專利名稱：實(shí)時3d體繪制圖像的更快速率的制作方法
實(shí)時3D體繪制圖像的更快速率本發(fā)明涉及以比采集下層3D超聲數(shù)據(jù)更高的速率來生成超聲體繪制 圖像。具體而言，本發(fā)明涉及通過在采集到新的超聲數(shù)據(jù)后馬上將其合并 到3D數(shù)據(jù)集中，從而以更高的速率生成體繪制圖像，并且以更高的速率進(jìn) 行重新投影。三維超聲成像，包括單掃描(3D)和實(shí)時(通常稱為4D或?qū)崨r3D) 兩者，在現(xiàn)代超聲系統(tǒng)上正變得越來越普遍。在臨床上，它可用于很多應(yīng) 用中，包括OB (例如，用于胎兒臉部和用于先天性缺陷的診斷)、心臟 疾病(例如，用于射血分?jǐn)?shù)的定量評估和用于心臟功能的可視化)以及其 他。實(shí)時(實(shí)況)3D包括以對于3D顯示足夠快的速率進(jìn)行全體積數(shù)據(jù)的采集和顯示，從而以臨床上有用的速率示出3D繪制圖像或多個切片。使用電動型換能器或2D陣列換能器可完成普通成像應(yīng)用的3D數(shù)據(jù)捕獲。

圖1示出了電動型換能器的典型3D/4D數(shù)據(jù)路徑的方塊圖，其示出了采集步驟和可視化步驟兩者。非電動型2D陣列換能器的信號路徑與此類似，但不使用電機(jī)控制器和傳動機(jī)構(gòu)。超聲體繪制圖像可通過將3D數(shù)據(jù)集投影到2D表面上而生成。這些圖像典型地以與采集下層3D超聲數(shù)據(jù)相同的速率來生成，這受到聲傳播時間和/或(對于機(jī)械3D探頭而言)機(jī)械局限性的限制。大多數(shù)臨床醫(yī)生愿意這些速率更高些。通過在電動機(jī)控制器的控制下機(jī)械地移動1D陣列并采集射束數(shù)據(jù)來 完成電動化采集。在旋轉(zhuǎn)或平移期間連續(xù)地移動探頭并采集來自整個體積 的掃描線(射束)或僅采集位于期望多個2D切片視圖部位處的掃描線(射 束)。通過前端控制器來設(shè)置這些射束的聚焦延遲、權(quán)重和計時。通過在方 位和仰角兩方面電子地導(dǎo)引各射束，再次在前端控制器并通常還在2D換能 器自身內(nèi)的微束形成器的控制下，來完成使用2D陣列換能器(X矩陣)的采集。然后將這樣形成的各RF射束通過信號調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行饋送，該信號調(diào) 節(jié)模塊通常執(zhí)行各種標(biāo)準(zhǔn)的超聲信號處理操作，例如包絡(luò)檢測、壓縮等?？梢暬浖膾呙柁D(zhuǎn)換器通過針對線性和扇形格式將各掃描線按位置 進(jìn)行組合(如圖2所示)而生成體積或切片視圖幀。將整個體積保持在圖 像存儲器的3D電影回放歷史緩沖器中，以待將其直接傳送用于實(shí)時(實(shí)況 3D)繪制或者能夠保存或再次存儲用于以后的3D評測。在大多數(shù)情況下，通過將將整個體積數(shù)據(jù)沿觀察點(diǎn)方向上的射線投影 到2D平面上而生成超聲3D或4D視圖(也被稱為繪制視圖)。能操縱各種 控制以調(diào)整體積的觀察點(diǎn)方向、透明度和構(gòu)造，以及剪裁并刻除外部區(qū)域， 從而更好地觀看內(nèi)部區(qū)域。所得結(jié)果是"3D圖像"，其提供體積的定性可 視化。雖然具體的實(shí)現(xiàn)會有不同，但是體繪制近似光線(或超聲)通過半 透明體積進(jìn)行的傳播。所有體繪制算法的各基本步驟包括將顏色和不透明 度分配給體積中的每一個樣本，將沿著各線性射線的各樣本投影到2D圖像 上，并累積沿每條射線投影的樣本。這一處理顯示在下面用于單條觀察射 線和相關(guān)圖像像素的圖3中。在實(shí)時3D中操作的現(xiàn)有超聲系統(tǒng)的一種局限在于，通常以與采集下層 3D超聲數(shù)據(jù)相同的速率-即，可視化速率與采集速率相同來生成體繪制圖 像。對于大視野(尤其是在OB和綜合成像中)以及對于可接受的圖像質(zhì) 量而言，為了對體積進(jìn)行充分采樣必須采集很大量的聲掃描線，這導(dǎo)致可 能低到只有幾Hz的釆集速率。這甚至對于矩陣(即2D)陣列亦是如此。 由于可視化速率與采集速率相同，因此這對試圖與正在顯現(xiàn)的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn) 行實(shí)時交互的用戶產(chǎn)生了問題。 一種提高體積速率的方法是采集較少的數(shù) 據(jù)，但這會犧牲視野或圖像質(zhì)量或者兩者。人們希望提供以更高速率生成的超聲體積圖像，避免前述現(xiàn)有技術(shù)的 各種缺陷。實(shí)時空間復(fù)合(Philips公司稱之為SonoCT)涉及將從不同角度采集的 多個、重疊2D圖像中獲得的超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，實(shí)時空間復(fù)合具有類似的 問題，因為需要大量的聲數(shù)據(jù)來生成一個完整的復(fù)合圖像，這樣實(shí)際上復(fù) 合幀速率是低的。然而，來自SonoCT的經(jīng)驗已經(jīng)顯示出，與等待整個復(fù) 合序列不同(見美國專利6,126,599)，如果一有任何新的信息出現(xiàn)就更新復(fù)5合圖像，具體而言通過每次采集到新的成分幀(即一次導(dǎo)引角度)時更新 所述復(fù)合圖像，則會極大地改進(jìn)用戶的體驗。本質(zhì)上，我們以成分幀速率 而非復(fù)合幀速率來呈現(xiàn)所述復(fù)合圖像，并且它們與人們優(yōu)選在真正獨(dú)立的 復(fù)合圖像間能夠進(jìn)行插值所獲得的圖像類似。用戶通常察覺的幀速率是大 約實(shí)際復(fù)合速率的兩倍。另一優(yōu)勢是等待時間，因為用戶以成分幀而非全 部復(fù)合圖像的速率來觀看新的信息。由于體積投影與SonoCT中使用的幀平均是非常類似的概念，因此這 些相同的好處可通過在獲得每個成分2D切片時，或以一些其他中間速率更 新繪制圖像而轉(zhuǎn)移給3D體繪制成像。該思想是以臨床需要和處理功率確定 的速率，而非3D體積采集速率來更新體繪制圖像。本發(fā)明規(guī)定通過以與采集2D幀相同的速率，而非以采集3D體積的速 率，或者以一些中間速率來生成繪制圖像而以更高速率生成超聲體積圖像。圖1示出了顯示實(shí)時3D采集的典型實(shí)時3D信號路徑； 圖2a示出了針對線性掃描的常規(guī)3D掃描轉(zhuǎn)換； 圖2b示出了針對扇掃的常規(guī)3D掃描轉(zhuǎn)換； 圖3示出了用于體繪制的常規(guī)方法；以及圖4示出了本發(fā)明如何修改典型的3D體繪制，從而以采集的2D幀的 速率而非采集的體積速率來生成繪制圖像。參照各附圖，圖4描述了本發(fā)明的操作。系統(tǒng)(1)要求每個2D幀(5a) 花費(fèi)時間(t)來采集，使得在時間(Nt)內(nèi)采集由N個2D幀組成的整個 采集體積(5)。在現(xiàn)有技術(shù)中3D掃描轉(zhuǎn)換器然后能以采集體積速率(1/Nt) 生成3D體積，并且它們還能以相同的速率(1/Nt)進(jìn)行繪制(并且因此被 可視化，12)。然而，如圖4所示，通過不斷地在出現(xiàn)新的圖像數(shù)據(jù)時就馬 上用其更新掃描轉(zhuǎn)換體積，具體地通過增加(6)最近期的2D幀(5a)并 從先前采集的體積(lla)中減去(7)相等的2D幀(lla)，然后有可能以 采集幀速率(l/t)而非體積速率(1/Nt)生成各體繪制圖像。由于以2D采集幀速率進(jìn)行的體繪制產(chǎn)生具有大量共有圖像數(shù)據(jù)的繪 制體積(N個2D幀中僅有1個是唯一的)，使得所繪制的圖像看上去非常類似，實(shí)際上很可能體繪制將以介于2D釆集速率(1/t)和3D采集速率 (1/Nt)之間的某一速率進(jìn)行。同樣，以2D采集速率進(jìn)行的體繪制也可能 超過系統(tǒng)的處理資源，這是因為體繪制是需要相當(dāng)密集的處理。來自 SonoCT的經(jīng)驗建議大約(2/Nt)，即兩倍于采集體積速率的體繪制速率可 能代表較好的折衷方案。這個概念需要3D體積緩沖器(10)，如圖4所示，它將用于累積最近 期的體積數(shù)據(jù)，以及需要分立的3D體積緩沖器(11)，其存儲以前的體積 數(shù)據(jù)。新的2D幀(5)將增加(6)到緩沖器(10)中，并將替換存儲在 3D體積(ll)中的從同一空間位置處獲得的舊2D幀，將其從該緩沖器(IO) 中減去(7)。體繪制(12)將以所選速率-即與所述體積采集速率無關(guān)的速 率-運(yùn)行3D體積緩沖器。這樣，本發(fā)明提供了一種通過以與典型地如圖2b和3所完成和圖示的 采集幀相同的速率(1/t)而非采集體積的速率生成繪制圖像而修改典型的 3D體繪制(圖2b和圖3所示)的方法和系統(tǒng)。這一操作針對基于2D幀速 率而非采集的體積速率的采集而言是實(shí)現(xiàn)為軟件。一個問題是己經(jīng)在不同時候采集的體積各部分之間存在"撕裂"的風(fēng) 險。這可通過總是以與2D掃描方向成直角或接近直角進(jìn)行投影而得到緩 解，在這種情況下任何偽影不會比它們在正常(即，以采集體積速率)顯 示的投影視圖中更糟。在矩陣陣列上，這易于確保各投影并不是直接沿著 射束軸而只要射束的頂點(diǎn)在換能器上，這是因為原則上，各2D切片能以任 何方向進(jìn)行掃描。本發(fā)明可運(yùn)行支持實(shí)時3D成像的任何超聲系統(tǒng)，并因此本發(fā)明并不局 限于任何一種超聲系統(tǒng)。通過說明性示例而非試圖進(jìn)行限制的方式，本發(fā) 明可運(yùn)行下列超聲系統(tǒng)Philips iU22; Philips正33; GELogic9; GEVoluson; Siemens Antares; 以及Toshiba Aplio 。雖然對本公開來說已經(jīng)描述了目前優(yōu)選的各實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的技 術(shù)人員能對方法步驟及裝置部件的布置做出很多改動。這些改動包含在權(quán) 利要求書所定義的本發(fā)明精神之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種用于生成超聲體繪制圖像的方法，包括如下各步驟用3D掃描轉(zhuǎn)換器生成3D體積；提供3D體積緩沖器以積累近期的體積數(shù)據(jù)；提供3D體積緩沖器以存儲以前采集的體積數(shù)據(jù)，通過增加近期的2D幀并替換從所述緩沖器中3D體積內(nèi)的一些空間位置上獲得的舊的相等2D幀，不斷地用新的圖像數(shù)據(jù)更新掃描轉(zhuǎn)換體積，使得體繪制以所選速率在所述緩沖器上運(yùn)行，并以比采集下層3D超聲數(shù)據(jù)更高的速率來生成超聲繪制圖像。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述體繪制以介于2D采集速 率(1/t)和3D采集速率(1/Nt)間的某一速率進(jìn)行。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述體繪制速率近似為所述采 集體積速率的兩倍(2/Nt)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以與2D掃描方向成直角或接近直角進(jìn)行投影，以便防止在不同時候采 集的體積各部分之間的撕裂。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述緩沖器實(shí)現(xiàn)為軟件。
6、 一種用于生成超聲體繪制圖像的系統(tǒng)，包括 3D掃描轉(zhuǎn)換器，用于生成3D體積； 3D體積緩沖器，用于積累近期的體積數(shù)據(jù)；所述3D體積緩沖器通過增加近期的2D幀并替換從3D體積內(nèi)的空間 位置上獲得的舊的相等2D幀，接收不斷地用新的圖像數(shù)據(jù)更新的掃描轉(zhuǎn)換 體積，使得體繪制在所述緩沖器中以所選速率運(yùn)行，并以比采集下層3D超 聲數(shù)據(jù)更高的速率來生成超聲繪制圖像。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述體繪制以介于2D采集速 率(1/t)和3D采集速率(1/Nt)間的某一速率進(jìn)行。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述體繪制速率近似為所述采 集體積速率的兩倍(2/Nt)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，還包括所述系統(tǒng)以與2D掃描方向成直角或接近直角進(jìn)行投影，以便防止在不 同時候采集的體積各部分之間的撕裂。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述緩沖器實(shí)現(xiàn)為軟件。
全文摘要
本發(fā)明規(guī)定了通過以與采集幀相同的速率生成繪制圖像而以更高速率生成超聲體積圖像。這可通過將采集與繪制進(jìn)行分離來實(shí)現(xiàn)不斷地采集2D幀并將其存儲在3D存儲器中。一旦3D存儲器裝滿，動態(tài)地用新的幀替換舊的幀。以所選速率在3D存儲器上執(zhí)行繪制。
文檔編號G01S15/89GK101331406SQ200680046762
公開日2008年12月24日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者J·杰戈 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司