Neue Bildverarbeitungstechniken in der Sonographie

114 Pages·1991·4.174 MB·German

by  Dr. med. Christof Sohn, Priv.-Doz. Dr. med. Werner Swobodnik (auth.)

Ch. Sohn W. Swobodnik
Neue
Bildverarbeitungs
techniken in def
Sonographie
Unter Mitarbeit von
R.Warnking, G.Rudofsky, K.J.Beuter, K.Kuhn
Mit einem Geleitwort von
G.Bastert
Mit 56, teilweise farbigen Abbildungen
Springer Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest
Dr. med. CHruSTOF SOHN
U niversitats-Frauenklinik
VoBstraBe 9
W -6900 Heidelberg 1
Bundesrepublik Deutschland
Priv.-Doz. Dr. med. WERNER SWOBODNIK
II. Medizinische Klinik und Poliklinik
Klinikum rechts der Isar
Technische Universitat Munchen
Ismaninger Str. 22
W-8000 Miinchen 80
Bundesrepublik Deutschland
ISBN-13:978-3-642-76127-0 e-ISBN-13:978-3-642-76126-3
DOl: 10.1007/978-3-642-76126-3
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991
Softcover reprint of the hardcover I st edition 1991
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Satz: Appl, Wemding
21131301543210 - Gedruckt auf saurefreiem Papier
Mifarbeiferverzeichnis
R.WARNKING
Dornier Medizintechnik GmbH, Bereich Ultraschall,
W-8034 Germering, Bundesrepublik Deutschland
G.RUDOFSKY
Klinik und Poliklinik fur Angiologie, Klinikum der Universitat,
W-4300 Essen, Bundesrepublik Deutschland
K.J.BEUTER
MTU Friedrichshafen GmbH, Abteilung Elektronik-Entwicklung
W-7990 Friedrichshafen, Bundesrepublik Deutschland
K.KUHN
2. Medizinische Klinik der Universitat,
W-7900 Ulm, Bundesrepublik Deutschland
Geleitwort
Retrospektiv gesehen ist man tiberrascht, welch atemberaubend schnel
le Entwicklung die Ultraschalltechnik in der Medizin genommen hat.
Am umfassendsten haben hierbei wohl die Gynakologie und Geburts
hilfe sowie Fachdisziplinen wie Kardiologie, Gastroenterologie, Angio
logie, Enddarmchirurgie und Urologie profitiert. In der Gynakologie
hat die Ultraschallentwicklung ein solches AusmaB angenommen, daB
die Diagnostik und zum Teil auch die Therapie ohne dieses Hilfsmittel
nicht mehr denkbar erscheinen. Vor allen Dingen die Real-time-Bildge
bung mit transabdominaler, transvaginaler, perinealer und transrektaler
Untersuchungsmoglichkeit hat der Sonographie zu einem universellen
Einsatz verholfen. Die digit ale Bildspeicherung und die farbcodierte
FluBdarstellung sowie die dopplersonographische Flowmessung haben
wiederum zu erstaunlichen Diagnoseverbesserungen geftihrt.
Letzter und gleichzeitig logischer Schritt der Ultraschalldiagnostik
dtirfte der Versuch sein, dreidimensionale Abbildungen von Organen
zu schaffen. DaB dies nicht mehr einem futuristischem Wunschdenken
entspricht, sondern zunehmend in den Bereich der konkreten Moglich
keiten rtickt, wird in dem vorliegenden Buch dargestellt.
Die gewaltige Wissensvermehrung und die gleichzeitig schnelle Ent
wicklung der Ultraschalltechnik machen es erforderlich, einen Gesamt
tiberblick tiber die neuen sonographischen Signalverarbeitungstechni
ken zu geben. Diesem Anliegen wird das vorliegende Werk gerecht. Es
empfiehlt sich daher gleichermaBen als Basiswerk fUr interessierte Kli
niker und fUr Spezialisten auf dem Sektor der Signalverarbeitung in der
Sonographie.
Prof. Dr. med .. Dr. h. c. G. BASTERT
Inhaltsverzeichnis
1 Technologischer Fortschritt in der Ultraschalldiagnostik
R. W ARNKING . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Entwicklung der Ultraschalldiagnostik . . 1
1.2 Neue Schallkopftechniken eroffnen neue
Anwendungsgebiete .......... . 1
1.3 Stand der Geratetechnik . . . . . . . . . 3
1.4 Ausblick auf zukiinftige Entwicklungen 7
Literatur ............... . 8
2 Dopplerultraschall-Duplexsysteme 9
2.1 Grundprinzip der Dopplersonographie
CH.SOHN .............. . 9
2.1.1 Kontinuierlicher Dopplerultraschall
(Continuous Wave Doppler) 10
2.1.2 Gepulster Dopplerultraschall . . . . 11
2.1.3 Duplexsysteme ........... . 11
2.2 Bildgebende Ultraschallverfahren in der Angiologie
G. RUDOFSKY .. 13
2.2.1 3D-Sonographie 14
2.2.2 Duplextechnik 15
2.2.3 Angiodynographie 16
2.2.4 Untersuchung struktureller Veranderungen
am GefaBsystem .............. . 18
2.2.5 Anwendungsbeispiele bei einzelnen Krankheitsbildern 20
2.2.6 Ultraschalluntersuchungen am venosen GefaBsystem 23
Literatur ................ . 27
3 Ultraschallhochfrequenzsignalanalyse 29
3.1 Gewebeunterscheidung durch Analyse
der Hochfrequenzultraschallsignale
K.J.BEUTER ............ . 29
3.1.1 Sendesignal und Echo ....... . 29
3.1.2 MeBbare auffallige Signalmerkmale 30
3.1.3 Klassifizierung nach Gewebetypen 31
3.1.4 Technisches Konzept 32
3.1.5 Aussichten 32
Literatur ...... . 32
x
Inhaltsverzeichnis
3.2 Die Ultraschallhochfrequenzsignalanalyse von
Gallensteinen zur Bestimmung ihrer Zusammensetzung
W.SWOBODNIK . . . . . . . 33
3.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . 33
3.2.2 In-vitro-Untersuchungen 38
3.2.3 In-vivo-Untersuchungen .. 52
3.2.4 Zusammenfassung 61
Literatur ............ . 61
4 Die dreidimensionale Ultraschalldarstellung
CH.SOHN ............. . 65
4.1 Technische Voraussetzungen ....... . 66
4.1.1 Datenaufnahme und -verarbeitung . . . . . . . 66
4.1.2 Anzahl der aufzunehmenden Schnittbilder .. 67
4.1.3 Dreidimensionale Rekonstruktion .. 68
4.1.4 Software ...................... . 68
4.1.5 Dreidimensionale Darstellung ......... . 72
4.2 3D-Darstellung mittels manueller Konturierung
in 2D-Bildem ........ . 73
4.2.1 Technische Voraussetzungen .......... . 73
4.2.2 Fehlermoglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.3 Klinische Erfahrungen und Einsatzmoglichkeiten der
dreidimensionalen Ultraschalldiagnostik ..... 78
4.3 3D-Darstellung mittels transparenter raumlicher
Darstellung der Ultraschallinformation 85
4.3.1 Klinische Ergebnisse 90
4.4 Resiimee 90
Literatur ...... . 91
5 Elektronische Befunddokumentation flir die Sonographie
K.KuHN ....................... . 93
5.1 Zielsetzung ...................... . 93
5.2 Der mit Hilfe des Computers erstellte Befund 94
5.2.1 Speicherung von Befundtexten ........... . 94
5.2.2 Bildspeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3 Direkte Eingabe des gesprochenen Befundes mittels
Spracherkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.4 Hard-und Softwarebasis . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4.1 Rechner, Betriebssysteme, Anwendungssoftware 102
5.4.2 Netzwerke ....................... . 103
5.5 Wissensbasierte Komponente und Lemkomponente 103
5.6 Ein Beispielsarbeitsplatz 105
Literatur .... 105
Sachverzeichnis 107
1 Technologischer Fortschritt
in der Ultraschalldiagnostik
R. WARNKIN01
1.1 Entwicklung Intravaginal: Gynakologie
der Ultraschalldiagnostik (Frfihschwangerschaften) .
Transrektal: Urologie (Prostata).
Transvesikal: Urologie (Blase).
Die sttirmische Entwicklung der Ultra
Endoskopisch: Gastroenterologie.
schallgeditetechnik der 70er Jahre mit
Transosophageal: Kardiologie,
den folgenden maBgeblichen Entwick
Chirurgie, Anasthesie.
lungsschritten
Intraluminal: kardiovaskulare
- 2D-Compound-Bildgebung, Anwendung, Angiologie.
- 2D-Real-time-Bildgebung,
Diese Entwicklung ist in Abb.l.l sche
- 2D-Grauwertabstufung,
matisch dargestellt.
- 2D-Dopplerkombination,
- digitale Scan conversion
hat sich verlangsamt. Nach der digita
len Scan conversion (Bildspeicherung L2 Neue Schallkopftechniken
und Formatierung auf Videonorm) eroffnen neue Anwendungsgebiete
dauerte es doch ca. 7 Jahre, bis mit der
Color-flow-Darstellung wieder eine
Diese neuen Schallkopfe (meist Intra
bahnbrechende technische Entwick
kavitarschallkopfe) haben den Vorteil,
lung gelang. Daneben wurden die vor
einen gfinstigeren Zugang zu bestimm
handenen Technologien jedoch sHin
ten Organen zu ermoglichen. Dieser
dig verfeinert (z. B. Kanalzahl bei
verbesserte Zugang bedeutet, daB eine
Array-Systemen, Signalverarbeitung
geringere Eindringtiefe zur Darstel
(s. Abschn.1.3), was die Bildqualitat
lung des untersuchten Organs erfor
erheblich verbesserte.
derlich ist, so z. B. des Uterus mit dem
Diese Entwicklung geht mit einer
Intravaginalschallkopf. Dies wiederum
deutlichen Zunahme der Anwen
erlaubt eine erhebliche Frequenzstei
dungsbreite flir die Ultraschallbildge
gerung ffir die Abbildung, was der
bung einher. Zusatzliche Anwen
Auflosung entscheidend zugute
dungsgebiete wurden in jfingster Zeit
kommt. Kann z.B. aufgrund eines bes
hauptsachlich durch neue Schallkopf
seren Zugangs zum Organ mit der
ausffihrungen erschlossen:
halbierten Eindringtiefe gearbeitet
werden, so bedeutet dies (line are Ver
hiiltnisse vorausgesetzt), daB die Fre
quenz auf das 2fache erhoht werden
1 Dornier, Medizintechnik kann. Da Auflosung - f gilt, ergibt sich
Technologischer Fortschritt in der Ultraschalldiagnostik
Anwendungsbrei te
o Dermatologie. Orthopadie. Urologie. Geburtshilfe.
Kardiologie, Radiologie. Chirurgie. Anasthesie
Color
20/00ppler
Radiologie
Oigitale Bild o Geburtshilfe
speicherung
Kardiologie
rechnische Zeit
nnovation
o Geburtshilfe
Kardiologie
o Kardiologie
.bb.l.l. Fortschritte in der Ultraschalltechnik
araus eine Auflosungsverbesserung aber die Gtite der Colordarstellung
m den Faktor2. durch erhOhte Samplingraten (Abtast
Neben dies em Vorteil der besseren frequenz der Datenakquisition) ver
ildqualiHit durch hOheres Auflo bessert werden.
lllgsvermogen vermeidet man mit Daneben ergeben sich aber auch,
en oben aufgefUhrten Spezialsonden wie z. B. bei der 1ntraluminalsono
Llch Hindernisse fUr die Ultraschall graphie, vol1ig neue zusatzliche dia
Llsbreitung. Durch neue Zutrittsfen gnostische 1nformationen. Beim
.er werden stOrende Schattenbildung 1ntraluminalschallkopf werden entwe
nd Artefakte umgangen. Ein gutes der mechanische Transducer oder mi
eispiel hierftir sind die TEE-Sonden niaturisierte Arrays benutzt, die im
.ransosophageale Echokardiogra GefaB an die zu untersuchende Stelle
hie) in der Kardiologie, bei denen stO geschoben werden und ein senkrecht
~nde Rippenschatten vermieden wer zur GefaBachse stehendes, konzentri
en. sches Bild tiber 360 Grad aufbauen.
Ein weiterer wichtiger Vorteil dieser Diese Rundumsicht erlaubt, vergli
onden kommt bei Color-flow-An chen mit der digitalen Subtraktions
endungen zum Tragen. Da keine angiographie (DSA),' zusatzliche 1n
ertvolle Schallaufzeit auf dem Weg formationen. Da die intraluminale
1m Organ verstreicht (die diagno Abbildung Lasionen in alle Richtungen
isch ohne 1nformationsgehalt ist), darstellt, wahrend bei der DSA nur ei
ann die kritische Frame rate (Bildauf ne Projektion (Draufsicht) erzeugt
aufrequenz) bei diesen organnahen wird, kann mit Ultraschall auch eine in
:oloruntersuchungen hoch sein, oder Projektionsrichtung liegende Veren-
Stand der Geratetechnik 3
gung erfaBt werden, die sich bei der
DSA nicht zeigt. Damit ist es maglich,
den Stenose grad real einzuschatzen.
AuBerdem liefert die intraluminale
Ultraschalldiagnostik auch Informatio
nen tiber die Morphologie der arte
riosklerotischen Plaques und der
GefaBwand, was insbesondere in Ver
bindung mit therapeutischen Verfah
ren groBe Bedeutung gewinnen wird,
da die Abtragung der Verengung
(durch Laser, mechanisch oder durch
Ultraschall) gezielt vorgenommen und
kontrolliert werden kann.
Beim Intraluminal-Imaging wird ins
besondere die 3D-Darstellung wichtig Abb.l.2. Subkostaler Schragschnitt durch
Leber und Niere. Erstes e1ektronisches Line
sein, da der Untersucher sonst die Son
ar Array (ADR 2130, 1975)
de vor- und zurtickschieben muB, urn
vorstellungsmaBig eine Integration
- zunehmende Digitalisierung in der
tiber die dargestellten Schnittebenen
Elektrotechnik, welche sich insbe
vorzunehmen und dadurch die Aus
sondere bei der Speichertechnologie
dehnung der Plaque, den Therapieer
im Ultraschallgerat ausgewirkt hat
folg usw. beurteilen zu kannen.
(Doppelbild bis hin zum Cineloop);
Technisch sollte diese Intraluminal-
- Miniaturisierung (Integrationsgrad),
3D-Darstellung keine graBeren Proble
die hahere Kanalzahlen und damit
me hervorrufen, da die Bilder bereits in
verbunden verbesserte Bildqualitat
Parallelschnitten erfaBt werden, wel
erlaubt;
che sich besonders fUr die 3D-Abbil
- standig verbesserte Mikroprozessor
dung eignen.
technologie, die sich in fast allen Ei
genschaften des Ultraschallgerats
widerspiegelt, insbesondere natiir
1.3 Stand der Geratetechnik lich bei Auswerteverfahren und Be
dienkomfort.
Nun hat sich neb en den umwalzenden Diese Adaption von Technologien aus
Neuentwicklungen, wie 2D-Doppler anderen Bereichen hat die Ultraschall
und Color-flow-Darstellung sowie bildgebung tiber die letzten 2 Jahr
neuen Schallkopftechniken, auch die zehnte kontinuierlich verbessert, wie
grundlegende Technologie des Ultra der nachfolgende Vergleich der Bild
schallgerats deutlich weiterentwickelt. qualitat deutlich zeigt (Abb. 1.2 und
Hierbei handelt es sich urn kontinuier 1.3). .
liche Verbesserungen durch Adaption Die Fortschritte in der digitalen
vorhandener Technologien aus ande Speichertechnologie erlauben es, mehr
ren Bereichen im Gegensatz zu und mehr Bilder bis hin zu ganzen
o. g. revolutionaren Neuentwicklun Bildfolgen (dynamische V organge) in
gen. Dies solI an 3 Entwicklungs besserer Qualitat abzuspeichern. Das
schwerpunkten erlautert werden: Studieren schneller, dynamischer Vor-