DE19732647A1 - Ultraschallsystem mit einer Korrektureinrichtung für ungleichmäßige Drehungen - Google Patents
Ultraschallsystem mit einer Korrektureinrichtung für ungleichmäßige DrehungenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Erzeugen ei
nes intravaskulären Ultraschallbilds aus einem sich mecha
nisch drehenden intravaskulären Katheter. Insbesondere be
zieht sich die Erfindung auf Techniken und Vorrichtungen zum
Erzeugen von IVUS-Abbildungen (IVUS = Intra Vascular Ultra
Sound) mit einer reduzierten Menge an Bildstörungen aufgrund
einer nicht-gleichmäßigen Trennung von Ultraschallpulsen,
die von dem Katheter ausgesendet werden, durch Messen und
Kompensieren einer solchen Verzerrung.
Die Ultraschallbilderzeugung wird in der Medizin häufig ver
wendet. Insbesondere kann sie zum Herstellen von Bildern und
somit beim Helfen der Diagnose einer Krankheit aus dem Inne
ren von Körperhohlräumen, wie z. B. dem vaskulären oder Ge
fäßsystem heraus, verwendet werden. Eine Sonde, die einen
Ultraschallwandler enthält, wird in den Körperbereich, der
abgebildet werden soll, eingeführt. Der Wandler sendet einen
akustischen Puls in die Körpergewebe und erfaßt die Refle
xionen des Pulses an Gewebegrenzen aufgrund von Differenzen
der Schallimpedanz sowie aufgrund des rückgestreuten Schalls
von akustisch heterogenem Gewebe. Die abweichenden Zeiten,
die der Wandler benötigt, um den reflektierten und zurückge
streuten Ultraschall zu empfangen, entsprechen abweichenden
Abständen der Gewebe von dem Wandler. Durch stufenweises
oder durchgehendes Betreiben des Wandlers über einen Satz
von ausgewählten Winkeln kann ein zweidimensionales Ultra
schallbild, das einer Karte der Schallimpedanzgrenzen und
der Rückstrahlstreukoeffizienten entspricht, erhalten wer
den. Aus diesem Bild kann die Situation der Körpergewebe
bestimmt werden. Das Verfahren zum intravaskulären Ultra
schall (IVUS) sendet beispielsweise auf sequentielle Art und
Weise Ultraschallpulse in gleichmäßig beabstandeten Inkre
menten in einem gesamten oder in dem Teil eines Kreises aus,
um Querschnittsabbildungen von Koronararterien zu erhalten,
wodurch Bereiche mit atheriosklerotischen Ablagerungen, Ve
rkalkungen, usw., gezeigt werden können.
Im allgemeinen existieren zwei Typen von Ultraschallsonden
zum IVUS-Bilderzeugen. Der erste Typ verwendet eine Technik
der synthetischen Apertur. Das U. S. Patent Nr. 4,917,097
(Proudian u. a.) und das U. S. Patent Nr. 5,186,177
(O′Donnell u. a.) lehren beispielsweise, wie ein Ultra
schallpuls in einer speziellen Richtung von einem Wandler
unter Verwendung des Verfahrens der synthetischen Apertur
gesendet wird. Im allgemeinen betrifft dies die sequentielle
Erregung von ausgewählten Elementen in einem Array von
Wandlerelementen.
Der zweite Typ einer IVUS-Sonde tastet das Gewebe, z. B. das
der Koronararterie, durch eine mechanische Drehung einer
Vorrichtung ab, um die Ultraschallpulse zu richten. Der me
chanisch gedrehte Typ umfaßt ein paar Unterklassen. In der
ersten Unterklasse wird entweder ein distaler (von dem Be
treiber entfernter) Wandler oder ein Spiegel von dem
proximalen Ende des Katheters aus durch eine erweiterte
Antriebswelle mit einem Proximalmotor (U. S. Patent Nr.
4,794,931 (Yock) und U. S. Patent Nr. 5,000,185 (Yock))
gedreht. Bei der zweiten Unterklasse ist die Drehung auf das
distale Ende begrenzt, wobei entweder ein Miniaturmotor (U.
S. Patent Nr. 5,240,003 (Lancee u. a.) und U. S. Patent Nr.
5,176,141 (Bom u. a.)) oder eine fluidgetriebene Turbine
verwendet wird, um den Wandler oder den Spiegel zu drehen
(U. S. Patent Nr. 5,271,402 (Yeung und Dias)). In einer
dritten Unterklasse ist ein fester Proximalwandler mit einem
sich drehenden akustischen Wellenleiter gekoppelt, der den
Schall zu dem-distalen Ende leitet (z. B. U. S. Patent Nr.
5,284,148 (Dias und Melton)). In einer vierten Unterklasse
(z. B. U. S. Patent Nr. 5,509,418 (Lum u. a.)) wird eine
Turbine durch ein Schallsignal gedreht, das außerhalb des
Gefäßes erzeugt wird, um ein weiteres Ultraschallsignal in
einer sich drehenden Art und Weise zu lenken. In der letzten
Teilklasse (z. B. U. S. Patent Nr. 5,507,294 (Lum u. a.))
dreht ein externes Antriebsbauglied eine Röhre, um ein
reflektierendes Element an der Spitze der Röhre zu drehen,
um Ultraschall zu reflektieren.
Gegenwärtig werden Sonden, die Ultraschallpulse durch mecha
nische Drehung lenken, häufiger als der Typ von Sonden ver
wendet, der die Pulse elektronisch lenkt. Der mechanische
Lösungsansatz kann unter Verwendung eines einzigen Wandlers
implementiert werden, während der elektronische Lösungsan
satz ein Array von Wandlern erfordert, die in dem distalen
Ende enthalten sind, welches in das Blutgefäß von Interesse
eingeführt werden muß.
Ein Problem bei der Verwendung einer IVUS-Sonde mit einer
mechanischen Drehung besteht jedoch darin, daß die Winkel
geschwindigkeit der sich drehenden Struktur, die die Ultra
schallpulse lenkt, ungleichmäßig sein kann. Wenn folglich
Ultraschallpulse sequentiell bei gleichmäßigen zeitlichen
Intervallen (wie es üblicherweise der Fall ist) gelenkt wer
den, dann werden die Richtungen räumlich ungleichmäßig ver
teilt sein. Eine ungleichmäßige Winkelgeschwindigkeit wird
somit die Abbildung, die gebildet wird, verzerren. Siehe
beispielsweise in ten Hoff u. a., Int. J. Card. Imaging, 4:
195-199 (1989); Kimura u. a., JACC, Februar 1994: 1A-484A,
S. 173, Zusammenfassung Nr. 744-1. Kimura u. a. bil
deten in der oben erwähnten Schrift ein Phantom ab, das acht
Drähte enthielt, die gleichmäßig in einem kreisförmigen Mu
ster plaziert waren. In der angezeigten Abbildung lagen die
Winkeltrennungen zwischen den Drähten in einem Bereich von
10,2° bis 73,9°.
Ein Grund für die nicht-gleichmäßige Winkelgeschwindigkeit
des Typs von Katheter, der eine Antriebswelle verwendet, ist
die Existenz einer mechanischen Reibung zwischen der sich
drehenden Antriebswelle und der dieselbe umgebenden festen
Hülle, sowie dieselben durch den kurvigen Weg des Blutge
fäßes gebogen werden. Obwohl das proximale Ende des Kathe
ters mit der erwünschten Winkelgeschwindigkeit gedreht wird,
wird jede Verbindung des Katheters entlang seiner Länge zu
einer distalen Winkelgeschwindigkeit führen, die sich von
der erwünschten Geschwindigkeit unterscheidet, und zwar an
verschiedenen Punkten des vollen Kreises. Die Durchschnitts
geschwindigkeit wird an dem proximalen und an dem distalen
Ende gleich sein, weshalb sich das distale Ende manchmal zu
schnell und manchmal zu langsam dreht. Es wurde von ten
Hoff, Kimura und anderen beobachtet, daß der Fehler bei auf
einanderfolgenden Drehungen des Katheters im wesentlichen
der gleiche ist. Somit wird die reflektierte Ultraschall
energie, die von einer speziellen Position empfangen wird,
in dem resultierenden Bild derart wiedergegeben, daß sie von
einer nicht-korrekten Position ist.
H. ten Hoff beschreibt in einer Doktorarbeit mit dem Titel
"Scanning Mechanisms for Intravascular Ultrasound Imaging: A
Flexible Approach", Erasmus University, Rotterdam, 1993,
verschiedene Techniken zum Erfassen einer nicht-gleichmäßi
gen Winkelgeschwindigkeit bei sich drehenden IVUS-Wandlern
und zum Korrigieren einer Verzerrung in Abbildungen. Nach
teile beim Verwenden von akustischen Verfahren zum Erfassen
und Korrigieren der Bildverzerrung wurden von ten Hoff der
art identifiziert, daß sie eine geringe Auflösung von Ultra
schall-reflektierenden Strukturen, Mehrfachreflexionen und
Abschattungen umfassen.
Das U. S. Patent Nr. 5,485,845 (Verdonk u. a.) beschreibt
eine Technik zum Erfassen einer ungleichmäßigen Winkelge
schwindigkeit von IVUS-Wandlern mittels der Verwendung eines
Arrays von Baken, die auf der Hülle positioniert sind. Die
ses Verfahren erfordert jedoch spezielle Katheter mit emp
findlichen strukturellen Merkmalen, die dieselben aufweisen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Technik zum Erfassen und Korrigieren einer ungleichmäßigen
Winkelgeschwindigkeit unter Verwendung von Standard-IVUS-Kathetern
zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Ultraschallvorrichtung gemäß
Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Abbilden von Kör
pergeweben gemäß Anspruch 11 oder 22 gelöst.
Die Techniken der vorliegenden Erfindung bauen auf den Ände
rungen, die in den Signalen auftreten, die verwendet werden,
um das IVUS-Bild zu bilden, wenn die Winkelgeschwindigkeit
des Wandlers verändert wird, wobei eine derartige ungleich
mäßige Winkelgeschwindigkeit und die durch dieselbe bewirkte
Bildverzerrung erfaßt werden. Die vorliegende Erfindung lie
fert eine Ultraschallvorrichtung zum Abbilden von dem Inne
ren eines Hohlraums in dem Körper eines Patienten aus. Die
Ultraschallvorrichtung umfaßt eine Sonde, um in den Hohlraum
des Körpers einzutreten. In der Sonde befindet sich ein
Wandler zum sequentiellen Abstrahlen von Ultraschallpulsen
aus dem distalen Ende der Sonde, um ein Winkelmuster zu bil
den, und zum Empfangen von Ultraschall, der von den Geweben
des Körpers des Patienten reflektiert und zurückgestreut
wird. Die Vorrichtung weist ferner eine Winkelidentifika
tionseinrichtung auf, um das Winkelmuster zu bestimmen, und
zwar basierend auf den Ultraschallsignalen, die von dem
Wandler an dem distalen Ende der Sonde empfangen werden.
Der Wandler sendet die Ultraschallpulse derart, daß jeder
Ultraschallpuls ein Ultraschallsignal erzeugt, das von den
Geweben des Körpers des Patienten zurück zu dem Wandler re
flektiert und rückgestreut wird. Der Wandler wandelt dieses
Ultraschallsignal dann in ein elektrisches Signal um, das
allgemein als HF-Linie bekannt ist. Die Winkelidentifika
tionsvorrichtung ist in der Lage, das Winkelmuster durch
Analysieren ausschließlich dieser HF-Linien zu bestimmen.
Ein Beispiel einer solchen Winkelidentifikationsvorrichtung
ist ein Computer.
Die gegenwärtige Technik verwendet somit die Ultraschall
signale, die andernfalls für den Zweck der Bilderfassung
vorhanden sind, für den zusätzlichen Zweck des Bestimmens
der Winkeltrennung der gesendeten Ultraschallpulse. Aus die
ser Winkeltrennung und aus dem Wissen der Zeitpunkte, zu
denen Pulse gesendet werden, kann diese Technik ferner die
Winkelgeschwindigkeit der Drehvorrichtung (z. B. eines Wand
lers oder Reflektors) bestimmen, die die Ultraschallpulse
lenkt. Keine zusätzlichen physischen Strukturen in der Sonde
oder in dem Körperhohlraum eingesetzt werden zum Erfassen
einer Ungleichmäßigkeit der Winkeltrennung benötigt, außer
denen, die sowieso notwendig sind, um das Bild zu erzeugen.
Der große Vorteil dieser Technik im Vergleich zu bekannten
Techniken besteht darin, daß keine Modifikation an der Sonde
durchgeführt werden muß. Daher wird jede Sonde, selbst die
gegenwärtig hergestellten Sonden, Signale erzeugen, die für
die beschriebene Behandlung geeignet sind, was in Bildern
mit reduzierter Verzerrung resultiert. In vielen Fällen kann
die vorliegende Erfindung auf vorteilhafte Art und Weise
verwendet werden, um Bilder zu erzeugen, bei denen die
Verzerrung für menschliche Beobachter im wesentlichen nicht
mehr bemerkbar ist.
Die vorliegende Technik kann verwendet werden, um vom Inne
ren einer Vielzahl von Hohlräumen, Kanälen, usw., selbst von
nicht-physiologischen Strukturen aus abzubilden. Eine spe
zielle Anwendung dieser Erfindung stellt das intravaskuläre
Ultraschallabbilden unter Verwendung einer mechanischen Dre
hung dar. In diesem Fall ist die Sonde ein Katheter, der ei
nen Wandler auf seinem distalen Ende trägt, wobei die abge
bildeten Gewebe die des Gefäßsystems sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich
nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Ultraschallabbil
dungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei
spiels der Steuervorrichtung von Fig. 1 in einem
Blockdiagramm;
Fig. 3 die Vorrichtung, die beim Erzeugen der HF-Linien
aus Ultraschallpulsen verwendet wird, die ungleich
mäßig getrennt sind, wobei ein rotierendes Phantom
und ein fester IVUS-Katheter verwendet werden;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht des in der Vorrichtung von
Fig. 3 verwendeten Phantoms;
Fig. 5 das Winkeltrennungsmuster von Ultraschallpulsen,
die verwendet werden, um eine ungleichmäßige Win
keltrennung zu simulieren;
Fig. 6 ein Bild, das mit der Vorrichtung von Fig. 3 erhal
ten wird und das Resultat von unkorrigierten un
gleichmäßigen Winkeltrennungen von Ultraschallpul
sen zeigt;
Fig. 7 eine graphische Darstellung von zwei Beispielen von
Kreuzproduktfunktionen, wobei die gestrichelte Li
nie eine Kreuzproduktfunktion einer HF-Linie mit
ihren benachbarten HF-Linien in der Region einer
weiten Winkeltrennung von Ultraschallpulsen und die
durchgezogene Linie die Kreuzproduktfunktion einer
HF-Linie mit ihren benachbarten HF-Linien in der
Region kleiner Winkeltrennungen darstellen;
Fig. 8 eine graphische Darstellung der geschätzten Winkel
trennung von Ultraschallpulsen in °/Linie, berech
net unter Verwendung des Kreuzproduktverfahrens;
Fig. 9 eine graphische Darstellung der geschätzten Winkel
trennung in °/Linie, berechnet unter Verwendung des
Differenzverfahrens;
Fig. 10 eine graphische Darstellung der geschätzten Winkel
trennung in °/Linie, berechnet unter Verwendung der
Tupfengrößenmethode; und
Fig. 11 ein korrigiertes Bild unter Verwendung des Winkel
trennungsschätzwerts, der durch die Tupfenzellen
größenmethode erhalten wird.
Diese Erfindung erfaßt eine Bildverzerrung aufgrund einer
ungleichmäßigen Winkelgeschwindigkeit eines Wandlers in ei
nem sich mechanisch drehenden Typ eines IVUS-Katheters und
die folgende ungleichmäßige Winkeltrennung der gesendeten
Ultraschallpulse. Nur die Signale, die von den abgebildeten
Geweben reflektiert oder gestreut werden, müssen analysiert
werden. Keine zusätzlichen Merkmale werden in dem Katheter
oder in dem Blutgefäß benötigt.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Ultraschall
bilderzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die
Vorrichtung kann zum Bilderzeugen von innerhalb eines Hohl
raums, z. B. eines Blutgefäßes, in dem Körper eines Patien
ten aus verwendet werden. Die Bilderzeugungsvorrichtung 10
weist eine Sonde 14 zum Einführen in den Körper auf. Die
Sonde 14 hat ein distales Ende 18, das sich in den Körper
hohlraum erstrecken kann, und ein proximales Ende 20, das
sich außerhalb des Körpers des Patienten erstreckt, wenn die
Sonde in Betrieb ist. Die Sonde 14 umfaßt an ihrem distalen
Ende 18 einen Wandler 24 zum Senden und Empfangen eines Ul
traschallsignals. Wenn es erwünscht ist, kann der gleiche
Wandler oder können verschiedene Wandler zum Senden und Emp
fangen der Ultraschallsignale verwendet werden. Eine Welle
25, die durch einen Motor 26 angetrieben wird, dreht den
Wandler 24 in der Sonde 14 auf mechanische Art und Weise.
Die Welle 25 sowie der Wandler 24 sind in einer Hülle 28 ge
schützt, derart, daß die Welle und der Wandler kein Gewebe
beschädigen werden, während sich die Welle dreht.
Um das Gewebe, das die Sonde 14 umgibt, abzubilden, strahlt
oder sendet der Wandler 24 Ultraschallpulse auf eine sequen
tielle Art und Weise mit einem beabsichtigten (d. h. Ziel-)
Winkelmuster einer Winkeltrennung zwischen Pulsen. Eine
Steuerung 32 steuert den Betrieb der Welle 25 und die Zeit
steuerung der Emission von Ultraschallpulsen durch den Wand
ler 24. Die gesendeten Ultraschallpulse werden durch die Ge
webe reflektiert und gestreut. Die Reflexionen werden von
dem Wandler 24 empfangen, welcher elektronische Signale
(HF-Linien; HF = Hochfrequenz) erzeugt.
Die HF-Linien werden dann durch die Steuerung 32 analysiert,
um die Winkelbeabstandung, d. h. die Trennung, der HF-Linien
zu bestimmen und anschließend die Differenz zwischen dem ge
sendeten Winkelmuster und dem beabsichtigten Winkelmuster zu
kompensieren. In dem Fall, bei dem die beabsichtigte Winkel
trennung gleichmäßig ist, wird eine solche Differenz, wenn
sie nicht korrigiert oder kompensiert wird, in einer Un
gleichmäßigkeit resultieren und in dem Bild von Geweben eine
Verzerrung bewirken. Wenn ein spezifisches ungleichmäßiges
Muster von Ultraschallpulsen beabsichtigt ist, kann die vor
liegende Technik selbstverständlich genauso gut angepaßt
werden, um eine Abweichung des gesendeten Musters von dem
beabsichtigten Muster zu erfassen und zu kompensieren. Das
korrigierte Bild kann auf einem Anzeigegerät 36, z. B. einem
Fernsehbildschirm, einem Monitor, einem Drucker, einem Plot
ter und dergleichen, gezeigt werden. Statt der Verwendung
einer einzigen Steuerung 32 um die Drehung der Welle, das
Senden der Ultraschallpulse, die Analyse von Daten und die
Implementation der Kompensationsmaßnahme zu steuern, um die
Verzerrung zu korrigieren, können verschiedene Steuerungen
und Prozessoren verwendet werden, solange sie koordiniert
sind, um harmonisch miteinander zu arbeiten.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Ausführungs
beispiels der Steuervorrichtung von Fig. 1 in einem Block
diagramm. Der Ultraschall wird von dem Gewebe reflektiert
und gestreut und dann von dem Wandler 148 empfangen. An
schließend wird derselbe in ein elektrisches Signal (das als
HF-Linie bekannt ist) umgewandelt, wobei dieses Signal zu
dem Empfänger 150 geleitet wird. Eine HF-Linie ist daher ei
ne elektrische Darstellung des Schalldrucksignals, das der
Wandler sieht. Die HF-Linien laufen von dem Empfänger 150 zu
einer Datenlinienumwandlungseinrichtung 154, um gehalten
oder, wie z. B. durch Demodulation, in einen ausgewählten
Typ von Datenlinien umgewandelt zu werden, die eine speziel
le Charakteristik der HF-Linien wiedergeben, wie z. B. Am
plitudenlinien, Phasenlinien, Basisbandlinien und derglei
chen. Eine Basisbandlinie ist das komplexe elektrische
Signal, das von der Frequenzverschiebung der HF-Linie durch
ihre Mittenfrequenz, welche nominell die Frequenz des gesen
deten Pulses ist, erzeugt wird. Dieses Signal wird bei
spielsweise durch Multiplikation mit einer In-Phase- und
einer Quadratur-Darstellung einer Sinusfunktion bei der
Mittenfrequenz gefolgt von einer Tiefpaßfilterung erzeugt.
Im folgenden wird üblicherweise auf eine Winkeltrennung von
Datenlinien verwiesen, unabhängig davon, ob die Datenlinien
HF-Linien oder irgendeine Ableitungsform derselben sind. Es
ist offensichtlich, daß ein solcher Verweis die Winkeltren
nung der Ultraschallpulse meint, die empfangen werden, und
aus denen die Datenlinien abgeleitet werden.
Die Datenlinienumwandlungseinrichtung leitet die Datenlinien
zu dem Winkelfehlerkurvenmodul 156, um die Winkeltrennung
der HF-Linien und somit die Winkeltrennungsfehlerkurve der
Drehung des Wandlers 148 zu berechnen. Die Winkelfehlerkur
vendaten werden von dem Winkelfehlerkurvenmodul 156 zu einem
Linienratenkorrekturmodul (oder zu einer Berechnungseinrich
tung) 158 geleitet. Das Linienratenkorrekturmodul 158 ist in
der Lage, eine Kompensation für eine ungleichmäßige Winkel
geschwindigkeit durch irgendeines der Verfahren und Techni
ken, die von Verdonk u. a. beschrieben sind, zu schaffen.
Derartige Techniken von Verdonk u. a. sind hierin durch Be
zugnahme aufgenommen. Abhängig von der Position des Schal
ters 160 wird die Korrekturberechnungseinrichtung 158 entwe
der (a) die Geschwindigkeit des Motors variieren, um die Ge
schwindigkeit der Drehung zu verändern, (b) den Algorithmus
in dem Abtastumwandler 164 variieren, um das in einer Anzei
ge 168 dargestellte Bild zu modifizieren, oder (c) den Li
nienratentakt 170 steuern, um über den Sender 172 bei einer
solchen Rate zu senden, um ein verzerrungsfreies Bild zu er
halten. Es ist offensichtlich, daß das Ausführungsbeispiel
lediglich darstellend ist. Ein Fachmann wird wissen, daß be
stimmte der Blöcke in Fig. 2 kombiniert oder in mehrere
Blöcke unterteilt werden können, und zwar entweder als elek
tronische Schaltungen oder als Computerprogrammfunktionsblöcke,
um im wesentlichen die gleiche Funktion durchzufüh
ren.
Wie es oben erwähnt wurde, kann das Signal, das beobachtet
wird, wenn ein Ultraschallbild gebildet wird, in zwei Kompo
nenten zerlegt werden: (1) Reflexionen von Grenzen zwischen
Materialien mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften,
wobei diese Signale als spieglige Reflexionen bekannt sind;
und (2) eine Streuung von Materialien, deren Zusammensetzung
eine heterogene Mischung von Komponenten mit unterschiedli
chen akustischen Eigenschaften ist. Die Heterogenität des
Materials ist in einer Größenordnung, die im Vergleich zu
einer Wellenlänge des einfallenden Ultraschalls ist. Diese
Art von Signal ist als rückgestreutes Signal bekannt. Die
meisten Gewebe des menschlichen Körpers (sowie anderer Säu
getierkörper) erzeugen ein rückgestreutes Signal mit spieg
ligen Reflexionen, die aus Grenzen zwischen Geweben entste
hen.
Der Ultraschallpuls, der verwendet wird, um das rückgestreu
te Signal zu erzeugen, hat eine endliche Pulslänge und eine
endliche Breite. Somit hängt das empfangene Signal (d. h.
die HF-Linie) von dem Hinzufügen von rückgestreuten Ultra
schallwellen von sehr vielen zufällig positionierten Streu
einrichtungen (d. h. einzelnen Elementen in dem Gewebe, die
ein erfaßbares rückgestreutes Signal erzeugen) ab, und zwar
mit dem Ergebnis, daß zu einer bestimmten Zeit eine kon
struktive oder eine destruktive Interferenz auftreten kann.
Die Amplitude und Phase des empfangenen Signals schwankt so
mit zufällig. Wenn die Amplitudeninformationen umgewandelt
werden, um ein Bild zu erzeugen, führt diese Zufälligkeit zu
der charakteristischen tupfenartigen Erscheinung von Ultra
schallbildern.
Wenn man ferner ein Signal mißt, das von zwei Regionen rück
gestreut wird, werden die Messungen stark korreliert sein,
wenn der Abstand zwischen den beiden Regionen kleiner als
die Größe des Ultraschallpulses wird. Obwohl somit das spe
zielle Tupfenmuster, das beobachtet werden kann, von der ge
nauen Verteilung von Streueinrichtungen abhängt, hängen vie
le seiner Eigenschaften stärker von den Ultraschallpulsab
messung als von den exakten Details des mit Schall beleuch
teten Gewebes ab. Insbesondere hängen die Größe der Tupfen
zellen und viele anderen statistischen Informationen von
Messungen in Tupfenregionen eines Bilds von den Pulscharak
teristika ab.
Es sei eine Serie von HF-Linien betrachtet, die von reflek
tierten und gestreuten sequentiellen Ultraschallpulsen er
faßt werden. Bei einem sich mechanisch drehenden Katheter
sollte dies einer Winkeltrennung der HF-Linien entsprechen.
Bei einem Tupfen-erzeugenden Gewebe erwartet man bei jedem
gegebenen Abstand, daß die HF-Linien über einem Winkel, der
der Winkelbreite der Pulse entspricht, korreliert bleiben.
Die HF-Linien werden nur dekorreliert, nachdem ein Puls ei
nen vollständig neuen Satz von Streueinrichtungen bezüglich
anderer HF-Linien schallmäßig beleuchtet. Das heißt, daß die
HF-Linien bei jedem speziellen Abstand nur dann dekorreliert
werden, wenn sich die entsprechenden Pulse nicht überlappen.
Diese Erfindung verwendet die Variation mit einem Winkel der
statistischen Eigenschaften der HF-Linien, welche andern
falls verwendet werden, um das Bild zu bilden, um einen
Schätzwert für die Winkeltrennung dieser HF-Linien zu lie
fern. Durch Messen bestimmter Charakteristika des Tupfens
wird somit die Winkeltrennung der Linien bestimmt. Die Ein
gangsdaten in das Analyseverfahren können beliebige Daten
linien sein, die von den erfaßten HF-Linien abgeleitet wer
den, wie z. B. die HF-Linien selbst, die komplexen Basis
bandlinien, die durch Abwärtsmischung der HF-Linien gebildet
werden, d. h. durch nach unten Verschieben der Frequenz des
gesendeten Pulses, derart, daß die HF-Linien nun mittig um
die Nullfrequenz statt um die Frequenz des gesendeten Pulses
angeordnet sind, die A-Linien (Amplitudenlinien), die aus
den HF-Linien durch Hüllkurvenerfassung oder ein anderes De
modulationsschema gebildet werden, die Phasenlinien, die
durch Erfassen der Phasen der HF-Linien gebildet wird, oder
das IVUS-Bild selbst, das durch Abtast-Umwandeln der A-Li
nien von einem r-Theta-Format zu einem x-y-Format gebildet
wird, das zur Anzeige auf einem Computerbildschirm geeignet
ist. Das bevorzugte Eingangssignal sind jedoch die HF-Linien
oder die Basisbandlinien. Aus solchen Daten können von
Fachleuten andere mögliche Eingangssignale ohne weiteres
abgeleitet werden.
Aus einer Messung der Winkeltrennung der HF-Linien ist es
möglich, die Winkelgeschwindigkeit des Katheters abzuleiten,
und somit die Ungleichmäßigkeit dieser Geschwindigkeit, d. h.
die Abweichung der Winkelgeschwindigkeit von der beab
sichtigten (oder Ziel-) Geschwindigkeit zu messen. Das in
dem U. S. Patent Nr. 5,485,845 (Verdonk u. a.) erörterte
Verfahren kann dann angewendet werden, um die Ungleich
mäßigkeit oder Abweichung von dem beabsichtigten Muster zu
korrigieren, um ein verzerrungsfreies Bild zu erzeugen.
Viele unterschiedliche Berechnungsverfahren können verwendet
werden, um die Winkeltrennung der HF-Linien abzuleiten. Im
nachfolgenden werden drei derartige Verfahren beschrieben,
obwohl für Fachleute basierend auf diesen beispielhaften
Verfahren weitere offensichtlich sein werden. Bei diesen
Verfahren wird die relative Trennung der HF-Linien gemessen
und normiert, um eine absolute Winkeltrennung zwischen den
HF-Linien zu erhalten.
Dieses Verfahren verwendet das normierte Kreuzprodukt von
Datenlinien, wie z. B. HF-Linien, Phasenlinien, usw., als
Maß für die Winkeltrennung der HF-Linien. Aus Darstellungs
gründen wurden in diesem spezifischen Beispiel die komplexen
Basisbandlinien als Beispiel für die Datenlinien ausgewählt,
die aus den HF-Linien durch Abwärtsmischung erhalten werden.
Eine spezielle Basisbandlinie sei durch ap bezeichnet, wobei
p die spezielle interessierende Basisbandlinie spezifiziert,
während a die Quantität dieser Linie ist. Da Daten als dis
krete Abtastwerte gesammelt werden, seien die Abtastwerte
von ap als {sp(1), sp(2), . . . , sp(n)} bezeichnet. Die fol
gende Basisbandlinie sei als ap+1 bezeichnet, die aus Ab
tastwerten {sp+1 (1), sp+1 (2), . . ., sp+1 (n)} besteht. Das
normierte Kreuzprodukt der Basisbandlinien ap und ap+1 lau
tet folgendermaßen:
* bezeichnet einen konjugiert komplexen Wert, während n die
Anzahl von Abtastwerten und m eine beliebige ganzzahlige Va
riable zum Durchführen der Summation über n ist. Die ent
sprechenden Kreuzproduktsummen Cp,p+2, Cp,p+3, usw. zwischen
den Basisbandlinien p, p+2 und p+3, usw. können unter Ver
wendung der folgenden Basisbandlinien ap+2, ap+3, usw. be
rechnet werden. Auf ähnliche Weise können die vorhergehenden
Linien verwendet werden, um Cp,p-1, Cp,p-2, Cp,p-3, usw. zu
bilden. Aus den Korrelationseigenschaften, die oben be
schrieben worden sind, existiert die Beziehung E(Cp,p+1),
E(Cp,p-1) < E(Cp,p+2), E(Cp,p-2) < E(Cp,p+3), E(Cp,p-3)
usw., wobei E die Erwartung im statistischen Sinn bezeich
net. Abhängig von der Strahlbreite (d. h. dem Winkel, über
dem der Puls verteilt ist) und der Trennung der Datenlinien
fällt der Erwartungswert des Kreuzprodukts von zwei Linien
schließlich auf einen bestimmten Minimalwert, der durch den
Rauschpegel in dem System bestimmt ist, während die zwei
Datenlinien voneinander weiter getrennt werden. Somit kann
dem Kreuzprodukt einer speziellen Datenlinie mit ihren Nach
barn eine Breite zugewiesen werden.
Ein geeignetes Maß der Breite könnte die Anzahl von Linien
sein, die erforderlich sind, daß das Kreuzprodukt auf die
Hälfte seines Spitzenwerts fällt, obwohl auch andere Maße
für Fachleute offensichtlich sein werden. Wenn beispielswei
se HF-Linien mit einer 1°-Beabstandung erfaßt werden, und
wenn die Strahlbreite 5° beträgt, dann sollte das Kreuzpro
dukt bei E(Cp,p+5) ein Minimum erreichen, unter der Annahme,
daß die Winkeltrennung von Pulsen gleichmäßig ist. Derselbe
Prozeß kann für jede HF-Linie wiederholt werden, um Cp+1,
p+2, usw. zu berechnen.
Wenn sich der Wandler mit einer gleichmäßigen Winkelge
schwindigkeit dreht, derart, daß die HF-Linien gleich beab
standet sind, dann sollte die Breite des Kreuzprodukts für
alle HF-Linien gleich bleiben. Wenn sich der Wandler schneller
als erwartet über einen bestimmten Sektor des gesamten
Kreises dreht, dann werden die HF-Linien weiter als sonst
beabstandet sein, wobei die Breite der Kreuzproduktfunktion,
die durch die Anzahl von Datenlinien gemessen wird, die er
forderlich sind, daß ihr Wert wie oben beschrieben abfällt,
kleiner als normal sein wird. Wenn sich der Wandler anderer
seits langsamer als normal dreht, werden die HF-Linien näher
zusammen beabstandet sein, wobei die Kreuzproduktbreite
folglich ansteigen wird.
Die Beziehung zwischen der Kreuzproduktbreite und der Win
kelgeschwindigkeit ist umgekehrt linear. Durch Berechnen der
Kreuzproduktbreite entweder mittels einer Software oder über
eine spezielle Hardwareschaltung, können die Ungleichmäßig
keit der Wandlerdrehung und somit die Datenlinienwinkeltren
nung gemessen und durch die in dem Patent von Verdonk be
schriebenen Verfahren getrennt korrigiert werden. Wenn bei
spielsweise herausgefunden wird, daß bei einer speziellen
Linie die Winkelgeschwindigkeit größer als erwünscht ist,
kann die Abfeuerrate des Wandlers bei diesem Drehwinkel er
höht werden, um die schnellere Drehung zu kompensieren, der
art, daß die HF-Linien in dem resultierenden Bild gleich be
abstandet sind. Die anderen Kompensationsverfahren, die von
Verdonk u. a. (siehe oben) beschrieben sind, können eben
falls verwendet werden.
Die Normierung ist eine Operation, die durch Aufaddieren der
gemessenen Trennungen und durch Inbeziehungsetzen derselben
mit dem tatsächlichen Drehwinkel durchgeführt wird. Für das
Kreuzproduktverfahren werden beispielsweise die Reziprokwer
te aller gemessenen Breiten aufaddiert, wobei jede der ein
zelnen Trennungen durch die Gesamttrennung geteilt wird,
woraufhin jede mit dem korrekten Gesamtwinkel multipliziert
wird. Auf diese Art und Weise wird die korrekte Gesamttren
nung resultieren, und jede einzelne gemessene Trennung ist
nun absolut und nicht relativ bekannt. Für eine spezielle
Pulsform (wie sie beispielsweise durch einen speziellen Ent
wurf des Wandlers erzeugt wird) kann eine Kalibrationskurve
bereitgestellt werden, die die Beziehung beispielsweise ei
ner Kreuzproduktbreite zu einer absoluten Winkeltrennung
wiedergibt. Wenn eine solche Kurve bereitgestellt ist, dann
wird die Normierung unnötig. Die Normierung kann für die
folgenden Verfahren ebenfalls verwendet werden. Bei allen
Verfahren zum Bestimmen einer Ähnlichkeit zwischen Daten
linien, die in dieser Offenbarung beschrieben sind, ist das
Maß der Winkeltrennung normiert, derart, daß die aufaddierte
Summe der Trennungen den korrekten Gesamtwinkel ergibt. Im
Falle eines IVUS, bei dem das Bild üblicherweise eine volle
Umdrehung ist, muß die Summe der Trennungswinkel aufaddiert
360° ergeben.
Dieses Berechnungsverfahren verwendet die normierte Diffe
renz zwischen Datenlinien, wie z. B. HF-Linien, A-Linien,
Basisbandlinien, usw., als Maß für die Trennung der HF-Li
nien. Es sei für diese Analyse das Beispiel der Verwendung
der Basisbandlinien als Datenlinien betrachtet, wobei die
gleichen Notationen wie bei der obigen Kreuzproduktberech
nung angewendet werden, und wobei die normierte Linien-zu-
Linien-Effektivwertdifferenz für eine Linie ap von der Linie
ap+1 folgendermaßen lautet (RMS = Root Mean Square = quadra
tischer Mittelwert oder Effektivwert):
Wenn sich der Wandler langsamer als normal dreht, wird die
Differenz klein werden, da die Linien ähnlicher sein werden,
und zwar aufgrund der größeren Gemeinsamkeit der Streuein
richtungen, die die HF-Linie erzeugen. Wenn sich der Wandler
schneller als normal dreht, dann wird die Differenz groß
werden.
Die Effektivwertdifferenz ist in der obigen Gleichung (2)
gezeigt. Es können jedoch andere Arten von Differenzen, bei
spielsweise die Quadratmitteldifferenz (MS; MS = Mean
Square), verwendet werden:
Ferner kann sogar die einfache Differenz (D) verwendet wer
den:
Ein Fachmann wird in der Lage sein, für diese Analyse andere
Differenzen abzuleiten. Durch Berechnen der HF-Linien-zu-
Linien-Differenz unter Verwendung entweder einer Software
oder einer speziellen Hardwareschaltung kann die Ungleich
mäßigkeit der Wandlerwinkelgeschwindigkeit durch Techniken,
die den oben beschriebenen ähnlich sind, gemessen und korri
giert werden.
Wie es vorher bemerkt wurde, existiert bei der Kreuzprodukt
berechnung eine umgekehrt lineare Beziehung zwischen der
Kreuzproduktfunktionsbreite und der Winkelgeschwindigkeit.
Bei dem gegenwärtigen Differenzverfahren ist jedoch eine
direkte Beziehung vorhanden, da eine größere Differenz eine
größere Winkelgeschwindigkeit impliziert. Das exakte Wesen
der Beziehung hängt jedoch von dem Pulsprofil ab, das durch
einen speziellen Wandler erzeugt wird. Kalibrationskurven,
die die Differenz auf die Winkelgeschwindigkeit beziehen,
können verwendet werden, um die Winkelgeschwindigkeit zu be
werten.
Dieses Verfahren analysiert die Größe der Tupfenzellen
selbst. Folgende Schritte werden ausgeführt:
- 1. Zuerst wird eine Technik zum Definieren einer Tupfenzel le ausgewählt. Es wird beispielsweise die Amplitude je des Abtastwerts genommen, wonach alle benachbarten Ab tastwerte betrachtet werden, deren Amplitude ausreichend ähnlich sind, damit sie zu der gleichen Tupfenzelle gehö ren. Eine Alternative besteht darin, die Phase jedes Ab tastwerts des Basisbandliniensignals zu nehmen, und dann alle benachbarten Abtastwerte zu betrachten, deren Pha senverschiebung bezüglich des ersten Abtastwerts kleiner als eine eingestellte Menge, z. B. 90°, ist, um zur gleichen Tupfenzelle zu gehören. Noch einfacher könnte die Phase in ein einziges Bit quantisiert werden, wobei die Tupfenzellen dann durch Regionen definiert sind, in denen dieses eine Bit konstant ist. Basierend auf der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute weitere Ver fahren zum Definieren einer Tupfenzelle offensichtlich sein.
- 2. Nun sei jeder Abtastwert entlang einer Datenlinie be trachtet, wobei die Größe der Tupfenzelle gemessen wird, in der derselbe liegt, und zwar gemessen entlang der Winkelrichtung. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist eine Verteilung von Tupfenzellengrößen für jede Linie.
- 3. Es wird ein Satz von geeigneten statistischen Größen be rechnet, wie z. B. der Mittelwert, und zwar aus der Ver teilung von Tupfenzellengrößen, um die Winkelgeschwin digkeit für jede Linie zu bestimmen. Wenn sich der Katheter langsamer als normal dreht, dann wird die Zu nahme der Ähnlichkeit zwischen Linien bewirken, daß die Tupfenzellen größer werden. Diese Zunahme wird in der Verteilung der Zellengrößen wiedergegeben, z. B. die Durchschnittszellengröße wird zunehmen. Für eine Zunahme der Geschwindigkeit wird auf ähnliche Art und Weise die Durchschnittszellengröße abnehmen. Dieses Verfahren re sultiert wie das Kreuzproduktverfahren in einer umge kehrten linearen Beziehung zwischen der Geschwindigkeit und der Tupfenzellengröße.
Es sei angemerkt, daß bei dem Tupfenzellenverfahren die Pha
se oder die Amplitude der HF-Linien genauso wie beim Kreuz
produktverfahren und bei dem Differenzverfahren analysiert
werden kann. Der wichtige Aspekt besteht darin, die Änderung
der speziellen Charakteristik, d. h. der Amplitude, der Pha
se oder einer Kombination derselben, einer HF-Linie bezüg
lich anderer HF-Linien bei der Bewegung von einer HF-Linie
zu einer HF-Linie zu bestimmen, um die Winkeltrennung zwi
schen den HF-Linien zu bestimmen.
Eine mögliche Schwierigkeit beim Analysieren von HF-Linien
allein, um eine ungleichmäßige Winkelgeschwindigkeit zu er
fassen, besteht darin, daß das mit Schall beleuchtete Gewebe
Strukturen hat, welche eine Langstreckenkohärenz erzeugen,
wobei dieselben üblicherweise als spieglige Reflektoren be
zeichnet werden. Ein Gefäß könnte beispielsweise eine Ver
letzung, die eine Verkalkung enthält, aufweisen, welche eine
wesentlich unterschiedliche Reflektivität als das Gewebe der
Gefäßwand haben wird. Es können ebenfalls Strukturen vorhan
den sein, die spieglige Reflexionen liefern. Das Kreuzpro
dukt von Datenlinien, die von HF-Linien in Geweben abgelei
tet werden, die solche Strukturen enthalten, kann selbst
dann groß sein, wenn die Winkeltrennung derart ist, daß sich
die Strahlen nicht überlappen. Dies wird in einer Unterein
schätzung der Winkelgeschwindigkeit des Wandlers resultie
ren. Ähnliche Fehler werden für die anderen beschriebenen
Verfahren auftreten.
Eine Art und Weise, um diese Schwierigkeiten zu verkleinern,
besteht darin, den Tiefenbereich, über dem das Kreuzprodukt
berechnet wird, zu begrenzen, um sicherzustellen, daß Signa
le von einer Rückstreueinrichtung über Signalen von spiegli
gen Reflektoren dominieren. Dies kann beispielsweise durch
Verwenden eines Signals nur von dem Blut, das den Katheter
unmittelbar umgibt (in dem Fall von IVUS), durch Verwenden
eines Signals nur von der Region, die hinter der inneren
elastischen Schicht liegt (um die Auswirkung des Blut-Wand-Grenzflächenechos
zu entfernen), und dergleichen, durchge
führt werden.
Ein anderer Weg besteht darin, ein Verfahren zu verwenden,
das den Einfluß der Signale mit großer Amplitude, die von
spiegligen Reflexionen kommen, reduziert. Es ist beispiels
weise möglich, die Signalamplitude strikt abzuschneiden oder
die Signalphase allein zu verwenden, oder einfach das Vor
zeichen der Signalphase zu verwenden (was zu einer 1-Bit-
Quantisierung der Phase äquivalent ist). Solche Vereinfa
chungen führen ferner zu extrem schnellen Berechnungsschal
tungen, was es ermöglicht, daß die oben beschriebenen Ver
fahren in Echtzeit implementiert werden können.
Eine weitere Schwierigkeit entsteht, wenn der verwendete
Ultraschallpuls in der Winkelrichtung außerordentlich schmal
ist, da nur eine geringe oder keine Überlappung der Streu
einrichtungen vorhanden sein wird, die durch benachbarte
Ultraschallpulse schallmäßig beleuchtet werden. In dieser
Situation ist die Kreuzproduktfunktionsbreite Null, und es
sind keine Informationen bezüglich einer Winkeltrennung ver
fügbar. Dieses Problem kann gelöst werden, indem die Erzeu
gungsrate von HF-Linien erhöht wird. Für eine Abbildungstie
fe von 2 cm werden lediglich 30 µs für jede HF-Linie benö
tigt. Bei einer Rahmenrate von 30 Hz ist es somit möglich,
über 1.000 HF-Linien pro Umdrehung auszusenden. Somit wird
bei diesem Ausführungsbeispiel eine beträchtliche Winkel
überlappung für jeden vorhersehbaren intravaskulären Wandler
geschaffen. Zusätzlich werden für das bevorzugte Korrektur
verfahren von Verdonk u. a., bei dem die Zeitsteuerung des
Sendens von Pulsen verändert wird, um die ungleichmäßige
Winkelgeschwindigkeit der Sonde zu kompensieren, gleichmäßig
beabstandete Datenlinien erfaßt, sobald eine ausreichende
Korrektur verwendet wird. Als Ergebnis ist es lediglich er
forderlich, daß sich die Datenlinien überlappen, wenn sie
gleichmäßig beabstandet sind, und nicht, daß sie sich für
die größte denkbare Drehgeschwindigkeit überlappen.
Um jedes der drei oben beschriebenen Verfahren zu bewerten,
wurde eine Vorrichtung aufgebaut, die es erlaubt, daß ein
IVUS-Katheter derart verwendet wird, daß ein Phantom um den
Katheter auf eine gesteuerte Art und Weise gedreht werden
kann, während der Katheter nicht gedreht wird. Durch dieses
Verfahren kann eine beliebige Ungleichmäßigkeit der Trennung
von Datenlinien simuliert werden. Fig. 4 zeigt ein solches
System.
Das System 340 umfaßt das IVUS-Bilderzeugungssystem (HP
SONOS 100) 342 mit einem Katheter 344. Ein digitales Daten
erfassungsoszilloskop 346, das beispielsweise bei 250 MHz
läuft (d. h. Abtasten bei 250 Megaabtastwerten pro Sekunde),
wurde verwendet, um Daten von dem IVUS-Bilderzeugungssystem
342 zu sammeln. Der Wandler 350 wurde innerhalb eines Phan
toms 352 positioniert. Das Phantom 352 wird durch den
Schrittmotor 354 gedreht, welcher basierend auf einem vor
bestimmten (Ziel-) Winkeldrehungsmuster gesteuert wird. Das
Datenerfassungsoszilloskop 346 ist mit dem HF-Datenport und
mit dem Hüllkurven-Datenport in dem IVUS-Bilderzeugungssy
stem 342 verbunden. Auf diese Art und Weise können HF-Linien
und A-Linien gesammelt und in einer Computerdatei gespei
chert werden. Die Daten werden mit einem Computerprogramm
analysiert, obwohl bei einer speziellen Implementation eine
spezielle Hardwareschaltung verwendet werden könnte.
Ein Phantom 302, dessen Querschnitt in Fig. 3 gezeigt ist,
besteht aus Gelatine mit Graphitstreueinrichtungen 306, und
dasselbe hat eine Plastikhülle 308. Dieses Phantom enthält
ein Mittelloch 310, in das der IVUS-Katheter eingefügt wer
den kann, und ferner eine Anzahl von Referenzmarkierungen
312, die eine Beobachtung einer ungleichmäßigen Drehung er
möglichen. Die Markierungen 312 sind in einer 90°-Beabstan
dung bezüglich der Mitte des Phantoms positioniert.
Das Phantom ist an dem Schrittmotor 354 befestigt, der durch
den Steuercomputer 356 gesteuert wird. Dies ermöglicht es,
daß das Phantom unter Computersteuerung zu irgendeinem
speziellen Winkel gedreht wird. Durch geeignete Auswahl ei
nes Satzes von Winkeln kann dieses System verwendet werden,
um ein Bild zu erfassen, das zu dem identisch ist, welches
von einem normalen IVUS-System erfaßt wird, und zwar mit je
dem beliebigen Grad einer Ungleichmäßigkeit der Katheterdre
hung.
Für eine wirksame Berechnung der Drehwinkelgeschwindigkeit
und der Kompensation der Ungleichmäßigkeit wird es bevor
zugt, daß die HF-Linien etwa 1° bis 2° beabstandet sind, und
zwar für einen Katheter mit einem Wandler, der sich bei 30
Zyklen pro Sekunde dreht. Gesendete Ultraschallpulse mit ei
ner Frequenz von etwa 30 MHz und einer Dauer von etwa einem
Zyklus werden ein adäquates Signal zur Berechnung von Ände
rungen, z. B. zum Berechnen eines Kreuzprodukts, einer Dif
ferenz, einer Tupfenzellengrößenänderung, zwischen Linien
und zum Bilden eines korrigierten Bildes mit adäquater
Schärfe für einen Katheter mit 3,5 French und einer Länge
von 1,5 Metern schaffen.
Der Steuercomputer 356 ist programmiert, um eine ungleich
mäßige Drehung zu simulieren, derart, daß der Winkelabstand
zwischen Datenlinien als Funktion des Winkels derart ist,
wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die Abszisse zeigt die Winkel
position um die Achse des Phantoms, während die Ordinate die
Winkeltrennung der HF-Linien für die verschiedenen Winkel
positionen in dem Phantom zeigt. Die Durchschnittstrennung
der 240 HF-Linien beträgt 1,5°, was eine Gesamttrennung von
360° ergibt. Wie es in dieser Figur zu sehen ist, sind die
Linien zuerst eng beabstandet (was einer niedrigen Geschwin
digkeit entspricht), wonach sie weiter beabstandet sind (was
einer höheren Winkelgeschwindigkeit entspricht), während sie
dann wieder für den Rest der vollen Umdrehung nahe beabstan
det sind. Auf diese Art und Weise haben die HF-Linien, die
von dem Wandler erhalten werden, der die reflektierten Ultraschallpulse
empfängt, Regionen, in denen eine wesentliche
Überlappung von mit Schall beleuchteten Streueinrichtungen
vorhanden ist, und Regionen, in denen weniger Überlappung
vorhanden ist. In jeder der Winkeltrennungsschätzwertkurven,
die nachfolgend beschrieben sind, d. h. in den Fig. 8, 9 und
10, ist die tatsächliche Winkeltrennung als gestrichelte Li
nie gezeigt, während der Schätzwert der Trennung als durch
gezogene Linie dargestellt ist.
Fig. 6 zeigt das ursprüngliche Bild, das ohne Korrektur ei
ner ungleichmäßigen Winkeltrennung erfaßt wird. Das gezeigte
Bild wird aus dem Hüllkurvensignal von dem Datenportausgang
des S-NOS-Bilderzeugungssystems abtastumgewandelt. Die Refe
renzlöcher sind deutlich nicht bei 90° beabstandet, was an
zeigt, daß eine ernsthafte Ungleichmäßigkeit der Winkeltren
nung aufgetreten ist.
Fig. 7 zeigt die Kreuzproduktfunktion für zwei HF-Linien.
Die breite Kreuzproduktfunktion (durchgezogene Linie in Fig.
7) entspricht der kleinen Winkeltrennung (an der 3-Uhr-Posi
tion in dem Bild in Fig. 6 zu sehen), während das schmale
Kreuzprodukt (in Fig. 7 gestrichelt) einer größeren Winkel
trennung entspricht (bei 9 Uhr in Fig. 6 zu sehen). Die Be
rechnung wurde gemäß Gleichung (1) durchgeführt, und zwar
mit der beschriebenen Modifikation, bei der das Kreuzprodukt
aus den Vorzeichen der Phasen der Basisbandlinien berechnet
wird. Das heißt, daß die 1-Bit-quantisierte Phasenmodifika
tion der Kreuzproduktberechnung verwendet wurde.
Fig. 8 zeigt als durchgezogene Linie die Winkeltrennung von
Datenlinien, die durch das oben beschriebene Kreuzprodukt
verfahren abgeschätzt wurde. Die gestrichelte Linie zeigt
die wahre Winkeltrennung zwischen den Datenlinien. Fig. 9
zeigt die Geschwindigkeit, die durch die obige Differenzbe
rechnung abgeschätzt wurde, und zwar unter Verwendung der
beschriebenen Modifikation, bei der die verwendete Differenz
die des Vorzeichens der Phase der Basisbandlinien ist.
Fig. 10 zeigt die Winkelgeschwindigkeit, die abgeschätzt
wurde, indem die Tupfenzellengrößenberechnung, die oben be
schrieben wurde, verwendet wurde. In diesem Fall wurde die
Größe der Tupfenzelle definiert, damit sie der Anzahl von
Datenlinien entspricht, denen in der Winkelrichtung begegnet
wird, bevor die Phase der Basisbandlinien um mehr als 90°
verändert ist. Die Größe wurde für jeden Abtastwert jeder
Basisbandlinie berechnet, wonach die Geschwindigkeit propor
tional zu dem Inversen der Durchschnittsgröße eingestellt
wurde, nachdem die Größen entfernt wurden, die größer als
ein Viertel einer vollen Umdrehung sind.
Fig. 11 zeigt ein Bild, das durch Abtastumwandeln der Daten
gemäß den gemessenen Trennungen korrigiert ist, wie es von
Verdonk u. a. beschrieben ist, und zwar unter Verwendung der
gleichen Daten, die zum Bilden des Bilds in Fig. 6 verwendet
wurden. Da die gleichen Daten verwendet wurden, leidet die
Qualität des Bildes in Fig. 11 in Regionen etwas, in denen
eine nichtausreichende Dichte von HF-Linien vorhanden ist.
Aus diesem Grund wird das Verfahren der modifizierten Ab
feuerrate, d. h. ein alternativer Weg, um das Bild während
der nächsten Drehung des Katheters zu korrigieren, bevor
zugt. Alle Korrekturverfahren, die von Verdonk offenbart
worden sind, können für die vorliegende Erfindung angepaßt
werden. Obwohl die Korrektur bezüglich der Drehung, der Ab
feuerrate oder der Abtastumwandlung nach der Messung durch
geführt wurde, funktioniert dies für praktische Bilderzeu
gungszwecke gut, da die Ungleichmäßigkeit der Winkelge
schwindigkeit von einer Umdrehung zu der nächsten ziemlich
wiederholbar ist. Wie Pixel in einer Anzeige, z. B. einem
Fernsehbildschirm oder einem Monitor, entsprechend Daten
linien aktiviert werden, ist in der Technik bekannt und wird
in dieser Anmeldung nicht beschrieben.
Es ist offensichtlich, daß das gegebene Beispiel lediglich
Darstellungszwecken dient, und daß Fachleute basierend auf
der vorliegenden Erfindung Variationen durchführen können.
Ein Reflektor kann beispielsweise gedreht werden, um die Ul
traschallpulse zu richten, d. h. zu reflektieren, statt daß
der Wandler gedreht wird. Ferner ist es offensichtlich, daß
die Technik, um eine ungleichmäßige Winkelgeschwindigkeit zu
erfassen und zu korrigieren, gemäß der vorliegenden Erfin
dung auf Abbildungsstrukturen angewendet werden kann, die
einen Wandler umgeben und kein Blutgefäß sind. Die Techniken
können verwendet werden, um von anderen Körperhohlräumen
aus, wie z. B. der Speiseröhre, dem Magen-Darm-Trakt, dem
Uterus, der Blase und sogar von anderen Hohlräumen aus, wie
z. B. Öffnungen in Rohren und Innenwänden von Löchern in
nichtbiologischen Strukturen, Bilder zu erzeugen.
Claims (22)
1. Ultraschallvorrichtung (10) zum Abbilden von Geweben
in dem Körper eines Patienten von einem Inneren eines
Hohlraums in dem Körper aus, mit folgenden Merkmalen:
- (a) einer Sonde (14) zum Einbringen in den Hohlraum, wobei die Sonde ein distales Ende (18), um sich in den Hohlraum zu erstrecken, ein proximales Ende (20), um sich außerhalb des Körpers zu er strecken, und ein mechanisch drehbare Einrichtung (25) aufweist, die einen oder mehrere Wandler (24) zum Senden von sequentiellen Ultraschallpul sen in einem Winkelmuster von dem distalen Ende (18) aus, basierend auf einem Zielwinkelmuster, und zum Empfangen von Ultraschallenergie umfaßt, die von den Geweben zurück zu dem einen oder den mehreren Wandlern (24) reflektiert und gestreut wird, derart, daß jeder gesendete Ultraschallpuls in einem empfangenen Signal (HF-Linie) resul tiert, das aus der reflektierten und aus der ge streuten Ultraschallenergie umgewandelt wird, wo bei die HF-Linie anschließend zum Bilden eines Gewebebilds verwendet wird;
- (b) einer Winkelidentifikationseinrichtung (32) zum Bestimmen des gesendeten Winkelmusters durch Ana lysieren der HF-Linien, um eine Winkeltrennung zwischen denselben zu bestimmen, wobei die Win kelidentifikationseinrichtung in der Lage ist, das gesendete Winkelmuster allein durch Analy sieren der HF-Linien zu bestimmen; und
- (c) einer Korrektureinrichtung (32) zum Korrigieren einer Verzerrung des Gewebebilds, die durch das gesendete Winkelmuster bewirkt wird, das sich von dem ziel-Winkelmuster unterscheidet.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
bei der die Winkelidentifikationseinrichtung angepaßt
ist, um die Ähnlichkeit zwischen HF-Linien zu bestim
men, um die Winkeltrennung zwischen HF-Linien zu be
stimmen, wobei ein großer Grad an Ähnlichkeit eine
kleine Winkeltrennung anzeigt, während ein kleiner
Grad an Ähnlichkeit eine große Trennung anzeigt, wobei
die Winkeltrennung zwischen den HF-Linien das gesende
te Winkelmuster bestimmt.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2,
bei der die Winkelidentifikationseinrichtung angepaßt
ist, um eine Datenlinie mit anderen Datenlinien zu
vergleichen, um das gesendete Winkelmuster zu bestim
men, wobei die Datenlinien aus den HF-Linien abgelei
tet sind.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3,
bei der die Winkelidentifikationseinrichtung angepaßt
ist, um Datenlinien, die von den HF-Linien abgeleitet
werden, zu vergleichen, wobei die Datenlinien aus den
HF-Linien, aus den HF-Amplitudenlinien, aus den HF-Phasenlinien,
aus den Basisbandlinien, aus den Basis
bandamplitudenlinien, aus den Basisbandphasenlinien,
aus den quantisierten HF-Phasen oder aus den quanti
sierten Basisbandphasen abgeleitet werden, um das
gesendete Winkelmuster zu bestimmen.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4,
bei der die Winkelidentifikationseinrichtung angepaßt
ist, um Datenlinien, die von den HF-Linien abgeleitet
werden, zu vergleichen, um das Kreuzprodukt der Daten
linien zu bestimmen, um das gesendete Winkelmuster zu
bestimmen.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4,
bei der die Winkelidentifikationseinrichtung angepaßt
ist, um Datenlinien durch Berechnen des Kreuzprodukts
unter Datenlinien gemäß folgender Gleichung zu berech
nen:
wobei "*" die Operation "konjugiert komplex" bezeich
net, während s die Größe eines Abtastwerts in der Da
tenlinie ist, p die spezifische Datenlinie von Inter
esse darstellt, n die Anzahl von Abtastwerten in einer
Datenlinie ist, und m eine beliebige ganzzahlige Sum
mationsvariable ist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 4,
bei der die Winkelidentifikationseinrichtung angepaßt
ist, um das gesendete Winkelmuster durch Analysieren
von Differenzen zwischen Datenlinien zu bestimmen.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7,
bei der die Winkelidentifikationseinrichtung angepaßt
ist, um das gesendete Winkelmuster durch Analysieren
einer Effektivwert-Differenz zwischen Datenlinien zu
bestimmen.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 3,
bei der die Winkelidentifikationseinrichtung angepaßt
ist, um das gesendete Winkelmuster durch Analysieren
der Datenlinien, um Tupfenzellen zu definieren, wobei
jede in sich im allgemeinen gleichmäßige Ultraschall
charakteristika aufweist, und durch Analysieren der
Gleichmäßigkeit der Abmessungen der Tupfenzellen zwi
schen den Datenlinien zu bestimmen.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei der die Winkelidentifikationseinrichtung angepaßt
ist, um eine Ungleichmäßigkeit der Drehgeschwindigkeit
der Wandlereinrichtung entweder durch die Abtastum
wandlung, um die Position der Datenlinien einzustel
len, oder durch Ändern der Abfeuerrate des Wandlers
oder durch Veränderung der Drehgeschwindigkeit der
drehbaren Einrichtung zu korrigieren, um eine Verzer
rung in der Anzeige einer Abbildungsanzeige zu kompen
sieren.
11. Verfahren zum Abbilden von Körpergeweben von dem Inne
ren eines Hohlraums in dem Körper eines Patienten aus,
mit folgenden Schritten:
- (a) Einführen einer Sonde (14) in den Hohlraum eines Patientenkörpers, wobei die Sonde (14) ein dista les Ende (18), um sich innerhalb des Hohlraums zu erstrecken, einen Ultraschallwandler (24) an dem distalen Ende (18) und ein proximales Ende (20), um sich außerhalb des Hohlraums zu erstrecken, aufweist;
- (b) Drehen einer Richtungseinrichtung (24), die dem Ultraschallwandler (24) in der Sonde zugeordnet ist, um sequentielle Ultraschallpulse in einem Winkelmuster von dem distalen Ende (18) basierend auf einem Zielwinkelmuster zu senden, und Empfan gen von Ultraschallenergie, die von den Geweben des Patientenkörpers an dem distalen Ende (18) der Sonde (14) reflektiert und gestreut wird, derart, daß jeder gesendete Ultraschallpuls in einem empfangenen Signal (HF-Linie), das aus der reflektierten und der gestreuten Ultraschallenergie umgewandelt wird, resultiert, wobei die HF-Linie zum nachfolgenden Bilden eines Gewebebildes nützlich ist;
- (c) Bestimmen des gesendeten Winkelmusters durch Ana lysieren der HF-Linien, um eine Winkeltrennung zwischen denselben zu bestimmen; und
- (d) Korrigieren einer Verzerrung des Gewebebilds, die durch das gesendete Winkelmuster bewirkt wird, wie sie durch Analysieren der HF-Linien, die sich von dem Ziel-Winkelmuster unterscheiden, bestimmt wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem der Schritt des
Analysierens der HF-Linien folgenden Schritt aufweist:
Bestimmen der Ähnlichkeit zwischen HF-Linien, um die gesendete Winkeltrennung zwischen HF-Linien zu bestim men, wobei ein hoher Grad an Ähnlichkeit eine kleine Winkeltrennung anzeigt, während ein kleinerer Grad an Ähnlichkeit eine größere Trennung anzeigt, wobei die Winkeltrennung zwischen den HF-Linien das gesendete Winkelmuster bestimmt.
Bestimmen der Ähnlichkeit zwischen HF-Linien, um die gesendete Winkeltrennung zwischen HF-Linien zu bestim men, wobei ein hoher Grad an Ähnlichkeit eine kleine Winkeltrennung anzeigt, während ein kleinerer Grad an Ähnlichkeit eine größere Trennung anzeigt, wobei die Winkeltrennung zwischen den HF-Linien das gesendete Winkelmuster bestimmt.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der Schritt des
Analysierens der HF-Linien folgenden Schritt aufweist:
Vergleichen einer Datenlinien mit anderen Datenlinien, um das gesendete Winkelmuster zu bestimmen, wobei die Datenlinien von den HF-Linien abgeleitet sind.
Vergleichen einer Datenlinien mit anderen Datenlinien, um das gesendete Winkelmuster zu bestimmen, wobei die Datenlinien von den HF-Linien abgeleitet sind.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem das Analysieren
von HF-Linien folgenden Schritt aufweist:
Vergleichen von Datenlinien, die von den HF-Linien ab geleitet sind, wobei die Datenlinien aus HF-Linien, HF-Amplitudenlinien, HF-Phasenlinien, Basisbandlinien, Basisbandamplitudenlinien, Basisbandphasenlinien, quantisierten HF-Phasen oder quantisierten Basisband phasen abgeleitet sind, um das gesendete Winkelmuster zu bestimmen.
Vergleichen von Datenlinien, die von den HF-Linien ab geleitet sind, wobei die Datenlinien aus HF-Linien, HF-Amplitudenlinien, HF-Phasenlinien, Basisbandlinien, Basisbandamplitudenlinien, Basisbandphasenlinien, quantisierten HF-Phasen oder quantisierten Basisband phasen abgeleitet sind, um das gesendete Winkelmuster zu bestimmen.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem der Schritt des
Analysierens der HF-Linien folgenden Schritt aufweist:
Vergleichen von Datenlinien durch Berechnen des Kreuz produkts unter Datenlinien gemäß folgender Gleichung: wobei "*" die Operation "konjugiert komplex" anzeigt, s die Größe eines Abtastwerts in der Datenlinie ist, p die spezifische interessierende Datenlinie darstellt, n die Anzahl von Abtastwerten in einer Datenlinie ist, und m eine beliebige ganzzahlige Summationsvariable ist.
Vergleichen von Datenlinien durch Berechnen des Kreuz produkts unter Datenlinien gemäß folgender Gleichung: wobei "*" die Operation "konjugiert komplex" anzeigt, s die Größe eines Abtastwerts in der Datenlinie ist, p die spezifische interessierende Datenlinie darstellt, n die Anzahl von Abtastwerten in einer Datenlinie ist, und m eine beliebige ganzzahlige Summationsvariable ist.
16. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem der Schritt des
Analysierens der HF-Linien folgenden Schritt aufweist:
Analysieren von Differenzen zwischen Datenlinien.
Analysieren von Differenzen zwischen Datenlinien.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der Schritt des
Analysierens der HF-Linien folgenden Schritt aufweist:
Analysieren der Effektivwert-Differenz zwischen Daten linien.
Analysieren der Effektivwert-Differenz zwischen Daten linien.
18. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem der Schritt des
Analysierens von HF-Linien folgenden Schritt aufweist:
Analysieren der Datenlinien, um Tupfenzellen zu defi nieren, wobei jede Tupfenzelle in sich eine im allgemeinen gleichmäßige Ultraschallcharakteristik aufweist; und
Analysieren der Gleichmäßigkeit der Abmessungen der Tupfenzellen zwischen den Datenlinien.
Analysieren der Datenlinien, um Tupfenzellen zu defi nieren, wobei jede Tupfenzelle in sich eine im allgemeinen gleichmäßige Ultraschallcharakteristik aufweist; und
Analysieren der Gleichmäßigkeit der Abmessungen der Tupfenzellen zwischen den Datenlinien.
19. Verfahren gemäß Anspruch 13, welches ferner folgenden
Schritt aufweist:
Korrigieren der Differenz zwischen dem gesendeten Win kelmuster und dem Zielwinkelmuster durch Einstellen der Position von Datenlinien, um Verzerrungen für eine Anzeige auf einem Bildanzeigegerät zu korrigieren.
Korrigieren der Differenz zwischen dem gesendeten Win kelmuster und dem Zielwinkelmuster durch Einstellen der Position von Datenlinien, um Verzerrungen für eine Anzeige auf einem Bildanzeigegerät zu korrigieren.
20. Verfahren gemäß Anspruch 13, welches ferner folgenden
Schritt aufweist:
Korrigieren der Ungleichmäßigkeit des Winkelmusters durch Einstellen der Senderate der Ultraschallpulse, um Verzerrungen zu korrigieren, für eine Anzeige auf einem Abbildungsanzeigegerät.
Korrigieren der Ungleichmäßigkeit des Winkelmusters durch Einstellen der Senderate der Ultraschallpulse, um Verzerrungen zu korrigieren, für eine Anzeige auf einem Abbildungsanzeigegerät.
21. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem der Schritt des
Korrigierens der Verzerrung ferner einen der folgenden
Schritte aufweist:
Abtastumwandeln, um die Position von Datenlinien ein zustellen;
Ändern der Abfeuerrate des Wandlers; und
Ändern der Drehgeschwindigkeit der drehbaren Einrich tung,
um eine Verzerrung des Gewebebilds auf einem Abbil dungsanzeigegerät zu kompensieren, die durch eine Dif ferenz zwischen dem gesendeten Winkelmuster und dem Zielwinkelmuster bewirkt wird.
Abtastumwandeln, um die Position von Datenlinien ein zustellen;
Ändern der Abfeuerrate des Wandlers; und
Ändern der Drehgeschwindigkeit der drehbaren Einrich tung,
um eine Verzerrung des Gewebebilds auf einem Abbil dungsanzeigegerät zu kompensieren, die durch eine Dif ferenz zwischen dem gesendeten Winkelmuster und dem Zielwinkelmuster bewirkt wird.
22. Verfahren zum Abbilden von Körpergeweben von dem Inne
ren eines Hohlraums in dem Körper eines Patienten aus,
mit folgenden Schritten:
- (a) Einführen einer Sonde (14) in den Hohlraum in dem Körper eines Patienten, wobei die Sonde (14) ein distales Ende (18) zum Einführen in den Körper, ein proximales Ende (20), um sich außerhalb des Körpers zu erstrecken, und an dem distalen Ende (18) einen Wandler (24) aufweist;
- (b) Drehen des Wandlers (24), um sequentielle Ultra schallpulse in einem Winkelmuster von dem dista len Ende (18) basierend auf einem Zielwinkelmu ster zu senden, und Empfangen von Ultraschallpul sen, die von Geweben des Patientenkörpers an dem distalen Ende (18) der Sonde (14) reflektiert und gestreut werden, derart, daß jeder gesendete Ultraschallpuls in einem empfangenen Signal (HF-Li nie) resultiert, das aus der reflektierten und der gestreuten Ultraschallenergie umgewandelt wird, wobei die HF-Linie zum anschließenden Bil den eines Gewebebilds nützlich ist;
- (c) Bestimmen des gesendeten Winkelmusters durch Ana lysieren von Datenlinien, um die Ähnlichkeit zwi schen HF-Linien zu bestimmen, um die Winkeltren nung zwischen HF-Linien zu bestimmen, wobei ein hoher Grad an Ähnlichkeit eine kleine Winkeltren nung anzeigt, während ein kleinerer Grad an Ähn lichkeit eine größere Trennung anzeigt, wobei die Winkeltrennung zwischen den HF-Linien das gesen dete Winkelmuster bestimmt, und wobei die Daten linien aus den HF-Linien abgeleitet und aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus HF-Linien, HF-Amplitudenlinien, HF-Phasenlinien, Basisbandli nien, Basisbandamplitudenlinien, Basisbandphasen linien, quantisierten HF-Phasen und quantisierten Basisbandphasen besteht; und
- (d) Korrigieren einer Verzerrung des Gewebebilds, die durch das gesendete Winkelmuster, das sich von dem Ziel-Winkelmuster unterscheidet, bewirkt wird, basierend allein auf dem gesendeten Winkel muster, wie es durch Analysieren der HF-Linien bestimmt wird, die aus einer Reflexion und einer Streuung von den Körpergeweben bewirkt werden.
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1997
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