechende Bewegung in dem Formsensor entlang der ersten orthogonalen Achse auslöst.
In einigen Ausführungsformen kann der Formsensor mit dem Antriebsmechanismus verbunden sein, so dass eine Bewegung der Ultraschallsonde in der ersten orthogonalen Achse eine äquivalente Bewegung des Subjektsensors in dieser Achse auslöst. Dies ermöglicht es dem Formsensor wirksam, vor der Ultraschallsonde eine Bewegung in dieser Achse zu verfolgen oder vorher auszukundschaften, um die Form des Subjekts zu bestimmen, bevor eine Ultraschallsonde diese Stelle erreicht. Dadurch kann eine geeignete Stelle für die Ultraschallsonde entlang der zweiten und/oder dritten orthogonalen Achse in Bezug auf die verfolgte Form des Subjekts berechnet werden.
Der Formsensor kann dafür ausgelegt sein, eine Form des Subjekts zu bestimmen, während der Formsensor, während des Bildgebungsverfahrens, durch den Antriebsmechanismus bewegt wird.
Somit kann die Form des Subjekts allmählich erlernt oder aufgebaut werden, wenn der Antriebsmechanismus die Ultraschallsonde bewegt. Insbesondere kann sich der Formsensor der Ultraschallsonde vorweg bewegen, d. h. potentielle zukünftige Stellen für die Ultraschallsonde untersuchen, um eine Form des Subjekts an den potentiellen zukünftigen Stellen für die Ultraschallsonde festzulegen.
Wenn der Formsensor bewegt wird, kann er ein Profilbild des Subjekts aufbauen, um geeignete Stellen oder Koordinaten für die Ultraschallsonde zu bestimmen. Beispielhaft können Informationen von dem Formsensor in der Lage sein, Stellen für die Ultraschallsonde zu identifizieren, an denen die Ultraschallsonde mit einer Oberfläche der Haut des Subjekts in Kontakt ist.
In anderen Ausführungsformen wird die Form des Subjekts erlernt, bevor das Bildgebungsverfahren durchgeführt wird, z. B. durch Durchführen eines Abtastverfahrens an dem Subjekt. Dies erhöht die Zeit, die erforderlich ist, um das Subjekt abzubilden (da das Abtastverfahren durchgeführt werden muss), kann jedoch eine Genauigkeit der Bestimmung der Form des Subjekts und die präventive Bestimmung geeigneter Stellen zur Positionierung der Ultraschallsonde erhöhen.
Wahlweise ist der Antriebsmechanismus dafür ausgelegt, die Position der Ultraschallsonde in einer ersten und einer zweiten orthogonalen Achse anzupassen; und die Verarbeitungseinheit ist dafür ausgelegt, den Antriebsmechanismus während des Bildgebungsverfahrens durch Durchführen eines iterativen Verfahrens zu steuern, umfassend: Erhalten einer nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse für die Ultraschallsonde; Bestimmen einer nächsten Position entlang der zweiten orthogonalen Achse für die Ultraschallsonde basierend auf der bestimmten Form für das Subjekt an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse; und Steuern des Antriebsmechanismus, um die Ultraschallsonde an einer einzelnen Stelle, die an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse und der nächsten Position entlang der zweiten orthogonalen Achse liegt, zu platzieren.
Somit kann die Verarbeitungseinheit eine Position für die Sonde entlang mindestens einer Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ultraschallsonde bestimmen.
Vorzugsweise ist der Antriebsmechanismus ferner dafür ausgelegt, die Position der Ultraschallsonde in einer dritten Achse, orthogonal zu der ersten und der zweiten orthogonalen Achse, anzupassen; das iterative Verfahren, das von der Verarbeitungseinheit durchgeführt wird, umfasst das Bestimmen einer nächsten Position entlang der dritten orthogonalen Achse für die Ultraschallsonde basierend auf der bestimmten Form für das Subjekt an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse; und der Schritt des Steuerns des Antriebsmechanismus in dem iterativen Verfahren, das von der Verarbeitungseinheit durchgeführt wird, umfasst das Steuern des Antriebsmechanismus, um die Ultraschallsonde an einer einzelnen Stelle zu platzieren, die an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse, der nächsten Position entlang der zweiten orthogonalen Achse und der nächsten Position entlang der dritten orthogonalen Achse liegt.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Erhaltens der nächsten Position für die Ultraschallsonde in Bezug auf die erste orthogonale Achse das Empfangen einer Benutzereingabe, die eine nächste Position in Bezug auf die erste orthogonale Achse angibt. Die Benutzereingabe kann zum Beispiel einen vorbestimmten Bewegungsabstand für die Ultraschallsonde entlang der ersten orthogonalen Achse definieren.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Muskelbildgebungssystem ferner einen Rahmen, der mindestens die Ultraschallsonde, den Antriebsmechanismus und den Formsensor montiert.
Das Muskelbildgebungssystem kann ferner eine Benutzerschnittstelle umfassen, die dafür ausgelegt ist, eine Benutzereingabe zu empfangen, z. B. zur Verwendung als eine beliebige zuvor beschriebene Benutzereingabe. Die Benutzerschnittstelle kann zum Beispiel eine Tastatur, einen Bildschirm, eine Maus usw. umfassen.
Es wird auch ein Muskelbewertungssystem vorgeschlagen, das ein beliebiges zuvor beschriebenes Muskelbildgebungssystem umfasst; und eine Nachverarbeitungseinheit, die ausgelegt ist zum: Empfangen der Ultraschalldaten des einen oder der mehreren Muskeln; und Verarbeiten der Ultraschalldaten, um einen oder mehrere Parameter des einen oder der mehreren Muskeln zu bestimmen. Ein Parameter des einen oder der mehreren Muskeln kann eine Abmessung oder Messung eines oder mehrerer Merkmale des Muskels bzw. der Muskeln einschließen.
Der eine oder die mehreren Parameter des Muskels können eines oder mehrere von Folgendem einschließen: eine Fläche von jedem einen oder mehreren Muskeln; ein Volumen von jedem einen oder Muskeln; einen Umfang von jedem einen oder mehreren Muskeln; einen Durchmesser von jedem einen oder mehreren Muskeln; und einen Radius von jedem einen oder mehreren Muskeln. Diese stellen Beispiele geeigneter Abmessungen oder Messungen eines oder mehrerer Merkmale der Muskeln bereit.
Die Nachverarbeitungseinheit kann die Ultraschalldaten unter Verwendung einer oder mehrerer Bildsegmentierungstechniken verarbeiten, um den einen oder die mehreren Parameter zu bestimmen.
Gemäß Beispielen gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein computerimplementiertes Verfahren zum Erhalten von Informationen über eine oder mehrere Muskeln eines Subjekts bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: Abtasten einer Form des Subjekts; Durchführen eines Bildgebungsverfahrens, umfassend das Verwenden einer Ultraschallsonde, um einen oder mehrere Muskeln des Subjekts abzubilden, um dadurch Ultraschalldaten des einen oder der mehreren Muskeln zu erfassen; und während des Bildgebungsverfahrens, Verwenden eines Antriebsmechanismus, um eine Position der Ultraschallsonde basierend auf der abgetasteten Form des Subjekts anzupassen. Der Schritt des Abtastens einer Form des Subjekts kann das Verwenden eines Formsensors umfassen, der sich bewegt, wenn sich die Position der Ultraschallsonde bewegt, um die Form des Subjekts abzutasten.
Gemäß Beispielen entsprechend noch einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Computerprogramm bereitgestellt, das Codemittel zum Implementieren eines beliebigen beschriebenen Verfahrens umfasst, wenn das Programm auf einem Verarbeitungssystem ausgeführt wird.
Diese und andere Gesichtspunkte der Erfindung werden aus der bzw. den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und unter Bezugnahme auf diese erläutert.
Figurenliste
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um deutlicher darzustellen, wie sie in die Praxis umgesetzt werden kann, wird nun lediglich beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:

1 ein generisches Ultraschallsystem zum Verständnis eines Kontexts der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 ein Muskelbewertungssystem veranschaulicht, das ein Muskelbildgebungssystem gemäß einer Ausführungsform umfasst;
3 ein Profilbild veranschaulicht, das von einem Formsensor einer Ausführungsform erzeugt wird; und
4 ein Verfahren zur Verwendung eines Muskelbewertungssystems gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Es versteht sich, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, während sie Ausführungsbeispiele des Systems, der Systeme und Verfahren angeben, nur zu Veranschaulichung gedacht sind und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen. Diese und andere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile des Systems, der Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung, die beiliegenden Ansprüche und die beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es versteht sich, dass die Figuren lediglich schematisch sind und nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Es versteht sich auch, dass in allen Figuren die gleichen Bezugszahlen verwendet werden, um die gleichen oder ähnliche Teile anzugeben.
Gemäß einem Konzept der Erfindung wird ein Muskelbildgebungssystem vorgeschlagen, das eine Ultraschallsonde verwendet, um einen oder mehrere Muskeln eines Subjekts abzubilden. Eine Verarbeitungseinheit steuert einen Antriebsmechanismus, um eine Position der Ultraschallsonde in Bezug auf das Subjekt einzustellen. Eine Position der Ultraschallsonde, während eines Bildgebungsverfahrens, basiert mindestens teilweise auf einer Form des Subjekts, die durch einen Formsensor erkannt wird.
Ausführungsformen basieren mindestens teilweise auf der Erkenntnis, dass Muskeln eines Subjekts die Form des Subjekts definieren. Somit versteht es sich, dass die Form des Subjekts unter Verwendung eines Formsensors erkannt werden kann, um eine Platzierung der Ultraschallsonde zum Abbilden der Muskeln des Subjekts zu verbessern, d. h. mit größerer Genauigkeit und Einfachheit.
Veranschaulichende Ausführungsformen können zum Beispiel in einer Muskelbewertungseinrichtung zum Erleichtern eines oder mehrerer Parameter oder Messungen der Muskeln eines Subjekts eingesetzt werden. Diese kann verwendet werden, um eine Einfachheit und Genauigkeit des Erhaltens von Messungen der Muskeln eines Subjekts zu verbessern, z. B. zum Berechnen eines Interpretationswerts eines medizinischen Bewertungswerkzeugs.
In diesem Dokument kann die Bezugnahme auf eine X-Achse, Z-Achse und Y-Achse durch die Begriffe „erste orthogonale Achse“, „zweite orthogonale Achse“ bzw. „dritte orthogonale Achse“ ersetzt werden. Die X-, Z- und Y-Achse sind orthogonal (d. h. senkrecht) zueinander.
Der allgemeine Betrieb eines beispielhaften Ultraschallsystems wird zunächst unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Das System umfasst eine Steuerschaltung 2, eine Verarbeitungsschaltlogik 3 und eine Wandlersonde 4.
Die Wandlersonde 4 umfasst eine Wandleranordnung 6 zum Aussenden von Ultraschallwellen und Empfangen von Echoinformationen. Die Wandleranordnung 6 kann CMUT-Wandler umfassen; piezoelektrische Wandler, die aus Materialien wie PZT oder PVDF gebildet sind; oder jede andere geeignete Wandlertechnologie. In diesem Beispiel ist die Wandleranordnung 6 eine zweidimensionale Anordnung von Wandlern 8, die in der Lage sind, entweder eine 2D-Ebene oder ein dreidimensionales Volumen eines Bereichs von Interesse zu scannen. In einem anderen Beispiel kann die Wandleranordnung eine ID-Anordnung sein.
Die Wandleranordnung 6 ist mit einem (optionalen) Mikrostrahlformer 12 gekoppelt, der den Empfang von Signalen durch die Wandlern steuert. Mikrostrahlformer sind in der Lage, die Signale, die von Unteranordnungen, im Allgemeinen als „Gruppen“ oder „Patches“ bezeichnet, empfangen werden, von Wandlern mindestens teilweise strahlzuformen, wie in den US-Patenten 5.997.479 (Savord et al.), 6.013.032 (Savord) und 6.623.432 (Powers et al.) beschrieben.
Die Steuerschaltlogik 2 schließt einen Sende-/Empfangsschalter (T/R-Schalter) 16 ein, an den der (optionale) Mikrostrahlformer 12 gekoppelt sein kann. Der T/R-Schalter 16 schaltet die Anordnung zwischen Sende- und Empfangsmodus um und schützt den Hauptstrahlformer 20 vor hochenergetischen Sendesignalen für den Fall, dass kein Mikrostrahlformer verwendet wird und die Wandleranordnung direkt unter Verwendung des Hauptsystem-Strahlformers betrieben wird.
Die Übertragung von Ultraschallstrahlen von der Wandleranordnung 6 wird von einer Wandlersteuerung 18 gesteuert, die mit dem (optionalen) Mikrostrahlformer 12 mittels dem T/R-Schalter 16 und einem Hauptsendestrahlformer 20 gekoppelt ist, der Eingaben von der Bedienung einer Benutzerschnittstelle oder eines Bedienfelds 38 von dem Benutzer empfangen kann. Die Wandlersteuerung 18 kann auch eine Übertragungsschaltlogik einschließen, die angeordnet ist, um die Wandlerelemente der Anordnung 6 (entweder direkt oder über einen Mikrostrahlformer) während des Sendemodus anzutreiben.
In einer typischen zeilenweisen Bildgebungsfolge kann das Strahlformungssystem innerhalb der Sonde wie folgt arbeiten.
Während der Übertragung aktiviert der Strahlformer 12, 20 (der je nach Implementierung der Mikrostrahlformer 12 oder der Hauptstrahlformer 20 sein kann) die Wandleranordnung 6 oder eine Subapertur der Wandleranordnung. Die Subapertur kann eine eindimensionale Zeile von Wandlern oder ein zweidimensionales Patch von Wandlern innerhalb der größeren Anordnung 6 sein. Im Sendemodus wird die Fokussierung und Lenkung des von der Anordnung, oder einer Subapertur der Anordnung, erzeugten Ultraschallstrahls wie später beschrieben gesteuert.
Beim Empfangen der rückgestreuten Echosignale vom Subjekt werden die empfangenen Signale einer Empfangsstrahlformung unterzogen (später beschrieben), um die empfangenen Signale auszurichten, und, im Falle der Verwendung einer Subapertur wird die Subapertur dann zum Beispiel durch ein Wandlerelement verschoben. Die verschobene Subapertur wird dann aktiviert und das Verfahren solange wiederholt, bis alle Wandlerelemente der Wandleranordnung aktiviert wurden.
Für jede Zeile (oder Subapertur) wird das gesamte empfangene Signal, das verwendet wird, um eine zugehörige Zeile des endgültigen Ultraschallbildes zu bilden, eine Summe der Spannungssignale sein, die von den Wandlerelementen der gegebenen Subapertur während einer Empfangsperiode gemessen werden. Die resultierenden Zeilensignale werden, im Anschluss an das nachstehende Strahlformungsverfahren, in der Regel als Hochfrequenz-Daten (HF-Daten) bezeichnet. Jedes von den verschiedenen Subaperturen erzeugte Zeilensignal (HF-Datensatz) wird dann einer weiteren Verarbeitung unterzogen, um die Zeilen des endgültigen Ultraschallbildes zu erzeugen. Die Änderung der Amplitude des Zeilensignals über die Zeit trägt zur Änderung der Helligkeit des Ultraschallbildes mit der Tiefe bei, wobei eine Spitze mit hoher Amplitude einem hellen Pixel (oder einer Sammlung von Pixeln) in dem endgültigen Bild entspricht. Eine Spitze, die nahe dem Anfang des Zeilensignals auftritt, stellt ein Echo von einer flachen Struktur dar, während Spitzen, die fortschreitend später in dem Zeilensignal auftreten, Echos von Strukturen in zunehmenden Tiefen innerhalb des Subjekts darstellen.
Die Wandlersteuerung 18 steuert die Richtung, in die Strahlen gelenkt und fokussiert werden. Für ein breiteres Sichtfeld können Strahlen geradeaus von (orthogonal zu) der Wandleranordnung oder in unterschiedlichen Winkeln gelenkt werden. Das Lenken und Fokussieren des Sendestrahls kann in Abhängigkeit von der Betätigungszeit des Wandlerelements gesteuert werden.
Bei der allgemeinen Ultraschalldatenerfassung können zwei Verfahren unterschieden werden: Ebene-Welle-Bildgebung und „strahlengelenkte“ Bildgebung. Die zwei Verfahren werden durch ein Vorhandensein der Strahlformung im Sende-(„strahlengelenkte“ Bildgebung) und/oder Empfangsmodus (Ebene-Welle-Bildgebung und „strahlengelenkte“ Bildgebung) unterschieden.
Betrachtet man zunächst das Fokussieren, erzeugt die Wandleranordnung, durch gleichzeitiges Aktivieren aller Wandlerelemente, eine flache Welle, die divergiert, wenn sie durch das Subjekt läuft. In diesem Fall bleibt der Strahl der Ultraschallwellen unfokussiert. Durch Einführen einer positionsabhängigen Zeitverzögerung bei der Aktivierung der Wandler ist es möglich, die Wellenfront des Strahls bei einem gewünschten Punkt, der als Fokuszone bezeichnet wird, konvergieren zu lassen. Die Fokuszone ist definiert als der Punkt, an dem die laterale Strahlbreite kleiner als die Hälfte der Sendestrahlbreite ist. Auf diese Weise wird die laterale Auflösung des endgültigen Ultraschallbildes verbessert.
Wenn zum Beispiel die Zeitverzögerung bewirkt, dass die Wandlerelemente in einer Reihe aktiviert werden, beginnend mit den äußersten Elementen und endend an dem zentralen Element bzw. den zentralen Elementen der Wandleranordnung, würde eine Fokuszone in einem gegebenen Abstand weg von der Sonde in Linie mit dem zentralen Element bzw. den zentralen Elementen gebildet. Der Abstand der Fokuszone von der Sonde variiert in Abhängigkeit von der Zeitverzögerung zwischen jeder nachfolgenden Runde von Wandlerelementaktivierungen. Nachdem der Strahl die Fokuszone passiert hat, beginnt er zu divergieren, wobei er den Fernfeld-Bildgebungsbereich bildet. Es ist zu beachten, dass für Fokuszonen, die sich nahe der Wandleranordnung befinden, der Ultraschallstrahl im Fernfeld schnell divergiert, was zu Strahlbreitenartefakten im Endbild führt. In der Regel zeigt das Nahfeld, das sich zwischen der Wandleranordnung und der Fokuszone befindet, aufgrund der großen Überlappung der Ultraschallstrahlen wenig Detail. Somit kann ein Variieren der Stelle der Fokuszone zu signifikanten Änderungen der Qualität des endgültigen Bildes führen.
Im Sendemodus kann nur ein Fokus definiert werden, es sei denn, das Ultraschallbild ist in mehrere Fokuszonen unterteilt (von denen jede einen anderen Sendefokus aufweisen kann).
Außerdem ist es möglich, beim Empfangen der Echosignale aus dem Inneren des Subjekts die Umkehrung des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen, um eine Empfangsfokussierung durchzuführen. Mit anderen Worten können die eingehenden Signale von den Wandlerelementen empfangen werden und einer elektronischen Zeitverzögerung unterzogen werden, bevor sie in das System zur Signalverarbeitung geleitet werden. Das einfachste Beispiel hierfür wird als Delay-And-Sum-Beamforming bezeichnet. Es ist möglich, die Empfangsfokussierung der Wandleranordnung in Abhängigkeit von der Zeit dynamisch anzupassen.
Betrachtet man nun die Funktion der Strahllenkung, ist es durch richtige Anwendung von Zeitverzögerungen auf die Wandlerelemente möglich, dem Ultraschallstrahl beim Austritt aus der Wandleranordnung einen gewünschten Winkel zu verleihen. Zum Beispiel wird durch Aktivieren eines Wandlers auf einer ersten Seite der Wandleranordnung, gefolgt von den übrigen Wandlern in einer Folge, die auf der gegenüberliegenden Seite der Anordnung endet, die Wellenfront des Strahls in Richtung der zweiten Seite abgewinkelt. Die Größe des Lenkwinkels in Bezug auf die Normale der Wandleranordnung ist abhängig von der Größe der Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Wandlerelementaktivierungen.
Ferner ist es möglich, einen gelenkten Strahl zu fokussieren, wobei die Gesamtzeitverzögerung, die an jedes Wandlerelement angelegt wird, eine Summe sowohl der Fokussier- als auch der Lenkzeitverzögerung ist. In diesem Fall wird die Wandleranordnung als phasengesteuerte Anordnung bezeichnet.
Im Falle der CMUT-Wandler, die zu ihrer Aktivierung eine DC-Vorspannung benötigen, kann die Wandlersteuerung 18 gekoppelt sein, um eine DC-Vorspannungssteuerung 45 für die Wandleranordnung zu steuern. Die DC-Vorspannungssteuerung 45 stellt DC-Vorspannung(en) ein, die an die CMUT-Wandlerelemente angelegt werden.
Für jedes Wandlerelement der Wandleranordnung treten analoge Ultraschallsignale, in der Regel als Kanaldaten bezeichnet, über den Empfangskanal in das System ein. Im Empfangskanal werden von dem Mikrostrahlformer 12 aus den Kanaldaten teilstrahlgeformte Signale erzeugt, und werden dann an einen Hauptempfangsstrahlformer 20 weitergeleitet, wo die teilstrahlgeformten Signale von einzelnen Wandler-Patches zu einem vollstrahlgeformten Signal, bezeichnet als Hochfrequenz-Daten (HF-Daten), zusammengefasst werden. Das in jeder Stufe durchgeführte Strahlformen kann wie oben beschrieben durchgeführt werden oder zusätzliche Funktionen einschließen. Zum Beispiel kann der Hauptstrahlformer 20 128 Kanäle aufweisen, von denen jeder ein teilstrahlgeformtes Signal von einem Patch von Dutzenden oder Hunderten von Wandlerelementen empfängt. Auf diese Weise können die von Tausenden von Wandlern einer Wandleranordnung empfangenen Signale effizient zu einem einzelnen strahlgeformten Signal beitragen.
Die strahlgeformten Empfangssignale werden an einen Signalprozessor 22 der Verarbeitungsschaltlogik 3 gekoppelt. Der Signalprozessor 22 kann die empfangenen Echosignale auf verschiedene Weise verarbeiten, wie: Bandpassfilterung; Dezimierung; 1- und Q-Komponententrennung; und harmonische Signaltrennung, die lineare und nichtlineare Signale trennt, um nichtlineare (höhere Oberwellen der Grundfrequenz) Echosignale zu identifizieren, die von Gewebe und Mikrobläschen zurückgesendet werden. Der Signalprozessor kann auch eine zusätzliche Signalverbesserung durchführen, wie Speckle-Reduktion, Signal-Compoundierung und Rauschunterdrückung. Das Bandpassfilter in dem Signalprozessor kann ein Nachlauffilter sein, wobei sein Durchlassbereich von einem höheren zu einem niedrigeren Frequenzband gleitet, wenn Echosignale aus zunehmenden Tiefen empfangen werden, wodurch Rauschen bei höheren Frequenzen aus größeren Tiefen unterdrückt wird, das in der Regel frei von anatomischen Informationen ist.
Die Strahlformer zum Senden und zum Empfang sind in unterschiedlicher Hardware implementiert und können unterschiedliche Funktionen aufweisen. Der Empfangsstrahlformer ist gestaltet, um Eigenschaften des Sendestrahlformers zu berücksichtigen. Der Einfachheit halber sind in 1 nur die Empfangsstrahlformer 12, 20 gezeigt. Im Gesamtsystem kann eine Übertragungskette mit einem Sendemikrostrahlformer und einem Hauptsendestrahlformer vorhanden sein.
Der Mikrostrahlformer 12 stellt eine anfängliche Kombination von Signalen bereit, um die Anzahl der analogen Signalpfade zu verringern. Dies geschieht in der Regel im analogen Bereich. Der Hauptstrahlformer 20 führt die endgültige Strahlformung durch und ist in der Regel nach der Digitalisierung.
Sende- und Empfangskanal verwenden die gleiche Wandleranordnung 6, die ein festes Frequenzband aufweist. Die Bandbreite, welche die Sendeimpulse belegen, kann jedoch je nach verwendeter Sendestrahlformung variieren. Der Empfangskanal kann entweder die gesamte Wandlerbandbreite erfassen oder unter Verwendung von Bandpassverarbeitung nur die Bandbreite extrahieren, die die gewünschte Information, z. B. Oberwellen der Hauptoberwellen, enthält.
Die HF-Signale können dann mit einem B-Modus-Prozessor 26 (d. h. Helligkeitsmodus oder 2D-Bildgebungsmodus) und einem Doppler-Prozessor 28 gekoppelt werden. Der B-Modus-Prozessor 26 führt eine Amplitudenerkennung des empfangenen Ultraschallsignals zur Bildgebung von Strukturen im Körper, wie Organgewebe, Muskeln und Blutgefäßen, durch. Bei der zeilenweisen Bildgebung wird jede Zeile (Strahl) von einem zugehörigen HF-Signal repräsentiert, dessen Amplitude verwendet wird, um einen Helligkeitswert, der einem Pixel im B-Modus-Bild zuzuordnen ist, zu erzeugen. Die genaue Stelle des Pixels innerhalb des Bildes wird durch die Stelle der zugehörigen Amplitudenmessung entlang des HF-Signals und der Zeilennummer (Strahlnummer) des HF-Signals bestimmt. B-Modus-Bilder solcher Strukturen können im Oberwellen- oder fundamentalen Bildmodus oder einer Kombination von beiden gebildet werden, wie im US-Patent 6.283.919 (Roundhill et al.) und US-Patent 6.458.083 (Jago et al.) beschrieben. Der Dopplerprozessor 28 verarbeitet zeitlich unterschiedliche Signale, die sich aus Gewebebewegung und Blutfluss ergeben, zur Erkennung sich bewegender Substanzen, wie der Fluss von Blutzellen im Bildfeld. Der Dopplerprozessor 28 schließt in der Regel einen Wandfilter mit Parametern ein, die eingestellt sind, um Echos durchzulassen oder zurückzuweisen, die von ausgewählten Arten von Materialien im Körper zurückgegeben werden.
Die von dem B-Modus- und den Doppler-Prozessoren erzeugten Struktur- und Bewegungssignale sind an einen Scan-Umwandler 32 und einen multiplanarer Umformatierer 44 gekoppelt. Der Scan-Umwandler 32 ordnet die Echosignale in der räumlichen Beziehung, aus der sie empfangen wurden, in einem gewünschten Bildformat an. Der Scan-Umwandler kann wirken, um die HF-Daten von einem zylindrischen Koordinatensystem in ein kartesisches Koordinatensystem umzuwandeln, das zum Anzeigen eines Ultraschallbildes auf einer Bildanzeige 40 geeignet ist. Bei der B-Modus-Bildgebung ist die Helligkeit eines Pixels bei einer gegebenen Koordinate proportional zur Amplitude des von dieser Stelle empfangenen HF-Signals. Zum Beispiel kann der Scan-Umwandler das Echosignal in einem zweidimensionalen (2D) sektorförmigen Format oder einem pyramidalen dreidimensionalen (3D) Bild anordnen. Der Scan-Umwandler kann ein B-Modus-Strukturbild mit Farben überlagern, die einer Bewegung an Punkten in dem Bildfeld entsprechen, wo die Doppler-geschätzten Geschwindigkeiten eine gegebene Farbe erzeugen. Das kombinierte B-Modus-Strukturbild und Farbdopplerbild stellt die Bewegung von Gewebe und Blutfluss innerhalb des Strukturbildfeldes dar. Der multiplanare Umformatierer wandelt Echos, die von Punkten in einer gemeinsamen Ebene in einem Volumenbereich des Körpers empfangen werden, in ein Ultraschallbild dieser Ebene um, wie in US-Patent 6.443.896 (Detmer) beschrieben. Ein Volume-Renderer 42 wandelt die Echosignale eines 3D-Datensatzes in ein projiziertes 3D-Bild um, das von einem gegebenen Bezugspunkt aus betrachtet wird, wie in US-Patent 6.530.885 (Entrekin et al.) beschrieben.
Die 2D- oder 3D-Bilder werden von dem Scan-Umwandler 32, dem multiplanaren Umformatierer 44 und dem Volume-Renderer 42 an einen Bildprozessor 30 zur weiteren Verbesserung, Pufferung und Zwischenspeicherung zur Anzeige auf einer Bildanzeige 40 gekoppelt. Der Bildgebungsprozessor kann dafür ausgelegt sein, bestimmte Bildgebungsartefakte aus dem endgültigen Ultraschallbild zu entfernen, wie: akustische Abschattung, die zum Beispiel durch einen starken Abschwächer oder einer starken Brechung verursacht wird; posteriore Verstärkung, zum Beispiel verursacht durch einen schwachen Abschwächer; Nachhallartefakte, zum Beispiel wo sich stark reflektierende Gewebegrenzflächen in unmittelbarer Nähe befinden; und so weiter. Darüber hinaus kann der Bildprozessor dafür ausgelegt sein, bestimmte Speckle-Reduktions-Funktionen zu handhaben, um den Kontrast des endgültigen Ultraschallbildes zu verbessern.
Eine Benutzerschnittstelle 38 kann auch mit der Sendesteuerung 18 gekoppelt sein, um die Erzeugung von Ultraschallsignalen von der Wandleranordnung 6 und somit die von der Wandleranordnung und dem gesamten Ultraschallsystem erzeugten Bilder zu steuern. Die Steuerung 18 kann auch die (vom Benutzer vorgegebene) Betriebsart und die entsprechende erforderliche Senderkonfiguration und Bandpasskonfiguration im Empfänger-Analog-Digital-Wandler berücksichtigen. Die Steuerung 18 kann eine Zustandsmaschine mit festen Zuständen sein.
2 veranschaulicht ein Muskelbewertungssystem 200, das ein Muskelbildgebungssystem 205 und eine Nachverarbeitungseinheit 250 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.
Das Muskelbildgebungssystem 205 umfasst eine Ultraschallsonde 210, einen Antriebsmechanismus 220, einen Formsensor 230 und eine Verarbeitungseinheit 240.
Die Ultraschallsonde 210 ist dafür ausgelegt, ein Bildgebungsverfahren an einem Subjekt 290 durchzuführen, z. B. wie ein beliebiges zuvor beschriebenes Bildgebungsverfahren, um Ultraschalldaten von einem oder mehreren Muskeln des Subjekts zu erfassen. Die Ultraschalldaten können verarbeitet werden, um ein Ultraschallbild zu erzeugen, z. B. unter Verwendung einer zuvor beschrieben Steuerschaltlogik und Verarbeitungsschaltlogik. Die Steuer- und/oder Verarbeitungsschaltlogik für die Ultraschallsonde kann in der Ultraschallsonde, der Verarbeitungseinheit 240 oder einem separaten Modul (nicht gezeigt) implementiert sein.
Nur beispielhaft kann das Bildgebungsverfahren das iterative Erfassen von 2D-Ultraschallbildern des Subjekts 290 umfassen. Somit kann das Bildgebungsverfahren das Erzeugen einer Reihe oder Folge von Ultraschallbildern von einem oder mehreren Muskeln des Subjekts umfassen, wobei die Reihe/Folge als die Ultraschalldaten fungiert.
In einem anderen Beispiel kann das Bildgebungsverfahren das Aufnehmen eines 2-dimensionalen Videos des Subjekts, d. h. eines 2D-Videos von einem oder mehreren Muskeln des Subjekts, umfassen.
Der Antriebsmechanismus 220 ist dafür ausgelegt, eine Position der Ultraschallsonde 210 während des Bildgebungsverfahrens anzupassen. Anders ausgedrückt, der Antriebsmechanismus 220 ist in der Lage, die Ultraschallsonde 210 in Bezug auf das abgebildete Subjekt 290 zu bewegen, zumindest während die Ultraschallsonde 210 das Subjekt 290 abbildet.
Der veranschaulichte Antriebsmechanismus 220 ist dafür ausgelegt, eine Position der Ultraschallsonde in Bezug auf drei orthogonale Achsen X, Z, Y, d. h. innerhalb eines euklidischen Raums, anzupassen. Insbesondere kann der Antriebsmechanismus die Koordinaten der Ultraschallsonde in Bezug auf die drei orthogonalen Achsen X, Z, Y definieren.
In einer Ausführungsform wird dies vom Antriebsmechanismus 220 durchgeführt, der die Ultraschallsonde 230 entlang einer oder mehrerer Spuren 221, 222, 223 des Antriebsmechanismus 220 bewegt, z. B. einer jeweiligen Spur, die entlang jeder orthogonalen Achse positioniert ist. Eine erste Spur 221 kann die X-Achsen- (oder erste orthogonale Achsen-) Position der Ultraschallsonde definieren, eine zweite Spur 222 kann die Z-Achsen- (oder zweite orthogonale Achsen-) Position der Ultraschallsonde definieren, und eine dritte Spur 223 kann die Y-Achsen- (oder dritte orthogonale Achsen-) Position der Ultraschallsonde definieren.
In Ausführungsformen müssen die orthogonalen Achsen X, Y, Z nicht entlang der Richtung der Spuren liegen. Dies liegt daran, dass die Spuren die Bewegung der Ultraschallsonde innerhalb eines 3D-Raumes erlauben, so dass die Position (d. h. Ausrichtung oder Richtung) der orthogonalen Achsen innerhalb dieses 3D-Raumes beliebig sein kann.
Andere Verfahren des Bewegens einer Ultraschallsonde innerhalb von drei orthogonalen Achsen (d. h. innerhalb eines 3D-Raums) sind für den Fachmann offensichtlich, z. B. unter Verwendung eines mechanischen Arms. In einigen Ausführungsformen bewegt der Antriebsmechanismus die Ultraschallsonde nur in Bezug auf zwei orthogonale Achsen, d. h. innerhalb einer einzelnen Ebene.
Das abzubildende Subjekt 290 liegt vorzugsweise im Wesentlichen entlang der X-Achse. Das Subjekt kann zum Beispiel ein Arm oder ein Bein (d. h. eine Gliedmaße) sein. In einigen Ausführungsformen kann die Position des Subjekts 290 die Stelle der X-Achse definieren. Zum Beispiel kann die X-Achse als eine Achse definiert sein, entlang der das Subjekt (z. B. Arm oder Bein) liegt, wobei die Y-Achse und die Z-Achse in Bezug auf dieses definiert sind.
Der Formsensor 230 ist dafür ausgelegt, eine Form des Subjekts 290 abzutasten, d. h. die relative Stelle einer oder mehrerer äußerer Begrenzungen des Subjekts. In bestimmten Beispielen kann der Formsensor ein 3D-Konturbild des Subjekts, insbesondere der Muskeln des Subjekts, konstruieren. Die bestimmte Form kann eine Form des Subjekts für potenzielle zukünftige Stellen/Positionen (in einer oder mehreren Achsen) der Ultraschallsonde sein. Beispiele für geeignete Formsensoren schließen einen Näherungssensor, eine Anordnung von Näherungssensoren, einen strukturierten Lichtsensor, einen Laufzeitsensor und so weiter ein.
Der Formsensor 230 kann in der Lage sein, einen Abstand zwischen dem Formsensor und dem Körper zu bestimmen, um eine Tiefenkarte zu bestimmen, welche die Form des Subjekts darstellt. In anderen Ausführungsformen kann der Formsensor eine Form des Subjekts unabhängig vom Abstand vom Formsensor oder Ultraschallschall bestimmen, z. B. eine Form in Bezug auf einen Anfangspunkt der Formbestimmung.
Das Bestimmen einer Form des Subjekts bedeutet, dass die relative Stelle der äußeren Begrenzungen des Subjekts bekannt ist. Dies ermöglicht, dass die Ultraschallsonde in Bezug auf die bekannten äußeren Begrenzungen des Subjekts während des Ultraschallverfahrens automatisch positioniert wird, um z. B. Kontakt mit den äußeren Begrenzungen (Haut) des Subjekts zu halten.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Formsensor auf dem Antriebsmechanismus 220 montiert, so dass eine Bewegung der Ultraschallsonde 210 eine äquivalente Bewegung im Formsensor auslöst.
In anderen Ausführungsformen ist der Formsensor 230 an dem Antriebsmechanismus 220 montiert, so dass eine Bewegung der Ultraschallsonde 210 in Bezug auf mindestens eine orthogonale Achse (aber nicht notwendigerweise alle drei) eine äquivalente Bewegung des Formsensors 230 in derselben mindestens einen Achse auslöst.
Insbesondere kann der Formsensor 230 montiert sein, so dass mindestens eine Bewegung der Ultraschallsonde 210 entlang der X-Achse eine äquivalente Bewegung des Formsensors 230 entlang der X-Achse auslöst. Dies bedeutet, dass, wenn die Ultraschallsonde entlang der X-Achse bewegt wird (z. B. während des Bildgebungsverfahrens), der Formsensor entlang der X-Achse bewegt wird, um es ihm zu ermöglichen, eine Form des Subjekts zu bestimmen.
Vorzugsweise ist der Formsensor 230 montiert, so dass eine Bewegung (d. h. Positionsänderung) der Ultraschallsonde 210 in einer beliebigen der drei orthogonalen Achsen eine identische Bewegung (oder Positionsänderung) des Formsensors 230 einleitet.
Der Formsensor 230 ist montiert, so dass ein Abstand oder Versatz o, in Bezug auf mindestens eine Achse X, zwischen dem Formsensor 230 und der Ultraschallsonde 210 bekannt ist oder leicht berechnet werden kann. Dies ermöglicht wirksam die Form des Subjekts in Bezug auf die (z. B. aus der Sicht der) Ultraschallsonde, um eine geeignete Positionierung des Ultraschallnachweises in Bezug auf die Form des Subjekts zu ermöglichen.
Wenn zum Beispiel der Formsensor nicht positioniert ist, so dass er sich mit einer Z-Achsenbewegung der Ultraschallsonde bewegt, kann die relative Position des Formsensors auf der Z-Achse bekannt sein und verwendet werden, um den Z-Achsenabstand zwischen der Ultraschallsonde und dem Sensor zu berechnen, wenn sich die Ultraschallsonde auf und ab der Z-Achse bewegt.
In einem ersten Beispiel ist der Formsensor 230 ein strukturierter Lichtsensor, der eine Kamera und eine Laserquelle umfasst, der dafür ausgelegt ist, ein dreieckiges Messprinzip zu verwenden, um den Z-Abstand (d. h. einen Abstand entlang der Z-Achse) zwischen dem Formsensor 230 und der Oberfläche des Subjekts zu erhalten. Dadurch kann eine Tiefenkarte konstruiert werden.
Der strukturierte Lichtsensor kann zum Beispiel ein vorbestimmtes Muster auf die Oberfläche des Subjekts projizieren und eine Änderung oder Verformung des projizierten Musters überwachen, um einen Abstand und/oder eine Form des Subjekts unterhalb des Formsensors zu identifizieren. Das projizierte vorbestimmte Muster kann ein eindimensionales Muster (z. B. im Wesentlichen linear) oder ein zweidimensionales Muster sein.
In einem zweiten Beispiel ist der Formsensor 230 eine Stereokamera, die dafür ausgelegt ist, ein 3D-Konturbild der Muskeln zu konstruieren. Die Verwendung einer Stereokamera zum Bestimmen einer Form oder eines Umrisses einer Struktur ist in der Technik gut bekannt. Die Stereokamera kann bestimmen, wie unterschiedliche Flächen des Subjekts in Bezug aufeinander positioniert sind.
In einem dritten Beispiel ist der Formsensor 230 ein Näherungssensor, der dafür ausgelegt ist, einen Abstand (entlang einer Z-Achse) des Subjekts von dem Formsensor 230 zu bestimmen. Der Formsensor kann einen 1-dimensionalen oder 2-dimensionalen Näherungssensor (oder eine Anordnung von Näherungssensoren) umfassen, so dass eine Tiefenkarte der Fläche des Subjekts unter dem Formsensor 230 konstruiert werden kann. Die Tiefenkarte kann iterativ konstruiert (z. B. zusammengeheftet) werden, wenn der Formsensor über die Oberfläche des Subjekts bewegt wird, z. B. durch Bewegung des Ultraschallsensors.
Beispiele für Näherungssensoren schließen einen photoelektrischen (z. B. Licht oder Infrarot) oder anderen optischen Sensor, einen kapazitiven Näherungssensor oder einen Ultraschallsensor ein.
Beispielhaft kann der Formsensor einen 1-dimensionalen Näherungssensor (oder eine 1-dimensionale Anordnung von Näherungssensoren) umfassen, der senkrecht zur X-Achse und in einer Linie parallel zur Y-Achse angeordnet ist.
Der 1-dimensionale Näherungssensor kann einen Z-Achsenabstand zwischen dem Subjekt und dem Formsensor entlang einer Linie parallel zur Y-Achse erfassen. Somit wird, wenn die Ultraschallsonde entlang der X-Achse bewegt wird, ein Z-Achsenabstand für eine Vielzahl von Y-Achsenpositionen entlang jeder X-Achsenposition berechnet. Insbesondere bestimmt der 1-dimensionale Näherungssensor, für eine bestimmte X-Achsenposition, einen Z-Achsenabstand (zwischen dem Subjekt und dem Formsensor) für jede einer Vielzahl von Y-Achsenpositionen.
Der Formsensor kann in der Lage sein, mindestens einen 1-dimensionalen Vektor von Z-Achsenabständen zu erhalten. Insbesondere kann der Formsensor, an einer bestimmten X-Achsenposition, in der Lage sein, einen Z-Achsenabstand für jede einer Vielzahl von Y-Achsenpositionen zu bestimmen, um dadurch eine Form des Subjekts an der X-Achsenposition zu bestimmen. Wenn der Formsensor entlang der X-Achse bewegt wird, wird somit eine Gesamtform des Subjekts aufgebaut.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Formsensor in der Lage, eine 2-dimensionale Anordnung von Z-Achsenabständen zu erhalten. Insbesondere kann der Formsensor (gleichzeitig) mindestens einen Z-Achsenabstand für eine Vielzahl von Y-Achsenpositionen und entsprechenden X-is-Positionen, d. h. an einer 2-dimensionalen Anordnung von Y- und X-Achsenpositionen, erhalten. Auf diese Weise wird eine Form des Subjekts an einer Vielzahl von X-Achsenpositionen erhalten.
Die X-Achsenpositionen (und/oder Y-Achsenpositionen) können um einen vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet sein.
Somit ist der Formsensor in der Lage, eine (äußere) Form des Subjekts zu verfolgen oder anderweitig zu bestimmen, wenn die Ultraschallsonde 210 entlang der X-Achse bewegt wird (z. B. während des Bildgebungsverfahrens). Insbesondere werden mehr Informationen über die Form des Subjekts erhalten, wenn sich der Formsensor um das Objekt bewegt, wobei die Bewegung durch eine Bewegung der Ultraschallsonde, z. B. während des Bildgebungsverfahrens, ausgelöst wird.
Durch Abtasten der Form des Subjekts ist der Formsensor gleichzeitig in der Lage, eine Form der Muskeln des Subjekts zu bestimmen. Es versteht sich, dass die äußere Form eines Subjekts durch die Stelle, Größe und Form der Muskeln des Subjekts bestimmt wird. Durch dieses Verfolgen der Form des Subjekts kann gleichzeitig die Form der Muskeln des Subjekts verfolgt werden.
Die Verarbeitungseinheit 240 ist dafür ausgelegt, den Antriebsmechanismus zu steuern, um dadurch eine Position von mindestens der Ultraschallsonde 210 während des Bildgebungsverfahrens zu steuern. Insbesondere ist die Verarbeitungseinheit 240 auf eine Position der Ultraschallsonde (in Bezug auf eine oder mehrere der orthogonalen Achsen X, Y, Z) basierend auf der abgetasteten Form des Subjekts ausgelegt.
Die Verarbeitungseinheit kann in der Lage sein, (von dem Formsensor 230) die Form des Subjekts und insbesondere eine Form des Subjekts zu erlernen, die eine nächste gewünschte Stelle (z. B. in Bezug auf eine bestimmte Achse) für die Ultraschallsonde umgibt, die zum Abbilden des Subjekts positioniert werden soll. Die Verarbeitungseinheit kann dann die Ultraschallsonde basierend auf der Form des Subjekts in geeigneter Weise an der nächsten Stelle positionieren.
Beispielhaft kann die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt sein, die Ultraschallsonde in (gutem) Kontakt mit einer Hautoberfläche des Subjekts zu halten.
Wenn der Formsensor eine Tiefenkarte konstruiert, ist der Z-Achsenabstand zwischen dem Formsensor und der Oberfläche des (Haut des) Subjekts für eine Vielzahl von Y-Achsenpositionen bekannt, die einer gewünschten X-Achsenposition zugeordnet sind. Da auch ein Versatz zwischen dem Formsensor und der Ultraschallsonde bekannt ist (oder berechnet werden kann), kann, wenn die Ultraschallsonde in eine bestimmte X- und Y-Achsenposition bewegt wird, die Z-Achsenposition der Ultraschallsonde gesteuert werden, so dass die Ultraschallsonde die Haut des Subjekts berührt.
In einigen Ausführungsformen kann die Z-Achsenposition derart ausgewählt werden, dass sie geringfügig unter der erkannten Hautoberfläche liegt (z. B. 0,5-10 mm, abhängig von der abgebildeten Stelle), so dass die Ultraschallsonde gegen die Haut drückt. Dies stellt sicher, dass ein guter Kontakt mit der Haut hergestellt und gehalten wird.
Als weiteres Beispiel kann die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt sein, die Ultraschallsonde in Kontakt mit einer Linie oder Kontur eines Muskels zu halten, was aus der bestimmten Form des Subjekts deutlich gemacht werden kann. Wie später erläutert wird, kann die Stelle des Muskels dem kürzesten Z-Achsenabstand zugeordnet sein, so dass ein iteratives Positionieren der Ultraschallsonde an der Y-Achsenposition, welche die kürzeste Z-Achsenposition aufweist (für die nächste gewünschte X-Achsenposition), bewirken kann, dass die Ultraschallsonde die Linie des Muskels verfolgt oder dieser folgt.
Der genaue Betrieb der Verarbeitungseinheit 240, d. h. wie die Ultraschallsonde 210 gesteuert wird, wird in unterschiedlichen Ausführungsformen variieren. Diese Variation kann auch einen erforderlichen Betrieb des Formsensors 230 und das Detailniveau, das für die Form des Subjekts erforderlich ist, definieren.
In einem relativ einfachen ersten Szenario ist die Verarbeitungseinheit 240 dafür ausgelegt, die Ultraschallsonde 210 während eines Bildgebungsverfahrens kontinuierlich oder iterativ entlang einer einzelnen Richtung der X-Achse zu bewegen, wobei die Y-Achsenposition konstant gehalten wird und die Z-Achsenposition auf der abgetasteten Form des Objekts 290 basiert. Insbesondere kann die Z-Achsenposition gesteuert werden, um die Ultraschallsonde 210 in Kontakt mit dem Subjekt 290 zu halten.
Mit anderen Worten, die X-Achsen-Koordinate der Ultraschallsonde kann unabhängig von der abgetasteten Form des Subjekts sein (z. B. basierend auf einer Benutzereingabe), die Y-Achsen-Koordinate kann während des gesamten Bildgebungsverfahrens fest sein, und die Z-Achsen-Koordinate kann von der abgetasteten Form des Subjekts abgeleitet werden.
In diesem ersten Szenario muss der Formsensor 230 nur in der Lage sein, einen Abstand (d. h. entlang der Z-Achse) zwischen dem Formsensor 230 (oder Ultraschallsonde) und dem Subjekt 290 (an einer Position entlang derselben Y-Achse, in der die Ultraschallsonde liegt) zu bestimmen. Insbesondere ist der Formsensor 230 positioniert, um voran der Bewegung der Ultraschallsonde entlang der X-Achse zu folgen, um dadurch der Form (Stelle der äußeren Begrenzungen) des Subjekts im Voraus der Bewegung der Ultraschallsonde zu folgen. Somit kann der Formsensor (oder die Verarbeitungseinheit) ein 1-dimensionales Tiefenprofil des Subjekts entlang der X-Achse aufbauen.
Wenn sich die Ultraschallsonde 210 zu einer X-Achsenposition bewegt, für die der Formsensor 230 einen entsprechenden Abstand (entlang der Z-Achse) gemessen hat, kann die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt sein, die Z-Achsenposition der Ultraschallsonde 210 zu bewegen, so dass sie in Kontakt mit oder an einer Oberfläche der Haut des Subjekts bleibt (z. B. anstatt zu versuchen, sich von der Haut des Subjekts abzuheben oder in die Haut des Subjekts zu drücken). In einem anderen Beispiel kann die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt sein, die Z-Achsenposition der Ultraschallsonde 210 zu bewegen, so dass sie in einem bestimmten Abstand (z. B. 0,5-5 mm) unter der Oberfläche des Subjekts positioniert ist, um sicherzustellen, dass ein guter Kontakt mit dem Subjekt gehalten wird.
Der Versatz in der Z-Achse zwischen dem Formsensor 230 und der Ultraschallsonde 210 ist fest (oder kann anderweitig berechnet werden). Auf diese Weise kann die geeignete Z-Achsenposition für die Ultraschallsonde basierend auf dem bestimmten Abstand, welcher der geeigneten X-Achsenposition zugeordnet ist, eingestellt werden.
In diesem ersten Szenario muss der Antriebsmechanismus 220 nur in der Lage sein, die Ultraschallsonde in zwei orthogonalen Achsen (der X- und Z-Achse) zu bewegen.
Somit ist in dem ersten Szenario die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, den Antriebsmechanismus während des Bildgebungsverfahrens durch Durchführen eines iterativen Verfahrens zu steuern, umfassend: Erhalten einer nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse für die Ultraschallsonde; Bestimmen einer nächsten Position entlang der zweiten orthogonalen Achse für die Ultraschallsonde basierend auf der bestimmten Form für das Subjekt an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse; und Steuern des Antriebsmechanismus, um die Ultraschallsonde an einer einzelnen Stelle, die an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse und der nächsten Position entlang der zweiten orthogonalen Achse liegt, zu platzieren.
In einem komplexeren zweiten Szenario ist die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, die Ultraschallsonde während eines Bildgebungsverfahrens kontinuierlich oder iterativ entlang einer einzelnen Richtung der X-Achse zu bewegen, wobei die Y-Achsen- und Z-Achsenpositionen auf der abgetasteten Form des Objekts 290 basieren.
Mit anderen Worten kann die X-Achsen-Koordinate der Ultraschallsonde unabhängig von der abgetasteten Form des Subjekts sein (z. B. durch eine Benutzereingabe bereitgestellt), und die Y-Achsen- und Z-Achsen-Koordinaten können von der abgetasteten Form des Subjekts abgeleitet werden.
In diesem zweiten Szenario sollte der Formsensor 230 mindestens in der Lage sein, einen Abstand (d. h. entlang der Z-Achse) zwischen dem Formsensor 230 und dem Subjekt 290 für eine Vielzahl von unterschiedlichen Y-Achsenpositionen (z. B. für jede mögliche Y-Achsenposition) zu bestimmen.
In einem ersten Beispiel kann, wenn sich die Ultraschallsonde 210 zu einer X-Achsenposition bewegt, für die der Formsensor 230 einen entsprechenden Abstand (entlang der Z-Achse) für eine Vielzahl von Y-Achsenpositionen gemessen hat, die Verarbeitungseinheit 240 dafür ausgelegt sein, die Ultraschallsonde 210 zu bewegen, so dass sie an einer Y-Achsenposition liegt, die dem kürzesten/kleinsten Z-Achsenabstand zwischen dem Formsensor und dem Subjekt zugeordnet ist, und so dass die Ultraschallsonde an einer geeigneten Z-Achsenposition liegt, damit sie an der Hautoberfläche des Subjekts verbleibt.
In einem zweiten Beispiel kann, wenn sich die Ultraschallsonde 210 zu einer X-Achsenposition bewegt, für die der Formsensor 230 einen entsprechenden Abstand (entlang der Z-Achse) für eine Vielzahl von Y-Achsenpositionen gemessen hat, die Verarbeitungseinheit 240 dafür ausgelegt sein, die Ultraschallsonde 210 zu bewegen, so dass sie an einer Y-Achsenposition innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Y-Achsenpositionen liegt, (z. B. von einer vorherigen Y-Achsenposition der Ultraschallsonde), die dem kürzesten Z-Achsenabstand zwischen dem Formsensor dem Subjekt zugeordnet ist, und so dass die Ultraschallsonde an einer geeigneten Z-Achsenposition liegt, damit sie an der Hautoberfläche des Subjekts verbleibt. Durch das Begrenzen der Y-Achsenposition innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Y-Achsenpositionen können plötzliche Sprünge der Ultraschallsonde vermieden werden, so dass die Linie eines Muskels weiter verfolgt werden kann.
Beispielhaft können medizinische Objekte, die auf/in einem Arm oder Bein eines Subjekts positioniert sind (z. B. ein Pflaster oder eine Kanüle), eine falsche Ablesung für den Z-Achsenabstand bereitstellen, was durch das Begrenzen der nachfolgenden Y-Achsenpositionen vermieden werden kann, so dass sie innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Y-Achsenpositionen von einer vorherigen Y-Achsenposition liegen.
Der vorbestimmte Bereich von Y-Achsenpositionen kann ein Bereich sein, der gleich der vorherigen Y-Achsenposition ± einem vorbestimmten Abstand ist. Der vorbestimmte Abstand kann etwa gleich (z. B. ± 1 % oder ± 5 %) oder kleiner als ein Abstand zwischen einer neuen X-Achsenposition und einer vorherigen X-Achsenposition sein, da es unwahrscheinlich ist, dass ein Muskel um mehr als diesen Wert innerhalb der Y-Achse abweicht, z. B. wenn das Subjekt mit der X-Achse ausgerichtet ist.
Der Formsensor 230 kann eine Form des Subjekts während des Bildgebungsverfahrens oder vor dem Bildgebungsverfahren bestimmen.
3 veranschaulicht ein Profilbild 300 für eine bestimmte X-Achsenposition, z. B. erzeugt durch den Formsensor, in dem ein Z-Achsenabstand für jede einer Vielzahl von Y-Achsenpositionen bestimmt wurde. Die Verarbeitungseinheit kann dafür ausgelegt sein, die Ultraschallsonde wirksam an einem Punkt 310 zu platzieren, der dem kleinsten Z-Achsenabstand zugeordnet ist.
Auf diese Weise kann die Position der Ultraschallsonde die Position des kleinsten Z-Achsenabstandes verfolgen. Dies führt effektiv dazu, dass die Position der Ultraschallsonde die Position des Muskels des Subjekts verfolgt, da sich ein Muskel in der Regel unterhalb des Punkts, der den kleinsten Z-Achsenabstand aufweist (d. h. der größten Ausbuchtung oder Außenkontur des Subjekts), befindet.
Auf diese Weise verfolgt die Ultraschallsonde effektiv den Muskel, um dadurch automatisch die Gesamtheit des Muskels abzubilden. Dies verbessert die Bildgebung des Muskels und damit jede nachfolgende Bestimmung von Parametern des Muskels des Subjekts.
Insbesondere bedeutet die adaptive Anpassung an die Y-Achsen- und Z-Achsenposition der Ultraschallsonde, dass, wenn die X-Achsenposition der Ultraschallsonde geändert wird, die Ultraschallsonde in der Mitte eines Muskels, der eine variable Form aufweist, verbleibt. Dies bedeutet, dass ein vollständigerer Ultraschall-Scan des Muskels automatisch durchgeführt werden kann, z. B. ohne dass ein Eingriff durch einen Kliniker erforderlich ist. Dies verringert eine Belastung des Klinikers für das Durchführen einer Ultraschallbildgebung eines Muskels des Subjekts erheblich.
Somit ist in dem zweiten Szenario die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt, den Antriebsmechanismus während des Bildgebungsverfahrens durch Durchführen eines iterativen Verfahrens zu steuern, umfassend: Erhalten einer nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse für die Ultraschallsonde; Bestimmen einer nächsten Position entlang der zweiten orthogonalen Achse für die Ultraschallsonde basierend auf der bestimmten Form für das Subjekt an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse; Bestimmen einer nächsten Position entlang der dritten orthogonalen Achse für die Ultraschallsonde basierend auf der bestimmten Form für das Subjekt an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse; und Steuern des Antriebsmechanismus, um die Ultraschallsonde an einer einzelnen Stelle, die an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse, der nächsten Position entlang der zweiten orthogonalen Achse und der nächsten Position entlang der dritten orthogonalen Achse liegt, zu platzieren.
In den vorstehenden Ausführungsformen kann die Verarbeitungseinheit dafür ausgelegt sein, die Ultraschallsonde iterativ entlang der X-Achse zu bewegen, z. B. in Intervallen zwischen einer Start- und einer Endstelle, die von dem Benutzer definiert werden können. Das von der Ultraschallsonde durchgeführte Bildgebungsverfahren kann das Aufnehmen eines Ultraschallbildes nach jeder iterativen Bewegung umfassen.
Die Entfernung der von der Verarbeitungseinheit 240 gesteuerten iterativen Bewegung (d. h. des Abtastintervalls) kann z. B. von einem Benutzer vorgegeben werden. Insbesondere kann die Verarbeitungseinheit eine Benutzereingabe empfangen, die einen vordefinierten X-Achsenabstand angibt. Die Verarbeitungseinheit kann dann iterativ die Position der Ultraschallsonde (entlang der X-Achse) um diesen vordefinierten X-Achsenabstand bewegen, wobei die Z-Achsenposition (und wahlweise Y-Achsenposition) auf den Daten des Formsensors basiert.
In einem anderen Beispiel kann die Verarbeitungseinheit 240 dafür ausgelegt sein, die Ultraschallsonde kontinuierlich entlang der X-Achse zu bewegen, z. B. zwischen einer Start- und einer Endstelle, die von dem Benutzer definiert werden können. Das von der Ultraschallsonde durchgeführte Bildgebungsverfahren kann iteratives Aufnehmen eines (2D-) Ultraschallbildes während der kontinuierlichen Bewegung oder Aufnehmen eines 2D-Ultraschallvideos während der kontinuierlichen Bewegung umfassen.
Für eine verbesserte Bildgebungsgenauigkeit ist es bevorzugt, ein Ultraschallbild des Subjekts aufzunehmen, wenn die Ultraschallsonde in Bezug auf das Subjekt stationär ist, z. B. nach einer iterativen Bewegung statt während einer kontinuierlichen Bewegung. Daher kann es zwischen jeder iterativen Bewegung eine Pause geben, um es der Ultraschallsonde zu ermöglichen, ein (2D-) Ultraschallbild aufzunehmen.
Die Verarbeitungseinheit 240 kann dafür ausgelegt sein, mit einer Benutzerschnittstelle 245 (die einen Teil des Muskelbildgebungssystems 200 bilden kann) zu kommunizieren, um das Abtastintervall, die Startstelle und/oder die Endstelle zu bestimmen. Die Benutzerschnittstelle kann einen Eingabemechanismus für einen Benutzer umfassen, z. B. eine Tastatur, einen Bildschirm, eine Maus und so weiter.
Die Benutzerschnittstelle 245 kann dafür ausgelegt sein, eine Benutzereingabe zu empfangen, die einen Abstand für die Ultraschallsonde angibt, um sich entlang der X-Achse zu bewegen (wodurch die Endstelle definiert wird), und ein Abtastintervall (d. h. den Abstand zwischen iterativen Bewegungen der Ultraschallsonde). In einem anderen Beispiel kann die Benutzereingabe eine X-Achsen-Startposition, eine X-Achsen-Endposition und das Abtastintervall angeben.
Die Benutzerschnittstelle 245 kann die in der Benutzereingabe enthaltenen Informationen an die Verarbeitungseinheit 240 weiterleiten, die anschließend die Ultraschallsonde, basierend auf diesen Informationen und der bestimmten Form des Objekts wie zuvor beschrieben, steuern kann.
Wieder Bezug nehmend auf 2 kann das Muskelbewertungssystem 200 auch eine Nachverarbeitungseinheit 250 zum Verarbeiten der Ultraschalldaten (z. B. Ultraschallbild(er)) umfassen, die von der Ultraschallsonde 210 des Muskelbildgebungssystems 205 erzeugt werden. Somit kann die Nachverarbeitungseinheit 250 Ultraschalldaten von der Ultraschallsonde 210 zur Verarbeitung empfangen.
Die Nachverarbeitungseinheit 250 ist dafür ausgelegt, die Ultraschalldaten zu verarbeiten, um einen oder mehrere Parameter des abgebildeten Bereichs des Subjekts zu erzeugen oder zu bestimmen. Insbesondere verarbeitet die Nachverarbeitungseinheit 250 die Ultraschalldaten, um einen oder mehrere Parameter der einen oder der mehreren Muskeln zu bestimmen. Beispielhafte Parameter schließen Abmessungen des einen oder der mehreren Muskeln ein, wie eine Breite, Höhe, Fläche, Volumen, Umfang, Radius und Durchmesser (unter anderen Abmessungen).
In einer Ausführungsform umfassen die Ultraschalldaten eine Reihe oder Folge von 2D-Ultraschallbildern. Die Nachverarbeitungseinheit kann dafür ausgelegt sein, ein 3D-Ultraschallbild basierend auf der Reihe oder Folge von Ultraschallbildern zu rekonstruieren. Dies kann durch Stapeln der 2D-Ultraschallbilder und Extrapolieren zwischen den gestapelten 2D-Ultraschallbildern durchgeführt werden, wie im Stand der Technik hinreichend bekannt ist.
In einer anderen Ausführungsform können die von der Ultraschallsonde erhaltenen Ultraschalldaten selbst ein 3D-Ultraschallbild des Subjekts umfassen, das z. B. von einer Schaltung innerhalb der Ultraschallsonde konstruiert wird.
Nach dem Erhalten eines 3D-Ultraschallbildes des Subjekts kann die Nachverarbeitungseinheit 250 dafür ausgelegt sein, Muskelerkennung unter Verwendung von Bildsegmentierungstechniken und/oder Systemen künstlicher Intelligenz (wie neuronalen Netzwerken) durchzuführen. Eine Muskelerkennung aus einem 3D-Ultraschallbild ist in der Technik bekannt.
Die Nachverarbeitungseinheit kann auch dafür ausgelegt sein, die erkannten Muskeln in dem 3D-Ultraschallbild weiter zu verarbeiten, um einen oder mehrere Parameter oder Abmessungen des Muskels zu berechnen. Verfahren zum Bestimmen von Parametern basierend auf erkannten Muskeln innerhalb eines 3D-Ultraschallbildes sind in der Technik ebenfalls hinreichend bekannt.
Ein Beispiel zum Bestimmen einer Muskelsteifigkeit unter Verwendung von Ultraschallbildgebung ist in Wu, Chueh-Hung et al. „Evaluation of post-stroke spastic muscle stiffness using shear wave ultrasound elastography“, Ultrasound in medicine & biology 43.6 (2017): 1105-1111 offenbart.
In einem anderen Beispiel wurden Verfahren zur Bestimmung einer muskelkorrigierten Echoogenität und Muskeldicke von Berenpas, Frank et al. in „Bilateral changes in muscle architecture of physically active people with chronic stroke: a quantitative muscle ultrasound study“, Clinical Neurophysiology 128.1 (2017): 115-122 verwendet.
In einem weiteren Beispiel wird ein Verfahren zur Erkennung des Abstands von Akromion-größerer Tuberositas (AGT) unter Verwendung von Ultraschall in Idowu, Bukunmi M., et al. „Sonographie detection of inferior subluxation in post-stroke hemiplegic shoulders“, Journal of ultrasonography 17.69 (2017): 106 verwendet.
Zumindest aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass das Konzept des Bestimmens von Parametern basierend auf erkannten Muskeln innerhalb von Ultraschallbildern im Stand der Technik hinreichend bekannt ist.
4 veranschaulicht ein Verfahren 400 oder einen Arbeitsablauf des Betreibens eines Muskelbewertungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das Verfahren 400 umfasst einen ersten Schritt 410 des Positionierens der Ultraschallsonde an einer Startstelle oder einer Position in Bezug auf das Subjekt.
Anfänglich kennt das Muskelbildgebungssystem möglicherweise die Form des Subjekts nicht, z. B. ist der Formsensor möglicherweise nicht in der Lage, die Form des Subjekts zu bestimmen, bis das Bildgebungsverfahren beginnt. Somit kann der erste Schritt 410 durch einen Kliniker durchgeführt werden, der die Ultraschallsonde physisch an einer geeigneten Startstelle (z. B. in Kontakt mit der Haut des Subjekts) platziert.
Das Verfahren 400 kann dann ferner einen zweiten Schritt 420 des Bereitstellens einer Benutzereingabe umfassen, die eine gewünschte Endstelle und ein gewünschtes Intervall für iterative Bewegungen der Ultraschallsonde angibt. Der zweite Schritt 420 kann auch von dem Kliniker durchgeführt werden.
Es versteht sich, dass es daher einen entsprechenden Schritt (als Alternative zu Schritt 420) des Empfangens der Benutzereingabe gibt, die von dem Muskelbildgebungssystem 200 (insbesondere die Benutzerschnittstelle 245 des Muskelbildgebungssystems) durchgeführt wird.
Das Verfahren 400 umfasst ferner ein Bildgebungsverfahren 430 im Anschluss an Schritt 420. Das Bildgebungsverfahren umfasst hier einen Schritt 431 des Aufnehmens eines 2D-Ultraschallbildes.
In Schritt 432 wird bestimmt, ob die Ultraschallsonde die gewünschte Endstelle erreicht hat. Als Reaktion darauf, dass die Ultraschallsonde die gewünschte Endstelle erreicht, kann das Bildgebungsverfahren enden, und das Verfahren 400 kann dann zum Beispiel zu einem Schritt 440 wechseln. Andernfalls wird ein Schritt 433 des Bewegens der Ultraschallsonde basierend auf der bestimmten Form des Subjekts durchgeführt, und das Bildgebungsverfahren 430 kehrt zurück zu Schritt 431.
In einigen Ausführungsformen kann Schritt 433 der erste Schritt sein, der in dem Bildgebungsverfahren 430 durchgeführt wird (d. h. der nächste Schritt, der durchgeführt wird, nachdem Schritt 420 abgeschlossen wurde). Mit anderen Worten kann das erste Ultraschallbild aufgenommen werden, nachdem die Position der Ultraschallsonde basierend auf der bestimmten Form des Subjekts bewegt wurde.
Die Form des Subjekts wird in einem Schritt 435 abgetastet. Schritt 435 kann während des Bildgebungsverfahrens (wie veranschaulicht) durchgeführt werden oder kann vor dem Bildgebungsverfahren durchgeführt werden. In einem Beispiel kann für jede iterative Bewegung der Ultraschallsonde die Form des Subjekts an potenziellen nachfolgenden Stellen/Positionen der Ultraschallsonde bestimmt und verwendet werden, um eine geeignete nachfolgende Stelle der Ultraschallsonde auszusuchen oder auszuwählen.
Somit kann die Form des Subjekts während des Bildgebungsverfahrens aufgebaut oder vor dem Bildgebungsverfahren bestimmt werden. Beim Durchführen während des Bildgebungsverfahrens kann Schritt 435 vor, während und/oder nach dem Bewegen der Ultraschallsonde durchgeführt werden.
Nach dem Durchführen des Bildgebungsverfahrens können die Ultraschalldaten (d. h. die Folge von Reihen von Ultraschallbildern), die während des Bildgebungsverfahrens aufgenommen wurden, z. B. von der Nachverarbeitungseinheit, in den Schritten 440-460 verarbeitet werden.
Schritt 440 kann das Rekonstruieren eines 3D-Ultraschallbildes basierend auf der Reihe oder Folge von Ultraschallbildern umfassen. Dies kann durch Stapeln der 2D-Ultraschallbilder und Extrapolieren zwischen den gestapelten 2D-Ultraschallbildern durchgeführt werden, wie im Stand der Technik hinreichend bekannt ist. Schritt 450 kann das Durchführen einer Muskelerkennung unter Verwendung von Bildsegmentierungstechniken und/oder Systemen künstlicher Intelligenz (wie neuronalen Netzwerken) auf dem rekonstruierenden 3D-Ultraschallbild umfassen. Schritt 460 kann das weitere Verarbeiten der erkannten Muskeln in dem 3D-Ultraschallbild umfassen, um einen oder mehrere Parameter oder Abmessungen des Muskels zu berechnen.
Auf diese Weise können Parameter oder Abmessungen des Muskels bestimmt werden. Die Schritte 440-460 sind optional und können in einigen Ausführungsformen weggelassen werden.
Es ist nicht wesentlich, dass das Bildgebungsverfahren das Aufnehmen einer Reihe von Ultraschallbildern umfasst. Vielmehr kann ein einzelnes 3D-Ultraschallbild während der Bewegung der Sonde gemäß bekannten Ausführungsformen erkannt oder konstruiert werden. Es ist auch nicht wesentlich, dass ein 3D-Ultraschallbild konstruiert wird; vielmehr kann eine Reihe von 2D-Ultraschallbildern aufgenommen werden. Die Reihe von 2D-Ultraschallbildern kann selbst verarbeitet werden, um Parameter des Muskels bzw. der Muskeln des Subjekts zu identifizieren.
Der Fachmann wäre ohne Weiteres in der Lage, ein Verarbeitungssystem zum Ausführen des hierin beschriebenen Verfahrens zu entwickeln. Somit können unterschiedliche Schritte des Flussdiagramms eine unterschiedliche Aktion darstellen, die durch ein Verarbeitungssystem durchgeführt wird, und können von einem jeweiligen Modul des Verarbeitungssystems durchgeführt werden.
Ausführungsformen können daher ein Verarbeitungssystem anwenden. Das Verarbeitungssystem kann auf zahlreiche Arten implementiert werden, mit Software und/oder Hardware, um die verschiedenen erforderlichen Funktionen durchzuführen. Ein Prozessor ist ein Beispiel eines Verarbeitungssystems, das eine oder mehrere Mikroprozessoren einsetzt, die unter Verwendung von Software (z. B. Mikrocode) zur Durchführung der erforderlichen Funktionen programmiert werden können. Ein Verarbeitungssystem kann jedoch mit oder ohne Einsetzen eines Prozessors implementiert sein und kann auch als eine Kombination aus dedizierter Hardware zum Durchführen einiger Funktionen und einem Prozessor (z. B. einer oder mehrere programmierte Mikroprozessoren und zugehörige Schaltlogik) zum Durchführen anderer Funktionen implementiert sein.
Beispiele von Verarbeitungssystemkomponenten, die in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden können, schließen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, herkömmliche Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) ein.
In verschiedenen Implementierungen kann ein Prozessor oder ein Verarbeitungssystem einem oder mehreren Speicherungsmedien wie flüchtigem und nichtflüchtigem Computerspeicher wie RAM, PROM, EPROM und EEPROM zugeordnet sein. Das Speicherungsmedium kann mit einem oder mehreren Programmen codiert sein, welche die erforderlichen Funktionen ausführen können, wenn sie auf einem oder mehreren Prozessoren und/oder Verarbeitungssystemen ausgeführt werden. Verschiedene Speicherungsmedien können derart innerhalb eines Prozessors oder eines Verarbeitungssystems fixiert sein oder transportierbar sein, dass das eine oder die mehreren darauf gespeicherten Programme in einen Prozessor oder ein Verarbeitungssystem geladen werden können.
Es versteht sich, dass die offenbarten Verfahren vorzugsweise computerimplementierte Verfahren sind. Daher wird auch das Konzept eines Computerprogramms vorgeschlagen, das Codemittel zum Implementieren eines beliebigen beschriebenen Verfahrens umfasst, wenn das Programm auf einem Verarbeitungssystem, wie einem Computer, ausgeführt wird. Dementsprechend können unterschiedliche Abschnitte, Zeilen oder Blöcke von Code eines Computerprogramms gemäß einer Ausführungsform durch ein Verarbeitungssystem oder einen Computer ausgeführt werden, um jedes hierin beschriebene Verfahren durchzuführen. In einigen alternativen Implementierungen können die in dem Block notierten Funktionen außerhalb der in den Figuren notierten Reihenfolge stattfinden. Zum Beispiel können zwei Blöcke, die hintereinander gezeigt sind, tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können zuweilen in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, abhängig von der beteiligten Funktionalität.
Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann, der die beanspruchte Erfindung umsetzt, aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der anhängigen Ansprüche verstanden und bewirkt werden. In den Patentansprüchen schließt das Wort „umfassen“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“, „eine“ oder „eines“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen angegebener Punkte erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen angegeben sind, weist nicht darauf hin, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht von Vorteil sein könnte. Falls vorstehend ein Computerprogramm erörtert wurde, kann dies auf einem geeigneten Medium, wie einem optischen Speichermedium oder einem Festkörpermedium, das zusammen mit oder als Teil anderer Hardware geliefert wird, gespeichert/verteilt werden, kann jedoch auch in anderen Formen, wie über das Internet oder andere drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationssysteme, verteilt werden. Wenn der Begriff „dafür ausgelegt“ in den Ansprüchen oder der Beschreibung verwendet wird, wird darauf hingewiesen, dass der Begriff „dafür ausgelegt“ äquivalent zu dem Begriff „konfiguriert zum“ sein soll. Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen des Schutzumfangs auszulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5997479 [0051]
US 6013032 [0051]
US 6623432 [0051]
US 6283919 [0072]
US 6458083 [0072]
US 6443896 [0073]
US 6530885 [0073]

Claims

Muskelbildgebungssystem (205) zum Erhalten von Ultraschalldaten von einem oder mehreren Muskeln eines Subjekts (290), umfassend: eine Ultraschallsonde (210), die dafür ausgelegt ist, ein Bildgebungsverfahren durchzuführen, wobei das Bildgebungsverfahren das Abbilden eines oder mehrerer Muskeln des Subjekts umfasst, um dadurch Ultraschalldaten des einen Muskels oder der mehreren Muskeln zu erfassen; einen Antriebsmechanismus (220), der dafür ausgelegt ist, eine Position der Ultraschallsonde während des Bildgebungsverfahrens anzupassen; einen Formsensor (230), der dafür ausgelegt ist, eine Form (300) des Subjekts abzutasten; und eine Verarbeitungseinheit (240), die dafür ausgelegt ist, den Antriebsmechanismus während des Bildgebungsverfahrens, basierend auf der abgetasteten Form des Subjekts, zu steuern.
Muskelbildgebungssystem (205) nach Anspruch 1, wobei der Formsensor (230) dafür ausgelegt ist, eine Form der Muskeln des Subjekts (290) abzutasten.
Muskelbildgebungssystem (205) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Verarbeitungseinheit (240) dafür ausgelegt ist, den Antriebsmechanismus (220) zu steuern, so dass die Ultraschallsonde (210) an einer Oberfläche der Haut des Subjekts gehalten wird.
Muskelbildgebungssystem (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: der Antriebsmechanismus (220) dafür ausgelegt ist, die Position der Ultraschallsonde in mindestens zwei orthogonalen Achsen (X, Z) anzupassen; und die Verarbeitungseinheit (240) dafür ausgelegt ist, den Antriebsmechanismus während des Bildgebungsverfahrens zu steuern, um eine Position der Ultraschallsonde iterativ anzupassen, wobei die Größe der iterativen Anpassung an die Position der Ultraschallsonde in mindestens einer Achse vordefiniert ist und, basierend auf der abgetasteten Form des Subjekts, in mindestens einer anderen Achse variabel ist.
Muskelbildgebungssystem (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Formsensor (230) dafür ausgelegt ist, einen Abstand zwischen dem Formsensor und der Oberfläche des Subjekts (290) zu verfolgen, um dadurch eine Form der Oberfläche des Subjekts zu bestimmen.
Muskelbildgebungssystem (205) nach Anspruch 5, wobei: der Antriebsmechanismus (220) dafür ausgelegt ist, die Position der Ultraschallsonde (210) in mindestens einer ersten (X) und einer zweiten (Z) orthogonalen Achse anzupassen; der Formsensor (230) dafür ausgelegt ist, einen Abstand zwischen dem Formsensor und der Oberfläche des Subjekts (290) entlang der zweiten orthogonalen Achse zu verfolgen, wobei ein Versatz (o) in Bezug auf die zweite orthogonale Achse zwischen dem Formsensor und der Ultraschallsonde bekannt ist oder leicht berechnet werden kann; und die Verarbeitungseinheit (240) dafür ausgelegt ist, den Antriebsmechanismus während des Bildgebungsverfahrens zu steuern, um eine Position der Ultraschallsonde iterativ anzupassen, wobei: die Größe der iterativen Anpassung an die Position der Ultraschallsonde in der ersten orthogonalen Achse vordefiniert ist; und die iterative Anpassung an die Position der Ultraschallsonde in der zweiten orthogonalen Achse gesteuert wird, um die Ultraschallsonde in Kontakt mit der Oberfläche des Subjekts zu halten.
Muskelbildgebungssystem (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: der Antriebsmechanismus (220) dafür ausgelegt ist, die Position der Ultraschallsonde (210) in mindestens einer ersten (X) und einer zweiten (Z) orthogonalen Achse anzupassen; und der Formsensor (230) mit dem Antriebsmechanismus verbunden ist, so dass eine Anpassung an die Position der Ultraschallsonde in der ersten orthogonalen Achse eine entsprechende Bewegung in dem Formsensor in der ersten orthogonalen Achse auslöst.
Muskelbildgebungssystem (205) nach Anspruch 7, wobei der Formsensor (230) dafür ausgelegt ist, eine Form des Subjekts (290) zu bestimmen, wenn der Formsensor während des Bildgebungsverfahrens von dem Antriebsmechanismus (220) entlang der ersten orthogonalen Achse (X) bewegt wird.
Muskelbildgebungssystem (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: der Antriebsmechanismus (220) dafür ausgelegt ist, die Position der Ultraschallsonde (210) in einer ersten (X) und einer zweiten (Z) orthogonalen Achse anzupassen; und die Verarbeitungseinheit (240) dafür ausgelegt ist, den Antriebsmechanismus während des Bildgebungsverfahrens durch Durchführen eines iterativen Verfahrens zu steuern, umfassend: Erhalten einer nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse für die Ultraschallsonde; Bestimmen einer nächsten Position entlang der zweiten orthogonalen Achse für die Ultraschallsonde basierend auf der bestimmten Form für das Subjekt (290) an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse; und Steuern des Antriebsmechanismus, um die Ultraschallsonde an einer einzelnen Stelle, die an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse und der nächsten Position entlang der zweiten orthogonalen Achse liegt, zu platzieren.
Muskelbildgebungssystem (205) nach Anspruch 9, wobei: der Antriebsmechanismus (220) ferner dafür ausgelegt ist, die Position der Ultraschallsonde (210) in einer dritten orthogonalen Achse (Y) anzupassen, die eine Achse ist, die sowohl zu der ersten (X) als auch zu der zweiten (Z) orthogonalen Achse orthogonal ist; das iterative Verfahren, das von der Verarbeitungseinheit (240) durchgeführt wird, das Bestimmen einer nächsten Position entlang der dritten orthogonalen Achse für die Ultraschallsonde basierend auf der bestimmten Form für das Subjekt (290) an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse umfasst; und der Schritt des Steuerns des Antriebsmechanismus in dem iterativen Verfahren, das von der Verarbeitungseinheit durchgeführt wird, das Steuern des Antriebsmechanismus umfasst, um die Ultraschallsonde an einer einzelnen Stelle zu platzieren, die an der nächsten Position entlang der ersten orthogonalen Achse, der nächsten Position entlang der zweiten orthogonalen Achse und der nächsten Position entlang der dritten orthogonalen Achse liegt.
Muskelbildgebungssystem (205) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der Schritt des Erhaltens der nächsten Position für die Ultraschallsonde in Bezug auf die erste orthogonale Achse das Empfangen einer Benutzereingabe umfasst, die eine nächste Position in Bezug auf die erste orthogonale Achse angibt.
Muskelbewertungssystem (200), umfassend: das Muskelbildgebungssystem (205) nach einem der Ansprüche 1 bis 11; und eine Nachverarbeitungseinheit (250), die ausgelegt ist zum: Empfangen der Ultraschalldaten des einen oder der mehreren Muskeln; und Verarbeiten der Ultraschalldaten, um einen oder mehrere Parameter des einen oder der mehreren Muskeln zu bestimmen.
Muskelbewertungssystem (200) nach Anspruch 12, wobei der eine oder die mehreren Parameter des Muskels eines oder mehrere von Folgenden einschließen: eine Fläche von jedem einen oder mehreren Muskeln; ein Volumen von jedem einen oder Muskeln; einen Umfang von jedem einen oder mehreren Muskeln; einen Durchmesser von jedem einen oder mehreren Muskeln; und einen Radius von jedem einen oder mehreren Muskeln.
Computerimplementiertes Verfahren (400) zum Erhalten von Ultraschalldaten über einen oder mehrere Muskeln eines Subjekts (290), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Abtasten (435) einer Form des Subjekts; Durchführen (430) eines Bildgebungsverfahrens, umfassend das Verwenden einer Ultraschallsonde, um einen oder mehrere Muskeln des Subjekts abzubilden (431), um dadurch Ultraschalldaten des einen oder der mehreren Muskeln zu erfassen; während des Bildgebungsverfahrens, Verwenden eines Antriebsmechanismus, um eine Position der Ultraschallsonde basierend auf der abgetasteten Form des Subjekts anzupassen (433).
Computerprogramm, umfassend Codemittel zum Implementieren des Verfahrens nach Anspruch 14, wenn das Programm auf einem Verarbeitungssystem ausgeführt wird.