DE19541987A1 - Verfahren zur Gewinnung dreidimensionaler, echographischer Daten und Vorrichtung zu seiner Durchführung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues echographi­ sches Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere zur Darstellung des Herzens in drei Dimensionen.

Durch die Echographie gewinnt man gewöhnlich ein zweidi­ mensionales Bild eines Organs.

Die Schwierigkeit, mit zweidimensionalen Bildern ein Herz dreidimensional darzustellen, besteht darin, die Bilder im Raum (Einatmen) mit zusammengezogener und beweglicher Struktur quer zu einer begrenzten Anzahl von akustischen "Fenstern" zusammenzusetzen, welche zwischen den Seiten vorliegen.

Etliche Versuche der Echographie in drei Dimensionen wur­ den bereits ausgeführt, ohne daß einer davon zufrieden­ stellende Ergebnisse brachte.

WA ZOGHBI hat kürzlich ein System vorgestellt, welches ein Kippen der echographischen Sonde (Schwenkvorrichtung) erlaubt. Bei diesem Verfahren verbleibt der Spitzenbe­ reich der Herzkammer unzugänglich.

Mac CANN und GREENLEAF (mayo Klinik) benutzten 1986 eine Sonde auf einer drehbaren Achse. Die Gewinnung von Bil­ dern dauerte 5 Minuten und die Auswahl der Bilder erfolg­ te später durch den Mediziner. Die Schwierigkeit der Dar­ stellung war durch das Auswählen der Bilder in Abhängig­ keit von der Zeit für das Einatmen und dem Herzrhythmus.

Die Sonde "phased array" kann auch abgewandelt werden, um einen pyramidenförmigen und nicht mehr planaren (DUKE) Ultraschallstrahl zuerhalten. Die Sonde ist groß und ihr Strahl ist quer zu den Seiten zu schmal. Weiterhin ist die Bildauflösung schwach (in der Größenordnung von 4 mm in einem Abstand von 7 cm).

Das einzige Verfahren, welches klinische pathologische Studien ermöglicht hat, ist die Technik von MORIZZ, wel­ che durch das Team von Dr. WEYMAN in BOSTON entwickelt wurde. Die Sonde wird während der Atempause frei auf dem Brustkorb bewegt und ihre räumliche Lage wird auf dem Bild (Echtzeit) durch ein akustisches Ortungssystem er­ faßt. Der Operateur wählt dann die Bilder aus, verfolgt von Hand die Konturen und ein Oberflächenalgorhythmus re­ konstruiert die Formen. Diese Technik ist durch die zu­ fälligen Bewegungen der Sonde und durch die nicht syste­ matische und nicht automatisierte Gewinnung zweidimensio­ naler Bilder (zwei Dimensionen) beschränkt und erfordert einen besonders eingearbeiteten Operateur und eine lange Dauer der Aufzeichnung, während der Patient nicht einat­ men darf.

Die Echographie entlang der Speiseröhre durch die Technik der Linearverschiebung innerhalb der Speiseröhre führt zu schwankenden Ergebnissen.

Deshalb ist es ein erstes Ziel der Erfindung, die Nach­ teile des Standes der Technik zu beheben. Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, durch Echographie dreidi­ mensionale Bilder (drei Dimensionen) zu erlangen, welche eine Darstellung und eine Belebung der Untersuchungsziele und der klinischen Forschung erlaubt.

Diese Ziele werden durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erreicht, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein Aufnehmen von zweidimensionalen Bildern eines ganzen Herzzyklus in aufeinanderfolgenden Ebenen verwirklicht, welche durch einen Automat festgelegt sind, welcher die Lage und die Bewegung einer echographischen Sonde auf­ grund des Elektrokardiogramms (EKG) des Patienten steuert und daß anschließend das dreidimensionale Bild des Her­ zens durch Verwendung der Bilder der unterschiedlichen Ebenen rekonstruiert wird, wobei die Bilder in der glei­ chen Zeit (t) wie der Herzzyklus ausgewählt werden.

Gemäß einer bevorzugten, das Verfahren jedoch nicht be­ schränkenden Abwandlung wird die Bewegung der Sonde bei der Vorrichtung (Drehung um ein Inkrement mit dem Wert (x), schrittweises Neigen, schrittweises Verlagern) aus­ gewählt, um mit der Vorrichtung das Herzvolumen während eines kurzen Einatmens abzutasten.

Gemäß einer anderen nicht einschränkenden Variante wird die dreidimensionale Rekonstruktion mit Hilfe eines zu­ sätzlichen Parameters realisiert, bei dem es sich um das Einatmen des Patienten handelt.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren weist weiterhin zumindest eine der nachfolgenden Besonderheiten auf:

• - Verwendung eines einzigen akustischen Fensters,
• - Verwendung eines vom Patienten abhängenden Be­ zugssystems,
• - Erlangung und Abspeichern zur Echtzeit der bidi­ mensionalen Bilder, welche mit einer Anzahl von Parame­ tern verknüpft werden, nämlich zumindest: Folge der zwei­ dimensionalen Bilder, Lage der Sonde bei jeder Bildauf­ nahme, Elektrokardiogramm des Patienten.

Alternativ kann man bin Produkt des Bildes (zum Beispiel einen Bereich des Bildes oder eine Kontur, oder ein kom­ primiertes Bild oder einen interessierenden Bereich) ab­ speichern, welches das Ergebnis einer temporären Behand­ lung mit dem Ziel einer ökonomischen Abspeicherung dar­ stellt.

• - Behandlung der Daten (Bild oder Produkt des Bildes) in Matrizenform.

Weiterhin wird der Parameter, welcher die Bewegung der Sonde und die Verzögerung (D) zwischen der Kontraktion des Herzens und der Veränderung der Lage der Sonde be­ stimmt, vom Arzt ausgewählt.

Die Erfindung bezieht sich auf alle Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens und insbesondere auf eine be­ vorzugte, jedoch nicht ausschließliche Ausführungsform, welche in einer Vorrichtung zum Aufnehmen durch bidimen­ sionale Echographie eine dreidimensionale Darstellung des Herzens eines Patienten hat, welche in Kombination eine Elektrokardiographie und eine Echographie mit einer bidi­ mensionalen, echographischen Sonde aufweist und die da­ durch gekennzeichnet ist, daß sie einen Automaten ent­ hält, welcher die Bewegungen und außerdem die Stillstände der Sonde in Abhängigkeit vom Signal (EKG) der Elektro­ kardiographie lenkt und automatisch das Aufnehmen der dreidimensionalen Bilder durch die genannte Sonde während jedes seiner Stillstände steuert.

Weiterhin enthält diese Vorrichtung folgendes:

• - Eine Verknüpfungsstation, welche zumindest die nachfol­ genden Daten empfängt (bidimensionales Bild, Position der Sonde, EKG-Signal),
• - eine Speicherstation zum Abspeichern der von der Ver­ knüpfungsstation zugeführten Daten zur Realzeit,
• - eine Digitalisierungsstation in Form einer Matrize,
• - eine Arbeitsstation zum Rekonstruieren des Herzens in drei Dimensionen während einer Zeit t₀ des Herzzyklus,
• - eine Anregungsstation zum Anregen des Herzens.

Die Erfindung wird mit Hilfe der Beschreibung anhand der einzigen, anhängenden Figur besser zu verstehen sein. Diese stellt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anordnung dar.

Gemäß einer bevorzugten, aber nicht einschränkenden in der einzigen Figur gezeigten Ausführungsform enthält eine erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen folgendes:

• - eine mechanische oder elektronische echographische Son­ de (1), welche sich in Abhängigkeit von den Befehlen ei­ nes Automaten (2) um ihre Achse dreht. Vorzugsweise wählt man eine mechanische Sonde aus, um ein besseres Einführen zwischen den Seiten zu ermöglichen. Eine nicht gegenläu­ fige Rotation verbreitert also das akustische Fenster,
• - einen Automat (2), bei dem es sich um ein Roboterteil handeln kann, welches eine doppelte Hülse aufweist:
  • - eine äußere Hülse, die als Referenzsystem dazu dient extern mit dem Patienten verbunden zu werden,
  • - eine interne Hülse, welche die Sonde haltert.

Ein Motor, zum Beispiel ein Schrittmotor, zwingt der in­ neren Hülse eine Rotation in Bezug auf die äußere Hülse um einen Winkel (x) auf,

• - ein elektronisches Steuersystem (3) steuert den Motor Schritt für Schritt in Abhängigkeit von zwei Variablen:
  • * Die Dauer (D) zwischen einem Referenzpunkt auf dem EKG, zum Beispiel der Spitze der Schwingung (R) und dem Anlaufen des Motors,
  • * Den Winkel der Rotation (x) jedes Inkrementes.

Der Mediziner wählt den Winkel (x), und das Steuersystem (3) läßt den Motor anlaufen, durch den die Sonde (1) sehr schnell um einen inkrementiellen Wert (x) innerhalb des Herzzyklus dreht, der mit einer Dauer (D) in Bezug auf eine Referenz auf dem EKG, zum Beispiel der Schwingung (R) übereinstimmt. Die Dauer (D) wird vom Arzt festge­ legt. Die gleiche schnelle Rotation findet beim nächsten Herzzyklus und ebenso in der weiteren Folge statt, bis daß das Herzvolumen vollständig abgetastet ist.

Die Gesamtheit des Aufbaus wird auf diese Weise während eines kurzen Atemstillstandes abgetastet, nämlich nach einer 180°-Drehung der Sonde.

Die räumliche Zuordnung der Sonde wird um den Faktor der Winkeldrehung reduziert, wobei die Achse der Rotation konstant gehalten wird.

• - Ein Echograph (4) erlaubt es, kontinuierlich bidimen­ sionale Bilder herzustellen und sichtbar zu machen. Die Bilder am Ausgang können mittels Videosignal oder durch direkten Eingriff in die interne Informationsverarbeitung des Echographen abgegriffen werden. Das Elektrokardio­ gramm (EKG) und das Steuersystem können im Echographen enthalten sein.
• - eine Verknüpfungsstation (5), welche gleichzeitig die folgenden Daten erhält und miteinander kombiniert: vom Echograph kommendes bidimensionales Bild, Winkel der Son­ de (x), welcher vom Automaten (2) kommt, Signal (EKG),
• - eine Speicherstation (6) mit einem Schnellspeicher ho­ her Kapazität, welcher zu den realen Zeiten die von der Station (5) übermittelten Daten aufzeichnet. Der Speicher großer Kapazität zeichnet fortlaufend während der Erfas­ sung das Videobild auf (kurzer Atemstillstand von 10 bis 30 Sekunden). Festzustellen ist, daß die Stationen (5 und 6) in den Echographen (4) integriert sein können, indem man ihre zusätzlichen Eingänge nutzt, wodurch eine direk­ te Integration der Daten in das Bild des Echographen mög­ lich wird, also auf synchrone Weise.
• - eine Digitalisierungsstation, welche die Bilder den Pa­ rametern zuordnet, welche herangezogen werden, um die Bilder in Abhängigkeit von den gewünschten Parametern zu verbessern und darstellbar zu machen. Beispielsweise in Form einer Matrize werden die Bilder in Abhängigkeit von der Zeit (t) des Herzzyklus und der Position (x) der Son­ de für den Zustand der Bildgewinnung während des Atem­ stillstandes, wo der Parameter des Einatmens konstant ist, geordnet. Diese Digitalisierung und diese Zuordnung können zur Echtzeit erfolgen, zur gleichen Zeit wie die Verknüpfung vor dem Abspeichern.
• - eine Arbeitsstation (8), welche speziell für die Verar­ beitung eines Bildes und die Rekonstruktion des Herzens in drei Dimensionen zur Zeit (t) des Herzzyklus program­ miert ist. Die Rekonstruktion kann mit Hilfe einer Basis erfolgen (bekannt unter dem Namen VOXEL-Basis), welche die im Raum mit oder ohne Interpolation der da zwischen­ liegenden Bilder zusammengestellten echographischen Bil­ der aufweist oder aber durch Darstellung einer Oberfläche einer vorherbestimmten Struktur erfolgen.
• - eine Belebungsstation (9) zur bewegten Darstellung des Herzens in drei Dimensionen aufgrund der Daten der Bilder in Form einer Matrize.

Desweiteren erlaubt die Verfügbarkeit der Bilder in zwei Dimensionen in Form einer Matrize eine Extrapolation von möglicherweise mangelhaften Bildern durch solche, die in der Zeit und im Raum benachbart sind. Diese Belebungssta­ tion erlaubt mit einmal eine dreidimensionale Visualisie­ rung und eine quantitative Analyse der Volumina und der Auslenkungen der Struktur.

Die zuvor beschriebene Vorrichtung arbeitet gemäß dem Verfahren nach der Erfindung zur Erlangung echographi­ scher Daten, welches die folgenden Verfahrensstufen auf­ weist:

• - Aufnahme eines bidimensionalen Bildes oder eines Pro­ duktes des Bildes während eines kurzen Stillstandes unter Vermeidung einer Bewegung des Herzens in der Thorax wäh­ rend der Aufnahme der Bilder. Gemäß einer Abwandlung kann man die Aufnahmezeit mit Hilfe einer multiplanen Sonde oder multiplen Sonden vermindern, durch die das gleich­ zeitige Aufnehmen mehrerer Bilder in mehreren voneinander unterschiedlichen Ebenen möglich wird.
• - Verwendung eines einzigen, akustischen Fensters: Dieser Weg wird ausgewählt, um die besten echologischen Werte bei jedem Patienten zu haben und vermeidet den Zeitver­ lust, der für das Aussuchen mehrerer Fenster notwendig wäre.
• - Verwendung eines auf den Patienten bezogenen Referenz­ systems: Hierdurch wird ein Rekonstruktionssystem für den Fall der Bewegung des Patienten unnötig.
• - In Abhängigkeit von der Funktion des EKG gesteuerte Um­ drehung der Sonde. Die Sonde wird um einen Winkel (x) sehr schnell angetrieben, um sich für jeden Beginn eines Herzzyklus erneut einzustellen. Sie führt auch zu einer vollständigen Drehung um 180° durch aufeinanderfolgende Schritte (in einem Winkel x) und tastet deshalb die Ge­ samtheit des Herzvolumens während eines kurzen Atemstill­ standes ab. Die räumliche Ortung der Sonde vermindert sich um einen Faktor der Winkelrotation; die Achse wird festgehalten. Das Ziel dieser Steuerung liegt darin, echographische Bilder mit einer unbeweglichen Sonde wäh­ rend des überwiegenden Abschnittes des Herzzyklus zu ver­ wirklichen und das gesamte Herzvolumen durch Rotation zu erhalten.
• - Eine Aufnahme und Abspeicherung der bidimensionalen Bilder zu Realzeiten, gekoppelt an der Position der Sonde oder des Signals der EKG.
• - Eine Behandlung der Daten mittels Matrize. Jedes Bild wird gemäß zweier Variablen glasiert: Die Lage des Bildes im Raum und in der Zeit des Herzzyklus. Die Aufstellung von bidimensionellen Bildern mit Hilfe einer Matrize er­ laubt es erforderlichenfalls, mangelhafte Bilder mit Hil­ fe in der Zeit oder im Raum angrenzenden Bildern zu ex­ trapolieren.
• - Eine Rekonstruktion in drei Dimensionen im Raum vom Herzen während eines Augenblickes des Herzzyklus (EKG ga­ ting) mit Konturen und Messungen des Volumens, Wiedergabe der Masse der Taten mit Hilfe einer VOXEL-Basis oder syn­ thetische Darstellung der Konturen und Oberflächen.
• - Eine bewegliche Darstellung des Herzens in drei Dimen­ sionen. Eine Rekonstruktion in drei Dimensionen wird für alle Zeiten des Herzzyklus verwirklicht.

Abwandlungen in der Anwendung und der Ausführungsform sind möglich, insbesondere:

• - Die Sonde kann elektronisch sein.
• - Das transthorakal durchgeführte Verfahren kann mittels einer Speiseröhrensonde durchgeführt werden, indem man eine Magensonde benutzt, bei der der Transdukter um seine Achse drehen kann.
• - Die Methode der von dem Elektrokardiogramm gesteuerten Rotation kann für alle anderen Bewegungen der Sonde be­ nutzt werden: Neigung oder Verschiebung. In diesem Fall wird der Eingang (x) der Station (5) der Zeichnung durch einen anderen Parameter ersetzt.
• - Falls ein Atemstillstand nicht erreicht wird, wird eine vierte Variable (das Einatmen) dem Datenblock hinzugefügt (Bild + EKG + Position). Die Station (5) enthält daher vier variable Eingänge. Die Bilder werden alle zur glei­ chen Zeit des Einatmens selektiert um die Rekonstruktion zu ermöglichen.
• - Bei Arythmie kann man eine fünfte Variable vorsehen, nämlich die Zeiten zwischen zwei Kontraktionen (Raum zwi­ schen zwei Wellen R).
• - Transthorakale, mechanische Sonde, bei der der Trans­ dukter um die Achse der Sonde drehen kann, ohne daß dabei die Sonde dreht.
• - Multiplane Speiseröhrensonde, bei der die Rotation dem Elektrokardiogramm untergeordnet ist.
• - Die Gewinnung der Bilder und die Verschiebung der Sonde kann zusätzlich von einem Atemaufnehmer gesteuert werden. Die Aufnahme von Bildern und die Rotation sollen nur in Abhängigkeit von einem oder mehreren Stadien des Einat­ mens ausgelöst werden.
• - Die Stationen (8) und (9) können in eine einzige Ma­ schine integriert sein.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere die folgen­ den:

• - Die Datengewinnung wird durch Automatisierung und da­ durch optimiert, daß sie dem Herzzyklus durch das Zwi­ schenschalten des Elektrokardiogramms untergeordnet wird.
• - Kurze Datengewinnungszeiten,
• - Komfortabel für den Kranken,
• - Zuverlässigkeit,
• - Verwendung für die dreidimensionale Echographie anderer Organe möglich: Leber usw.,
• - Das Referenzsystem gestattet eine Bewegung des Patien­ ten während der Aufnahme, ohne die räumlichen Koordinaten der Sonde zu verändern, und vermeidet den Verlust von Zeit für die Ermittlung mehrerer Fenster während der Auf­ nahme,
• - Der Arzt legt den Beginn einer Datengewinnung während einer Atempause und die Variablen für die Steuerung fest: die Zeitdauer zwischen einer Markierung (EKG) und dem Ru­ henlassen der Sonde und den Winkelbetrag der Inkrementie­ rung.
• - Die Drehung der Sonde während einer Phase kann sich mit der Kontraktion des Herzen verändern, zum Beispiel am Schluß einer Disastole.
• - Diese Steuereinrichtung der Sonde und die Informations­ verarbeitung der Daten kann sehr leicht in ein Echograph integriert werden.
• - Diese Einrichtung erlaubt Untersuchungen großer Wich­ tigkeit, beispielsweise die Quantifizierung der linken Herzkammer im Herzraum.
• - Geringe Apparatekosten im Vergleich zu anderen Untersu­ chungen mit Scannern oder in der Nuklearmedizin.

Claims (12)

1. Verfahren zur Gewinnung einer dreidimensionalen Dar­ stellung des Herzens (10) eines Patienten durch bidimen­ sionale Echographie, dadurch gekennzeichnet, daß man kon­ tinuierlich, bidimensionelle Bilder eines vollständigen Herzzyklus in aufeinanderfolgenden, von einem Automaten festgelegten Ebenen aufnimmt, wobei der Automat die Lage und die Bewegung einer echographischen Sonde aufgrund ei­ ner Steuerung durch das Elektrokardiogramm (EKG) des Pa­ tienten steuert und man anschließend dreidimensionale Bilder des Herzens rekonstruiert, indem man die Bilder der verschiedenen Ebenen verwendet, welche zur gleichen Zeit (t) des Herzzyklus ausgewählt wurden.

2. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bewegung der Sonde in der Anordnung (Drehung durch Inkremente mit dem Wert (x), schrittweise Neigung, schrittweise Verschiebung) nach dem Abtasten des Herzvolumens während eines kurzen Atemstillstandes ausge­ wählt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rekonstruktion der dreidimensionalen Bilder mit Hilfe eines zusätzlichen Parameters erfolgt, bei dem es sich um das Einatmen durch den Patienten han­ delt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es weiterhin den Gebrauch nur eines akusti­ schen Fensters enthält.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es weiterhin einen Gebrauch eines sich auf den Patienten beziehenden Referenzsystems enthält.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es weiterhin eine Gewinnung und Abspeiche­ rung von bidimensionalen Daten zu Realzeiten aufweist, wobei die Daten mit der Gesamtheit der Parameter ver­ knüpft werden, nämlich zumindest: Folge der bidimensiona­ len Bilder, Position der Sonde zu jeder Bildaufnahme, Elektrokardiogramm des Patienten.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es weiterhin eine Matrizenverarbeitung der Daten aufweist.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Parameter, welcher die Bewegung der Sonde und die Zeitdauer (D) zwischen der Markierung des EKG und der Änderung der Position der Sonde bestimmt, durch den Arzt gewählt wird.

9. Vorrichtung zur Gewinnung einer dreidimensionalen Dar­ stellung des Herzens eines Patienten durch bidimensionale Echographie, welche in Kombination eine Elektrokardiogra­ phie und eine Echographie mit einer bidimensionalen echo­ graphischen Sonde enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Automaten enthält, welcher die Bewegungen und danach die Stillstände der Sonde in Abhängigkeit des Si­ gnals der Elektrokardiographie (EKG) steuert und der au­ tomatisch das Aufnehmen der bidimensionalen Bilder durch die genannte Sonde jeweils während ihres Stillstandes steuert.

10. Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin folgendes enthält:

• - Eine Verknüpfungsstation (5), welche zumindest die fol­ genden Daten erhält: bidimensionale Bilder, Position der Sonde, EKG-Signal.
• - Eine Speicherstation (6) welche zu Realzeiten die von der Verknüpfungsstation (5) übermittelten Daten aufzeich­ net.
• - eine Belebungsstation (9) für die Belebung des Herzens.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sonde eine mechanische Sonde mit kreisförmigem Ende ist.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Automat (2) ein Roboterteil mit zwei Hülsen ist, wobei eine äußere Hülse als Referenzsy­ stem dient, welches außen am Patienten befestigt wird und eine interne Hülse die Sonde trägt und dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Schrittmotor die interne Hülse in Bezug auf die äußere Hülse um einen Winkel (x) antreibt und da­ durch gekennzeichnet, daß ein elektronisches Steuersystem (3) den Schrittmotor schrittweise in Abhängigkeit von zwei Variablen steuert, nämlich die Dauer nach einer Mar­ kierung des Signals (EKG) und der Drehwinkel (x) jedes Inkrementes.