DE3127146A1 - Verfahren zur korrektur von durch laufzeiteffekte verursachten bildfehlern bei der ultraschall-abbildung von objekten, insbesondere bei der ultraschall-reflexions-computer-tomographie und bei dem compound-b-scan-verfahren - Google Patents

Description

• Verfahren zur Korrektur von durch Laufzeiteffekte verur-
• sachten Bildfehlern bei der Ultraschall-Abbildung von Objekten, insbesondere bei der Ultraschall-Reflexions-Computer-Tomographie und bei dem Compound-B-Scan-Verfahren.
• Die Ultraschall (US)-Abbildung von Objekten erfolgt mit Hilfe von Impulsen, die an den Grenzflächen des Objektes reflektiert werden. Dazu schickt ein Sender einen kurzen Ultraschall-Impuls aus. Trifft er auf die Grenzfläche des Objektes, so wird ein Teil seiner Energie reflektiert.
• Der restliche Anteil der US-Energie dringt in das Objekt ein. An der nächsten Grenzfläche des Objektes wird wiederum ein Teil der Energie reflektiert und zu dem Empfänger zurückgestrahlt. Der Empfänger detektiert also eine Folge von einzelnen Ultraschall-Impulsen, die an den Grenzflächen des Objektes reflektiert werden. Die Zeit t zwischen Aussenden des Impulses und Empfang eines Echos ist die Laufzeit des Ultraschall-Impulses von dem Sender zur Objektgrenzfläche und zurück zu dem Empfänger. Für die Zeit t gilt bei einem Abstand x zwischen Sender/Empfänger und Objektgrenzfläche der Zusammenhang t = x/v. Dabei ist v die Schallgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium. Über diesen Zusammenhang kann die zeitliche Signalfolge in eine räumliche Darstellung transformiert werden. Daraus lassen sich die Abstände der einzelnen Grenzflächen voneinander ermitteln. Dies ist allerdings nur dann exakt möglich, falls die Schallgeschwindigkeit über die gesamte Schallaufstrecke außerhalb und innerhalb des Objektes bekannt ist.
• Im allgemeinen ist die Schallgeschwindigkeit des Objektes von seiner Umgebung verschieden. Die Umrechnung in die räumliche Darstellung erfolgte bisher mit einem einzigen konstanten Wert der Schallgeschwindigkeit. Die Signale aus dem Innern des Objekts müßten jedoch mit der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit umgerechnet werden.
• Bei einer Umrechnung mit dem konstanten Wert der Schallgeschwindigkeit erscheint das Objekt daher um einen Faktor verkürzt, der sich aus dem Verhältnis der konstanten Schallgeschwindigkeit zu der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit ergibt. Veränderungen der Schallgeschwindigkeit zwischen Objekt und Umgebung bzw. innerhalb des Objektes führen auf diese Art zu Maßstabsverzerrungen.
• Bei der üblichen Ultraschall-Abbildung wird das Objekt mit einer Vielzahl von Echofolgen abgetastet. Dazu wird der Sender/Empfänger senkrecht zur Einstrahirichtung verschoben. Aus jeder Position wird eine Echofolge aufgenommen und - wie vorher beschrieben - in den Ortsbereich umgerechnet. Diese Echofolgen werden dann in an sich bekannter Weise entsprechend der Position des Sender/Empfängers zu einem 2-dimensionalen Schnittbild zusammengesetzt.
• In biologischem Gewebe variiert die Schallgeschwindigkeit etwa zwischen 1470 m/s bei Fett und 1570 m/s bei Bindegewebe. Zur Umrechnung bei der üblichen Bilddarstellung wird im allgemeinen die Schallgeschwindigkeit von Wasser mit ca. 1500 m/s angewandt.
• Die Unterschiede der Schallgeschwindigkeit innerhalb des Objektes und in dem Objekt und dem dies umgebenden Medium führen zu Maßstabsverzerrungen. Es können sich dadurch Unschärfen und Bildfehler ergeben, die eine Diagnose erschweren oder sogar eine Fehldiagnose verursachen können.
• Solche Fehler machen sich bei der Ultraschall-Reflexions-Computer-Tomographie, insbesondere beim Compound-Scan-Verfahren bemerkbar, wo die einzelnen Echofolgen aus verschiedenen Richtungen aufgenommen werden. Dabei sind die Wege des Ultraschall-Impulses durch das Gewebe unterschiedlich und führen zu Verzeichnungen.
• Bei der Ultraschall-Reflexions-Computer-Tomographie werden Projektionen des Objektes aus verschiedenen Richtungen aufgenommen. Für verschiedene Richtungen sind aber die Wege durch das Objekt unterschiedlich. Dies führt zu Verzeichnungen, die für die einzelnen Projektionen unterschiedlich ausfallen. Bei der Überlagerung der Projektionen treten Unschärfen in den Konturen auf. Scharfe Linien werden verschmiert.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Korrektur von Laufzeiteffekten, die Ursache für die erläuterten Nachteile sind, zu schaffen, so daß eine weitgehend verzeichnungsfreie Abbildung von Objekten mit inkonstanten Schallgeschwindigkeiten, insbesondere von biologischem Gewebe, ermöglicht ist.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst, das durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale charakterisiert ist.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand einer die Problematik der Ultraschall-Abbildung von Objekten verdeutlichenden Figur im einzelnen beschrieben.
• Die Figur zeigt einen Sender/Empfänger 1 und ein in einem Abstand x0 von dem Sender/Empfänger 1 entferntes Objekt 2.
• Das Objekt 2 hat eine Ausdehnung x1 und die Schallgeschwindigkeit v1, die z. B. höher als vg ist. Das Objekt 1 ist in ein Ankopplungsmedium der Schallgeschwindigkeit vg eingebettet.
• Bei der Umrechnung der zeitlichen Echofolge in den Ortsraum mit der Schallgeschwindigkeit vg wird der Abstand xg korrekt wiedergegeben. Dagegen wird die Ausdehnung x1 um den Faktor vO/v1 verkürzt dargestellt. Dies führt zu den eingangs erläuterten Bildfehlern.
• Um solche Bildfehler zu vermeiden, ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Korrektur von Laufzeiteffekten bei der Ultraschall-Abbildung von Objekten vorgesehen, daß für eine Rekonstruktion des Abbildes des betreffenden Objektbereiches aus den Ultraschall-Signalen bereichsweise unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten angenommen werden.
• Es werden zwei Bereiche definiert, wobei der eine Bereich das ganze Objekt und der andere Bereich das umgebende Medium ist. Der veränderte Wert der Schallgeschwindigkeit wird jeweils auf den Teil der Echofolge angewendet, der in das abzubildende Objekt fällt. Dazu sind die Bereichsgrenzen des Objekts zu bestimmen. Es ist vorgesehen, daß die das Objekt und das umgebende Medium trennende Bereichsgrenze durch das Oberflächenecho des Objekts bestimmt wird. Wenn der Objektbereich bestimmt ist, wird für ihn die Geschwindigkeit v angenommen. Diese mittlere Schallgeschwindigkeit v kann aus Literaturangaben entnommen werden. Sie ist jedoch auch experimentell an Testobjekten, die typisch für den Anwendungsfall ausgewählt werden, zu bestimmen. Es kann vorteilhaft sein, die mittlere Schallgeschwindigkeit v am jeweiligen Objekt selbst zu bestimmen, wozu aus der Echofolge die naheliegende und die entfernte Grenze des Objekts zu bestimmen sind. Die mittlere Schallgeschwindigkeit v kann aus der Zeitdifferenz dieser beiden Signale und dem geometrisch meßbaren Abstand errechnet werden.
• Zur Ermittlung der mittleren Schallgeschwindigkeit v am jeweiligen Objekt, wozu die naheliegende und die entfernte Grenze des zu untersuchenden Objektes zu ermitteln ist, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß die entsprechenden Echosignale durch Auflegen eines Hilfsobjektes, beispielsweise eines Metallstabes, verstärkt werden. Durch die Auswertung dieser verstärkten Echosignale kann die mittlere Schallgeschwindigkeit v anschließend- wie bereits erläutert - aus der Zeitdifferenz dieser beiden Signale und dem geometrisch meßbaren Abstand errechnet werden.
• Die mittlere Schallgeschwindigkeit v kann jedoch auch mit Hilfe von Strukturen in dem Objekt, deren geometrische Dimensionen bekannt sind, bestimmt werden.
• Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die mittlere Schallgeschwindigkeit v aus der zeitlichen Verschiebung einzelner Echofolgen aus verschiedenen Richtungen bestimmt wird, wobei korrespondierende Signale unterschiedlicher Messungen durch eine Korrelationsrechnung ermittelt werden. Für den Fall, daß die geometrische Form und Ausdehnung des Objektes oder einzelner Bereiche B1, B2, ... Bn davon bekannt ist, ist die jeweilige. mittlere Schallgeschwindigkeit v1 v2,... vn auch bereichsweise zu ermitteln und zur Korrektur heranzuziehen. Dadurch ergibt sich eine noch schärfere Abbildung des betreffenden Objektes.
• Zur Verbesserung der Bildqualität ist desweiteren vorgesehen, daß Korrekturen iterativ mit veränderlichen Schallgeschwindigkeiten v1 ...... Vn ausgeführt werden, wobei eine jeweils erneute Rekonstruktion ausgeführt wird, bis die Bildqualität optimal ist. Bei einer derartigen, auf iterativem Wege durchgeführten Rekonstruktion kann aus einer ersten Rekonstruktion die Form des Objektes oder von Teilbereichen des Objektes näherungsweise ermittelt werden.
• Mit Hilfe jeder Näherung ist dann die jeweilige mittlere Schallgeschwindigkeit v1, v2 ... vn aus Echofolgen aus verschiedenen Abtastrichtungen für das gesamte Objekt und/oder für Teilbereiche des Objektes ermittelbar und für eine verbesserte Rekonstruktion anwendbar. Solche Näherungen kön- nen durch Variation der Geschwindigkeiten V1 v2 sooft wiederholt werden, bis ein befriedigendes Bild erzielt ist. Die Beurteilung der Bildqualität wird dabei visuellinteraktiv oder automatisch durchgeführt.
• Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß jeweils nur Objektausschnitte korrigiert werden und daß die korrigierten Bildausschnitte zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden.
• Das Verfahren ist vorteilhafterweise ganz oder teilweise rechnergestützt.
• 20 Patentansprüche 1 Figur

Claims (20)

1. Patentansprüche Verfahren zur Korrektur von durch Laufzeiteffekte verursachten Bildfehlern bei der Ultraschall-Abbildung von Objekten, insbesondere bei der Ultraschall-Reflexions-Computer-Tomographie und bei dem Compound-B-Scan-Verfahren, bei welcher Ultraschall-Abbildung die Laufzeiteffekte durch die unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten im abzubildenden Objekt hervorgerufen werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß für eine Rekonstruktion des Abbildes des betreffenden Objektbereiches aus den Ultraschall-Signalen bereichsweise unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten angenommen werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zwei Bereiche definiert werden, wobei der eine Bereich das ganze Objekt und der andere Bereich das umgebende Medium ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der abzubildende Objekt bereich in mehrere nahezu homogene Bereiche (B# B2 ...B2 Bn> unterteilt wird, in denen jeweils eine mittlere Schallgeschwindigkeit (V1, v2 ... v2) angenommen wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der veränderte Wert der Schallgeschwindigkeit jeweils auf den Teil der Echofolge angewendet wird, der in das abzubildende Objekt fällt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die das Objekt und das umgebende Medium trennende Bereichsgrenze durch das Oberflächenecho des Objekts bestimmt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Objektbereich eine mittlere Schallgeschwindigkeit (v) angenommen wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die mittlere Schallgeschwindigkeit (v) aus Literaturangaben entnommen wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n et , daß die mittlere Schallgeschwindigkeit (v) experimentell an Testobjekten, die typisch für den Anwendungsfall ausgewählt werden, bestimmt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die mittlere Schallgeschwindigkeit (v) am jeweiligen Objekt selbst bestimmt wird, wozu aus der Echofolge die naheliegende und die entfernte Grenze des Objektes zu bestimmen sind, und daß die mittlere Schallgeschwindigkeit (v) aus der Zeitdifferenz dieser beiden Signale und dem geometrisch meßbaren Abstand errechnet wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die mittlere Schallgeschwindigkeit (v) am jeweiligen Objekt zu bestimmen ist, wobei die naheliegende und die entfernte Grenze des zu untersuchenden Objektes dadurch ermittelt werden, daß die entsprechenden Echosignale durch Auflegen eines Hilfsobjektes, beispielsweise eines Metallstabes, verstärkt werden, und daß die mittlere Schallgeschwindigkeit (v) aus der Zeitdifferenz dieser beiden Signale und dem geometrisch meßbaren Abstand errechnet wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i ch n e t , daß die mittlere Schallgeschwindigkeit (v) mit Hilfe von Strukturen in dem Objekt, deren geometrische Dimensionen bekannt sind, bestimmt wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die mittlere Schallgeschwindigkeit (v) aus der zeitlichen Verschiebung einzelner Echofolgen aus verschiedenen Richtungen bestimmt wird, wobei korrespondierende Signale unterschiedlicher Messungen durch eine Korrelationsrechnung ermittelt werden.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß für den Fall, daß die geometrische Form und Ausdehnung des Objekts oder einzelner Bereiche (B1, B2 o.. Bn) davon bekannt sind, die mittleren Schallgeschwindigkeiten (vl> v2 ... vn) auch bereichsweise ermittelt und zur Korrektur herangezogen werden.
14. 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e ic h n e t , daß zur Verbesserung der Bildqualität die Korrekturen iterativ mit veränderlichen Schallgeschwindigkeiten (V1, v2 ...Vn) ausgeführt werden, wobei eine jeweils erneute Rekonstruktion ausgeführt wird, bis die Bildqualität optimal ist.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß bei der auf iterativem Wege durchgeführten Rekonstruktion aus einer ersten Rekonstruktion die Form des Objektes oder von Teilbereichen des Objektes näherungsweise ermittelt wird und daß mit Hilfe dieser Näherung die mittleren Schallgeschwindigkeiten (V1, v2 . .von) aus Echofolgen aus verschiedenen Abtastrichtungen für das gesamte Objekt und für Teilbereiche des Objektes ermittelt und für eine verbesserte Rekonstruktion verwendet werden.
16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Näherung sooft mit variierten mittleren Schallgeschwindigkeiten (v1, v2, ...von) wiederholt wird, bis ein befriedigendes Bild erzielt ist.
17. 17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n nzz e i c h n et , daß jeweils nur Objektausschnitte korrigiert werden und daß die korrigierten Bildausschnitte zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden.
18. 18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , daß die Schärfe des korrigierten Bildes visuell beurteilt wird.
19. 19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i ch n e t , daß die Schärfe des korrigierten Bildes automatisch mit einem Algorithmus beurteilt wird.
20. 20. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verfahren ganz oder teilweise rechnergestützt ist.