WO2008071454A2 - Method and arrangement for processing ultrasonic image volumes as well as a corresponding computer program and a corresponding computer-readable storage medium - Google Patents

Method and arrangement for processing ultrasonic image volumes as well as a corresponding computer program and a corresponding computer-readable storage medium Download PDF

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WO2008071454A2
WO2008071454A2 PCT/EP2007/011211 EP2007011211W WO2008071454A2 WO 2008071454 A2 WO2008071454 A2 WO 2008071454A2 EP 2007011211 W EP2007011211 W EP 2007011211W WO 2008071454 A2 WO2008071454 A2 WO 2008071454A2
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Unbekannte Erben Nach Harald Reindell, Vertreten Durch Den Nachlasspfleger, Rechtsanwalt Und Notar Pohl, Kay-Thomas
Pohl, Kay-Thomas
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    • A61B5/1135Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb occurring during breathing by monitoring thoracic expansion

Definitions

  • Multi-modal method for detection and restitution of largely artifact-free, resolution-preserving and relevant physiological factors taking into account static and dynamic ultrasound image volumes * - which can exceed the size of the sound field or sound space of a transducer ** - and their use in visualization and simulation as an off-line or online acting system.
  • Fig. 1 B-mode transducer with convex sound field
  • Transducer sound field / sound space refers to a static scan position - it can be a 2D, 3D, 4D or higher dimensional transducers / scanners as described in HUMR sub-procedures specified.
  • Fig. 2 Volume Transducer with "Tilting Scan Field;
  • Fig. 3 Matrix-Transducer for fast "Real-Time 4D"
  • Fig. 4 B-mode transducer during a manual sweep with a given sweep speed for approximate volume reconstruction (with a "twisted" transducer at approx. 90 °, but also the same sweep direction often for generation
  • Fig. 5 Manual sweep with B-mode transducer + 3D sensor for basically geometrically correct volume reconstruction (as part of the SD sensor accuracy) from "2D" images arranged one behind the other;
  • Fig. 6 General structure of a 3D upgrade system and conversion scheme 2D to 3D:
  • Fig. 7 Transformation of individual B-images into a regular volume raster (Cartesian system);
  • Fig. 8 Above: electromagnetic 3D tracker - top left: a complete sensor system, top right: the receiver mounted on the transducer, below: setup with mobile scanner during a "sweep";
  • Fig. 9 Individual B-images and their associated coordinates in 3D space at or immediately after detection and before geometric transformation (see Fig. 6). Bottom right: 3D after transformation;
  • Fig. 10 Audio signal of the fetal doppler component of the trigger system f. Image acquisition;
  • Fig. 11 GUI of the acquisition system for triggered acquisition f 4D volumes
  • Fig. 12 Scheme of the processing sequence: Freehand acquisition with FET / ECG
  • Fig. 13 Entire device setup FET during acquisition, including trigger signal graphics.
  • Ultrasound (diagnostics) is the most general term for the known medical imaging (diagnostic) method used herein.
  • Ultrasonography is often used as a synonym for ultrasound, but cardiologists have introduced echocardiography conceptually, which actually also has a certain inherent autonomy in terms of device technology, since the gray scale resolution / differentiation (eg a cardinal quality criterion in abdominal ultrasound) is somewhat less important , while here, due to the representation of (fast) moving structures (heart, large Vessels), the temporal resolution (number of images or volumes per sec.) Plays a significant role.
  • gray scale resolution / differentiation eg a cardinal quality criterion in abdominal ultrasound
  • the temporal resolution number of images or volumes per sec.
  • Volumes are here 3D images, so-called volumes, which also well-moving volumes are called logical:
  • a dynamic volume, referred to as 4D, is actually only seen as a series of related (3D) volumes.
  • Pixels are pixels in a digital 2D image (frame).
  • Voxels are pixels in a digital 3D image (volume).
  • Scanner is (here) a common (English) term for "ultrasound device” (so German actually most common term) - in the narrower sense, the signal-processing and
  • Scanners generally also have a (VHS or S-VHS) output (socket) for connecting a video recorder for image storage or "documentation.”
  • VHS or S-VHS S-VHS
  • Transducer is the English term for the measurement-generating "transducer of an ultrasound device, which the examiner (usually on the outer skin, but there are also other, so-called” invasive "procedures) of the patient touches down - there are several synonyms such as: Probe, German probe etc.
  • transducers are connected to the scanner with a "proprietary" cable.
  • Transducers generate signals using piezo crystals that can transmit / receive the high-frequency sound in an extremely fast alternating manner and are mounted on the "sound surface" at the transducer "in front” - basically in 2D transducers in a series (and in modern) (matrix) Construction types of 3D / 4D transducers in a surface arrangement.
  • the number of crystals significantly defines the achievable geometric resolution (which indicates limitations or difficulties in the development of high-resolution matrix 3D / 4D transducers).
  • the spatial transducer positioning on the skin is called Anlotung.
  • the transducer sound surface also defines the conversion into the resulting image, the so-called sound field: in the case of 2D scanners, a straight sound surface generates a linear sound field in the form of a rectangle, a curved sound surface a convex (also: curved) sound field, which consequently like the working surface of a single conventional disk Wiper looks - but depending on the 2D application range with coverage angle of 45 ° to 270 ° (Fig. 1).
  • 3D / 4D transducers as “3dimensional sound field", more correctly with sound space (later referred to as intensity values here under “IVS”, also referred to as “sound value space”) - currently typically a pyramid, more precisely a truncated pyramid , or similar shaped volumes (as incidentally for the representation of the fundamental, theoretical principle of operation insignificant, the cut tip (stump) in the following mathematical "IVS" - negligible:
  • the shape of the sound space is practically independent of the respective transducer or
  • the sound field can also already be influenced by the functional principle of the 3D / 4D transducer - there are currently two predominant types:
  • 3D / 4D transducers here first the B-mode technology-based volumetric transducers, have in their housing a motor that "swivels" a linear or convex 2D transducer back and forth quickly “Tilting Transducer" (see Fig. 2).
  • movement artifacts can also occur in this method, but due to the relatively high engine speed, in practice, there is “little time” for motion artifacts in a result volume - significantly less than for scans with the (manual) "freehand sweep explained later ", which translates into very good results for the" clinical reality ".
  • volume rates - currently about 20 / sec are reached.
  • the question of suitability for other applications will depend crucially on whether the current geometric resolution for such applications can be sufficiently increased - which is identical for the time being with the question might be, if more crystals can be attached to the sound surface of such a matrix transducer.
  • ultrasound modalities possibly also English: scan modalities
  • scan modalities including the term, here chronologically-historical and quasi-coarse also "ascending to technical sophistication" listed:
  • A-Mode A single "sonic beam” - today rather history / only little used.
  • M-mode Motion
  • A-mode and M-mode may have special transducers.
  • the M-mode is carried out by the B-mode transducer explained below.
  • B Brightness
  • the B-mode generates the "typical" ultrasound gray-scale image, which is evaluated technically-qualitatively according to geometric, temporal and gray-scale resolution
  • the gray values sometimes also have a (one-) colored (typically golden-brown) intensity scale which, however, has nothing to do with other parametric color images in the ultrasound, which are then also "really multicolored” color codings of their visualized parameters (eg color Doppler, see below).
  • Explanations of the geometric resolutions here relate primarily to the B-mode or 3D / 4D (see below), the geometric resolution of the 2-dimensional (color) Doppler is lower and as a quality criterion of less relevance than in the former method.
  • cardiology / angiology also the temporal resolution plays a significant role, as already mentioned.
  • Doppler uses the well-known speed measurement method, applied to ultrasound: it measures the frequency shift, the speed of a "viewed" object (in medicine or in diagnostic Doppler, these are the blood corpuscles of the flowing blood in sufficiently large vessels After B-mode Doppler is the most important and so far only further method used in the simulation.
  • Doppler is mainly used in cardiology (echocardiography) and angiology (vascular sonography) because angiology tends to be more "free” vessels, less so
  • Doppler has also become increasingly important in other ultrasonography (eg, the usually more static liver is perfused in its vessels with a registrable "flow" (blood flow vector), also vitality or therapeutic success
  • a tumor can be diagnosed on the basis of its vascularization, ie blood vessel formation It can only be judged by the Doppler and partly, at least appraisingly, quantified, etc.).
  • the Doppler has not been explained here in advance for the transducers. This is because this method (such as M-mode) is often carried out by the B-mode transducer as well. (Pure - one-dimensional - Doppler Transducers see, due to only a "sonic beam", so like small tubes off, but find only in the pure vascular diagnosis / angiology a role.) So here's a lot to the procedural basics, but also to the clinical application of the Doppler.
  • / o emitted frequency (transducer frequency)
  • v blood flow velocity
  • angle between sound direction and blood flow (flow)
  • c speed of sound in the tissue
  • the transmission frequency of the transducer (/ o) is constant here, as much as the
  • an "axis-appropriate” approach ideally requires an angle of 0 ° or 180 ° between flow and viewing (Doppler transposition / Anlotung) in non-axis-appropriate Anlotung the blood flow (flow), the Dopplershift changes according to the cosine of the Ansch ⁇ llungswinkels ( ⁇ ) between sound direction and blood flow.
  • CW Doppler Continuous Wave Doppler
  • PW-Doppler Pulsed-Wave-Doppler
  • sample volume a selectable depth range
  • the transducer does not work continuously (see above CW) but pulsed with alternating send / receive If the frequency of the Doppler shift is above the frequency of the pulse repetition, the shift is no longer displayed correctly (so-called Nyquist effect), but appears shifted in the registration
  • Nyquist effect is registered on the other side of the zero line, so the Nyquist effect may be compensated for by a zero-line shift.
  • HPRF-Doppler High-Pulse-Repitition-Frequency-Doppler
  • the exact measurement of higher velocities is also possible above the Nyquist limit:
  • the establishment of a second depth range in the sound direction axis of the first depth range results in a frequency spectrum consisting of the Doppler information of both ports.
  • the "optical result” shows information recorded on both sides of the zero line.
  • a great diagnostic strength of the Doppler color lies in its ability to represent it "superimposed” with the B-mode wabei "inserted” is formulated more correctly: Flow logically occurs only in cavities (eg in vessels called lumens, especially in the heart: Cavum), which are practically black in B-mode, so a visibility-obstructing coverage practically do not occur - the color Doppler is in practice also usually so, as so-called duplex mode (ie FKDS combined with B-mode) realized , Color M mode, in which the Doppler shift is color-coded analogously to the color Doppler but as a one-dimensional sound impulse on the time axis such as M-mode
  • tissue Doppler tissue Doppler
  • the tissue Doppler is also implemented as a 2-dimensional color Doppler (not combined with B-mode here).
  • Power Doppler in which only the amplitude, i. Signal intensity is registered and visualized (and not the frequency shift). This method is also of particular importance in contrast-enhanced sonography (where the patient receives organ-specific reflection-enhancing drugs).
  • Harmony imaging in which only selected harmonic vibrations (in particular 2nd harmonic) of the reflected transducer transmission frequency are registered / visualized.
  • artifacts are lower in this method, the resolution is correspondingly good, on the other hand, the lower signal strength does not generally make the method well applicable - hardly surprising, however, that harmonic imaging acquires special significance in the high-contrast contrast ultrasound (see above) Has.
  • ROI (Region Of linteresf) is the common term for n-dimensional images, which characterizes a diagnostic-relevant n-dimensional area in an image.
  • the common imaging techniques typically also visualize the nearer or even further anatomical or morphological environment of an ROI.
  • Anatomical landmarks are often relatively easy to find and often define clearly and accurately, and help to find ROIs or difficult-to-find images.
  • ROIs are to be clearly differentiated as typical clinical terms, ie terms such as “sonic window”, “sample volume”, etc., and have a fundamentally different meaning
  • Lead structures and their reproducibility also have significant significance in evaluating the performance of an ultrasound simulator alongside factors such as real-time behavior, resolution parameters, and so on.
  • transcutaneous ultrasound is also counted among the non-invasive procedures - even the gynecologists' trans- or endo-vaginal songraphy, which is to be assessed as semi-invasive.
  • Ultrasound plays a special role in the visual guidance of hollow needle devices coupled with the transducers for the removal of tissue or cerebrospinal fluid samples - the most transcutaneous ultrasound is coupled with an invasive method (examples include the so-called footpad biopsy) Tissue or Amniocentes ⁇ for amniotic fluid removal).
  • so-called endo-sonography coupled with an (optical) endoscope also plays an important role - an invasive procedure.
  • TEE for trans-esophageal ecocardiography
  • IVUS intravascular ultrasound
  • lintra-vascular ultrasound allows a micro-transducer - introduced by means of a catheter - to emit sufficiently large vessels "from the inside", ie the lumen and vessel wall - similar to TEE the 3D reconstruction of the image data also plays an important role) - also an invasive procedure TEE and 3D / 4D will be explained in more detail below However, in the simulator under discussion, these special methods are not directly or procedurally considered .
  • 3D / 4D systems The first 3D / 4D systems in the ultrasound were partly hardly noticed, partly euphoric with big expectations than the ultrasound of the future par excellence. With some distance, a reasonable realism, which has meanwhile set in, can be partly predicted: A basic problem is already that the final visualization medium, namely the monitor, is designed two-dimensionally.
  • 3D / 4D raises the question of how to represent volumes in terms of their transparency properties: unlike in many other areas of life, only in rarer cases is the but rather, as a matter of prosaic terms, into the patient, which is typically “looking through”, but obscuring superimpositions are not desirable, as both circumstances very often lead to it for the visualization of suitable "sectional representations” (ie also cutting through the volumes of 3D / 4D systems), which means that one mostly “lands” again in 2D - apart from a few cases, where there are anatomical limitations, in which cuts from 2D transducer positions not transcutaneously (ie resounding through the superficial skin), but through virtually achievable sections a us 3D / 4D volumes (although there "only” transcutaneously generated) can be visualized.
  • 3D / 4D-volume cuts do not yet reach the geometric resolution quality of B-mode (2D) and honestly do with geometrically even lower-resolution monitors - currently around "240x300 pixels" are more likely than optimistic
  • all manufacturers of 3D / 4D scanners are holding back with statements, but the above estimate was not quite "out of the hand” (eg from experience with the read-in data as compared with the known data and results of the freehand technique) and "with a few pixels tolerance" will accurately reflect the actual current upper limit.
  • the first ultrasound 3D procedure was actually a 4D system - and invasively applied to TEE
  • the transducer was gradually pulled upwards and the entire heart sounded from inside the esophagus (esophagus) from the inside under sound ideal conditions without limits, and this method was developed from about the beginning of the 90s onwards, so that the tube is stiffened / compressed with compressed air after swallowing motorized 1-mm layers as a B-mode image step-by-step and ECG and respiratory-triggered data, then converted that data into a dynamic volume, which meant an hour of post-processing - really not a real-time procedure, but the first 3D / 4D ultrasound system was born ler was Fa. TOMTEC.
  • 3D sensors for so-called add-on sys- tems - ie separate PC systems connected to the scanner via FrameGrabber - used to generate 3D / 4D volumes for simulation cuts by means of a so-called “Freehand” image collection (by means of a manually or “free” guided transducer, see below “Swee
  • FIG. 6-9 show such a 3D add-on system (also referred to as 3D upgrade systems), which works according to the Freehand method, together with a mobile scanner and linear transducer schematically or in a test setup with a tube object in a water bath (here: model for vessel bifurcation, ie branching of a vessel in 2 branches).
  • Fig.9 also shows on the left 4 time increments of the acquisition movement before conversion to 3D.
  • the Freehand method works slowly, but many frames (per unit of length of the sweep - cm or mm - and absolute relative to the total sweep length can be generated during acquisition - as long as patient movements do not streak through the planned result)
  • the mathematical domain ie, as in a "Cartesian cube” or a corresponding data table, which then represents equidistantly parallel image planes, one can also say: regularly-homogeneously distributed voxels) is converted into a volume (see Fig.
  • the sweep direction should be maintained - e.g. a "backward movement” is not “managed” by this method. (Here's an anticipation: If 3D / 4D transducers are used, then a sweep for the IVS procedure explained later - that is, the acquisition direction on the skin surface - would then be arbitrary.)
  • the Freehand method therefore requires a sufficiently firm tissue background of the scanned skin - otherwise the calculation (eg interpolation) method - see below “simulator” - completely overwhelmed.
  • This problem would arise analogously when scanning with IVS - there, for example, with "Mosaic / Matching Method "such as cross-correlation and the like., And is, following below or closer, with the HUMV method” soft tissue scanning “practically solved.
  • this method is not only well suited to IVS based on 3D / 4D scanners, but also for freehand scans via 2D - especially in motorized variants.
  • a sweep parallel to the cutting plane, quasi to the (about iateralen) extension of the sectional image exists in B-mode, however, as a so-called panoramic process - logically, there are, however no conversion into a volume, because the goal / result is again one (then "very broad")
  • Sectional view or 2D This method has some basic analogies to IVS, but was just related to 2D and not as comprehensive or universal or "hybrid" designed, and is often geometrically only approximatively working methodically (realized by a given scan / sweep - Speed - ie not for accurate measurements in the resulting
  • 4D scanners for gynecology / prenatal medicine today have a temporal resolution of 3-5 volumes / sec. (which is sufficient for the medically anyway rather irrelevant movements in a fetus), while the fastest 4D scanners in cardiology currently about 20 volumes / sec. reach (“Realtime 4D”) but where fast 2D scanners come to well over 100 frames / sec.
  • 3D / 4D scanners offer so far no so-called “streaming" ("live download") of their image / volume data, but only a data transfer to Marshl. Volume acquisition.
  • the acquisition of the volume data or portions thereof must therefore be provided with a suitable control, and the acquisition of the associated position data must be coordinated therewith.
  • volume transducers apparently do not form a geometrically “distortion-free" geometry.
  • each simulator or each simulator class has at least one recording system or a "recorder” (consisting, see below, scanner, PC, etc.) - he is technically-apparatus-separate or integrated with the actual realized simulator -.
  • the actual simulator can thus essentially be described as a "player”, more precisely as an "interactive player”. So far as all necessary "Fäl- Ie” / images (volumes) were recorded for the respective training task, the existence of the recording system, however, then - ie for the subsequent simulation - no longer necessary, including recorder / player analogies of consumers Electronics quite similar.
  • the recorder thus takes cases via video output of the scanner, which is equipped with a PC including FrameGrabber card, and with a 3D sensor ( ⁇ dimensional), which is attached to the images on the transducer and the associated simultaneous location coordinates to the recorded pictures.
  • the first such method typically takes (or continues to take) B-mode (2D) images (or 2D dimensional Doppler) which are subsequently converted (corresponding to a Cartesian cube, ie equidistant-parallel) into a volume of homogeneous voxels. Filling were transformed. "Interfaces" in 2D are compensated / filled in.
  • this volume can then be "hidden” in a transducer-imitation via the 3D-sensor, which is then hidden in a transducer-imitation
  • the described homogeneous voxel arrangement allows computationally the realization of a table from which the (the pseudo-transducer or its 3D sensor position) corresponding cutting planes or voxel plane with their gray - / Color value and location information can be quasi "read directly" without additional time consuming computational steps required - only in this way can be achieved in the foreseeable future a perceived as "real-time visualization speed.”
  • Such volumes are then in a sound model virtually positioned as they would correspond to an anatomically correct insertion now visualized in a replica of a scanner monitor or in its virtual sound field on the simulator. Areas that exceed the recorded volume are "filled in” in the visualized image by speckles whose adjusted gray values are determined from the respective volume.
  • volume By “mosaicing” (eg via spatial coordinates during acquisition, cross-correlation in “matching” and similar methods without gaps, “correct” or “fitting”), volumes are called “meta-volumes” - there can only be one or more per “case record”.
  • magnetic-field-based other, for example, optical 3D sensors are conceivable - even a sensorless detection of volumes that are larger than the sound space of a volume transducer, by using image processing processors, which "track” the individual voxels (Tracing ) and can connect correctly, would be conceivable.
  • a central point is the mosaicing, as HUMR sub-procedure later here called IVS, which in principle generates geometrically correct and arbitrarily mixed static and dynamic volumes integrating meta-volumes.
  • a parallel object is the alternative method DVA, all scanned individual volumes of a "case” / data set without “mosaicing” - or only with limited “mosaicing” or MetaVolumen generation (ie in combination of both approaches) - with sufficient speed ( Real-time effect) can be loaded and visualized from the RAM or other suitable storage medium.
  • Uniform is the mock-up of a scanner, already with sound models (patient dolls) and transducer imitations diversification begins - uniform is the scanning of Schall-Modell-Oberfikieen, but according to their types or classes that are different.
  • the basic principle of ultrasound is uniform, the simulation of an image in the form of volume data acquisition (for the simulation of the B-mode, but Doppler is already a somewhat modified process), further processing such as meta-volume generation and / or volume random access - as well as sectional image visualization controlled by transducer-imitat position.
  • An ideal simulator requires an ideal acquisition system (logical consequence of the description of a "Restitutive Reality" system), which includes an (ideal) scanner.
  • a scanner ideal for the simulation of data acquisition could simultaneously take about 0.05 sec (Duration for generating a single B-mode image) or (depending on the type) about 0.05 to 0.3 sec. (Duration for generating a single 3-dimensional volume) the whole patient or at least all parts of interest with all the desired modalities ( B-mode, Doppler, etc.) - much as an "X-ray shot" can do.
  • images of an absolutely sedated patient can not provide an imaging procedure, as long as the patient is alive - with slight motion blur, for example, X-ray, CT or MR must live the same way - it's more or less the same extent.
  • “Mosaicing" volumes may be a bit more complex than frames (2D), but there is no plausible reason to assume that this is an insurmountable difficulty - quite the opposite, on the contrary: the panorama method yields one important reason to assume that the methods of this simulation application will achieve a similar quality leap in meta-volume computation, as already achieved by reading in native 3D / 4D datasets, but limited to sonic space so far a static transducer position, ie associated with the purchase of a significant disadvantage.
  • the training will reach a much larger user or "trainee” circle - from students to the "pioneer times" of this simulation.
  • the cut sheets have a geometric resolution, which is due to the process in the X- and Y-axis reduced to less than half compared to the real B-mode of 2D scanners - or to 20-30% of the pixels, as far as they "Freehand method" can be captured as 2D images, then converted to 3D and used in simula- tion can then be visualized as a 2D cross-section through the volume.
  • motion artifacts often too small volume size and others, interfere with perfection in the simulation - and finally, important modalities in the simulation are lacking - or are so limited that the "ultrasound" could not really be simulated, at least in all important forms.
  • HUMR Absolute perfection is currently hardly achievable - and the introduction has already been made - but the goal of a simulation, which now sufficiently conveys the impression of real ultrasound and meets all the requirements of ultrasound training by means of simulators, should and can be expected HUMR be achieved.
  • HUMR also reflects the experience gained during more than 1,000 courses and their evaluation, and further studies / assessments by Leading ultrasound experts who are recognized as "top addresses" in Germany, Switzerland, Great Britain and the US HUMR thus contains components that are simply the result of the desire for optimized simulation with many years of medical and simulation know-how, and partly Components that have actually grown up in this context - that is, the realization of summarized requirements that have resulted from clinical-didactically identified deficits as well as technical deficits of the previous ultrasound simulation. The relevance of such a target achievement was briefly outlined in the introduction The term HUMR stands for "Hybrid Ultrasound Meta-Volume Restitution"
  • HUMR is a multi-modal method for detecting and restoring largely artifact-free, resolution-preserving, and relevant physiological factors of consider- able static and dynamic ultrasound image volumes * - which may exceed the size of the sound field / acoustic space of a transducer ** their use in visualization and simulation.
  • HUMR is a heuristic or hybrid method, which partly consists of (1) single methods / procedures common to all applications, and partly of (2) individual methods / procedures which only relate to specific applications.
  • HUMR assumes a (image) volume acquisition using 3D / 4D scanners, eg DVT and SMA can still be used additionally with the Freehand process (2D image acquisition and conversion to 3D / 4D) become.
  • DVT and SMA can still be used additionally with the Freehand process (2D image acquisition and conversion to 3D / 4D) become.
  • the reasons for this modularity have already been presented in the introduction. Nevertheless, a HUMR simulator is to be understood comprehensively only in its entirety of all methods, and the individual methods will nevertheless also represent a whole in their realization.
  • DVT in the form of probably the most difficult sub-method FET
  • AHS for the pneumatics, microprocessor control and a first model of the acoustic model
  • SMA for the most important part, the mammography sonography
  • IVS and DVA are a good example of the procedure, which also results from the amalgamation with the respective, evolving computer technology.
  • DVA is almost the "straight-forward" approach - you simply save all recorded volumes and access them directly in the simulation again.
  • IVS is more of a reflection and perfecting of the freehand method with 2D capture to processing native 3D / 4D volumes, both depend on the quality of their implementation on the performance of the usable computer components - which in turn directly affects the algorithms used.
  • the PVP method is closely related to DVA: Actually, the only difference in the basic idea is that PVP is designed more for meta-volumes - and otherwise that, accordingly, the different transducer perspectives diverge more and thus distances between different to be loaded (Meta It may well not be sufficiently predictable, if IVS or DVA proves to be better in practice - or a combination of two or more volumes. the. The latter seems to be the most likely outcome from today's point of view, but for all the reasons explained, this is rather speculative: the realization of the method should be highly dependent on the available computer technology and the outcome of appropriate research. Therefore, IVS and DVA methods are presented as separate alternatives - with the remark that only one of the two or even a synthesis of both approaches leads to an optimal simulation realization.
  • the PVP process is presented separately, (1) as it is currently not foreseeable how exactly it will be used: If IVS proved to be the superior variant to DVA, it should in any case - and possibly as an independent software component - used become. If DVA proves to be superior, it would probably be treated as a subset or as a special case of DVA in programming - but it may also be that, similar to IVS, it controls the appropriate portion of the available volumes of a DVA.
  • Meta-dataset "defines and controls their loading - (2) because the anatomical-sound-technical background of the procedure differs in part: PVP is initially a problem-solving for the different mappings of the same volume from different approaches, whereas DVA in the approach A solution for blasting ultrasound images that exceeds the size of the sonic space of a single volume, however, both approaches are largely congruent as a method solution.
  • SPP and in particular VTP should, as far as necessary and possible, also include a "look-ahead" logic for movements of the Trandsducer-Imitats, all of which could already be a (anyway permanently running) process so computationally intensive own software thread or its own processor core is required if the visualization of virtual cuts should not lose their real-time character - and that requires more computing power as before.
  • STP could even accelerate the loading of the images and, if necessary, also control other utilities that ensure as "soft transitions" as possible between different volumes.
  • STP is presented as a stand-alone process, despite the fact that it also has other capabilities that are more extensive than those discussed in more detail in the STP chapter.
  • DVT treats triggering in the acquisition of dynamic or 4D volumes - especially the sub-procedure of fetal echocardiography triggering (FET).
  • ECG and respiratory triggers, as well as a trigger for irregular movements are briefly mentioned here - e.g. ECG or respiration triggers are not innovations and are therefore neglected.
  • AHS also deals with the topic of "active" sound models - ie with their own (computer) intelligence - in ultrasound simulation, as well as better visualization of living patients by means of respiration simulation, where this is required for the application (eg Abdominal sonography) as well as “reactive” (eg pain reactions in emergency medicine) and interactive (ie as program control for the simulator) components.
  • AHS has connections with STP.
  • ADP is a process related to PVP, but advanced for Doppler sonography. It further distinguishes itself by a dual solution for recording and simulation, which would make no sense in PVP. In principle, ADP covers all Doppler methods in which the angle of attack is affected by the known error angle problem.
  • SIA is a procedure that makes the detection of soft tissue without supporting structures (eg the female breast for the clinically highly relevant mammography sonography, possibly also fat abdomen, etc.) possible in the first place meaningful for the simulation. It is basically possible in two variants - one with manual transducer guidance and one with motorized transducer guidance - only in the latter case, a simple control software may be useful.
  • the procedure is otherwise a purely "mechanical" solution, only with SIA is a complete chest (or the two of them), which is actually essential for the basic education in mammography (systematic or structured examination of gland tissue etc.) -
  • SIA also provides basic prerequisites for a standardized examination - and the absence of a standard has been the main criticism so far at the Moms sonography.
  • the said "first generation" of ultrasound simulators has in common that at least in its beginning it was based on the conversion of acquired (2D) ultrasound frames into a volume, but on the other hand, that they are based on magnetic-field-based 3D
  • the latter will initially continue to be based on the latter 3D sensors.
  • sensors e.g. optical, camera or laser-based systems, inertial-based sensors, etc. - conceivable with which the necessary 3D data for acquisition and visualization or simulation including the subsequent positioning of (meta) volumes can be determined.
  • HUMR thus serves a purpose perfecting visualization and simulation of imaging ultrasound-fulfilling procedures in many important aspects.
  • IVS Intelligent Volume Sampling
  • DVA Dynamic Volume Access
  • IVS and DVA may also gain some importance for diagnostics.
  • a mouse can be realized for cutting control through a (meta) volume - even without a patient model.
  • Interaction / cooperation eg defense tension of the abdominal muscles during ultrasound examination of a biliary colic
  • An Internet or (W) LAN variant could also be realized on this basis.
  • the geometric resolution possible with 3D / 4D transducers should be preserved practically 1: 1. IVS pursues the approach of actually generating such meta-volumes in such a coherent way, while AVS pursues the approach of simulating such an effect through i.w. to achieve unaltered storage of and quick access to all these native 3D / 4D volumes.
  • the device setup for IVS - DVA for the entire recording system thus includes a 3D / 4D scanner and an acquisition computer, ie a powerful PC with 3D sensor, its receiver on the volume transducer or matrix transducer is attached at a defined location.
  • a trigger device can also be added for timing the recording or time allocation of detected volumes.
  • a graphic can also be seen in Fig.12, which is also valid here.
  • the acquisition system must have an acquisition control and a method for the temporal allocation of the acquired volumes to the simultaneously recorded spatial coordinates of the 3D sensor.
  • the 3D sensor consists of a PC card which, in conjunction with its driver software, already performs a certain amount of data preprocessing.
  • On this plug-in card is a transmitter that generates a magnetic field hemisphere, and a receiver (about in sugar cube size or in smaller variants) that registered this magnetic field, connected and operated.
  • the data thus generated are output as a three-dimensional reference coordinate system X, Y, Z and, in turn, as a three-dimensional location coordinate system X x F 1 Z 1 - that is to say in practice that the sensor generates a basic data system in which the spatial position is then registered - with others Describing words, this means that both the movement of the receiver in space and the orientation in space is detected. Engineers may call this 6 degrees of freedom, mathematicians 6 dimensions.
  • the 3D sensor is actually a spatially 6-dimensional sensor. This is imperative for proper “tracking" of the transducer - unless you can use sensor systems that have a fixed reference coordinate system, where you would get along with 3 degrees of freedom, which will be discussed later - but first to the current State of the art with magnetic-field-based sensors:
  • the magnetic field has a working area diameter of typically 60 cm (hemisphere) - in this hemisphere the defined accuracy is guaranteed.
  • the 3D sensor has a max. Error of 1 mm, which is so close to the ultrasonic resolution, so that one can actually start from a principle geometrically correct method.
  • the ultrasound itself is no longer suitable for significantly higher resolution powers, so that fully sufficient geometric measurement functions (always incremented in mm for ultrasound) can be used, and the optimal imaging results (eg when calculating transitions from one to two) Volume to a neighboring volume) are adequate to very good according to all preparatory work or provide a good geometric basis for fine adjustments.
  • the transmitter can simply be placed next to the patient in sufficient proximity to the receiver, which in turn can be attached (and removed) to a small base fixed to the transducer as a "clip" at a well-defined location.
  • a measurement function is available and experience has shown that this only happens in exceptional cases 3D sensor or transducer now calibrated - the geometrical properties of the sound space and its image are measured, defined and stored for all penetration depths of the transducer used, meaning that the system is fully parameterized and calibrated - and therefore basically ready for work then concerns the method of Aufna hme or their processing, which is subsequently also in a generally descriptive, mathematical form.
  • the PVP method described here gives an indication of where, for example, practical problems could arise with DVA: Capturing with a transducer is very different from the typical real diagnostic sounding: When capturing, the transducer is largely kept in the "average” / Angulation ", namely approximately orthogonal to the skin surface - in real diagnostic sounds, however, one performs a few sweeps, but tilts and Turns a transducer predominantly - which is then understood in virtual sounding then of course. If you "tap" when tilting or turning a neighbor volume - or is the transducer in the transition region between two or more adjacent volumes, this would then cause the idea of loading such neighbor volumes, which may be a "jump-jumping" virtual sectional image would draw.
  • IVS The goal of IVS is the generation of meta-volumes. The requirements and more precise objectives were already explained in the introductory chapter "2 IVS - DVA”.
  • IVS in principle geometrically correct, volumes are joined together - and only around the area of a following neighbor volume according to the movement of the acquisition transducer or its sonic space - or vice versa, that the respective last volume is the corresponding preceding one It also always replaces the non-overlapping area, which one can simply decide pragmatically on the basis of the better result.
  • trajectory pauses of the transducer may be inserted until the respective volumes (eg, at least one periodic motion are persistent) are completed, and then continue the acquisition sweep.
  • the sweep direction is also arbitrary - but with the practical restriction that the sweep movement must have detected each area of the desired detection area at least once in order to be able to fully generate the desired meta volume.
  • the author can support a graphic auxiliary software (eg similar to "eraser track” in drawing programs), which visualizes how much has already been recorded or what has not yet been recorded.
  • magnetic shielding of the 3D sensor on the transducer may be required to prevent magnetic interference.
  • the software provides the following two basic recording modes:
  • the next partial volume generated by the translation (a possible small rotation should be neglected here) is added to the start volume without the overlap, this added volume will again be like the start volume as the translation progresses the eduction of the next volume increases, etc.
  • the respective translational volume "overwrites" the overlap area of the previously acquired volume.
  • the immediately as 3dimensional space the sound data generating device of such a system is the belonging to the 3D / 4D ultrasound scanner transducer. Its working area, where in the form of so-called volume the sound data are generated, is also referred to below as sound (values) space.
  • Scanner about 3 to 5 volumes / sec. are generally referred to as 3D systems, faster scanners with about 20 volumes / sec.
  • A., B., C. can in any case be separate units of equipment or an integrated system and are referred to in their entirety as a receiving system referred to for the IVS method.
  • V 1 designates the corresponding "sounded" volume.
  • the sounded volume is not considered here in the form of raw data, but has already been transformed into the output coordinate system.
  • This could be, for example, a cuboid, a truncated cone or a pyramid.
  • a typical example of a so-called matrix transducer is the 3D / 4D scanner of interest here, for example a (regular, straight) truncated pyramid.
  • a (regular, even) pyramid was chosen as an example for all transducers that generate a (sound) volume.
  • the (regular, even) pyramid for example, is clearly indicated by its peak (as a three-dimensional point) the solder is fixed to the base (as a three-dimensional vector) and the base surface length.
  • the sound volume is parameterized, i.
  • K: V ( ⁇ (t ")), 0 (O e ⁇
  • designates the sound volume space.
  • Sound volume refers to the set of all possible gray, color or other "intensity values” or “sound values” that the ultrasonic scanner can "return” for the individual coordinate points, f, (x) is then the value the time
  • statically oriented method is intended for structures of the human body that undergo virtually no temporal or periodic changes (as is the case in the heart or respiration). It can be described mathematically simpler than the dynamically oriented method and thus has preparatory character.
  • the sound volumes are joined together one after the other.
  • the overall picture consists of the sounded data for the individual volumes.
  • the sound order in the basic principle is irrelevant; This could also be reversed or selected, etc.
  • the selected times and their order by the (injective) function ⁇ : ⁇ i, ..., A: ⁇ ⁇ ⁇ i, ..., N ⁇
  • Injective means that ⁇ (i) ⁇ a (J) for all i ⁇ j, i. that each volume is considered at most once.
  • statically oriented method describes, for each coordinate point from the sound area, which sound point is to be used to determine the associated sound value:
  • the desired scan movement of the physician during the volume acquisition can be described as follows: In general, it is fluent In between, the transducer of the scanner is practically not moved to avoid a moving structure. a part of it) from the same position to scan over at least a complete period.
  • the sound data of the volumes that belong to the individual stationary transducer positions of the scanner are to be summed up again, this time with synchronization of temporal changes of the moving sound structure (eg One could probably reduce the scanning process for moving sound structures only to a moving structure - at least if the sound space of the transducer can completely map this moving structure - but this is logically a subset of what is described here and therefore chosen method is because even the Abd Eckberry the largest possible volumes is desirable.
  • K be the number of volumes that you want to "sum up”, ie the number of rest positions that should be used for the dynamically oriented procedure.
  • T denote the period length
  • a k ⁇ a (k, m) ⁇ ⁇ m ⁇ M ⁇ , l ⁇ k ⁇ K
  • the scanned volumes during a single resting position are nearly identical (except for any fluctuations, such as the patient's hand shaking or other discontinuities in the detection sweeps), i. it applies
  • v k (y a (k, m) , ⁇ ⁇ k ⁇ ⁇
  • the dynamically oriented method passes through
  • V x ⁇ 1, ... M) ⁇ ⁇ , f (x, m) f a (j (x) m) (x)
  • a physiological (ie normal-healthy or other) "standard patient” should be considered in this simulator only for basic sonographic anatomy, otherwise “environments” should be patient-specifically visualized and correspondingly realistic. Making this possible is one of HUMR's features, and these are the objectives of HUMR. More distant environments or volumes can also be completely realized by selection (ie in terms of visualization speed via the GUI menu or targeted loading of the desired anatomical subregions instead of permanent provision in the RAM of the system). HUMR, for example, does justice to multimorbid patients and their simulations - even several selected disjunctive regions can be realized in this way.
  • the performance of the HUMR method is to couple and integrate the IVS method so seamlessly with associated ancillary procedures that the detection of such (hybrid) "meta-volumes" is in fact essential for all diagnostic ultrasounds that are essential today -Modalities in practice and can then be visualized by "downstream" simulation technology - which is a sufficiently methodologically complete and probably as sufficiently realistic-looking or one according to qualified and qualified training sufficient ultrasound simulation actually only (once) possible (at least according to the - presumable - judgment of the vast majority of experts, but which is the best possible attainable reference or real scale.
  • Downstream simulation (but possibly with slightly modified visualization technology, which is initially only available with the help of simulator components such as patient Model and transducer imitation was realized, but, for example, by a mouse control, could be replaced), in a similar form already be relevant for immediate patient diagnosis or possible therapy.
  • This may have limitations with pronounced interactive sound techniques such as gastro-enterology or emergency medicine - in gynecology on the other hand, this is quite conceivable - and this option gives the ultrasound a bit of possibilities, as they had previously only radiological procedures such as CT or MR, where a patient can be scanned in whole or in larger regions - and can only be diagnosed later - or earlier scans can be compared with later in such a way not previously given way.
  • DVA Direct Volume Access
  • DVA is thus basically very simply describable by the fact that individual - typically adjacent - recorded volumes for simulation (after localization in the sound model) correspond to the instantaneous position of the transducer. If this is possible at a sufficiently high speed, the effect of a meta-volume or its size is visually achieved in principle - some of which may or may not be necessary Auxiliary techniques are further explained in the following chapters 5 "SSP" and in particular 6 "VTP".
  • a prerequisite for the DVA method is a sufficiently high transfer speed of the storage media (disks, etc. - RAMs are fast enough anyway), on which the individual volumes of the region to be visualized are stored. This can be assumed in principle meanwhile.
  • PVP is or requires the multiple recording of a (meta) volume from several directions - at least as far as they are diagnostically relevant or appropriate for a sufficiently realistic reproduction from different approaches and can then be visualized accordingly in the subsequent simulation.
  • a (meta) volume is selected during the recording, to which the following individual recordings apply.
  • the individual (meta) volumes recorded in this way are then positioned analogously in the sound model.
  • the image processing component (s) of the simulator now store all these individual volumes on the memory side in such a way that they can be visualized immediately when the transducer imitates a corresponding position or sound.
  • PVP may even mean that volumes are acquired from the same “perspective,” but with different (per “sweep” but constant) angulations of the uptake transducer - but this only makes sense if different angulations from otherwise anatomically identical Aufsetz-areas of the receiving transducer or the same or similar sweep lines actually diagnostically or visually significantly significantly different or different images to generate.
  • the DVA method described above applies this technique to individual, typically directly adjacent (single) volumes rather than meta-volumes.
  • triggering systems can be used, as far as cyclic / periodic / repetitive motion patterns are concerned.
  • Triggers form, so to speak, a time-clocking, in order to enable not only a spatial assignment of images, but also a temporal assignment - for example, to sum up several images / volumes with a sufficiently good time resolution.
  • the purpose of such a timing is to generate a time grid, by which output images (in addition to the spatial assignment) provided with a temporal assignment to sum them up until the result images have a sufficient number of pixels / voxels for all periods of a motion period (eg, a heartbeat).
  • ECG triggers For movements generated by the heart (immediate heart muscle, valves, etc., or vascular pulsations indirectly generated by the varying pressure or flow conditions of the blood), e.g. ECG triggers are used - the following explanations on echocardiography are in principle technically applicable with regard to triggering to the vessels connected to the heart - further aspects of angiology / phlebology are dealt with in chapter (8) ADP.
  • the 3D / 4D recording / presentation provides an optimal basis, since each 2-dimensional section can be calculated / reconstructed and represented - in principle, also cuts that otherwise can not be visualized from abdominal (or theoretically endovaginal) probes with B-mode transducers.
  • the child's or adult's heart is also much closer to the transducer (starting directly behind the thoracic wall or visualizable from the sternum) than the fetal heart, in which first a sound path from the abdominal wall or placenta of the mother through the amniotic fluid If the penetration depth reaches, we may already be in the "far field” or in the vicinity of it, where the geometric resolution then decreases again. "How fast is” fast "with matrix transducers? ? Currently about 20 voices / sec - and thus back to the fetal heart rate: it is typically about twice as high as that of an adult heart. .
  • the fetal heart is one of the cases where the presentation of a larger anatomical environment for the training can be done relatively well - the transitions to the large vessels close to the heart, such as the aorta, etc., are also visualized, and at least from birth on Airborne lung anyway no longer much relevant to see in the ultrasound.
  • the Freehand procedure therefore does not have to complete long sweeps for the fetal heart and works with 25 2D-images / sec. or analogously just as many reconstructed volumes rather faster than matrix scanner. (Possibly also the so-called "Halbstory-Verfahren" can be used for training purposes: Since the data transfer takes place by video, here according to the TV standard two consecutive pictures with the lines "1, 3, 5, ... to 767" and "2,4,6 ...
  • the first prototype of the FET (Fetal Echocardiography Trigger) was tested with this method and showed the expected results, as long as the simulation performed cuts in approximately the same plane as when recording with the 2D scanner - with more orthogonal sections left the Picture quality strongly after - which did not surprise however so also. (The field method has not been used / tested.)
  • the FET can be used virtually unchanged for a volume addition over the time axis, for which you can then use conventional 3D scanners with volume transducers, which are designed for abdominal clutches of a fetus, and otherwise can be used by the gynecologist.
  • the FET can be used as an alternative to matrix scanners with two scanning methods, which is quite reasonable to evaluate.
  • this method optionally utilizes a separate ultrasonic Doppler device associated with the triggering system or the Doppler function of the transducer of an ultrasound scanner to determine the fetal heart rate over a representative period immediately prior to image acquisition.
  • a separate ultrasonic Doppler device associated with the triggering system or the Doppler function of the transducer of an ultrasound scanner to determine the fetal heart rate over a representative period immediately prior to image acquisition.
  • the trigger device FET Fetal Echocardiography Trigger developed for this purpose evaluates the audio signal of the Doppler in accordance with the desired cardiac fetal rhythm as peak flow at the beginning of the ejection of each (periodic) heart action. This signal is easily recognizable / discriminated because it has a much higher amplitude than the remaining Doppler signals.
  • Figure 10 illustrates this immediately:
  • the rhythm determined in this way corresponds to the heart rate, which is transmitted as a TTL output pulse to the image acquisition system for 4D reconstruction.
  • the display shows the current output frequency.
  • the output frequency of the trigger device could be comparatively validated by manual remeasurement of audio tapes with the aid of signal evaluation software.
  • the trigger device in the strictest sense consists of an analog component, which uses a bandpass filter that filters out interfering frequencies, and a microcontroller that uses an integrated A / D converter to measure the Doppler audio signal according to a practically proven algorithm.
  • the device synchronizes its output signal when the Doppler signal is applied. If there is no input signal (Doppler switched off for image acquisition), the last measured frequency is output as a "virtual pulse”.
  • a tracking / updating, intermittent adaptation of the "virtual" pulse in the case of a "divergence" from the real pulse - i. with a brief pause of image acquisition - is provided, but was not necessary in the cases recorded so far.
  • the virtual pulse determined in this way takes on the function of the ECG trigger as it does for generating a 4D image sequence in "conventional" cardiology.
  • the immediately determined trigger time can be provided with a temporal shift according to pragmatic aspects of optimal image acquisition.
  • the trigger pulse which is initial for the image sequence can not only be “preset” by parameterization of the trigger system, but also according to a "life image estimation” of the observed heart action immediately prior to the acquisition, even in the case of the The recording system (MedCom ScanNT) can be set at a theoretically arbitrary position.
  • Figure 12 shows synoptically and synchronously again the sequence of a heart-triggered with FET (Doppler: blue) or ECG (ECG: yellow) heart-triggered (trigger signal: shown in red) recording; diagonally from left / top to right / bottom: Geometrically not yet Cartesian transformed M-mode / 2D images (frames) ECG (for ECG triggering - in the case of FET triggering here only as an orientation for the assignment to the cardiac phases to understand)
  • FIG. 13 with a schematic diagram of the entire device structure with separate Doppler + FET (left), 3D sensor on the transducer, 2D scanner (center) and recording system (right) during the recording process in the patient: (Also the spatial assignment by 3D-sensor is shown in this last graph concerning DVT-FET for the complete device-structure possibly more vividly and in addition to the above graphic).
  • a 3D scanner is also another alternative for FET:
  • the device can also be used to properly position / solder the volume transducer of a 3D scanner to capture the fetal heart and then, for a sufficiently long period of time, measure the volumes with "Time Stamp Instead of sweeping the freehand method, the volume transducer of a 3D scanner must be set in the penetration depth in such a way that the fetal heart is optimally and completely visualized and then recorded in this plot during the acquisition. stay positioned.
  • triggering in breathing many different methods, e.g. Impedance method can be used. Another option is a pressure-sensitive belt that can register breathing. Likewise, for this purpose, a 3D sensor can be used, which is positioned in addition to the 3D sensor of the recording transducer at a respiration-representative position on the patient.
  • the choice of the trigger used can thus be chosen relatively arbitrarily as an appropriate solution, which corresponds to the respective question, taking into account the required or desired accuracy and the effort.
  • ultrasound simulation has simply used volumes that have been recorded with ultrasonic scanners and 3D sensors, and then visualized by means of a 3D sensor in a pseudo-transducer "virtual", ie calculated from its spatial position cuts.
  • the 3D sensor and the simulator system thus took into account the shape and spatial position of the recorded "data cloud" within the sound model, more or less like a three-dimensional projection medium for the recorded volume - as well as the current position of the 3D sensor.
  • ultrasound simulators have only "known” the volume and position of their pseudo-transducer, but not the sound model, which is only a passive and quasi “qualitative” but “quantitatively unknown” (ie, location coordinate) surface to simulate the system component "Patient (in)".
  • 3-dimensional) scanning e.g. with a 3D laser scanner, all types of sound models used (such as for cardiology, internal / emergency medicine, gynecology / prenatal medicine, etc.).
  • such a scanning method makes it possible to store the surface data of the sound models as a sufficiently finely resolved multiplicity of individual, coherent polygon planes in a table, to retrieve them quickly and to use them for further processing for image data visualization and simulation.
  • haptic sound models can also be provided with further anatomical features such as a skeleton, which follows the respiratory movements.
  • a skeleton which follows the respiratory movements.
  • a fundamentally important step in the visualization of image data is the "positioning" in the sound model at the "right", i. the real patients, for whom the respective case reports (cases / volumes) were recorded, corresponding localization.
  • This can be realized by various methods - translation of the volumes via corresponding individual functions such as shifts of the individual spatial axes, rotation of the volume, storage of one or more cutting planes or defined points in recorded volumes, which are then reproduced as a reference on or in the sound model, etc. This will typically be based on a 3D sensor with 6 degrees of freedom.
  • optical - sensors that involve a predefined position - and thus a separate reference coordinate system when recording (eg on a special recording table) or visualization / simulation (eg via optical components such as lasers, cameras and the like), may possibly affect 3 of the otherwise 6 degrees of freedom (for the definition of location and direction) are dispensed with: Sensor systems of this provenance already supply a reference coordinate system. Any such positioning may be sufficient in some fields of ultrasound (e.g., cardiology, prenatal medicine) - in others (e.g., endocrinology, dermatology) further adjustment may be necessary - therefore, such positioning is referred to herein as "primary positioning.”
  • scanned-surface sonic models are an essential aid to correct positioning: as the transcutaneous ultrasound volume in the captured volumes captures the skin as a boundary "plane” and, as such, provides a geometric "surface fit” for positioning beneath the surface of the skin Sonic model, this information can provide the database for "fine-tuning algorithms” after a "primary Positioning "This said skin or boundary” plane "may be somewhat curved in the individual volume, but this method basically works as a sufficiently accurate approximation:
  • the PVP method (see above), in turn, is closely related to VTP, which detects the movements of the "virtual transducer", that is the transducer imitat, and evaluates it for simulation.
  • VTP determines the parameters explained below, which can be determined / derived from the surface scan data of the sound models, a geometric data description, in particular convex transducer imitations and from the current position data of the 3D sensor receiver in the transducer fidelity and are used for visualization. tion or simulation can be used.
  • the scanned sound model surfaces provide a 3D dataset - assuming a static / fixed dataset at first - maW: If one neglects first the "indentation depth" with passive sound models (which is not necessarily - one can eg such caused organ displacements - as with a visualization of a liver - to a certain extent also with a passive sound model) - so at least haptic / active sound models also assume a dynamic data set of 3-dimensional spatial coordinates - quasi 4dimensional, however, in practice, with relatively few "representative states” temporal changes (eg maximum expiration - breathing medium - max inspiration or the like).
  • the "magnetic field-generating" transmitter can be positioned as long as desired it remains in the working or accuracy range for the receiver attached to the transducer - this defines a reference 3D coordinate system within which the (typically dynamic) position of the receiver, which in turn is defined as a 3D data set, is determined - as a ⁇ -dimensional system.
  • Sensor systems with a fixed reference coordinate transmitter as e.g.
  • 3D sensor components mounted on an ultrasound imaging stage - or equivalent components attached to the visualization / simulation sound model - or, ideally, both (also dynamic) SD spatial coordinates Through their constant or fixed reference coordinate system, they also operate quasi with a "calibrated" transformation of recording and subsequent visualization / simulation.
  • 3D sensor components could e.g. be realized in the form of cameras with camera tripods or laser coponents. This initially refers to the 3D data sets of the (moving) acquisition transducer and the (moving) transducer imitation; in the said “ideal case", an "automatable” positioning of the (meta) volumes, s.a. Chapter (5) SSP, done - see also Chapter (10).
  • VTP allows the targeted visualization of desired additional, eg adjacent volumes, and in principle also has other possibilities, such as the implementation of a "look ahead” technique, in which the direction of movements of the transducer fiction is detected / analyzed and " Preparation "to be loaded volumes can be used.
  • the parameters that can be determined by linking such sound model surface data and transducer-fidelity data and used for the visualization / simulation are in particular:
  • C is actually the 3D sensor receiver position with a variable x, y, z offset depending on the type of transducer imitation used, which simulates a "linear” or “convex” transducer - and / or a different 3D sensor Receivers types.
  • the 3D sensor receiver is located within the transducer mimic at a defined distance from the "footprint” - theoretically this "touchdown point” can be considered as a mathematical point, i. infinitely small, but the replica of a transducer's sonic surface is not infinitely small like a mathematical point, but a surface (whose size and localization are also affected by touchdown pressure and direction).
  • this "touchdown point” can be considered as a mathematical point, i. infinitely small, but the replica of a transducer's sonic surface is not infinitely small like a mathematical point, but a surface (whose size and localization are also affected by touchdown pressure and direction).
  • SSP sound model surface
  • Transducerlmitat form (s.u. GT) - immediately resulting "mathematical" point C suffice.
  • the "sound surface" of a transducer or transducer imitation is an area with a length and a width, but the piezo-crystals of a transducer of a 2D transducer on this surface are arranged side by side, so one (in linear transducers a straight line and) in convex transducers represent a "curved line” and thus produce a 2-dimensional sectional image.
  • Axis CA C-Axis
  • sectional image plane CS C-Section-plane
  • This longitudinal axis defines the middle "sound ray” for all symmetrically built transducers real transducers as well as “imaginary mean sound beam” in transducer imitations.
  • This longitudinal axis is located in the middle of the real and the "virtual" (ie simulation) image intersecting plane CS
  • CA central transverse axis CO
  • CA central transverse axis
  • Polygon plane SP Spatial Plane of Polygonal Borderlines / Area of the respective sound imager surface (defined by the point C described here above) (as X 1 Y 1 Z coordinate set).
  • SSP The scan method for sound models described in the previous chapter 5 "SSP" generates a large number of individual, coherent polygon planes SP, for example in the form of a table.
  • Such a table contains the data of the boundary lines of these polygons as well as their position as an area in space.
  • C (see above) is thus always exactly defined in one or on one of these polygons when the imitation of the transducer is attached.
  • the polygon touched by C thus defines the plane of the "skin" or surface of the sound model in space.
  • this method is largely analog transferable.
  • At least one slice image CS of a recorded (typically unpositioned) volume is now defined / stored as a "reference slice.”
  • the volume of the simulator system can be unambiguously adjusted to a desired spatial position Sound model - "pushed and / or rotated" by the stored section location data at a desired location for the visualization / simulation of the headgear imitation as reference data for a 3-dimensional position of the volume - thus provided with a translation and rotation - "rendered”.
  • a user who has a recording system and a "master" ultrasound simulator for building a case database with such
  • VTP carries out a computational rework of the manual pre-positioning without further manual user interaction.
  • the system could be used e.g.
  • either the center of gravity of the axis or the center of the axis defined by C and the end point of the distance CA can be used as a fulcrum for rotations, and for translational motions the axis CA of the chosen "reference cut" could be used, for translations one could also use the average of two referential cuts - but other iterative or other methods are also conceivable for such an optimization method, the choice of which should be reserved for a method implementation.
  • the Transducer-Imitat should generate an image only if it is placed on the surface of the sound model or pressed into the sound model. Therefore, the distance in which the point C of the transducer fiducial is "above” the sound model or SP is continuously determined - these are positive values, for positive values the image visualization is switched off, starting from the value zero or for "negative "Values, however, the image is visualized. In addition, a shift of the skin level when pressing the
  • Reference sound axis RS The possibility of perfecting this post-correction not only on the basis of the recorded volume limits themselves, but also on an interface determination and the skin level definition based thereon, has already been explained in Section 5 "SSP", with the exception of such a calculation The surface of the skin itself could also be calculated for this
  • Skin plane orthogonal scanning axis of the receiving transducer - e.g. as a "reference axis” for determining an "exploration delta” of current / current explorations. But it probably makes more sense to use the respective orthogonal axes, which in practice are hardly deviating from them, on the polygonal planes SP of the sound model.
  • an orthogonal reference axis may also be simply stored with a corresponding prediction estimated as orthogonal to the user - i.e. the acquiring physician.
  • the parameters described so far relate to the optimal localization / positioning or sectional representation of (meta) volumes in the sound model.
  • the acquisition and evaluation of the following further parameters also aims at an optimum performance of the system or computing speed.
  • a visualization / simulation system is also able to implement a look-ahead logic that can be used to calculate can be used, which volumes or meta-volumes are likely to be needed next. "Look-ahead" techniques are already used today in semiconductor memories of processors.
  • the transducer imitat in its own geometry and the geometry not only in relation to the (meta) volumes, but also is recorded and evaluated with reference to the sound model or its surface or as a relationship of (meta) volume, sound model surface and transducer-fidelity data.
  • the described "tracking" of the transducer imitation can also be stored - and thus also in every detail the sound head guidance of a trainee on the simulator for subsequent evaluations, etc.
  • Passive means that a sound model only represents a 3dimensionale surface for the putting on of a "Transducer-Imitats” or “Pseudo-Transducers” of an ultrasonic simulator, but otherwise has no further own functionality or can supply technical information - in the In the field of gynecology, especially in the field of prenatal medicine, such passive sonic models have proved to be adequate so far, in which breathing plays practically no role, and in the case of sounding only little cooperation between the patient is necessary - and accordingly there is a simulation for the patient herself or as a patient's own functionality practically nothing to emulate, apart from the fact that it can be sounded.Such sound models are therefore made simply from plastic or foam.
  • echocardiograhy also involves respiratory organ shifts (lung / heart), and especially for important parts of abdominal sonography, this is even more true - also as a deliberate means of visualizing some organs - playing here So the patient's interaction also plays an important role in imaging.
  • a sound model with functions such as patient respiration, reaction to the touchdown pressure of the transducer (via manual transducer guidance of the "virtually scanning" trainee) is used, for example, with a pneumatic system whose states can be controlled with a microprocessor.
  • a realization is not necessarily bound to pneumatics - only the ability, a suitable for simulation to achieve certain conditions such as patient on / off breathing - possibly controllable - variable surface, and / or the elastance or to generate compliance behavior of the sound model surface. This should be given for defined states. This could possibly also be realized by appropriate surface materials, by underlying springs, etc.
  • a pneumatics with controller control is used here only as an obvious example of a process implementation, because thus also an active control of desired states and a data / control communication with the image processing computer is well represented.
  • Such sound models are described here as “active sound models” - in the current development phase these are also “haptic sound models”, but this is not necessarily the case - an active but not haptic sound model (eg only respiration) is just as conceivable as a haptic (eg with underlying corset skeleton and spring pressure working), but not active sound model. If necessary, this "active / haptic sound model” system will be described separately in the technical description of the simulator, with different parameters or scenarios of spatial position and pressure of the transducers corresponding to different ones for the later simulation Recordings (typically similar sound structure such as an organ) taken into account.
  • both the (to be preselected by the software) patient status and the interactive (manually generated by the "trainee") transducer status are now simulated by the simulator system for a realistic simulation If necessary, an appropriate reaction of the patient model is carried out on actions of the user / trainee, and a (meta) volume relevant for the respective scenario is visualized.
  • Chapters 2 to 6 are content-related or mathematical , Algorithmic and technical approaches are partly interconnected, so the implementation of this volume visualization will be explained in more detail in the following chapter.
  • Doppler ultrasound has a fundamental difference to the usual gray value images of ultrasound such as B-mode or analogue visualizations with 3D / 4D scanners: the morphology image changes with the transducer movements, but not in their geometrical or perspective In terms of content, in Doppler, the movement of the transducers also means the (often visualized by color coding) meaning of the parametric image components - ie the blood flow shown in Doppler - indirectly changed:
  • Red typically indicates a flow towards the transducer, blue away from the transducer. If a vessel is sounded, for example, with a bevelled position opposite to the direction of flow - and then tapered in the same direction as the flow direction, these colors will be reversed in the image, although the same vessel is sounded over the same anatomical site, but in two different approaches. If one now acquires a vessel with Doppler technique - via sweep with constant sounding as in gray-scale image recordings - for the later visualization / simulation, one would have to at least pretend to the trainee in which possible direction of sounding he should sound in the simulation. Obviously, this is an absolutely undesirable limitation, because the ultrasonic simulator is supposed to teach you the right soldering - and not be used as a working basis.
  • the 3D sensor attached to the recording transducer can also be used to record the acquisition during acquisition - the software provides features in accordance with the following description of an example solution ,
  • the image / volume-receiving physician should first save the othogonal sound of a vessel to be detected - then the course of the vessel or vascular segment to be recorded: This is basically the initial calibration of the following image.
  • This axis defines the center of an imaginary cone whose base is thus approximately parallel to the vessel - and thus orthogonal to the defined reference Anlotungsachse.
  • the cone base is in turn divided into 2 mutually orthogonal lines - one of which is roughly in the defined direction of the vessel to be detected and the other "transverse" - divided into four equal segments.
  • a small “LED traffic light” can be made available, indicating how well you are in the defined, selected sounding.
  • This method is primarily intended for angiology / phlebology in Doppler, but can also be transferred analogously to cardiology (other possible uses see note in Chapter 3 "PVP").
  • Soft tissues without sufficiently supporting and / or associated solid structures are a significant problem for the detection of (meta) volumes for simulation.
  • the skin of "top” and surrounding structures inside the body such as other organs, bones, etc. limits the displacement of a structure to be recorded - only more specific pressure then leads to even the abdomen
  • an immersion method was conceived and realized here as well as a first experimental design that generates the desired outer anatomical shape by means of approximately half-shell-shaped immersion containers whose at least front part is shaped exactly like an impression of the sound model breast. and having the properties of a water bath by the choice of a material having water-like acoustic properties. More specifically, these were "breast baskets" that were installed in various sizes as approximately tapered shells with uniform pitch (interchangeable) in a prone position couch. For the acoustic coupling of the transducer, these shells can be filled with lukewarm water before immersing the breast or coated inside with the otherwise used ultrasound gel - on the outside of the sound is also brought on ultrasound gel on. The recording physician then sounds through these forms from below on a pedestal in sitting height, on which this couch is also lying with the patient in prone position.
  • This immersion method can be used both for volume scanners and for the conventional / previous method of acquiring frames with 2D scanners, which are then converted into a volume.
  • Initial tests on such a recording couch with such breast inserts for manual scans were promising and are a novelty.
  • HUMR is so z.T. relatively precisely matched to the technical possibilities - which, however, will continue to change rapidly. So here is the goal to see clearly - and that means a "realistic visualization / simulation.” Extrapolating the development of ultrasound in the last 20 years to the next 10 years, HUMR is likely at a hypothetical completion time in 2 years for This period - about a decade - will be a good solution for ultrasonic simulation.

Abstract

The invention relates to a method and an arrangement for processing ultrasonic image volumes as well as to a corresponding computer program and a corresponding computer-readable storage medium. In the method for processing ultrasonic image volumes, the invention proposes using a transducer of a 3D ultrasound scanner to detect the 3D ultrasonic image volumes, detecting the position and orientation of the transducer while detecting the 3D ultrasonic image volumes, and combining them with the respective SD ultrasonic image volumes detected. Provision is also made for detected SD ultrasonic image volumes to be combined, while evaluating the respective position and orientation, with other detected 3D ultrasonic image volumes to form an extended ultrasonic image volume (meta volume) and to be stored, and/or for the detected 3D ultrasonic image volumes to be stored individually together with the combined data relating to the position and orientation.

Description

Verfahren und Anordnung zur Verarbeitung von Ultraschall-Bild-Volumina sowie ein entsprechendes Computerprogramm und ein entsprechendes computerlesbares Speichermedium Method and arrangement for processing ultrasound image volumes and a corresponding computer program and a corresponding computer-readable storage medium
Beschreibungdescription
Multi-modales Verfahren zur Erfassung sowie Restitution weitgehend artefaktfreier, auflösungsbeibehaltender und relevante physiologische Faktoren berücksichtigender statischer und dynamischer Ultraschall-Bild-Volumina* - die über die Größe des Schallfelds bzw. Schallraums eines Transducers** hinausgehen können - und deren Einsatz bei Visualisierung und Simulation als off-line oder on-line fungierendes System.Multi-modal method for detection and restitution of largely artifact-free, resolution-preserving and relevant physiological factors taking into account static and dynamic ultrasound image volumes * - which can exceed the size of the sound field or sound space of a transducer ** - and their use in visualization and simulation as an off-line or online acting system.
Einführung: Begriffs-, Grund- und Umfeld-VerständnisIntroduction: conceptual, basic and environmental understanding
Nachfolgend soll versucht werden, Definitionen der hier wesentlichsten Fachbegriffe samt Darstellung ihrer Relevanz primär hinsichtlich des Patentantrags zu vermitteln, aber auch die Entwicklung dieses ganzen Fachbereichs skizzierend, um damit auch die Zusammenhänge und die Dynamik dieser Entwicklung einführend etwas nachvoll- ziehbar zu machen - und um damit ein paar erste „Nachschlage"-Seiten" zur weiteren Arbeit zu erstellen, falls benötigt.In the following an attempt is made to convey definitions of the most important technical terms and their relevance primarily with regard to the patent application, but also sketching the development of this entire discipline in order to make the connections and dynamics of this development somewhat comprehensible - and to create a few first "lookup" pages for further work if needed.
Begriffe-Definitionen bzw. -Erläuterungen werden hierbei fett - und abgesehen von der Kursivschrift in Formeln gilt: Hinweise auf spezifischen Diskussionsbedarf zum Patentantrag oder nur für internen Gebrauch kommentierende Text-Teile werden hierkur- s/V dargestellt.Definitions of terms and / or explanations are given in bold - and apart from the italics in formulas: Notes on specific need for discussion on the patent application or for internal use only Text parts that are commenting on it are presented here / V.
Die Abbildungen steilen folgendes dar:The figures are as follows:
Abb.1 : B-Mode-Transducer mit konvexem Schallfeld;Fig. 1: B-mode transducer with convex sound field;
* Die Reihenfolge der genannten Merkmale ist willkürlich und keine Signifikanz- Reihenfolge* The order of the mentioned characteristics is arbitrary and no significance order
** "Transducer-Schallfeld/Schallraum" bedeutet quasi auf eine statische Scan-Position bezogen - dabei kann es sich um einen 2D-, 3D-, 4D- oder höherdimensionalen Trans- ducer/Scanner handeln, wie in Beschreibungen der Teilverfahren von HUMR jeweils spezifiziert. Abb. 2:Volumen-Transducer mit "Tilting Scan Field;** "Transducer sound field / sound space" refers to a static scan position - it can be a 2D, 3D, 4D or higher dimensional transducers / scanners as described in HUMR sub-procedures specified. Fig. 2: Volume Transducer with "Tilting Scan Field;
Abb. 3:Matrix-Transducer für schnelles „Real-Time 4D";Fig. 3: Matrix-Transducer for fast "Real-Time 4D";
Abb. 4: B-Mode-Transducer bei einem manuellen Sweep mit vorgegebener Sweep-Ge- schwindigkeit für approximative Volumenrekonstruktion (mit ca.90° „verdreh- tem" Transducer, aber gleicher Sweep-Richtung so auch oft für GenerierungFig. 4: B-mode transducer during a manual sweep with a given sweep speed for approximate volume reconstruction (with a "twisted" transducer at approx. 90 °, but also the same sweep direction often for generation
„nebeneinander" zusammengefügter „Panorama-2D-Bilder" durchgeführt);"Juxtaposed" assembled "panoramic 2D images" performed);
Abb. 5: Manueller Sweep mit B-Mode-Transducer + 3D-Sensor für prinzipiell geometrisch korrekte Volumen-Rekonstruktion (im Rahmen der SD-Sensor- Genauigkeit) aus" hintereinander" angeordneten 2D-Bildern; Abb. 6: Allgemeine Struktur eines 3D-Upgrade- Systems und Konvertierungs-Schema 2D nach 3D:Fig. 5: Manual sweep with B-mode transducer + 3D sensor for basically geometrically correct volume reconstruction (as part of the SD sensor accuracy) from "2D" images arranged one behind the other; Fig. 6: General structure of a 3D upgrade system and conversion scheme 2D to 3D:
Abb. 7: Transformation einzelner B-Bilder in ein reguläres Volumen-Raster (karthesi- sches System);Fig. 7: Transformation of individual B-images into a regular volume raster (Cartesian system);
Abb. 8:Oben: elektromagnetischer 3D-Tracker - Links oben: ein komplettes Sensor- System, rechts oben: der Empfänger auf dem Transducer montiert, unten: Aufbau mit Mobil-Scanner bei einem „Sweep";Fig. 8: Above: electromagnetic 3D tracker - top left: a complete sensor system, top right: the receiver mounted on the transducer, below: setup with mobile scanner during a "sweep";
Abb. 9: Einzelne B-Bilder und ihre zugehörigen Koordinaten im 3D-Raum bei bzw. unmittelbar nach Erfassung und vor geometrischer Transformation (s.a. Abb.6). Rechts unten: 3D nach Transformation; Abb. 10: Audiosignal der Fetaldopplerkomponente des Triggersystems f. Bildakquisiti- on;Fig. 9: Individual B-images and their associated coordinates in 3D space at or immediately after detection and before geometric transformation (see Fig. 6). Bottom right: 3D after transformation; Fig. 10: Audio signal of the fetal doppler component of the trigger system f. Image acquisition;
Abb. 11 : GUI des Aufnahme-Systems zur getriggerten Akquisition f 4D-Volumina;Fig. 11: GUI of the acquisition system for triggered acquisition f 4D volumes;
Abb. 12: Schema des Verarbeitungs-Ablaufs: Freehand-Akquisition mit FET/EKG-Fig. 12: Scheme of the processing sequence: Freehand acquisition with FET / ECG
Trigger für 4D-Rekonstruktion; Abb. 13: Gesamter Geräte-Aufbau FET beim Erfassen, incl. Trigger-Signal-Graphik.Trigger for 4D reconstruction; Fig. 13: Entire device setup FET during acquisition, including trigger signal graphics.
Ultraschall (-Diagnostik) ist der allgemeinste Begriff für das bekannte, hier verwendete medizinische, bildgebende (Diagnose)-Verfahren.Ultrasound (diagnostics) is the most general term for the known medical imaging (diagnostic) method used herein.
Sonographie wird häufig als Synonym für Ultraschall verwendet, aber Kardiologen haben die Echokardiographie begrifflich eingeführt, die tatsächlich auch gerätetechnisch ein gewisses Eigenleben führt, da die Grauwert-Auflösung/Differenzierung (z.B. in der Abdominal-Sonographie ein kardinales Qualitäts-Kriterium) etwas weniger wichtig ist, während hier, bedingt durch die Darstellung (schnell) bewegter Strukturen (Herz, große Gefäße), die zeitliche Auflösung (Anzahl Bilder bzw. Volumes pro Sek.) eine erhebliche Rolle spielt.Ultrasonography is often used as a synonym for ultrasound, but cardiologists have introduced echocardiography conceptually, which actually also has a certain inherent autonomy in terms of device technology, since the gray scale resolution / differentiation (eg a cardinal quality criterion in abdominal ultrasound) is somewhat less important , while here, due to the representation of (fast) moving structures (heart, large Vessels), the temporal resolution (number of images or volumes per sec.) Plays a significant role.
Größter Fachbereich der Sonographie ist „Gynäkologie und Geburtshilfe" (Ob/Gyn) wobei hinsichtlich „Sonographie" letztere zutreffender mit „Pränatal-Medizin" beschrieben ist. Auch Innere Medizin (Gastro-Enterologie, Endokrinologie etc.) ist bedeutend für die Sonographie und nächstgrößter Fachbereich. Weitere Aufzählungen erübrigen sich - es gibt heute kaum noch einen Fachbereich, der Ultraschall (Sonographie/Echokardiographie) nicht einsetzt. Da nicht jeder obige Differenzierung konse- quent einhält, muss man oft dem Zusammenhang entnehmen, ob „Sonographie" inclu- sive oder exclusive Echokardiographie zu verstehen ist.The largest department of ultrasonography is "gynecology and obstetrics" (Ob / Gyn), with regard to "sonography" the latter more appropriately described as "prenatal medicine." Internal medicine (gastro-enterology, endocrinology, etc.) is also important for sonography and next largest There are no further listings - today there is hardly any department that does not use ultrasound (sonography / echocardiography), because not everyone adheres strictly to the above differentiation, one often has to deduce from the context whether "sonography" incl exclusive echocardiography is understood.
Frames (engl.) sind Bilder, worunter man auch deutsch gemeinhin 2D-Bilder versteht, begrifflich aber in der typischen Verwendung wohl nicht ganz so zwingend wie bei beim englischen Terminus „frames".Frames (English) are pictures, by which one understands also German commonly 2D-pictures, conceptually but in the typical use probably not quite as compelling as with the English term "frames".
Volumes sind hier 3D-Bilder, sog. Volumina, womit auch bewegte Volumina wohl folgerichtig bezeichnet werden: Ein dynamisches Volumen, als 4D bezeichnet, ist eigentlich nur als Reihe zusammengehöriger (3D-) Volumina zu sehen.Volumes are here 3D images, so-called volumes, which also well-moving volumes are called logical: A dynamic volume, referred to as 4D, is actually only seen as a series of related (3D) volumes.
Pixel sind Bildpunkte in einem digitalen 2D-BiId (Frame). Voxel sind Bildpunkte in einem digitalen 3D-BiId (Volume).Pixels are pixels in a digital 2D image (frame). Voxels are pixels in a digital 3D image (volume).
Scanner ist (hier) eine gängige (engl.) Bezeichnung für „Ultraschallgerät" (so deutsch eigentlich häufigster Terminus) - im engeren Sinne die Signal-verarbeitetende undScanner is (here) a common (English) term for "ultrasound device" (so German actually most common term) - in the narrower sense, the signal-processing and
-visualiserende Zentraleinheit, meist wird unter „Scanner" aber die Gesamtheit des-visualiserende central unit, usually under "scanner" but the entirety of the
Systems mit dem (am Patienten) signalgenerierenden „Transducer" (s.u.), der dieSystem with the (on the patient) signal generating "Transducer" (s.u.), the
Schallwellen emittiert und empfängt, verstanden - so auch hier, wenn der Transducer nicht explizit zusätzlich erwähnt wird. Die Signalverarbeitung ab dem Transducer - d.h. nach dem nativen Radiofrequenz- bzw. „Rohsignal" - erfolgt intern bei Scannern heute praktisch nur noch digital, was für die interne Rechnertechnologie aktuell fast nur noch „PC-basiert" bedeutet.Sound waves emitted and received, understood - so here, if the transducer is not explicitly mentioned in addition. Signal processing from the transducer - i. According to the native radio frequency or "raw signal" - internally scanners nowadays are practically only digital, which for the internal computer technology currently means almost only "PC-based".
Dies weist einerseits auf einen Preisverfall bei Scannern hin (von den Herstellern inzwischen „zweigleisig" - d.h. noch relativ teure High-End-Produktlinien mit immer leis- tungsfähigeren neuen Features (die nur noch wenige einigermaßen vollständig han- dein können), sowie Low-End- und Mobil-Produktlinien für „jedermann" und neue Mobilgerät-Märkte - beantwortet), andererseits auf einen - auch zunehmend bezahlbaren - wenigstens partiellen medizinischen Paradigmenwechsel, sozusagen: „Vom Stethoskop zum Sonoskop". Beide, insbesondere aber die zweite Tendenz bei Scannern ge- neriert, neben anderen begünstigenden Faktoren, einen (insbesondere praktischen!) Ausbildungsbedarf - und dabei ist Ultraschall seit langem, schon vor den „PC- basierten Generationen", bereits das meistverbreitete bildgebende Verfahren in der Medizin geworden. Trotz der auch immer leistungsfähigeren Konkurrenz der alternativen radiologischen Verfahren wie Röntgen, CT, MR etc. wird der Ultraschall eine star- ke Position behaupten - er ist strahlungsfrei, auch die geringe Erwärmung beschallter Körperregionen ist als unschädlich anerkannt, und in seiner Mobilität sowie Kostengünstigkeit auf lange Sicht unschlagbar, und seine Leistungsfähigkeit hängt zuvorderst von einem „Kardinal-Parameter" ab: der Qualifikation seines Anwenders.) Das Grundprinzip solcher Scanner geht auf die bekannte Ausbreitungs- Geschwindigkeit von Schallwellen in Wasser (mit dem Körperinneren, das größtenteils Wasser ist, etwa gleichsetzbar) zurück bzw. deren Reflektion an (kleinsten bis großen) Grenzflächen und einer Umsetzung von Schall-Intensitätssignalen in Bildsignale aus. Wasser bzw. eine hohe Wasserhaltigkeit ist Voraussetzung für die Anwendbarkeit des Verfahrens - somit ist Luft hier als Schallleiter nicht geeignet, auch Knochen haben ei- nen geringen Wassergehalt - kurz gefasst eignet sich Ultraschall somit also als „Diagnoseverfahren für mehr oder weniger weiches Gewebe" - i.w. außer Lunge und Skelett damit aber für den weitaus größten Teil des menschlichen Körpers (Gase, z.B. im Darm, können aber auch beim Ultraschall störend sein). Die gute Eignung von Wasser als Schallleiter liegt primär in dessen geringer Dämpfung begründet. Die oft vertretene Meinung, Scanner verwendeten die Schallgeschwindigkeit in Wasser, ist aber so nicht ganz korrekt - hier die abgeschriebenen Fakten: Geschwindigkeit Weichteil- /Flüssigkeits-Gewebe: 1500/1600 m/sec, Luft: 355 m/seα, Knochen: 3500 m/sec. (mitsamt Versuch, dies auf Körpertemperatur und Normal-Luftdruck zu berechnen), - und Scanner sind auf einen Weichgewebe-Mittelwert von 1540 m/sec. kalibriert, was geringfügig (ca. 2%) über reinem Wasser bei Körper-Temperatur liegen dürfte - sehr undramatisch, aber der Bezugspunkt ist (s.o.) eben eine „medizinisch basierte Definition" und nicht Wasser.On the one hand, this indicates a price erosion of scanners (now "double-tracked" by the manufacturers - ie still relatively expensive high-end product lines with ever more powerful new features (which are only a few reasonably complete). yours), as well as low-end and mobile product lines for "everyone" and new mobile device markets - answered), on the other hand to a - even increasingly affordable - at least partial medical paradigm shift, so to speak: "from stethoscope to sonoscope". Both, but in particular the second tendency in scanners, among other favorable factors, have a (particularly practical!) Training requirement - and ultrasound has long been the most widespread imaging method in the industry, even before the "PC-based generations" Despite the increasingly competitive competition of alternative radiological procedures such as X-ray, CT, MR, etc., the ultrasound will maintain a strong position - it is radiation-free, even the slight warming of sonicated body regions is recognized as innocuous, and in its mobility and cost-effectiveness is unbeatable in the long run, and its performance depends first and foremost on a "cardinal parameter": the qualification of its user.) The basic principle of such scanners is the well-known propagation speed of sound waves into water (with the interior of the body, mostly water is, about equable) or their reflection at (smallest to large) interfaces and a conversion of sound intensity signals into image signals. Water or a high water content is a prerequisite for the applicability of the method - thus air is not suitable here as a sound conductor, even bones have a low water content - in short, therefore, ultrasound is suitable as a "diagnostic method for more or less soft tissue". Apart from lungs and skeletons, however, they are responsible for the vast majority of the human body (gases, eg in the intestine, may also be disturbing in ultrasound.) The good suitability of water as a sound conductor is primarily due to its low attenuation , Scanners used the speed of sound in water, but is not completely correct - here are the facts written off: speed soft tissue / fluid tissue: 1500/1600 m / sec, air: 355 m / seα, bone: 3500 m / sec. and attempting to calculate this at body temperature and normal air pressure), and scanners are calibrated to a soft tissue mean of 1540 m / sec. which is slightly (approx. 2%) should be above pure water at body temperature - very undramatic, but the point of reference is (so) just a "medically based definition" and not water.
Scanner haben i.a. auch einen (VHS- bzw. S-VHS-) Ausgang (Buchse) zum Anschluss eines Video-Recorders zur Bild-Speicherung bzw. „Dokumentation". Hier wurden auch für lmage-(Post-)Processing Daten abgegriffen, die via Frame Grabber (PCI-Karte) di- gitalisiert und in einem Computer dann so weiterverarbeitet werden können - bis heute z.T. noch so in Anwendung, aber langfristig kaum zukunftsträchtig und technisch allein schon wegen der (Scanner-FrameGrabber:) D/A - A/D - Wandlung nicht gerade elegant. Immerhin - die so erfassten Daten können dann praktisch beliebig weiterverar- beitet werden - im Falle der 3D-Konversion (sowie Simulation) samt der zugeordneten Ortsdaten des 3D-Sensors, und für 4D (sowie Simulation) auch samt der zugeordneten Daten eines (z.B. EKG-)Triggers. Dieses Verfahren wurde bislang (hier: für den Simulator) bei 2D-Scannern eingesetzt - wozu es wegen einer „Unisono-Obstruktions- Politik" der (3D-)Scanner-Hersteller: „Alles ist geheim, sogar unser Datenformat" - auch kaum Alternativen gab. In den letzten 2 Jahren ist es aber gelungen, die „Global Player" des Ultraschalls - Hitachi, Medison/SonoAce, GE (General Electric), Philips u.a. - zum Umdenken zu bewegen, was auch dringend notwendig war: Die Daten- Übernahme nativer 3D/4D-Datensätze ist nur noch digital möglich - technisch insgesamt „eleganter" und allein schon wegen der Bildqualität wünschenswert. Momentan wird (s.a. unten 3D/4D) der „Herstellungsprozess für die Simulation" jedoch noch „zweigleisig" - d.h. „konventionelle" Methode (Erfassung: 2D-Scanner => Compu- ter+ FrameGrabber+3D-Sensor / Verarbeitung => 3D/4D => Simulation: 2D-Schnitte durch 3D/4D), die derzeit noch manche partiellen Stärken hat (besonders die Größe der erzeugbaren Volumen) einerseits - und die digitale Datenübernahme von nativen 3D/4D-Datensätzen für die anschließende Simulation andererseits - praktiziert.Scanners generally also have a (VHS or S-VHS) output (socket) for connecting a video recorder for image storage or "documentation." Data was also collected here for image (post) processing via Frame Grabber (PCI card) can be gitalisiert and processed in a computer then so - in some cases still in use, but in the long term hardly seminal and technically alone because of the (scanner FrameGrabber :) D / A - A / D - conversion not exactly elegant. After all - the data collected in this way can then be processed practically any desired - in the case of 3D conversion (as well as simulation) together with the associated location data of the 3D sensor, and for 4D (as well as simulation) including the assigned data of one (eg ECG -) trigger. This method has been used (here: for the simulator) in 2D scanners - why it because of a "unison obstruction policy" of the (3D) scanner manufacturers: "Everything is secret, even our data format" - and hardly alternatives gave. In the last two years, however, it has been possible to rethink the "global players" of ultrasound - Hitachi, Medison / SonoAce, GE (General Electric), Philips and others - to rethink what was urgently needed: the data acquisition of native 3D / 4D data sets is only possible digitally - technically more "elegant" overall and desirable for image quality alone. Currently (see below 3D / 4D) the "production process for the simulation" is still "double-tracked" - ie "conventional" method (acquisition: 2D scanner => computer + FrameGrabber + 3D sensor / processing => 3D / 4D => Simulation: 2D sections through 3D / 4D), which currently has some partial strengths (especially the size of the volumes that can be generated) on the one hand - and the digital data transfer of native 3D / 4D data sets for the subsequent simulation on the other - practiced.
(Ein wesentliches Manko solch eingelesener 3D/4D-Datensätze war bisher allerdings deren geringe Größe, die auf eine einzige 3D/4D-Transducer-Position limitiert war - ein Verfahren zum „Aneinanderkleben" nativer Volumina in einem Datensatz - analog zu einer „Sweep"-Erfassung von 2D, um größere anatomische Bereiche bzw. Volumina abzubilden, existierte nicht - zumindest nicht in der zur Simulation/Ausbildung nötigen geometrischen Genauigkeit und als „importierbarer Datensatz", von anderen simulationsrelevanten Aspekten - mehr dazu s.a. HUMR - gar nicht zu reden.) Dies erzeugt zwar nun potentiell eine gewisse Abhängigkeit, andererseits sehen es inzwischen die Scanner-Hersteller aber auch als wichtig an, in der Ausbildung über ihre Systeme bzw. damit erfasste Bilder vertreten zu sein (was da nun fast schon eine „Wettbewerbs-Situation" generiert), außerdem wünschen auch Krankenhäuser für ihre digitale Datenspeicherung - benötigt zur Archivierung, Dokumentation u.a.m. - (z.B. nach dem immer wichtigeren, medizinspezifischen DICOM-Standard, der auch ein eigenes Bildformat hat - allerdings etwa so spezifisch wie „Pizza", wovon es „hundert" Varianten gibt , weil dabei auch proprietäre Objekte existieren) - zunehmend eine sol- che Offenlegung. Der DICOM-Standard (für Digital Imaging and Communications in Mediane) ist also ein offener Standard zum Austausch von Bildern in der Medizin. Derzeit aktuell ist die Version PS 3 2006. Der DICOM-Datensatz dient als Container und enthält außer einem oder mehreren Bildern auch Metainformationen wie Patientenna- me, Aufnahmedatum, Geräteparameter oder Arztname, und wird sukzessive auch um Kurven-, Bestrahlungstherapie-Daten u.a.m. erweitert . Die Visualisierung erfolgt auf sog. PACS-Systemen (für Picture Archival and Communication System). Generell müssen Hersteller, die Medizinprodukte herstellen und DICOM verwenden, ein deskriptives Dokument, das sog. Conformance Statement für Ihre Produkte abgeben. All dies ist ein sehr langsamer, aber langfristiger und unaufhaltsamer Trend. Theoretisch könnte für einen Simulator-Hersteller daraus eine Wettbewerbs-Gefahr erwachsen, dass Fälle so dann aus vielen Krankenhäusern beliebig zur Simulation verfügbar würden, tatsächlich - und das macht bereits dieser Patentantrag selbst schon recht deutlich - braucht es für einen guten Simulator weitaus mehr als nur „digitale Ultraschall-Fälle" (in Krankenhäusern bisher obendrein oft nur als Set von diagnostisch „relevanten" 2D- Ergrebn/s-Schnitten gespeichert), die eben nicht spezifisch für die Simulation erfasst und bearbeitet wurden. Eine Umkehrung dieser Offenheit oder größere Risiken aus eben dieser Offenheit sind somit auf absehbare Zeit wenig wahrscheinlich. Allerdings könnte man so eventuell doch wenigstens „schlechte Simulatoren" mit derar- tigen Datensätzen speisen und herstellen; es ist also auch eine strategische Aufgabe auch dieses Patents, für diesen Bereich der medizinischen Qualitäts-Kontrolle und - Sicherung (hier: Ultraschall-Diagnostik bzw. -Ausbildung/Qualifikation) quasi selbst einen Qualitäts-Standard zu schaffen und zu etablieren (darüber besteht auch Konsens mit praktisch allen Experten dieser Thematik in der Medizin), um später dann nicht einen Markt mit schlechten Produkten und resultierend schlechter (Ausbildungs-) Qualität mühsam „aufräumen" zu müssen, sondern ihn rechtzeitig - sozusagen paradigmatisch - durch einen angemessen hohen Standard möglichst zu verhindern. Die „Pitfalls" der Ultraschall-Simulation und ihre Lösungen zeigen (hoffentlich) selbsterklärend, dass dies einerseits tatsächlich notwendig und wünschenswert (diese Lösungen sollen in wesentlichen Teilen - z.T. drastisch: - falsche und irreführende diagnostische Bilder bzw. fehler-/mangelhafte Ausbildung verhindern) und andererseits technisch auch mit vertretbarem Aufwand machbar ist . Wie (ir)relevant das für eine Patenterteilung auch sein mag - dies sind in der Sache erwünschte Zusatzeffekte. Transducer ist der englische Begriff für den Messdaten-generierenden „Schallkopf eines Ultraschallgeräts, den der Untersucher (meist auf der äußeren Haut, es gibt aber auch andere, sog. „invasive" Verfahren) des Patienten aufsetzt - es gibt mehrere Synonyme wie engl.: probe, dtsch. Sonde u.a.m. Zur Übermittlung der vom Transducer generierten „Rohdaten" werden Transducer mit einem stets „propriätären" Kabel am Scanner konnektiert.(However, a major shortcoming of 3D / 4D datasets scanned to date has been their small size, which was limited to a single 3D / 4D transducer position - a process for "sticking together" native volumes in a dataset - analogous to a "sweep" Capturing 2D to map larger anatomical areas or volumes did not exist - at least not in the geometric accuracy required for simulation / training and as an "importable dataset", from other simulation-relevant aspects - more about that HUMR - not to mention. ) Although this potentially creates a certain dependency, on the other hand, the scanner manufacturers now also consider it important to be represented in the training via their systems or images captured there (which is almost a "competitive situation"). In addition, hospitals also wish for their digital data storage - required for archiving, documentation, etc. - (eg the increasingly important, medical-specific DICOM standard, which also has its own image format - however, as specific as "pizza", of which there are "a hundred" variants because proprietary objects also exist) - increasingly disclosure. The DICOM standard (for digital imaging and communications in medians) is thus an open standard for the exchange of images in medicine. The current version is PS 3 2006. The DICOM dataset serves as a container and contains not only one or more images but also meta information such as patient name, date of admission, device parameters or doctor's name, and is also successively extended with curve, radiation therapy data and much more. The visualization takes place on so-called PACS systems (for Picture Archival and Communication System). In general, manufacturers who manufacture medical devices and use DICOM must submit a descriptive document, the so-called Conformance Statement, for their products. All of this is a very slow but long-term and unstoppable trend. Theoretically, it could be a competitive risk for a simulator manufacturer that cases would then be available from many hospitals arbitrarily for simulation, in fact - and this already makes this patent application itself quite clear - it needs for a good simulator much more than just "Digital ultrasound cases" (in hospitals so far often stored only as a set of diagnostically "relevant" 2D ergrebn / s sections), which just were not specifically recorded and edited for the simulation. A reversal of this openness or greater risks from this openness are therefore unlikely for the foreseeable future. However, one could at least feed and produce at least "bad simulators" with such data sets, so it is also a strategic task of this patent, for this area of medical quality control and assurance (here: ultrasound diagnosis or -Education / Qualification) to create and establish quasi a quality standard (there is also consensus with virtually all experts in this field in medicine), then later not a market with bad products and resulting poor (training) quality cumbersome To clean it up, but to prevent it in time - as it were paradigmatic - by a reasonably high standard as possible. The "pitfalls" of the ultrasound simulation and its solutions show (hopefully) self-explanatory that on the one hand this is actually necessary and desirable (these solutions are intended to substantially - partly drastically: - prevent false and misleading diagnostic images or faulty / deficient training) and on the other hand, technically feasible with justifiable effort, as (ir) relevant for granting a patent may be - these are desirable additional effects in the matter. Transducer is the English term for the measurement-generating "transducer of an ultrasound device, which the examiner (usually on the outer skin, but there are also other, so-called" invasive "procedures) of the patient touches down - there are several synonyms such as: Probe, German probe etc. To transmit the "raw data" generated by the transducer, transducers are connected to the scanner with a "proprietary" cable.
Es gibt davon meist mehrere (auch bei den einzelnen Scannern auswechselbar) — mit verschiedenen „Eindringtiefen" bzw. Frequenzen - je niedriger die Frequenz, umso höher die Eindringtiefe, und umso geringer die geometrische Auflösung („und, logo, urti- gekehrt"). Am gängigsten sind Frequenzen von ca. 3,5 bis 7,5 MHz, manche Fachbereiche wie die Dermatologie verwenden aber auch Frequenzen bis 20 MHz und „exotisch" gibt's auch mehr.There are usually several (also interchangeable with the individual scanners) - with different "penetration depths" or frequencies - the lower the frequency, the higher the penetration depth, and the lower the geometric resolution ("and, logo, original") , The most common are frequencies of about 3.5 to 7.5 MHz, some departments such as dermatology but also use frequencies up to 20 MHz and "exotic"'s also more.
Die Signalerzeugung bei Transducern erfolgt mittels Piezokristallen, die den hochfrequenten Schall extrem schnell alternierend senden/empfangen können und auf der „Schallfläche" am Transducer „vorn" angebracht sind - prinzipiell bei 2D-Transducern in einer Reihen-, und bei modernen (Matrix-)Bautypen von 3D/4D-Transducern in einer Flächen-Anordnung. Die Kristallzahl definiert maßgeblich die erreichbare geometrische Auflösung (was auf Limitationen bzw. Schwierigkeiten bei der Entwicklung hochauflösender Matrix-3D/4D-Transducer hinweist). Physikalisch (versus „weiter hinten" in der Signalverarbeitungs-Kette bzw. deren relevanter Faktoren bis hin zum unmittelbar vi- sualisierenden Monitor) sind hier sowohl die laterale Auflösung (also parallel zu der Schallfläche eines linearen Transducers bzw. entsprechend konzentrisch zur Schallfläche eines konvexen/curved Transducers verlaufende) als auch die axiale Auflösung (orthogonal zur Transducer-Schallfläche bzw. in der Ausbreitungsrichtung der Schall- wellen verlaufendend) eine kardinal qualitätsdefinierende Rolle. Beide sind abhängig von der Distanz zur Schallfläche, in 3 Kategorien eingeteilt: vom Nahfeld über die zur optimalen Auflösungs-Distanz am Scanner justierbare Fokuszone bis zum Fernfeld. Hinzu kommt das Gain als eindringtiefen-abhängige Verstärkungsregelung. Die akustische „Ankopplung" zum Patienten erfolgt mittels Gel (geliertes Wasser). Die räumliche Transducer-Positionierung auf der Haut heißt Anlotung. Die Transducer-Schallfläche definiert auch die Umsetzung in das resultierende Bild, das sog. Schallfeld: Im Falle von 2D-Scannern generiert eine gerade Schallfläche ein lineares Schallfeld in Form eines Rechtecks, eine gekrümmte Schallfläche ein konvexes (auch: curved) Schallfeld, das folglich etwa wie die Arbeitsfläche eines einzelnen konventionellen Scheiben- Wischers aussieht - aber je nach 2D-Anwendungs-Bereich mit Abdeckungs-Winkel von 45°bis 270° (Abb. 1).Transducers generate signals using piezo crystals that can transmit / receive the high-frequency sound in an extremely fast alternating manner and are mounted on the "sound surface" at the transducer "in front" - basically in 2D transducers in a series (and in modern) (matrix) Construction types of 3D / 4D transducers in a surface arrangement. The number of crystals significantly defines the achievable geometric resolution (which indicates limitations or difficulties in the development of high-resolution matrix 3D / 4D transducers). Physical (versus "further back" in the signal processing chain or its relevant factors up to the immediately visualizing monitor) are here both the lateral resolution (ie parallel to the sound surface of a linear transducer or corresponding concentric to the sound surface of a convex / curved transducers) as well as the axial resolution (orthogonal to the transducer sound surface or in the propagation direction of the sound waves) have a cardinal quality-defining role, both depending on the distance to the sound surface, divided into 3 categories: from the near field to the optimal focus distance on the scanner adjustable focus zone to the far field, plus the gain as a penetration depth-dependent gain control The acoustic "coupling" to the patient using gel (gelled water). The spatial transducer positioning on the skin is called Anlotung. The transducer sound surface also defines the conversion into the resulting image, the so-called sound field: in the case of 2D scanners, a straight sound surface generates a linear sound field in the form of a rectangle, a curved sound surface a convex (also: curved) sound field, which consequently like the working surface of a single conventional disk Wiper looks - but depending on the 2D application range with coverage angle of 45 ° to 270 ° (Fig. 1).
Entsprechend generieren 3D/4D-Transducer als „3dimensionales Schallfeld", korrek- ter mit Schallraum (, später unter Bezug auf dessen Intensitätswerte hier unter „IVS" auch als sog. Schallwerte-Raum) bezeichnet - derzeit typischerscherweise eine Pyramide, genauer: einen Pyramidenstumpf, oder ähnlich geformte Volumina (da übrigens für die Darstellung des grundsätzlichen, theoretischen Funktionsprinzips unerheblich, die abgeschnittene Spitze (Stumpf) in den folgenden mathematischen „IVS"- Ausführungen vernachlässigend: Die Form des Schallraums ist praktisch dann sowieso individuell abhängig vom jeweiligen Transducer bzw. dessen Hersteller). Das Schallfeld kann auch bereits durch das Funktionsprinzip des 3D/4D-Transducers beeinflusst werden - es gibt i.w. bisher zwei vorherrschende Typen:Correspondingly, 3D / 4D transducers as "3dimensional sound field", more correctly with sound space (later referred to as intensity values here under "IVS", also referred to as "sound value space") - currently typically a pyramid, more precisely a truncated pyramid , or similar shaped volumes (as incidentally for the representation of the fundamental, theoretical principle of operation insignificant, the cut tip (stump) in the following mathematical "IVS" - negligible: The shape of the sound space is practically independent of the respective transducer or The sound field can also already be influenced by the functional principle of the 3D / 4D transducer - there are currently two predominant types:
(1) 3D/4D-Transducer, hier zunächst die auf B-Mode-Technologie basierenden Vo- lumβn-Transducer, haben in ihrem Gehäuse einen Motor, der „transducer-intern" einen linearen oder konvexen 2D-Schallkopf schnell vor- und zurückschwenkt „Tilting Transducer") (vgl. Abb. 2). Der (hier auf eine konvexen Transducerkomponente bezogene) Vergleich mit einem wedelnden Fächer: „Fächer = Ausgangs-/Nativ-2D-Schallfeld, Hand = Motor" vermittelt eine gute Anschauung des Funktionsprinzips - „bewedelter Luftbereich" = „Resultierender (3dimensionaler) Schallraum" - und zwar nach berechneter Konversion zwecks Visualisierung - also: Viele bzw. alle 2D-Momentaufnahmen der periodischen „Fächerpositionen" werden in ein homogen mit Voxeln gefülltes dreidimensionales Bild, das Ergeb- nis-Volumen, umgerechnet.(1) 3D / 4D transducers, here first the B-mode technology-based volumetric transducers, have in their housing a motor that "swivels" a linear or convex 2D transducer back and forth quickly "Tilting Transducer") (see Fig. 2). The comparison (with reference to a convex transducer component) to a wagging fan: "Fan = original / native 2D sound field, hand = motor" gives a good idea of the functional principle - "aired air area" = "resulting (3dimensional) sound space" - after calculated conversion for the purposes of visualization - ie: Many or all 2D snapshots of the periodic "fan positions" are converted into a three-dimensional image homogeneously filled with voxels, the result volume.
Grundsätzlich kann es bei diesem Verfahren auch zu Bewegungsartefakten kommen, durch die relativ hohe Motorgeschwindigkeit bleibt aber in praxi sozusagen „für Bewegungsartefakte in einem Ergebnis-Volumen wenig Zeit" - signifikant weniger als bei Scans mit dem hier später erläuterten (manuellen) „Freehand-Sweep", was sich für die „klinische Realität" also in durchaus guten Ergebnissen niederschlägt.In principle, movement artifacts can also occur in this method, but due to the relatively high engine speed, in practice, there is "little time" for motion artifacts in a result volume - significantly less than for scans with the (manual) "freehand sweep explained later ", which translates into very good results for the" clinical reality ".
Vorteil dieses Verfahrens ist derzeit grundsätzlich eine relativ gute geometrische Auflösung. Grundsätzlich sind der Motor und die Konversionsberechnung beide jedoch ge- schwindigkeitslimitierende Faktoren für ein „live"- bzw. „Real-time-4D" -Verfahren bei schnell bewegten Schallobjekten. (2) Die prinzipiell modernere Technik sind sog. Matrix-Transducer (vgl. Abb. 3): Hier werden Piezo-Kristalle unmittelbar entsprechend dem gewünschten Ergebnis- Volumen auf der Schallfläche 2dimensional angebracht (so, wie auf der Schallfläche nebeneinander bzw. eindimensional angeordnete Kristalle ein 2dimensionales Bild ge- nerieren, so generieren 2dimensional angebrachte Kristalle ein dreidimensionales Bild) und so auch entsprechend betrieben: Jedes „Set von gleichzeitigen Schall-Impulsen" generiert ein natives Volumen ohne nachträgliche Konversions-Berechnung. Das Verfahren ist für kardiologische Anwendungen prädestiniert, wo es auf hohe Bild-, d.h. genauer: Volumenraten ankommt - gegenwärtig werden etwa 20/sec. erreicht. Die Frage einer Eignung für andere Anwendungsbereiche wird entscheidend davon abhängen, ob sich die derzeitige geometrische Auflösung für solche Anwendungen ausreichend erhöhen lässt - was vorerst identisch mit der Frage sein dürfte, ob mehr Kristalle an der Schallfläche eines solchen Matrix-Transducers angebracht werden können.The advantage of this method is currently basically a relatively good geometric resolution. Basically, however, the engine and the conversion calculation are both speed-limiting factors for a "live" or "real-time 4D" method for fast moving sound objects. (2) The principle more modern technique are so-called matrix transducers (see Fig. 3): Piezo crystals are attached directly to the desired volume on the sound surface 2dimensionally (just as on the sound surface side by side or one-dimensionally arranged 2-dimensional crystals generate a three-dimensional image) and operate accordingly: each "set of simultaneous sound impulses" generates a native volume without subsequent conversion calculation. where it comes to high image, ie more accurate: volume rates - currently about 20 / sec are reached.The question of suitability for other applications will depend crucially on whether the current geometric resolution for such applications can be sufficiently increased - which is identical for the time being with the question might be, if more crystals can be attached to the sound surface of such a matrix transducer.
Weder ist heute eindeutig auszumachen, „welcher der beiden Ansätze das Rennen macht", oder ob beide bleiben, noch können weitere und künftige 3D-Verfahren ausgeschlossen werden - sei es mechanisch z.B. mit einer schnellen rotierenden „Transdu- cerwalze", oder elektronisch z.B. mit zwei oder mehreren aufeinander, aber „verschoben" liegenden (d.h. zwischenraum-nutzenden) „Piezo-Matrizen", - evtl. weitere 3D/4D-Tansducer-Kategorien definierend - oder wie auch immer sonst.Neither is it clear today "which of the two approaches is racing", or whether both remain, nor can further and future 3D processes be excluded - whether mechanically with, for example, a fast rotating "transducing roller", or electronically e.g. with two or more "but" shifted (i.e., space-using) "piezo matrices", - possibly defining additional 3D / 4D transducer categories - or whatever else.
Die Andeutungen zu schallleitenden Eigenschaften (s. Scanner) weisen darauf hin, dass es gute und weniger gute (bzw. „unmögliche") sog. „Schallfenster", d.h. für bestimmte Visualisierungsziele hinreichend große und hinreichend weit nach innen schallleitende Körperregionen zum Aufsetzen des Transducers gibt - das an vielen Stellen von der luftgefüllten Lunge sowie Rippen umgebene Herz ist ein „klassisches" Beispiel für die Notwendigkeit, manchmal (wenige) geeignete Schallfenster wählen zu müssen. Dies ist übrigens ein wesentlicher Grund dafür, dass Transducer je nach Anwendung sehr unterschiedlich, auch in der Schallfläche (wo die Piezo-Kristalle ange- bracht werden), geformt sind - ein Transducer, der z.B. durch ein kleines Schallfenster zwischen zwei Rippen einen großen Teil des Herzens visualisieren soll, wird dementsprechend eine kleine Schallfläche mit einem relativ breit gewinkelten Schallfeld (=ausreichend große Konvexität) haben; Endovaginal-Sonden sind sehr langgeformt mit einer kleinen, aber doch bis etwa 180 Grad abdeckenden konvexen Schallfläche; für die dicht unter der Haut liegende Schilddrüse (linker und rechter Halsbereich) eignet sich eine 7,5 MHz-Linearsonde (gerade Schallfläche und geringe Eindringtiefe bei hoher Auflösung), usw.The allusions to sound-conducting properties (see scanner) indicate that there are good and less good (or "impossible") so-called "sound windows", ie for certain visualization purposes sufficiently large and sufficiently far inward sound conducting body regions for placing the transducer - the heart, surrounded in many places by the air-filled lung and ribs, is a "classic" example of the need to sometimes select (few) suitable sound windows, which is a key reason why transducers vary greatly depending on the application, Also in the sound surface (where the piezo crystals are attached) are formed - a transducer, for example, to visualize a large part of the heart through a small sound window between two ribs, is accordingly a small sound surface with a relatively wide angled sound field (= sufficiently large convexity) endovaginal probes are very lan formed with a small, but up to 180 degrees covering convex sound surface; for the closely under the skin lying thyroid (left and right neck area) is suitable a 7.5 MHz linear probe (straight sound surface and low penetration depth at high resolution), etc.
Dazu analog nun auch kurz die verschiedenen zugehörigen Scan-Verfahren, medizi- nisch ausgedrückt: Ultraschall-Modalitäten (technisch evtl. auch engl.: Scan Modali- tiβs) samt Terminus, hier chronologisch-historisch und quasi grob auch „nach Technical Sophistication aufsteigend" gelistet:Analogously also briefly the various associated scanning methods, in medical terms: ultrasound modalities (possibly also English: scan modalities) including the term, here chronologically-historical and quasi-coarse also "ascending to technical sophistication" listed:
A-Mode: Ein einziger „Schallstrahl" - heute eher Geschichte / nur noch wenig verwen- det.A-Mode: A single "sonic beam" - today rather history / only little used.
M-Mode (M=Motion): Wie A-Mode, aber auf einer Zeitachse aufgetragen (etwas! ähnlich wie EKG, statt „Ergebnis-Kurve" aber ein „Ergebnis-Bild/Diagramm), sehr gute Zeitauflösung, spielt (praktisch nur) in Kardiologie/Angiologie noch eine gewisse Rolle zur Analyse schneller (z.B. Herzklappen-) Bewegungen (s.a. unten: Echokardiographie etc.).M-mode (M = Motion): Like A-mode, but plotted on a timeline (something similar to ECG, instead of "result curve" but a "result image / diagram), very good time resolution, plays (practically only ) in cardiology / angiology a certain role for the analysis of faster (eg heart valve) movements (sa below: echocardiography, etc.).
A-Mode und M-Mode können spezielle Transducer haben. Typischerweise wird der M- Mode heute aber von dem nachfolgend erläuterten B-Mode-Transducer mit ausgeführt.A-mode and M-mode may have special transducers. Typically, however, the M-mode is carried out by the B-mode transducer explained below.
Das mit Abstand meistverwendete und (auch zur Simulation) bedeutendste Verfahren ist der B-Modβ (B=Brightness): Statt eines einzigen Schallstrahls werden hier viele solche Schallstrahlen emittiert/empfangen bzw. dementsprechend Piezokristalle linear bzw. auf einem „Bogen" nebeneinander implementiert, was sich (bedingt durch die Vielzahl) als flächiges Schallfeld visualisieren lässt - das im Ultraschall sehr häufig er- wähnte 2dimensionale „Schnittbild", weshalb der B-Mode oft auch als „2D" bezeichnet wird.By far the most widely used and (also for simulation) most important method is by far the B-mode (B = Brightness): instead of a single sound beam, many such sound beams are emitted / received or respectively piezocrystals are linearly implemented on a "bow" side by side, what can be visualized (due to the multitude) as a two-dimensional sound field - the 2-dimensional "sectional image" very frequently mentioned in the ultrasound, which is why the B-mode is often referred to as "2D".
Der B-Mode generiert das „typische" Ultraschall-Grauwert-Bild, das technisch-qualitativ nach geometrischer, zeitlicher und Grauwert-Auflösung bewertet wird. Die Grauwerte werden manchmal auch mit einer (ein-)farbigen (dabei typischerweise goldbraunen) In- tensitätsskala visualisiert, was aber nichts mit anderen parametrischen Farbbildern im Ultraschall zu tun hat, die dann auch „echt mehrfarbige" Farbcodierungen ihrer visuali- sierten Parameter (z.B. Farb-Doppler, s.u.) sind. Ausführungen zur Erläuterung der geometrischen Auflösungen hier beziehen sich primär auf den B-Mode oder 3D/4D (s.u.), die geometrische Auflösung des 2dimensionalen (Färb-) Dopplers ist geringer und als Qualitätskriterium von geringerer Relevanz als bei den erstgenannten Verfahren. In Kardiologie/Angiologie spielt auch die zeitliche Auflösung eine signifikante Rolle, wie schon erwähnt.The B-mode generates the "typical" ultrasound gray-scale image, which is evaluated technically-qualitatively according to geometric, temporal and gray-scale resolution The gray values sometimes also have a (one-) colored (typically golden-brown) intensity scale which, however, has nothing to do with other parametric color images in the ultrasound, which are then also "really multicolored" color codings of their visualized parameters (eg color Doppler, see below). Explanations of the geometric resolutions here relate primarily to the B-mode or 3D / 4D (see below), the geometric resolution of the 2-dimensional (color) Doppler is lower and as a quality criterion of less relevance than in the former method. In cardiology / angiology also the temporal resolution plays a significant role, as already mentioned.
Entsprechend den physikalisch gegebenen Auflösungsgrenzen wurden in der Visualisierung für die axiale Auflösung auf Monitoren 786 Zeilen gewählt, und um dann in der lateralen Auflösung (horizontal) diesem Standard zu entsprechen, wurden zur Auflösung zwei-dimensionaler digitaler Ultraschallbilder 786x536 Pixel (Monitore mit 4:3 Sei- tenverhältnis) gewählt - also etwas unter 1/2 Mio. Pixel - was jedoch primär nur etwas über die Monitor-Darstellung aussagt, aber doch auf die physikalische Auflösungsleistung des Ultraschalls abgestimmt ist; weitere physikalische „Feinheiten" des Ultraschalls selbst dürften aber zunächst Fragen dieser Patentierung kaum berühren. Da sich die Physik seither nicht geändert hat, ist dieser Standard jedenfalls auch unverän- dert beibehalten worden, wenngleich sich die sonstige Bildqualität im Rahmen dieser Auflösung allerdings massiv verbessert hat - auch in der Medizin gilt: Die geometrische Auflösung ist nicht der alleinbestimmende Parameter der Bildqualität.According to the physically given resolution limits, 786 lines were selected in the visualization for the axial resolution on monitors, and then to correspond to this standard in the lateral resolution (horizontal), resolution of two-dimensional digital ultrasound images was 786x536 pixels (monitors with 4: 3 Aspect ratio) - ie just under 1/2 million pixels - which, however, primarily only says something about the monitor display, but is nevertheless tuned to the physical resolution of the ultrasound; however, further physical "subtleties" of ultrasound itself are unlikely to touch on questions of this patenting in the first place Since physics has not changed since then, this standard has at least been maintained unchanged, even though the other image quality has massively improved within the scope of this resolution - also in medicine applies: Geometric resolution is not the sole determinant of image quality.
Doppler setzt das bekannte Geschwindigkeits-Messverfahren, angewandt auf den Ultraschall, ein: Es wird hier der Frequenzshift gemessen, den die Geschwindigkeit eines „angeschauten" Objekts (in der Medizin bzw. im diagnostischen Doppler sind dies die Blutkörperchen des fließenden Bluts in hinreichend großen Gefäßen) verursacht. Nach dem B-Mode ist Doppler das wichtigste und bisher einzige weitere in der Simulation eingesetzte Verfahren. Doppler wird hauptsächlich in Kardiologie (Echokardiographie) und Angiologie (Gefäß-Sonographie) eingesetzt. Da Angiologie sich eher auf „freie" Gefäße, weniger aber solche innerhalb anderer Organe bezieht, hat Doppler jedoch auch in der übrigen Sonographie eine zunehmende Bedeutung erlangt (auch z.B. die sonst eher statische Leber wird in ihren Gefäßen mit registrierbarem „Flow" (Blutfluss-Vektor) durchblutet, auch die Vitalität oder ein Therapieerfolg bei einem Tumor kann anhand seiner Vaskularisierung, d.h. Blutgefäss- Bildung, auf diese Weise beurteilt werden bzw. lässt sich nur durch der Doppler visualisieren und z.T., wenigstens abschätzend, quantifizieren, etc.). Wie auch M-Mode wurde der Doppler hier bei den Transducern noch nicht vorab erläutert. Dies ist darin begründet, dass auch dieses Verfahren (wie M-Mode) oft von dem B-Mode-Transducer mit ausgeführt wird. (Reine - eindimensionale - Doppler- Transducer sehen, bedingt durch nur einen „Schallstrahl", also wie kleine Röhren aus, finden aber nur in der reinen Gefässdiagnostik/Angiologie eine Rolle.) Zunächst also hier noch einiges zu den Verfahrens-Grundlagen, aber auch zur klinischen Anwendung des Dopplers.Doppler uses the well-known speed measurement method, applied to ultrasound: it measures the frequency shift, the speed of a "viewed" object (in medicine or in diagnostic Doppler, these are the blood corpuscles of the flowing blood in sufficiently large vessels After B-mode Doppler is the most important and so far only further method used in the simulation.Doppler is mainly used in cardiology (echocardiography) and angiology (vascular sonography) because angiology tends to be more "free" vessels, less so However, Doppler has also become increasingly important in other ultrasonography (eg, the usually more static liver is perfused in its vessels with a registrable "flow" (blood flow vector), also vitality or therapeutic success A tumor can be diagnosed on the basis of its vascularization, ie blood vessel formation It can only be judged by the Doppler and partly, at least appraisingly, quantified, etc.). Like M-mode, the Doppler has not been explained here in advance for the transducers. This is because this method (such as M-mode) is often carried out by the B-mode transducer as well. (Pure - one-dimensional - Doppler Transducers see, due to only a "sonic beam", so like small tubes off, but find only in the pure vascular diagnosis / angiology a role.) So here's a lot to the procedural basics, but also to the clinical application of the Doppler.
FürFor
/ = Frequenzänderung (Doppler-Shift)/ = Frequency change (Doppler shift)
/o = Ausgesandte Frequenz (Transducer-Frequenz) v = Blutströmungsgeschwindigkeit α = Winkel zwischen Schallrichtung und Blutfluss(Flow) c = Schallgeschwindigkeit im Gewebe/ o = emitted frequency (transducer frequency) v = blood flow velocity α = angle between sound direction and blood flow (flow) c = speed of sound in the tissue
gilt die Doppler-Gleichung: /* = /<> cthe Doppler equation applies: / * = / <> c
Die Sendefrequenz des Transducers (/o) ist hier konstant, weitestgehend ebenso dieThe transmission frequency of the transducer (/ o) is constant here, as much as the
Schallgeschwindigkeit (c) im Körpergewebe, sodass in praxi vereinfacht angesetzt wird:Speed of sound (c) in the body tissue, so that in practice simplified:
/ = 2v -cos«/ = 2v -cos «
Eine „achsengerechte" Anlotung setzt beim Doppler allerdings idealerweise einen Winkel von 0° oder 180° zwischen Flow und Anschauung (Transducer- Positionierung/Anlotung) voraus. Bei nicht achsengerechter Anlotung der Blutströmung (Flow) ändert sich der Dopplershift gemäss dem Cosinus des Anschαllungswinkels(α) zwischen Schallrichtung und Blutfluss.However, an "axis-appropriate" approach ideally requires an angle of 0 ° or 180 ° between flow and viewing (Doppler transposition / Anlotung) in non-axis-appropriate Anlotung the blood flow (flow), the Dopplershift changes according to the cosine of the Anschαllungswinkels ( α) between sound direction and blood flow.
(Da in der gängigen Fachliteratur auf eine Indizierung des hier eigentlich gemeinten „Falsch-Winkels" in Abgrenzung zu dem oben bereits verwendeten bzw. gewünschten „richtigen" Anschαllungs - Winkel (α) verzichtet wird, wurde hier auch darauf verzichtet.). In Abhängigkeit vom Anschallungswinkel bzw. seinem Cosinus errechnet sich hier also die sog. Fehlerbreite (% Flow) bezüglich der zu messenden Maximalgeschwindigkeit (d.h. somit die Auswirkung des „Falsch-Anlotungs-Winkels"), wie in folgender Tabelle für (in der klinischen Praxis sinnvolle) 15°-lnkremente dargestellt wird: a = 0°,cosα = 1,00 => 0%Fehlerbreite a = 15°,cosα = 0,97 => 3%Fehlerbreite a = 30°, cos a = 0,87 => 13% Fe hier breite a = 45°, cos a = 0,71 => 29%Fehlerbreite a = 60°, cos a = 0, 50 => 50%Fehlerbreite a = 75°, cos a = 0,26 => 74% Fehlerbreite a = 90°, cos a = 0,00 => \00%Fehlerbreite(As in the standard literature on an indexing of the here actually meant "false angle" in contrast to the above already used or desired "correct" Anschαllungs - angle (α) is omitted, was also omitted here.). Depending on the angle of attack or its cosine, the so-called error width (% flow) is calculated here with respect to the maximum speed to be measured (ie thus the effect of the "false-slang angle"), as in the following table for (in clinical practice meaningful) 15 ° increments is shown: a = 0 °, cosα = 1,00 => 0% Error width a = 15 °, cosα = 0,97 => 3% Error width a = 30 °, cos a = 0,87 => 13% Fe here width a = 45 °, cos a = 0,71 => 29% Error width a = 60 °, cos a = 0, 50 => 50% Error width a = 75 °, cos a = 0,26 => 74% Error width a = 90 ° , cos a = 0.00 => \ 00% error width
Aus naturwissenschaftlicher Sicht wird das vielleicht „ein ungutes Gefühl" zum Einsatz von Doppler hervorrufen: Es ist offensichtlich, dass beim Doppler in der Medizin zu niedrige Messwerte vorkommen dürften, wenn eben nicht sehr akkurat geschallt wird. Das dürfte in der klinischen Routine - die, nur exemplarisch, auch Aspekte wie z.B. „in 5 Minuten muss der nächste Notfall behandelt und die laufende Untersuchung beendet werden" impliziert - auch tatsächlich ziemlich regelmäßig vorkommen. Hier sollte aller- dings berücksichtigt werden, dass in der Medizin „Sollwerte" und „Istwerte" eine erhebliche Rolle spielen - nicht nur in „wissenschaftlichen Arbeiten" (deren Daten wiederum auch oft unter „klinischen Bedingungen" erhoben wurden), sondern auch in Form praktisch bzw. klinisch erlernter „Größenordnungen", mit denen man umzugehen gelernt hat (bzw. „haben sollte"). Darüber hinaus dürfte auch offensichtlich sein, dass der Ultraschall-Doppler per se keine extrem präzise Technik ist - abgesehen von einigen physikalisch-physiologischen Faktoren allein eben schon deshalb, weil die zunächst für eine anatomisch/morphologisch und somit eher „qualitative" Visualisierung konzipierte, manuelle Anlotung mittels (2D-)Transducer hier ebenso für eine mehr „quantifizierend" ausgeleg- te Methode eingesetzt wird - was vom Ansatz her (manuelle Transducerführung) für ein reproduzierbar-genaues Messverfahren entsprechende Limitationen hat. (Man kann zwar auch in den B-Mode-Schnittbildern geometrische Messungen durchführen, aber die Sono-Anatomie/Morphologie-Visualisierung steht insgesamt deutlich an erster Stelle, während der Doppler mit der Erfassung des Flows - auch wenn es Va- rianten mit Generierung 2dimensionaler Bilder wie den Farbdoppler gibt - im Ansatz eben doch „etwas mehr messend bzw. quantifizierend" ausgelegt ist.) Jedenfalls - wenn ein Verfahren in der praktischen Anwendung tendenziell zu niedrige Messwerte liefert, stellt sich entsprechend bei dem klinischen Gebrauch quasi ein „Off- set-Approach" ein, und der erfahrene Kliniker agiert ausgeprägt mit „Relationen". Ist der Erfahrungs-Bezugswert tendenziell zu niedrig, wird entsprechend der individuelle Messwert ggf. „automatisch" (d.h. typischerweise eben auch abschätzend) vom Arzt entsprechend „kalibriert". Es ist geradezu typisch für die Medizin, dass solche Fehler „toleriert" werden und dabei der Approach vorherrscht „Solche Fehler sind nicht schlimm, solange sie systematisch sind". Tatsächlich sind manche sehr gute Kliniker, deren pragmatischer Approach wohl so manchen „klassischen" Naturwissenschaftler zunächst vielleicht „verblüffen" würde (to say the least), auch deshalb exzellente Mediziner, weil sie neben einem hohen Mass an Erfahrung für eine zuverlässig-zutreffende Stratifikation bzw. Diagnostik eben noch ein ausgeprägtes methodenkritisches Be- wusstsein haben - für alle Ärzte trifft das so leider aber nicht zu. Es dürfte nach diesen Hinweisen nun nicht mehr ganz so überraschend sein, dass Versuche, mit einer rechnerischen Korrektur den Anlotungsfehler zu kompensieren, in der Kardiologie vorerst fehlgeschlagen sind, zumal in einer Studie als Effekt dann eine Überschätzung des Flows festgestellt wurde - in der Angiologie ist dabei allerdings nun ein gewisses Umdenken festzustellen. Auch für den Doppler gilt indes, dass er, ähnlich wie der B-Mode, aus der heutigen Medizin nicht mehr wegzudenken ist, und dass auch dieses Verfahren sich trotz solcher Limitationen - auch im Vergleich mit alternativen Untersuchungen - klinisch sehr leistungsfähig ist und sich somit dennoch enorm bewährt hat.From a scientific point of view, this may cause "a bad feeling" for the use of Doppler: It is obvious that in Doppler in medicine too low readings are likely to occur, if not just very accurately sounded. by way of example only, aspects such as "the next emergency has to be dealt with in 5 minutes and the ongoing investigation terminated" implies - actually occurring fairly regularly. Here, however, it should be taken into account that "nominal values" and "actual values" play a significant role in medicine - not only in "scientific papers" (whose data were often collected under "clinical conditions"), but also in form practically or clinically learned "orders of magnitude" with which one has learned to deal (or "should have"). In addition, it should also be obvious that the ultrasound Doppler per se is not an extremely precise technique - apart from some physical-physiological factors just because the first designed for an anatomical / morphological and thus more "qualitative" visualization, manual In this case, analogue (2D) transducers are also used for a more "quantifying" method - which, in terms of the approach (manual transducer guidance), has corresponding limitations for a reproducible-accurate measurement method. (Although you can perform geometric measurements in the B-mode slice images as well, the sono-anatomy / morphology visualization is clearly in first place overall, while Doppler is the first to capture the flow - even if it is a 2-dimensional generation variant Images such as the color Doppler are - in the approach but just "a little more measuring or quantifying" is designed.) In any case - if a method in practical application tends to provide too low readings, so in the clinical use quasi an "offset -Approach ", and the experienced clinician operates markedly with" relations. "If the empirical benchmark tends to be too low, then the individual will If necessary, the measured value is "automatically" calibrated (ie typically also assessing) by the physician. It is almost typical of medicine that such mistakes are "tolerated" and the approach prevails "Such mistakes are not bad as long as they are systematic". In fact, some are very good clinicians, whose pragmatic approach would probably "stun" many a "classical" scientist at first (to say the least), also because excellent physicians, because they have a high level of experience for a reliable-true stratification or Although diagnostics still have a pronounced method-critical awareness, this is unfortunately not the case for all doctors. According to these indications, it should no longer be so surprising that attempts to compensate for the plotting error with a mathematical correction have failed in cardiology for the time being, especially as an effect was then overestimated in an experiment - in which angiology is However, there is now a certain rethinking. For the Doppler, however, it is true that, similar to the B-mode, today's medicine is indispensable, and that this method is clinically very powerful - and in comparison with alternative examinations - despite these limitations nevertheless proved enormously.
Diese Ausführungen mögen zunächst, gerade auch in einer solchen Einführung, etwas „plapperhaft" oder fast auf eine anekdotische Ebene entgleisend wirken. Tatsächlich wurde dieses Beispiel aber auch deshalb hier so weit ausgeführt, weil es wirklich repräsentativ für die reale bzw. klinische Medizin ist und in dieser Eigenschaft, auch zu einem Verständnis für das weitere Umfeld („so funktioniert die reale Medizin") beizutra- gen, nicht unterschätzt werden sollte: Auch bei dem technischen „Design" dieses Simulators, der schließlich eine Qualifikation für den praktischen Ultraschall vermitteln soll, spielt die Berücksichtigung dieses Umfelds neben (hoffentlich ordentlichen) theoretischen und technischen Grundlagen etc. eine manchmal durchaus maßgebliche Rolle, insbesondere bei der Verfahrens-Realisierung. Weiteres dazu dann später z.B. auch unter dem entsprechenden HUMR-Teilverfahren „DAS - Doppler Akquisition and Simulation".In the first place, even in such an introduction, these explanations may seem a bit "ludicrous" or almost derailed on an anecdotal level, but in fact this example has been carried so far because it is truly representative of real or clinical medicine in this capacity, also to an understanding of the wider environment ("this is how real medicine works") should not be underestimated: even with the technical "design" of this simulator, which should finally provide a qualification for practical ultrasound , the consideration of this environment in addition to (hopefully decent) theoretical and technical fundamentals, etc., sometimes plays a decisive role, especially in the realization of the process, further details later eg also under the corresponding HUMR sub-procedure "DAS - Doppler Acquisition and Simulation" ,
Generell noch zum Verständnis: Der max. Flow des Bluts (=> Doppler) imGenerally still to the understanding: The max. Flow of blood (=> Doppler) in the
Übergangsbereich Herz-Aorta beträgt bis über 10 m/sek., und insbesondere die Herz- Klappenbewegungen kann man eigentlich erst ab etwa 100 Bilder/sec. einigermaßen gut auflösen (typisch=> M-Mode oder -jsphr schnelle B-Mode-Scanner). Für die sen (typisch=> M-Mode oder sehr schnelle B-Mode-Scanner). Für die sonstige, d.h. Herzmuskel- und Blutgefäss-Bewegung genügen ab etwa 20 Bilder/sek. (=> B-Mode oder schnelles 4D) zur Diagnostik.Transitional area of the aorta of the heart is more than 10 m / sec., And in particular the heart valve movements can only be achieved from about 100 images / sec. reasonably well resolved (typically => M-mode or -jsphr fast B-mode scanner). For the sen (typically => M-mode or very fast B-mode scanner). For the other, ie heart muscle and blood vessel movement suffice from about 20 frames / sec. (=> B-mode or fast 4D) for diagnostics.
Doppler hat eine beachtliche Reihe von Varianten:Doppler has a considerable number of variants:
CW-Doppler (Continuous-Wave-Doppler), bei dem eine kontinuierliche Schall- Emission/Reflektions-Registrierung der Signale erfolgt - ähnlich wie beim M- Mode, aber beiderseits einer Nulllinie ein Diagrammbild generierend. Damit können niedrige und hohe Geschwindigkeiten recht exakt bestimmt werden, eine Aussage über die Entstehungstiefe der Signale ist aber keine Aussage möglich.CW Doppler (Continuous Wave Doppler), in which a continuous sound emission / reflection registration of the signals occurs - similar to the M-mode, but on both sides of a zero line generating a diagram image. Thus, low and high speeds can be determined quite accurately, but a statement about the depth of emergence of the signals is not possible statement.
PW-Doppler (Pulsed-Wave-Doppler), bei dem die Geschwindigkeit über einem wählbaren Tiefenbereich („sample volume") registriert wird. Der Transducer arbeitet hier nicht kontinuierlich (vgl. oben CW), sondern gepulst mit wechselndem Senden/Empfangen. Bei niederfrequenten Signalen ist eine Richtungsdiskriminierung möglich. Liegt die Frequenz des Doppler-Shifts über der Frequenz der Puls-Repitition, wird der Shift nicht mehr korrekt dargestellt (sog. Nyquist-Effekt), sondern erscheint verschoben in der Registrierung. Das Diagramm zeigt den auf einer Seite der Nulllinie registrierten Flow, nur der Nyquist-Effekt wird auf der anderen Seite der Nulllinie registriert - daher kann der Nyquist-Effekt durch eine Nulllinien-Verschiebung ggf. kompensiert werden.PW-Doppler (Pulsed-Wave-Doppler), where the velocity is registered over a selectable depth range ("sample volume") The transducer does not work continuously (see above CW) but pulsed with alternating send / receive If the frequency of the Doppler shift is above the frequency of the pulse repetition, the shift is no longer displayed correctly (so-called Nyquist effect), but appears shifted in the registration The Nyquist effect is registered on the other side of the zero line, so the Nyquist effect may be compensated for by a zero-line shift.
HPRF-Doppler (High-Pulse-Repitition-Frequency-Doppler), bei dem eine erhöhte Pulsrepititionsrate das exakte Messen höherer Geschwindigkeiten auch oberhalb der Nyquist-Grenze möglich ist: Das Einrichten eines zweiten Tiefen bereichs in der Schallrichtungsachse des ersten Tiefenbereichs (hier auch Messtor oder sample volume genannt) bildet resultierend ein Frequenzspektrum ab, das aus der Dopplerinformation beider Messtore besteht. Das „optische Resultat" (Diagramm) zeigt eine beidseitig der Nulllinie registrierte Information.HPRF-Doppler (High-Pulse-Repitition-Frequency-Doppler), in which an increased pulse repetition rate, the exact measurement of higher velocities is also possible above the Nyquist limit: The establishment of a second depth range in the sound direction axis of the first depth range (here also Messtor or sample volume) results in a frequency spectrum consisting of the Doppler information of both ports. The "optical result" (diagram) shows information recorded on both sides of the zero line.
(Die ersten drei hier aufgeführten Verfahren werden i.w. als separate Monitor- „Windows" am Scanner bzw. nicht integriert/überlagert/eingefügt mit anderen zeitgleichen — Gewebe-morphologischen - Ultraschallbildern visualisiert.)(The first three procedures listed here are visualized i.w. as separate monitor "windows" on the scanner or not integrated / overlaid / inserted with other simultaneous - tissue morphological - ultrasound images.)
Farb-Doppler (engl.: Color-Dopplβr) bzw. FKDS-Doppler (Farb-Kodierte- Doppler-Sonographie), bei dem (ähnlich dem B-Mode) eine 2dimesional ausgelegte PW-Schall-Emission/Reflektionsregistrierung erfolgt: Hierbei wird die Fluss- richtung (Fow) farbkodiert - typischerweise „rot=zum-Transducer-hin", blau=vom- Transducer-weg", und Nyquist-Anteile „gelb-grün". Eine grosse diagnostische Stärke des Farbdopplers liegt in seiner Fähigkeit, ihn „überlagert" mit dem B- Mode darstellen zu können, wabei „eingefügt" korrekter formuliert ist: Flow tritt logischerweise nur in Hohlräumen (z.B. in Gefässen sog. Lumen, speziell beim Herzen: Cavum), auf, die im B-Mode praktisch schwarz sind, somit kann eine sicht-behindernde Überdeckung praktisch nicht auftreten - der Farbdoppler wird in praxi auch meist so, als sog. Duplex-Mode (d.h. FKDS kombiniert mit B-Mode) realisiert. Color-M-Mode, bei dem der Doppler-Shift analog zum Color-Doppler, aber als eineindimensionaler Schallimpuls auf der Zeitachse wie M-Mode, farbkodiert wirdColor Doppler (English: Color Dopplβr) or FKDS Doppler (color-coded Doppler sonography), in which (similar to the B-mode) a 2dimesional designed PW-sound emission / reflection registration takes place: Here is the Flow direction (Fow) color-coded - typically "red = towards the transducer", blue = off- Transducer-away ", and Nyquist proportions" yellow-green ". A great diagnostic strength of the Doppler color lies in its ability to represent it "superimposed" with the B-mode wabei "inserted" is formulated more correctly: Flow logically occurs only in cavities (eg in vessels called lumens, especially in the heart: Cavum), which are practically black in B-mode, so a visibility-obstructing coverage practically do not occur - the color Doppler is in practice also usually so, as so-called duplex mode (ie FKDS combined with B-mode) realized , Color M mode, in which the Doppler shift is color-coded analogously to the color Doppler but as a one-dimensional sound impulse on the time axis such as M-mode
- typischerweise wird er mit dem M-Mode-Diagrammbild gemeinsam visualisiert. Tissuβ-Dopplβr(Gewebe-Doppler), bei dem nicht die Bewegung der Blutströmung gemessen und visualisiert wird: Hier wird technisch ein Tiefpass-Filter eingesetzt, während sonst im Doppler ein Hochpass-Filter das gewünschte Fre- quenzspektrum, d.h. den Blutfluss, herausfiltert). Auch der Tissue-Doppler wird als 2dimensiona!er Farbdoppler (hier nicht mit B-Mode kombiniert) implementiert. Power-Doppler, bei dem nur die Amplitude, d.h. Signal-Intensität registriert und visualisiert wird (und nicht der Frequenzshift). Dieses Verfahren hat auch bei der Kontrastmittel-Sonographie (wo der Patient organspezifisch reflektions-verstär- kende Pharmaka verabreicht bekommt) besondere Bedeutung.it is typically visualized together with the M-mode chart image. Tissuβ-Dopplβr (tissue Doppler), which does not measure and visualize the movement of the blood flow: technically a low-pass filter is used, whereas in Doppler a high-pass filter sets the desired frequency spectrum, i. the blood flow, filters out). The tissue Doppler is also implemented as a 2-dimensional color Doppler (not combined with B-mode here). Power Doppler in which only the amplitude, i. Signal intensity is registered and visualized (and not the frequency shift). This method is also of particular importance in contrast-enhanced sonography (where the patient receives organ-specific reflection-enhancing drugs).
Harmonie Imaging, bei dem nur selektierte Obertonschwingungen (insbesondere 2nd harmonic) der reflektierten Transducer-Sendefrequenz regist- riert/visualisiert werden. Einerseits sind Artefakte bei dieser Methode geringer, auch die Auflösung ist entsprechend gut, andererseits macht die geringere Sig- nalstärke hierbei das Verfahren nicht generell gut anwendbar - kaum überraschend indessen, dass Harmonic Imaging bei der signalstarken Kontrastmittel- Sonographie (s.o.) eine besondere Bedeutung erlangt hat.Harmony imaging, in which only selected harmonic vibrations (in particular 2nd harmonic) of the reflected transducer transmission frequency are registered / visualized. On the one hand artifacts are lower in this method, the resolution is correspondingly good, on the other hand, the lower signal strength does not generally make the method well applicable - hardly surprising, however, that harmonic imaging acquires special significance in the high-contrast contrast ultrasound (see above) Has.
In der Simulation werden vorläufig primär Power-Doppler und in gewissen Grenzen der Farbdoppler relevant sein, aber ein Nachfolgen weiterer Dopplerverfahren, soweit realisierbar, dürfte nur eine Frage der Zeit (und selbiges nicht sehr lange während) sein. Generell an dieser Stelle noch folgendes:For the time being, in the simulation primarily power Doppler and, within certain limits, the color Doppler will be relevant, but following further Doppler techniques, as far as feasible, may only be a matter of time (and not very long while). Generally at this point the following:
ROI (Region Of linteresf) ist der gängige Terminus bei n-dimensionale Bildern, mit dem ein diagnoserelevanter n-dimensionalen Bereich in einem Bild charakterisiert wird. Die gängigen bildgebenden Verfahren visualisieren typischerweise auch noch die nähere oder auch weitere anatomische bzw. morphologische Umgebung einer ROI. Zur Orientierung spielen dabei sog. Anatomical Landmarks - deutsch: „Leitstrukturen" - oft eine wichtige Rolle. Typischerweise sind Anatomical Landmarks relativ einfach zu finden und oft eindeutig bzw. genau zu definieren und helfen einerseits beim Finden von ROIs bzw. schwieriger zu findenden Bild-Strukturen, aber auch generell beim morphologischen (und manchmal auch funktionalen)Verständnis eines Bilds. ROIs sind als typischerweise klinischer Begriff also von oben erläuterten Begriffen wie „Schallfenster", „Sample Volume" usw. klar abzugrenzen und haben eine inhaltlich grundverschiedene Bedeutung. ROIs und Leitstrukturen bzw. deren Abbildbarkeit ha- ben auch eine signifikante Bedeutung bei der Bewertung der Leistungsfähigkeit eines Ultraschall-Simulators neben Faktoren wie Echtzeitverhalten, Auflösungs-Parameter usw. .ROI (Region Of linteresf) is the common term for n-dimensional images, which characterizes a diagnostic-relevant n-dimensional area in an image. The common imaging techniques typically also visualize the nearer or even further anatomical or morphological environment of an ROI. Anatomical landmarks are often relatively easy to find and often define clearly and accurately, and help to find ROIs or difficult-to-find images. Structures, but also in general in the morphological (and sometimes functional) understanding of a picture ROIs are to be clearly differentiated as typical clinical terms, ie terms such as "sonic window", "sample volume", etc., and have a fundamentally different meaning Lead structures and their reproducibility also have significant significance in evaluating the performance of an ultrasound simulator alongside factors such as real-time behavior, resolution parameters, and so on.
Außerdem hier auch noch eine weitere, abrundende Stratifikation des Ultraschall mit ausgewählten, wichtigen Spezialverfahren:In addition here also another rounding stratification of the ultrasound with selected, important special procedures:
Der transkutane Ultraschall wird im übrigen also zu den non-invasiven Verfahren gerechnet - auch die genau genommen als semi-invasiv zu bewertende Trans- bzw. Endo-Vaginal-Songraphie der Gynäkologen. Eine Sonderrolle spielt der Ultraschall bei der visuellen Führung von mit dem Transdu- cer gekoppelten Hohlnadel-Geräten zur Entnahme von Gewebe- oder Liquor-Proben - der meist transkutane Ultraschall ist hier mit einer invasiven Methode gekoppelt (Beispiele sind die sog. Fβinnadβl-Biopsie für Gewebe- oder die Amniocentesβ für Fruchtwasser-Entnahme). In der Gastro-Enterologie spielt auch die mit einem (optischen) Endoskop gekoppelte, sog. Endo-Sonographie eine wichtige Rolle - ein invasives Verfahren.Incidentally, transcutaneous ultrasound is also counted among the non-invasive procedures - even the gynecologists' trans- or endo-vaginal songraphy, which is to be assessed as semi-invasive. Ultrasound plays a special role in the visual guidance of hollow needle devices coupled with the transducers for the removal of tissue or cerebrospinal fluid samples - the most transcutaneous ultrasound is coupled with an invasive method (examples include the so-called footpad biopsy) Tissue or Amniocentesβ for amniotic fluid removal). In gastro-enterology, so-called endo-sonography coupled with an (optical) endoscope also plays an important role - an invasive procedure.
In der Kardiologie/Angiologie spielen folgende Verfahren eine nennenswerte Rolle: TEE (für Trans- Esophageal Ecocardiography), also ein „invasives" (in den Patientenkörper „eindringendes") Ultraschall-Verfahren, bei dem ein sehr kleiner Transducer in einem flexiblen Schlauch untergebracht wird, den man schlucken kann. Bei dem intra-vaskulären Ultraschall (engl.: IVUS = lintra-Vascular Ultra-Sound) hingegen kann ein - mittels eines Katheters eingeführter - Mikro-Transducer hinreichend große Gefäße „von innen", also Lumen und Gefäßwand, schallen - hier spielt ähnlich wie bei TEE auch die 3D-Rekonstruktion der Bilddaten eine wichtige Rolle) - also ebenfalls ein invasives Verfahren. TEE und 3D/4D wird hier nachfolgend näher erläutert. Bei dem hier zur Diskussion stehenden Simulator finden diese Spezial-Verfahren jedoch noch keine unmittelbare bzw. auch verfahrenstechnische Berücksichtigung,In cardiology / angiology, the following methods play a significant role: TEE (for trans-esophageal ecocardiography), ie an "invasive" (penetrating into the patient's body) ultrasound procedure in which a very small transducer is housed in a flexible tube you can swallow. In which In contrast, intravascular ultrasound (IVUS = lintra-vascular ultrasound) allows a micro-transducer - introduced by means of a catheter - to emit sufficiently large vessels "from the inside", ie the lumen and vessel wall - similar to TEE the 3D reconstruction of the image data also plays an important role) - also an invasive procedure TEE and 3D / 4D will be explained in more detail below However, in the simulator under discussion, these special methods are not directly or procedurally considered .
3D/4D-Systeme : Die ersten 3D/4D-Systeme im Ultraschall wurden teils kaum zur Kenntnis genommen, teils euphorisch mit großen Erwartungen als dem Ultraschall der Zukunft schlechthin begrüßt. Mit etwas Distanz ließ sich ein angemessener Realismus, der sich inzwischen eingestellt hat, z.T. vorhersagen: Ein Grundsatzproblem ist bereits, dass das schließliche Visualisierungs-Medium, nämlich der Monitor, zweidimensional ausgelegt ist. Ein weiteres (und noch signifikanteres) Problem ist, dass sich bei 3D/4D dann auch ungeachtet dessen noch die Frage stellt, wie man Volumina hinsichtlich ihrer Transparenz-Eigenschaften darstellen kann: Anders ais in vielen anderen Bereichen des Lebens soll nur in selteneren Fällen die äußere Form eines Bildobjekts visua- lisiert werden, sondern meist, etwas prosaisch gesagt, in den Patienten hinein-, und das heißt typischerweise: „hindurchgeschaut" werden, wobei die Sicht behindernde Überlagerungen aber nicht erwünscht sind. Beide Umstände führen dann doch sehr häufig wieder zur Visualisierung geeigneter „Schnitt-Darstellungen" (also auch durch die Volumina von 3D/4D-Systemen schneidend), womit man weitgehend doch wieder bei 2D „landet" - einmal abgesehen von einigen Fällen, wo durch anatomische Limita- tionen, bei denen Schnitte aus 2D-Transducer-Positionen nicht transkutan (also durch die oberflächliche Haut schallend), wohl aber durch virtuell erzielbare Schnitte aus 3D/4D- Volumina (obwohl auch da „nur" transkutan generiert) visualisierbar sind. Dies betrifft heute insbesondere 2D-Schnitte, Power-Doppler und den M-Mode. Es war also eigentlich nicht völlig überraschend, dass zunächst diagnostische Leistungsvergleiche von 2D versus 3D sehr ernüchternd ausfielen, zumal 2D vorerst in der geometrischen Auflösung überlegen bleibt, einerseits - und dass 3D/4D nur für einige spezifische Aufgaben klare Vorteile bietet, diese andererseits aber mit gewachsener methodischer Erfahrung und kontinuierlich verbesserter Technologie nun auch durchaus signifikant geworden sind. Was also selbst bei Implementierung eventueller zukünftiger 3D-Monitore bei 3D/4D- Scannern auf absehbare Zeit bleiben wird, sind 2dimensionale Schnittbilder - und so- mit die Qualifikations-Notwendigkeit zur Interpretation derselben - damit also die (jedoch durchaus nicht einzig relevante oder realisierbare) bisherige Domäne der Ultraschall-Simulation.3D / 4D systems: The first 3D / 4D systems in the ultrasound were partly hardly noticed, partly euphoric with big expectations than the ultrasound of the future par excellence. With some distance, a reasonable realism, which has meanwhile set in, can be partly predicted: A basic problem is already that the final visualization medium, namely the monitor, is designed two-dimensionally. Another (and even more significant) problem is that 3D / 4D raises the question of how to represent volumes in terms of their transparency properties: unlike in many other areas of life, only in rarer cases is the but rather, as a matter of prosaic terms, into the patient, which is typically "looking through", but obscuring superimpositions are not desirable, as both circumstances very often lead to it for the visualization of suitable "sectional representations" (ie also cutting through the volumes of 3D / 4D systems), which means that one mostly "lands" again in 2D - apart from a few cases, where there are anatomical limitations, in which cuts from 2D transducer positions not transcutaneously (ie resounding through the superficial skin), but through virtually achievable sections a us 3D / 4D volumes (although there "only" transcutaneously generated) can be visualized. This applies especially to 2D cuts, power Doppler and M-mode. So it was not surprising that diagnostic performance comparisons of 2D versus 3D were very sobering, especially since 2D remains superior in geometrical resolution, on the one hand - and that 3D / 4D offers clear advantages for only a few specific tasks, but on the other hand grown methodical experience and continuously improved technology have now become quite significant. So what will remain for the foreseeable future even if any future 3D monitors are implemented in 3D / 4D scanners are 2-dimensional sectional images - and so on. with the qualification necessity for the interpretation of the same - thus thus the (nevertheless not only relevant or realizable) previous domain of the ultrasonic simulation.
Für die Simulation ist und war 3D/4D jedenfalls aber der Durchbruch für deren Reali- sierbarkeit schlechthin und wird diesen Stellenwert auf absehbare Zeit behalten - zumindest soweit diese Simulation auf real gewonnenen Ultraschall-Bildern basiert.In any case, 3D / 4D was and was the breakthrough for their realizability and will retain this status for the foreseeable future - at least as far as this simulation is based on real ultrasound images.
Schnitte aus 3D/4D-Volumen erreichen die geometrische Auflösungs-Qualität des B-Modes (2D) noch nicht und kämen ehrlicherweise auch mit geometrisch noch gerin- ger auflösenden Monitoren aus - derzeit dürften da rund „so um 240x300 Pixel" eher schon als optimistisch, zumindest aber als sehr guter Wert gelten . Da man damit nicht so richtig prahlen kann, halten sich alle Hersteller von 3D/4D-Scannern mit Angaben zurück, aber die obige Abschätzung wurde nicht ganz „aus der hohlen Hand" (z.B. aus Erfahrung mit den eingelesenen Daten wie aus dem Vergleich mit den bekannten Da- ten und Bildergebnissen der Freehand-Technik) gemacht und wird „mit ein paar Pixeln Toleranz" die tatsächliche aktuelle Obergrenze zutreffend wiedergeben.3D / 4D-volume cuts do not yet reach the geometric resolution quality of B-mode (2D) and honestly do with geometrically even lower-resolution monitors - currently around "240x300 pixels" are more likely than optimistic However, since this does not really brag, all manufacturers of 3D / 4D scanners are holding back with statements, but the above estimate was not quite "out of the hand" (eg from experience with the read-in data as compared with the known data and results of the freehand technique) and "with a few pixels tolerance" will accurately reflect the actual current upper limit.
Das erste Ultraschall-3D-Verfahren war erstaunlicherweise eigentlich gleich ein 4D- System - und invasiv angewendet bei TEE Für den bei den Anfängen von TEE einge- setzten „reinen" B-Mode wurde der Transducer schrittweise nach oben gezogen und das gesamte Herz dabei, quasi unter schalltechnischen Ideal-Bedingungen ohne Limi- tationen durch Schallfenster, aus dem Ösophagus (Speiseröhre) von innen geschallt. Dieses Verfahren wurde nun etwa ab Beginn der 90-er Jahre so weiterentwickelt, dass man den Schlauch nach dem Schlucken mit Druckluft versteifen/begradigen konnte und den Scan-Vorgang samt der Dreh- und Zugbewegung des Transducers motorisierte. Dabei wurden 1 mm-Schichten als B-Mode-Bild schrittweise aufgenommen und die Daten EKG- und Respirations-getriggert. Anschließend konvertierte man diese Daten in ein dynamisches Volumen, was damals eine Stunde Post-processing bedeutete - also wahrlich kein Real-Time-Verfahren, aber das erste 3D/4D-Ultraschall-System war geboren. Hersteller war Fa. TOMTEC.Surprisingly, the first ultrasound 3D procedure was actually a 4D system - and invasively applied to TEE For the "pure" B-mode used at the beginning of TEE, the transducer was gradually pulled upwards and the entire heart sounded from inside the esophagus (esophagus) from the inside under sound ideal conditions without limits, and this method was developed from about the beginning of the 90s onwards, so that the tube is stiffened / compressed with compressed air after swallowing motorized 1-mm layers as a B-mode image step-by-step and ECG and respiratory-triggered data, then converted that data into a dynamic volume, which meant an hour of post-processing - really not a real-time procedure, but the first 3D / 4D ultrasound system was born ler was Fa. TOMTEC.
Erst Mitte der 90-er Jahre folgten dann weitere kommerzielle 3D/4D-AddOn-Systeme - und für weitere Anwendungsbereiche, genauer: Pränatalmedizin zur Visualisierung desIt was not until the mid-90s that other commercial 3D / 4D add-on systems followed - and for other applications, more precisely: prenatal medicine for the visualization of the
Feten während der Schwangerschaft, dann auch die Innere Medizin und Kardiologie. Dabei wurden als Ortsdaten-Verfahrensersatz des Schrittmotor-gesteuerten TEE- Verfahrens nun für die „konventionelle" Echokardiographie, sog. TTE (für Trans - lho- racic Echocardiography = durch den Thorax schallend), 3D-Sensoren bei sog. Add-on- Systβmen - also separate, am Scanner via FrameGrabber konnektierte PC-Systeme - eingesetzt, um per sog. „Freehand"-Bildeinzug (mittels manuell bzw. „frei" geführtem Schallkopf, s.u. „Sweep", vgl. Abb. 4 und 5) 3D/4D-Volumina für Simulations-Schnitte zu generieren. Realisiert wurde dies analog, nur ohne EKG-Triggerung, auch für Gynä- kologie/Pränatalmedizin und Innere Medizin als weitere Anwendungen des transkutanen Ultraschalls (d.h. durch die oberflächliche Haut schallend).Fetuses during pregnancy, then also internal medicine and cardiology. In this case, the place data processor set of the stepper motor-controlled TEE This is the procedure for "conventional" echocardiography, so-called TTE (for transhurtic echocardiography = sounding through the thorax), 3D sensors for so-called add-on sys- tems - ie separate PC systems connected to the scanner via FrameGrabber - used to generate 3D / 4D volumes for simulation cuts by means of a so-called "Freehand" image collection (by means of a manually or "free" guided transducer, see below "Sweep", see Fig. 4 and 5). This was realized analogously, only without ECG triggering, also for gynecology / prenatal medicine and internal medicine as further applications of transcutaneous ultrasound (ie sounding through the superficial skin).
Die Abbildungen 6-9 (Abb. 6-9 mit freundlicher Genehmigung der Fa. MedCom GmbH) zeigen ein solches 3D-Add-On-System (auch als 3D-Upgrade-Systeme bezeichnet), das nach dem Freehand-Verfahren arbeitet, samt einem Mobilscanner und Li- neartransducer schematisch bzw. in einem Testaufbau mit einem Röhrenobjekt in einem Wasserbad (hier: Modell für Gefäß-Bifurkation, d.h. Verzweigung eines Gefäßes in 2 Äste). Abb.9 zeigt dazu auch links 4 Zeitinkremente der Erfassungs-Bewegung vor Konvertierung nach 3D. Mit dem Linea-Transducer wurde ein Sweep durchgeführt, die alternative Erfassung mit Konvex-Transducer (s. Abb.9 ) wurde als „Kipp-Bewegung" durchgeführt. Auch eine Rotation ist möglich, in jedem Fall muss aber ein stetes Fortschreiten der Bewegungsrichtung durchgeführt werden - einen „Rückwärtsgang" oder gar nachträgliches Einfügen von Frames ermöglicht diese Verfahren nicht. Ein ähnliches System wird auch weiterhin noch zur Bild-/Volumen-Erfassung in der Simulation eingesetzt. Für 4D muss zusätzlich ein Bild-Trigger eingesetzt werden, wie in dem später erläuterten Kapitel „Triggerverfahren für dynamische Volumina" (EKG, FET etc.) näher ausgeführt/illustriert .Figures 6-9 (Fig. 6-9 by courtesy of the company MedCom GmbH) show such a 3D add-on system (also referred to as 3D upgrade systems), which works according to the Freehand method, together with a mobile scanner and linear transducer schematically or in a test setup with a tube object in a water bath (here: model for vessel bifurcation, ie branching of a vessel in 2 branches). Fig.9 also shows on the left 4 time increments of the acquisition movement before conversion to 3D. A sweep was performed with the Linea transducer, the alternative acquisition with a convex transducer (see Fig.9) was performed as a "tilting movement." Rotation is also possible, but in each case a constant progression of the movement direction must be performed - a "reverse" or even subsequent insertion of frames does not allow these methods. A similar system will continue to be used for image / volume acquisition in simulation. For 4D, an image trigger must also be used, as explained in more detail in the later section "Triggering methods for dynamic volumes" (ECG, FET, etc.).
Bald nach solchen ersten „Add-On-Systβmβn" kamen aber dann 3D/4D-Scanner der Ultraschallgeräte-Hersteller auf den Markt, die diese Add-on-Systeme schnell wieder verdrängten, weil die Generierung und Visualisierung von Volumen in Form derart integrierter Verfahren (Scanner-intern) deutlich einfacher, schneller und artektfreier war. Bedingt durch die methodisch grundsätzliche Nähe von Scannern mit motorischem 3D- Transducer zu anfänglichen manuellen (Add-on-) Verfahrens zu, per Sweep (zunächst generell einfach als „Wischbewegung" des Transducers auf der Haut zu verstehen) - und vor „Rotation" oder „Kipp-Bewegung" über einen Scan-Punkt als der wichtigsten Erfassungsmodalität - liegen die geometrischen Auflösungswerte dieses manuellen Verfahrens auch annähernd in der Größenordnung von („integrierten") 3D/4D- Scannem.However, soon after such first "add-on systems" 3D / 4D scanners of the ultrasound device manufacturers came onto the market, which quickly supplanted these add-on systems, because the generation and visualization of volumes in the form of such integrated procedures Due to the methodically fundamental proximity of scanners with motor 3D transducers to an initial manual (add-on) procedure, a sweep (initially generally simply as a "swipe movement" of the transducer) was made significantly easier, faster, and free of artefacts on the skin) - and before "rotation" or "tilting movement" over a scan point as the most important detection modality - are the geometric resolution values of this manual Method also approximately on the order of ("integrated") 3D / 4D scanners.
Bei dem Freehand-Verfahren arbeitet man langsam, aber bei der Erfassung können viele Frames (pro Längeneinheit des Sweeps - cm oder mm - und absolut bezogen auf die ganze Sweep-Länge generiert werden - solange Patientenbewegungen keinen Strich durch das geplante Ergebnis machen): Bei einem Freehand-Scan mittels 2D- Tansducer führt der Bild-Erfasser einen Sweep etwa orthogonal zur Schallflächen- Längsachse (=Schnittebene) „möglichst gleichmäßig-langsam das zu erfassende Schallobjekt überstreichend" aus (vgl. Abb. 5) - danach werden die so erfassten Fra- mes in ein Volumen rechnerisch (nämlich wie in einen „kartesischen Würfel" bzw. eine entsprechende Daten-Tabelle, die dann äquidistant-parallele Bildebenen repräsentiert, man kann auch sagen: regelmäßig-homogen verteilte Voxel) konvertiert (vgl. Abb. 7). Die Sweep-Richtung sollte dabei beibehalten werden - z.B. eine „Rückwärtsbewegung" wird von diesem Verfahren nicht „bewältigt". (Hier eine Vorwegnahme: Bei An- wendung von 3D/4D-Transducern würde bei einem „Sweep" für das später erläuterte. IVS-Verfahren - d.h. die Aufnahme-Richtung auf der Hautoberfläche - dann i.w. beliebig sein.)The Freehand method works slowly, but many frames (per unit of length of the sweep - cm or mm - and absolute relative to the total sweep length can be generated during acquisition - as long as patient movements do not streak through the planned result) In a free-hand scan using a 2D transducer, the image detector performs a sweep approximately orthogonal to the longitudinal axis of the sound surface (= cutting plane) "sweeping over the shutter object to be detected as uniformly as possible" (see Fig. 5) The mathematical domain (ie, as in a "Cartesian cube" or a corresponding data table, which then represents equidistantly parallel image planes, one can also say: regularly-homogeneously distributed voxels) is converted into a volume (see Fig. 7) ). The sweep direction should be maintained - e.g. a "backward movement" is not "managed" by this method. (Here's an anticipation: If 3D / 4D transducers are used, then a sweep for the IVS procedure explained later - that is, the acquisition direction on the skin surface - would then be arbitrary.)
Beim Freehand-Verfahren gibt es einige „Pitfalls" - auf die hier für zwei klinisch beson- ders relevante Beispiele eingegangen wird:There are a few "pitfalls" in the freehand procedure - which are discussed here for two clinically relevant examples:
(1) Bei der Erfassung der Frames im Freehand-Verfahren und bei der Konvertierung 2D=>3D entstehen typischerweise „Lücken", d.h. für eine geometrisch ausreichend aufgelöste Visualisierung des Ergebnis-Volumens und seiner Schnittdarstellungen zu grosse Voxel-Abstände, die rechnerisch mittels sog. Interpolation kompensiert/ausgefüllt werden. Für hinreichend kleine „Lücken" funktioniert dies optisch befriedigend. Für extreme „Sprünge", wie sie typisch bei dem Einscannen sehr weichen Gewebes - z..B. Scans der weiblichen Brust, sog. Mamma-Sonographie - entstehen, ist dieses Verfahren aber mas- siv überfordert und erzeugt dann sehr „absurde Volumina", die nur bizarrkomischen, aber keinerlei klinischen Wert haben. Weiter setzt das Freehand- Verfahren daher einen hinreichend festen Gewebe-Untergrund der eingescannten Haut voraus - andernfalls sind die Rechen- (z.B. Interpolations-) Verfahren - s.a. unten „Simulator" - völlig überfordert. (Dieses Problem entstünde aber analog auch beim Einscannen mit IVS - dort z.B. mit „Mosaicing/Matching- Verfahren" wie Kreuzkorrelation u. dgl. -, und wird, später folgend bzw. näher ausgeführt, mit dem HUMV-Verfahren „Soft-Tissue-Scanning" praktisch gelöst. Dieses Verfahren ist allerdings nicht nur auf IVS, das auf 3D/4D-Scannern basiert, sondern auch für Freehand-Scans via 2D - besonders in motorisierten Varianten, gut geeignet).(1) When acquiring the frames in the freehand method and during the 2D => 3D conversion, "gaps" are typically created, ie for a geometrically sufficiently resolved visualization of the result volume and its sectional representations, too large voxel spacings, which are calculated by means of so-called Interpolation compensated / filled in. For sufficiently small "gaps" this works visually satisfying. For extreme "jumps", as typically occur when scanning very soft tissue - eg scans of the female breast, so-called mamma sonography - but this method is massively overwhelmed and then produces very "absurd volumes" that have bizarre but no clinical value. Furthermore, the Freehand method therefore requires a sufficiently firm tissue background of the scanned skin - otherwise the calculation (eg interpolation) method - see below "simulator" - completely overwhelmed. (This problem would arise analogously when scanning with IVS - there, for example, with "Mosaic / Matching Method "such as cross-correlation and the like., And is, following below or closer, with the HUMV method" soft tissue scanning "practically solved. However, this method is not only well suited to IVS based on 3D / 4D scanners, but also for freehand scans via 2D - especially in motorized variants.
(2) Würde bei einem 2D-Transducer eine Sweep-Richtung „in der Nähe einer Parallelen" zur Schnittebene gewählt, würde dies ebenfalls „absurde" Resultate hervorbringen, falls damit eine Volumengenerierung bezweckt würde. Bei 2D- Sweeps zur Volumengenerierung ist daher eine gut gewählte Richtung (s.o.) neben stetiger, nicht zu hoher und nicht zu langsamer Sweep-Geschwinigkeit essentielle Voraussetzung brauchbarer Ergebnisse - was beträchtliches Geschick des Erfassers (technisch, manuell, „Patienten-Kooperation- beeinflussend") erfordert.(2) In a 2D transducer, if a sweep direction were chosen "near parallels" to the cutting plane, this would also produce "absurd" results if it were to produce volume. In 2D sweeps for volume generation, therefore, a well-chosen direction (see above) is, in addition to continuous, not too high and not too slow sweep speed, an essential prerequisite for useful results - which is considerable skill of the author (technical, manual, "influencing patient cooperation"). ) requires.
Ein Sweep parallel zur Schnittebene, quasi zur (etwa iateralen) Verlängerung des Schnittbilds (praktisch z.B.: Schnitt durch ein Bein beidseitig des Kniegelenks oder „Umfahrung des Halses) existiert im B-Mode allerdings als sog. Panorama-Verfahren - logischerweise gibt es hierbei aber keine Konversion in ein Volumen, denn das Ziel/Ergebnis ist wiederum ein (dann „sehr breites")A sweep parallel to the cutting plane, quasi to the (about iateralen) extension of the sectional image (in practice, for example, cut through a leg on both sides of the knee joint or "circumvention of the neck) exists in B-mode, however, as a so-called panoramic process - logically, there are, however no conversion into a volume, because the goal / result is again one (then "very broad")
Schnittbild bzw. 2D . Dieses Verfahren hat einige basale Analogien zu IVS, wurde aber eben nur auf 2D bezogen und auch nicht so umfassend bzw. universell bzw. "hybrid" ausgelegt, und ist auch oft geometrisch vom Verfahren her nur approximativ arbeitend (realisiert durch eine vorgegebene Scan/Sweep- Geschwindigkeit - d.h. nicht für genaue Messungen in dem resultierendenSectional view or 2D. This method has some basic analogies to IVS, but was just related to 2D and not as comprehensive or universal or "hybrid" designed, and is often geometrically only approximatively working methodically (realized by a given scan / sweep - Speed - ie not for accurate measurements in the resulting
Schnittbild ausgelegt).Sectional view).
Fazit: Der Vorteil des Freehand-Verfahrens zur Volumengewinnung aus 2D-Schnitten versus 3D/4D-Scanner: Relativ große erzielbare Volumina, Nachteil versus 3D/4D- Scanner: signifikant höhere Gefahr von Bewegungsartefakten in den Volumina (=> sehr hoher Arbeitsaufwand bei der Erfassung). Anfänglich war dies übrigens auch die einzige Bilderfassungs-Methode zur Simulation, wegen des großen Erfassungsaufwands wurde dann aber auch das Einlesen nativer 3D/4D-Scanner-Daten, allerdings verbunden mit dem Nachteil kleinerer Volumina, jedoch geringerer Bewegungsartefak- te und gleichmäßigerer Bildqualität, eingesetzt - diese „duale" Simulations-Technologie und -Qualität ist der technische Status quo der „ersten Generation" von Ultraschall- Simulatoren.Conclusion: The advantage of the Freehand method for volume extraction from 2D slices versus 3D / 4D scanners: Relatively large achievable volumes, disadvantage versus 3D / 4D scanner: significantly higher risk of movement artifacts in the volumes (=> very high workload in the case of detection). Incidentally, this was also the only image acquisition method for simulation at the outset, but because of the large acquisition effort, native 3D / 4D scanner data was also read in, but with the disadvantage of smaller volumes but lower motion artifacts and more uniform image quality - this "dual" simulation technology and quality is the technical status quo of the "first generation" of ultrasonic simulators.
Generell hier noch für eine Stratifikation von 3D/4D-Scannern hinsichtlich ihrer Ge- schwindigkeit:In general here for a stratification of 3D / 4D scanners with regard to their speed:
4D-Scanner für Gynäkologie/Pränatalmedizin haben heute eine zeitliche Auflösung von 3-5 Volumen/sec. (was für die medizinisch sowieso ziemlich irrelevanten Bewegungen bei einem Fötus ausreicht), während die schnellsten 4D-Scanner in der Kardiologie derzeit etwa 20 Volumen/sek. erreichen („Realtime 4D") wobei allerdings schnelle 2D- Scanner hier auf deutlich über 100 Bilder/sec. kommen.4D scanners for gynecology / prenatal medicine today have a temporal resolution of 3-5 volumes / sec. (which is sufficient for the medically anyway rather irrelevant movements in a fetus), while the fastest 4D scanners in cardiology currently about 20 volumes / sec. reach ("Realtime 4D") but where fast 2D scanners come to well over 100 frames / sec.
Besonders für verfahrenstechnische Realisierungen der Simulation ist zweierlei zu verstehen auch noch wichtig:Especially for procedural realizations of the simulation is to understand two things also important:
Auch 3D/4D-Scanner bieten bisher kein sog. „Streaming" („live-Download") ihrer Bild/Volumen-Daten an, sondern lediglich eine Datenübernahme nach der Bildbzw. Volumen-Erfassung. Die Erfassung der Volumendaten bzw. Portionen derselben muss also mit einer geeigneten Steuerung versehen werden, und die Erfassung der zugehörigen Positionsdaten muss darauf abgestimmt sein. Nach bisherigen praktischen Forschungs-Erfahrungen mit 3D/4D-Scannern bil- den Volumen-Transducer offenbar keine geometrisch ganz „verzerrungsfreien"Also, 3D / 4D scanners offer so far no so-called "streaming" ("live download") of their image / volume data, but only a data transfer to Bildbzw. Volume acquisition. The acquisition of the volume data or portions thereof must therefore be provided with a suitable control, and the acquisition of the associated position data must be coordinated therewith. According to previous practical research experience with 3D / 4D scanners, volume transducers apparently do not form a geometrically "distortion-free" geometry.
Volumina ab - dies betrifft insbesondere „Randbereiche". Darüber, wieweit Mat- rix-Transducer hierbei geeigneter sind, liegen noch keine praktischen Erkenntnisse vor, lassen bauartbedingt diesbezüglich aber auf „sauberere" Ergebnisse hoffen.However, the extent to which Matix transducers are more suitable in this respect is not yet known, but due to their design, they can hope for "cleaner" results in this respect.
Last, not least: Die geometrischen Auflösungsergebnisse aller 3D/4D-Verfahren klingen rein technisch also zunächst ziemlich ernüchternd, man muss hier allerdings generell hinzufügen, dass außer dem Röntgen (wo bis 6 Mio. Pixel bei Grossaufnahmen wie „Thorax" Sinn haben dürften) die alternativen radiologischen bildgebenden Verfahren (wie CT und MR) noch nicht „um Dimensionen besser" sind, und der Ultraschall - auch mit dieser, gemessen z.B. auch an modernen TFT-Monitoren mit 2 Mio. Pixeln, ganz zu schweigen von Digitalkameras mit bis zu 10 Mio. Pixeln, relativ bescheidenen Auflösung - (von Experten beurteilt:) dennoch eine enorme diagnostische Leistungsfähigkeit erreichen kann, wie Parallel-Untersuchungen mit alternativen radiologischen Ver- fahren (auch in vielen Studien) immer wieder beweisen. Hinzu kommt stets, dass jedes bildgebende Verfahren spezifische Abbildungs-Stärken -und Schwächen bzw. diagnostische Schwerpunkte („was genau will man denn überhaupt visualisieren?") hat - diese Hinweise sollen auch ein hier vorerst abschließendes, gewichtendes „Assessment" zur Relevanz des Ultraschalls selbst sowie seiner Simulation für die medizinische Ausbildung und Qualitäts-Sicherung/Kontrolle sein. Simulator ist (hier!:) der Terminus eines Systems, bei dem primär eigentlich weder die bekannten Verfahren von Virtual Reality (Simulation basierend auf „Computer Graphics") noch Augmβnted Reality (mit „realen Abbildungen wie z.B. Kameras angereicherte Virtual Reality") eingesetzt werden. Mangels eines geeigneten gängigen Fach- begriff s habe ich das angewendete Grundverfahren als „Restitutive Reality" bezeichnet.Last, but not least: the geometrical resolution results of all 3D / 4D methods sound quite sobering in a technical sense, but you have to add here in general that apart from the X-ray (where up to 6 million pixels might be useful in large exposures like "thorax") the alternative radiological imaging techniques (such as CT and MR) are not yet "better by dimensions", and the ultrasound - even with this, measured, for example, on modern TFT monitors with 2 million pixels, not to mention digital cameras with up to 10 million pixels, relatively modest resolution - (judged by experts :) can nevertheless achieve a tremendous diagnostic performance, as parallel examinations with alternative radiological methods (also in many studies) repeatedly prove. In addition, there is always the fact that every imaging technique has specific image strengths and weaknesses or diagnostic focuses ("what exactly do you want to visualize?") - these indications are also intended to conclude a weighting "assessment" on the relevance of ultrasound for the time being himself as well as his simulation for medical education and quality assurance / control. Simulator is (here! :) the terminus of a system, in which primarily neither the known methods of virtual reality (simulation based on "computer graphics") or augmented reality (with "real images such as cameras enriched virtual reality") are used , In the absence of a suitable common technical term, I have referred to the applied basic method as "Restitutive Reality".
Grundsätzliches Ziel dieser Simulation istThe fundamental goal of this simulation is
1. eine „High-Fidelity-Reproduktion" bzw. „Restitution" von potentiell möglichst viel er- zeugbaren (Ultraschall-) Bildern - bei jedem individuellen Patient(inn)en-„Fall" bzw.1. a "high-fidelity reproduction" or "restitution" of potentially as much as possible (ultrasound) images - for each individual patient ("case") or
Fall-Datensatz - dabei in Handling und Qualität einem realen Scanner möglichst nahekommend — ,Case record - as close as possible to handling and quality of a real scanner -,
2. sollen dabei nicht nur das bildgebende Verfahren (also die Scanner in Form eines „GUI"s oder Scanner-Geräte-Imitats - samt Transducer als wesentlichstem Interakti- ons-Medium beim „virtuellen Schallen" in Form eines Transducer-Imitats (auch: Peu- do-Transducer, bzw. engl.: Transducer-Replica) -, sondern auch die Patient(inn)en in Form einer Patient(inn)en-Puppe (auch als Schall-Modell, Scan Model, Phantom o. Manequin bezeichnet) simuliert werden - jedenfalls, soweit es um sonographisch und didaktisch relevante Aspekte geht. Generell werden solche situative und Geräte-„Nachbildungen" auch als „Mock-Up" bezeichnet. Würde man nun den gesamten Mock-Up für einen genauer deskriptiven Terminus einbeziehen wollen, könnte man analog z.B. für die gesamte Methodik nun den Begriff „Augmented Restitutive Reality" verwenden - allerdings hier mit dem deutlichen Hinweis, dass „Augmented" sich auf einen solchen Mock-Up von Scanner und Schall-Modell bezieht.2. not only the imaging process (ie the scanners in the form of a "GUI" or scanner device imitation - including the transducer as the most essential interaction medium in "virtual sounding" in the form of a transducer imitation (also: Peudo transducer or transducer replica), but also the patient (s) in the form of a patient doll (also referred to as a sound model, scan model, phantom or manequin) In any case, as far as sonographic and didactically relevant aspects are concerned, in general such situational and device "imitations" are also referred to as "mock-ups." If one now wanted to include the entire mock-up for a more descriptive term , one could use the term "Augmented Restitutive Reality" analogously eg for the entire methodology - however here with the clear indication that "Augmented" refers to such a mock-up of scanner and sound model.
Diese Simulation, die im Ultraschall eingesetzt wird, ist methodisch und als Verfahren weiter dadurch gekennzeichnet, dass jeder Simulator bzw. jede Simulator-Klasse mindestens ein Aufnahmesystem bzw. einen „Recorder" hat (bestehend, s.u., aus Scanner, PC usw.) - sei er technisch-apparativ separat oder integriert mit dem eigent- liehen Simulator realisiert -. Der eigentliche Simulator kann somit im wesentlichen als ein „Player", genauer gesagt: als „interaktiver Player", beschrieben werden. Soweit also alle für die jeweilige Ausbildungs-Aufgabenstellung notwendigen „Fäl- Ie"/Bilder (Volumina) erfasst wurden, ist die Existenz des Aufnahmesystems allerdings dann - d.h. für die nachfolgende Simulation - nicht mehr notwendig; auch darin Recorder/Player-Analogien der Konsumenten-Elektronik durchaus ähnlich.This simulation, which is used in ultrasound, is methodically and as a method further characterized in that each simulator or each simulator class has at least one recording system or a "recorder" (consisting, see below, scanner, PC, etc.) - he is technically-apparatus-separate or integrated with the actual realized simulator -. The actual simulator can thus essentially be described as a "player", more precisely as an "interactive player". So far as all necessary "Fäl- Ie" / images (volumes) were recorded for the respective training task, the existence of the recording system, however, then - ie for the subsequent simulation - no longer necessary, including recorder / player analogies of consumers Electronics quite similar.
(Rudimentäre Ultraschall-Simulatoren wären auch nur mit schlichtem Einlesen von Volumina und so wenigen Funktionen zur Simulations-Aufbereitung denkbar, dass der Terminus „Aufnahme-System" vielleicht etwas hoch gegriffen wäre und dann der Einfachheit halber dem eigentlichen Simulator zugerechnet werden würde - dies soll hier aber wegen der resultierend bescheidenen Simulations-Ergebnisse vernachlässigt werden, da so kein Fortschritt i. Vgl. zu bisherigen Ultraschall-Simulatoren erreicht würde, worum es hier geht.)(Rudimentary ultrasound simulators would be conceivable only with simple reading of volumes and so few functions for simulation processing, that the term "recording system" might be a bit high and then for the sake of simplicity the actual simulator would be attributed - this is supposed to Here, however, are neglected because of the resulting modest simulation results, because so no progress i. Compared to previous ultrasound simulators would be achieved, what this is about.)
Der Recorder nimmt also Fälle via Video-Ausgang des Scanners, der mit einem PC samt FrameGrabber-Karte ausgestattet ist, sowie mit einem 3D-Sensor (βdimensional), der bei den Aufnahmen am Transducer angebracht wird und die zugeordneten simultanen Orts-Koordinaten zu den aufgenommenen Bildern liefert. Das erste derartige Verfahren nahm (bzw. nimmt weiterhin) typischerweise B-Mode-(2D)Bilder (oder 2dimensionalen Doppler) auf, die anschließend (entsprechend einem kartesischen Würfel, also äquidistant-parallel umgerechnet/angeordnet) in ein Volumen mit homogener Voxel-Füllung transformiert wurden. „Lücken" bei 2D werden dabei durch Interpolation kompensiert/ ausgefüllt. Anschließend kann mit dem eigentlichen Simulator dann via 3D-Sensor, der bei der Simulation nun in einem Transducer-Imitat „versteckt" wird, durch dieses Volumen an dem Schall-Modell (Patienten-Puppe, Mannequin) „virtuell geschnitten" werden. Die erläuterte homogene Voxel-Anordnung erlaubt rechentechnisch die Realisierung einer Tabelle, aus welcher die (der Pseudo-Transducer- bzw. dessen 3D-Sensor- Position) entsprechenden Schnittebenen bzw. Voxelebene mit ihrer Grau-/Farbwert- und Ortsinformation quasi „direkt ausgelesen" werden können, ohne weitere Zeitaufwand ige Rechenschritte erforderlich zu machen - nur so kann auf absehbare Zeit eine als „Real-Time" empfundene Visualisierung-Geschwindigkeit erreicht werden. Derartige Volumina werden dann in einem Schallmodell virtuell so positioniert, wie sie dort einer anatomisch richtigen Einfügung entsprechen würden. Diese Schnitte werden nun in einer Nachbildung eines Scanner-Monitors bzw. in dessen virtuellem Schallfeld am Simulator visualisiert. Bereiche, die über das erfasste Volumen hinausgehen, werden im visualisierten Bild durch Speckies „ausgefüllt", deren angepasste Grauwerte aus dem jeweiligen Volumen ermittelt werden.The recorder thus takes cases via video output of the scanner, which is equipped with a PC including FrameGrabber card, and with a 3D sensor (βdimensional), which is attached to the images on the transducer and the associated simultaneous location coordinates to the recorded pictures. The first such method typically takes (or continues to take) B-mode (2D) images (or 2D dimensional Doppler) which are subsequently converted (corresponding to a Cartesian cube, ie equidistant-parallel) into a volume of homogeneous voxels. Filling were transformed. "Interfaces" in 2D are compensated / filled in. Subsequently, with the actual simulator, this volume can then be "hidden" in a transducer-imitation via the 3D-sensor, which is then hidden in a transducer-imitation The described homogeneous voxel arrangement allows computationally the realization of a table from which the (the pseudo-transducer or its 3D sensor position) corresponding cutting planes or voxel plane with their gray - / Color value and location information can be quasi "read directly" without additional time consuming computational steps required - only in this way can be achieved in the foreseeable future a perceived as "real-time visualization speed." Such volumes are then in a sound model virtually positioned as they would correspond to an anatomically correct insertion now visualized in a replica of a scanner monitor or in its virtual sound field on the simulator. Areas that exceed the recorded volume are "filled in" in the visualized image by speckles whose adjusted gray values are determined from the respective volume.
Später wurden auch statt der (Signal-) Kette: „Scanner-Video=>FrameGrabber+3D- Sensor+Computer" =>Konversion nach 3D/4D" dann „direkt" 3D/4D-Datensätze entsprechender Volumen-Scanner eingelesen ( - in praxi wird heute mit beiden Alternativen, also „zweigleisig" aufgenommen). Native Volumina haben kaum Bewegungsarte- fakte, aber den Nachteil, dass sie auf den Schallraum einer einzigen selektierten bzw. statischen Transducer-Position begrenzt sind - ein „Mosaicing" (d.h. lückenloses und dabei hinreichend „korrektes" Aneinanderfügen mehrerer Volumina), das quasi einer sich fortbewegenden Transducerführung (wie in 2D etwa dem Panorama-Verfahren) entspricht, ist nicht möglich.Later, instead of the (signal) chain: "Scanner-Video => FrameGrabber + 3D-Sensor + Computer" => Conversion to 3D / 4D "then" Direct "3D / 4D-data sets corresponding volume scanner were read in (- praxi is today with both alternatives, so "double-tracked"). Native volumes have hardly any motion artifacts, but the disadvantage that they are limited to the sonic space of a single selected or static transducer position - a "mosaicing" (ie seamless and thereby sufficiently "joining" several volumes), the quasi one Moving transducer guidance (as in 2D, for example, the Panoramic method) is not possible.
Die bisher eingesetzten Schallmodelle in der Ultraschall-Simulation waren übrigens bisher stets passiv, d.h. über keine eigene Intelligenz verfügend - und lediglich eine patient(inn)en-ähnliche Oberfläche zum Aufsetzen des Transducers-Imitats bietend.Incidentally, the sound models used hitherto in ultrasonic simulation have always been passive, i. lacking any intelligence of their own - and merely offering a patient-like surface to set up the Transducers Imitation.
Die soweit gemachten Ausführungen legen hier bereits nahe, dass die Simulation - im engsten Sinne als Schnitt-Steuerung und -Visualisierung durch ein Volumen beschreibbar - technisch nicht so komplex und die Simulations-Qualität bestimmend ist wie die „davorgeschaltete" Aufnahme- und der Aufnahme eventuell folgenden Post- Processing-Technik, die Bild- und Simulationsqualität der den Schnitten zugrundelie- genden Volumina primär bestimmt. Diese Anmerkung sei auch als Überleitung zu dem nächsten, eigentlichen Thema hier zur verstehen — die Technologie einer nachfolgenden Simulator-Generation:The statements made so far already suggest here that the simulation - in the strictest sense as cutting control and visualization by a volume describable - technically not so complex and the simulation quality is decisive as the "upstream" recording and recording possibly The following post-processing technique primarily determines the image and simulation quality of the slices on which the slices are based: this note should also be understood as a transition to the next, actual topic here - the technology of a subsequent simulator generation:
Durch „Mosaicing" (also z.B. via Ortskoordinaten bei der Erfassung, Kreuzkorrelation beim „Matching" und ähnliche Methoden lückenlos, „korrekt" bzw. „passend") zusam- mengefügte Volumina bezeichne ich als „Meta-Volumina" - es kann davon nur eines oder mehrere pro „Fall-Datensatz" geben. Anstelle von magnetfeldbasierten sind auch andere, z.B. optische 3D-Sensoren denkbar - sogar eine sensorlose Erfassung von Volumina, die grösser als der Schallraum eines Volumen-Transducers sind, durch Einsatz von Bildverarbeitungs-Prozessoren, welche die einzelnen Voxel „verfolgen" (Tra- cking) können und so korrekt aneinanderfügen können, wäre denkbar. Die Möglichkeit, Meta-Volumina - und zwar für alle relevanten Schallbedingungen bei den wichtigsten medizinischen Fachbereichen zur Visualisierung und Simulation mit all deren relevanten Ultraschall-Modalitäten (!) erzeugen oder „vortäuschen" (s. DVA) zu können - insbesondere aus Volumen-Datensätzen entsprechender 3D/4D-Scanner - ist Gegenstand dieses Patentantrags.By "mosaicing" (eg via spatial coordinates during acquisition, cross-correlation in "matching" and similar methods without gaps, "correct" or "fitting"), volumes are called "meta-volumes" - there can only be one or more per "case record". Instead of magnetic-field-based, other, for example, optical 3D sensors are conceivable - even a sensorless detection of volumes that are larger than the sound space of a volume transducer, by using image processing processors, which "track" the individual voxels (Tracing ) and can connect correctly, would be conceivable. The ability to create or "fake" meta-volumes - for all relevant sound conditions in the most important medical disciplines for visualization and simulation with all their relevant ultrasound modalities (!) - in particular from volume datasets corresponding 3D / 4D scanner - is the subject of this patent application.
(a) Ein zentraler Punkt ist das Mosaicing, als HUMR-Teilverfahren später hier IVS genannt, das prinzipiell geometrisch korrekt und beliebig gemischt statische und dynamische Volumina integrierend Meta-Volumina generiert. Ein dazu paralleler Gegenstand ist das Alternativ-Verfahren DVA, alle eingescannten einzelnen Volumina eines „Falls"/ Datensatzes ohne „Mosaicing" - oder nur mit beschränktem „Mosaicing" bzw. MetaVolumen-Generierung (also in Kombination beider Ansätze) - mit hinreichender Geschwindigkeit (Real-Time-Wirkung) aus dem RAM oder anderen geeigneten Speichermedium laden und visualisieren zu können. Diese beiden alternativen Verfahren oder deren Kombination sind so nach meiner Kenntnis noch nirgendwo beschrieben oder gar realisiert worden.(a) A central point is the mosaicing, as HUMR sub-procedure later here called IVS, which in principle generates geometrically correct and arbitrarily mixed static and dynamic volumes integrating meta-volumes. A parallel object is the alternative method DVA, all scanned individual volumes of a "case" / data set without "mosaicing" - or only with limited "mosaicing" or MetaVolumen generation (ie in combination of both approaches) - with sufficient speed ( Real-time effect) can be loaded and visualized from the RAM or other suitable storage medium.These two alternative methods or their combination have not, as far as I am aware, been described or even realized.
Von ähnlich fundamentaler Bedeutung für die Gesamt-Methodik in diesem Patentantrag ist (b) die Einbeziehung eingescannter Oberflächen-Positionsdaten aller Schallmodell-Klassen samt abgeleiteter Positions- und Bewegungsdaten des Transducer- Imitats (als HUMR-Teiverfahren unter „STP - Surface-Scan Related and Transducer Processing" näher dargestellt) und evtl. resultierender passiver, aber auch reaktiver und aktiver Schallmodell-Oberflächen-Veränderungen (als HUMR-Teilverfahren „AHS — Active and Haptic Scan-Models" näher dargestellt).Of similar fundamental importance to the overall methodology in this patent application is (b) the inclusion of scanned surface position data of all sound model classes, together with derived position and motion data of the transducer fiducial (as HUMR technique under "STP - Surface-Scan Related and Transducer Processing "and possibly resulting passive, but also reactive and active sound-model surface changes (as HUMR sub-method" AHS - Active and Haptic Scan Models "shown in more detail).
(c) Alle weiteren Methoden sind unter diesem Aspekt logisch-gliedernd nachfolgende, aber keineswegs weniger wichtige, sondern notwendige, ergänzende fachspezifische Realisierungs-Verfahren (Gynäkologie und Pränatalmedizin, Kardiologie und Angiolo- gie etc.) zum Erreichen einer adäquaten Realitätsnähe aller dabei relevanten Ultraschall-Modalitäten (B-Mode, Doppler etc.).(c) All other methods are, in this aspect, logically-structured following, but by no means less important, but necessary, supplementary subject-specific realization procedures (gynecology and prenatal medicine, cardiology and angiology etc.) to achieve an adequate realism of all relevant ultrasound -Modalities (B-mode, Doppler etc.).
Letztere sind/werden in der technischen Realisierung evtl. modular realisiert, aber dennoch völlig integriert realisiert - anders gesagt: Die Methoden (a) und (b) werden auf die Methoden unter (c) angewandt und adaptierend-integriert realisiert.The latter are / are possibly realized modularly in the technical realization, but nevertheless realized completely integrated - in other words: the methods (a) and (b) are applied to the methods under (c) and implemented adapting-integrated.
Manche Methoden/Verfahren unter (c) sind allerdings auch auf das „konventionelle" 2D=>3D/4D-Verfahren mit manuellem Sweep anwendbar, evtl. auch in einer motorisierten Variante dieses sonst manuellen Verfahrens. Wie nun schon aus dieser Einführung offensichtlich, ist (medizinisch-diagnostischer) „Ultraschall" ein Oberbegriff, aber nur in der begrifflich engsten Definition auch ein entsprechend breit definiertes einheitliches methodisches und technisch-apparatives Verfahren. Gemeinsam ist allen Ultraschall-Verfahren eigentlich nur das Prinzip, das auf emittierten (Ultra-)Schallwellen und deren registrierter/visualisierter (Grenzflächen-) Reflektion beruht, und, dass als apparatives Verfahren dafür ein Scanner mit einem am Patienten aufgesetzter Transducer eingesetzt wird - und mehr kaum. Alles andere ist anwendungsspezifisch - nach Fachbereichen und deren Patienten, Problemstellungen und Modalitäten, Transducer- und Scanner-Typen diversifiziert, wie vorangehend „in more detail" erläutert - und das ist sehr unterschiedlich, auch deutlich ausgeprägter als z.B. bei Röntgen, CT oder MR.However, some methods / methods under (c) are also applicable to the "conventional" 2D => 3D / 4D method with manual sweep, possibly also in a motorized version of this otherwise manual method. As is obvious from this introduction, "ultrasound" is a generic term, but only in the narrowest definition of the term is a correspondingly broadly defined uniform methodical and technical-technical procedure based on emitted (ultra-) sound waves and their registered / visualized (interface) reflection, and that a scanner with a transducer attached to the patient is used as the apparatus method - and hardly anything else and their patients, problem definitions and modalities, transducer and scanner types diversified, as previously explained in "more detail" - and this is very different, even more pronounced than for example in X-ray, CT or MR.
So, wie es beim Ultraschall grundlegende Gemeinsamkeiten und viele applikative Diversifizierungen gibt, verhält es sich folgerichtig auch bei der Simulation. Einheitlich ist der Mock-Up eines Scanners, bereits bei Schall-Modellen (Patienten-Puppen) und Transducer-Imitaten beginnt die Diversifizierung - einheitlich wird bei dem hier erläuterten Verfahren das Einscannen von Schall-Modell-Oberfiächen, aber entsprechend deren Typen bzw. Klassen, die unterschiedlich sind. Einheitlich ist das grundlegende Verfahrensprinzip beim Ultraschall, einheitlich ist auch die Simulation eines Bilds in Form der Volumen-Datenerfassung (zur Simulation des B-Modes, aber Doppler ist be- reits wieder ein etwas abgeändertes Verfahren), der weiteren Verarbeitung wie Meta- Volumengenerierung und/oder Volumen-Direktzugriff - sowie Schnittbild-Visualisierung gesteuert per Transducer-Imitat-Position.Just as there are fundamental similarities and many applicative diversifications in ultrasound, so it is logical for the simulation. Uniform is the mock-up of a scanner, already with sound models (patient dolls) and transducer imitations diversification begins - uniform is the scanning of Schall-Modell-Oberfiächen, but according to their types or classes that are different. The basic principle of ultrasound is uniform, the simulation of an image in the form of volume data acquisition (for the simulation of the B-mode, but Doppler is already a somewhat modified process), further processing such as meta-volume generation and / or volume random access - as well as sectional image visualization controlled by transducer-imitat position.
Die weitere Verfahrens-Realisierung ist dann wieder von der jeweiligen klinischen Anwendung bzw. Ultraschall-Modalität abhängig - und ein „guter Simulator" wird vorläufig zwangsläufig nur mit einem hybriden Verfahren, d.h. viele relevante Anwendungs- Spezifika berücksichtigend, realisiert werden können, wenn „Ultraschall" wenigstens einigermaßen bedeutungsgerecht für seine Simulation sein soll - wie dieser Patentantrag wiederspiegelt. Auf eine hypothetische Frage, ob nicht vielleicht doch ein einziger „Geniestreich" eine Lösung aller Simulationsprobleme bewerkstelligen könnte, gehen die folgenden Absätze nur implizit am Rande, aber doch exemplarisch zu einem Grundsatzproblem ein. Hier also nun einige grundsätzliche Betrachtungen zu dem oben unter (a) subsummier- ten Verfahren:The further implementation of the method is then again dependent on the respective clinical application or ultrasound modality - and a "good simulator" will inevitably be able to be realized only with a hybrid method, ie considering many relevant application specifics, if "ultrasound "should be at least reasonably meaningful for its simulation - as this patent application reflects. In response to a hypothetical question as to whether a single "stroke of genius" might not be able to solve all simulation problems, the following paragraphs are only implicitly marginal, but they exemplify a fundamental problem. Here are some basic considerations for the procedure subsumed under (a) above:
Ein idealer Simulator setzt ein ideales Erfassungs-System voraus (logische Konsequenz aus der Beschreibung eines „Restitutive Reality" - Systems), wozu ein (idealer) Scanner gehört. Ein für die Datenerfassung zur Simulation idealer Scanner könnte zeitgleich in ca. 0,05 sec. (Dauer zur Erzeugung eines einzelnen B-Mode-Bilds) bzw. (typabhängig) ca. 0,05 bis 0.3 sec. (Dauer zur Erzeugung eines einzelnen 3dimensionalen Volumens) den ganzen Patienten oder zumindest alle interessierenden Teile desselben mit allen gewünschten Modalitäten (B-Mode, Doppler etc.) auf- nehmen - etwa so, wie das ein „Röntgen-Schuss" vermag.An ideal simulator requires an ideal acquisition system (logical consequence of the description of a "Restitutive Reality" system), which includes an (ideal) scanner.A scanner ideal for the simulation of data acquisition could simultaneously take about 0.05 sec (Duration for generating a single B-mode image) or (depending on the type) about 0.05 to 0.3 sec. (Duration for generating a single 3-dimensional volume) the whole patient or at least all parts of interest with all the desired modalities ( B-mode, Doppler, etc.) - much as an "X-ray shot" can do.
Die Realität ist aber so, dass ein Scanner mit einem Transducer, der ein Schallfeld bzw. einen Schallraum von limitierter Größe hat und für Visualisierungen außerhalb dieses Schallfelds bzw. Schallraums bewegt werden muss, per se diese Fähigkeit nicht haben kann - von verschiedenen Modalitäten gar nicht zu reden. Für die Diagnostik wird das auch nicht gebraucht - man bewegt den Transducer einfach dorthin, wo man etwas sehen will - man könnte auch sagen, mit jeder Transducer-Bewegung beim „normalen diagnostischen Scannen" setzt man quasi die Uhr wieder auf Null. Einen solchen (für die Simulation) „idealen Scanner" wird es also auf absehbare Zeit nicht geben. Diese Anforderung an einen Scanner entsteht so nur durch den Wunsch nach Verwendung von Bilddaten für die Simulation (abgesehen vom „Panorama-Mode", der den Simulations-Anforderungen aber nicht hinreichend gerecht wird). Die verstreichende Zeit während der Erfassung erzeugt aber - ob 2D- oder 3D-Scanner - bei der nachfolgenden Simulation Artefakte (für 2D=>3D/4D innerhalb eines Volumens, und für native 3D/4D-Daten beim „Mosaicing" mehrerer Volumina als „Mismatch"), „weil der Patient lebt".However, the reality is that a scanner with a transducer that has a sound field or a sound space of limited size and needs to be moved outside of that sound field or sound space for visualization, per se, can not have this capability - of different modalities to talk. For the diagnostics, this is not needed either - you just move the transducer to where you want to see something - you could also say, with every transducer movement in the "normal diagnostic scanning" you set the clock back to zero, so to speak. for the simulation) there will be no "ideal scanner" for the foreseeable future. This requirement for a scanner thus arises only through the desire to use image data for the simulation (apart from the "panorama mode", which does not meet the simulation requirements adequately.) However, the elapsed time during the acquisition generates - whether 2D - or 3D scanners - in the following simulation artifacts (for 2D => 3D / 4D within a volume, and for native 3D / 4D data when "mosaicing" multiple volumes as a "mismatch"), "because the patient is alive".
Allerdings: Bilder eines absolut ruhiggestellten Patienten kann kein bildgebendes Verfahren liefern, solange der Patient lebt - mit geringfügigen Bewegungsunschärfen müssen z.B. Röntgen, CT oder MR genauso leben - es geht quasi um das Ausmaß. Hier wird mit HUMR also der Versuch unternommen, in etwa diesen Level für Bilder/Volumina, welche die Größe eines Transducer-Schallfelds bzw. Schallraums überschreiten, insgesamt einen solchen „Level" an „Verwischungsfreiheit" zu erreichen, der anderen Verfahren etwa entspricht bzw. unterhalb einer als störend wahrnehmbaren Grenze liegt (und auch ansonsten einen hinreichenden Realismus bei Simulation einer Ultraschall-Untersuchung zu gewährleisten).However, images of an absolutely sedated patient can not provide an imaging procedure, as long as the patient is alive - with slight motion blur, for example, X-ray, CT or MR must live the same way - it's more or less the same extent. In this case, an attempt is made with HUMR to achieve approximately the same level for images / volumes that exceed the size of a transducer sound field or sound space, such a "level" of "blurring freedom" overall, which corresponds to other methods or below one perceived as disturbing Boundary lies (and otherwise to ensure a sufficient realism in simulation of an ultrasound examination).
In diesem Sinne also: Der Patient kann seinen ganzen Körper nicht eine längere Auf- nähme hindurch ausreichend ruhig halten, und auch das „lebende Körperinnere" involviert unkontrollierbare kleine, aber doch oft Artefakt-generierende Bewegungen — die bei 3D/4D-Datenübernahme, wie z.B. „Panorama"-Bilder, die praktisch keine derartigen wahrnehmbaren Artefakte aufweisen, nahe legen, aber offenbar hinreichend „passend" für Meta-Volumina rekonstruierbar, was direkte Zusammenhänge mit der Größe von 3D/4D-Volumen hat: Die „Panorama-Technik" arbeitet zwar ausschließlich in 2D, aber i. Vgl. zu auf 3D zielenden Verarbeitungsverfahren eben mit einem fundamentalen Unterschied, der hier (auch in den praktischen Resultaten) den entscheidenden Hinweis liefert: Es wird hier kein Sweep in etwa orthogonal zur der Schallfeld-Fläche gemacht, sondern i. Vgl. mit Sweeps zur Generierung von Volumen eben „ca. 90° verdreht", etwa (bei idealer Erfassung exakt:) in der Lateral-Achse des 2D-BiIdS - prosaischer formuliert: Die 2D-Bilder werden nicht „hintereinander", sondern „nebeneinander" zusammengefügt - und die Ergebnisbilder sind geradezu „bestechend sauber" (artefaktfrei) und hochauflösend.In this sense, the patient can not keep his whole body sufficiently quiet for a long while, and even the "living body" involves uncontrollable small, but often artifact-generating movements - such as in 3D / 4D data acquisition For example, "panorama" images, which have virtually no such perceivable artifacts suggest, but apparently sufficiently "suitable" reconstructed for meta-volumes, which has a direct relationship with the size of 3D / 4D volume: The "Panorama Technique" works only in 2D, but i. Compare to 3D processing methods with a fundamental difference, which gives the decisive hint here (also in the practical results): Here, no sweep is made approximately orthogonal to the sound field surface, but i. See with sweeps to generate volume just "approx. 90 ° twisted ", for example (with ideal capture exactly :) in the lateral axis of the 2D image - more prosaic: The 2D images are not" one behind the other ", but" side by side "put together - and the result images are downright" captivatingly clean "(artifact-free) and high-resolution.
Für eine hier nachfolgend angestellte Vergleichs-Betrachtung sei zunächst vereinfachend vorausgesetzt, dass das Ausmaß, auch bezogen auf „Maxima", von artefakterzeugenden Bewegungen in etwa gleichbleibend ist - was aber nicht unrealistisch ist bzw. mit praktischen Erfahrungen in etwa korreliert. Weiter kann dabei in etwa angenommen werden, dass solche artefakterzeugenden Bewegungen in etwa ein „back-and forth"-Bewegungsmuster aufweisen, was von entscheidender Bedeutung ist: Derartige Bewegungen (seien es z.B. kleine Zuckungen oder die Atmung oder Pulsationen des Blutkreislaufs) sind nicht in etwa linear fortschreitende Bewegungen, sondern kehren - typischerweise und approximativ beschreibend - zu ihrem Ausgangspunkt zurück - es sind typischerweise(l) also mehr oder weniger schnell „pendelnde" Bewegungen um den idealen Ruhezustand, die zudem praktisch auch Amplituden-Obergrenzen haben, wenn keine außergewöhnlichen Ereignisse eintreten.For a comparative analysis, the simplification is assumed that the extent, also with respect to "maxima", of artefact-inducing movements is approximately the same - but this is not unrealistic or roughly correlated with practical experiences For example, it may be assumed that such artifact-producing motions have approximately a "back-and-forth" motion pattern, which is critically important: such movements (whether small twitches or the circulation or pulsations of the bloodstream) are not approximately linearly progressive movements but return to their point of departure-typically and approximately descriptively-they are typically (1) more or less fast "swinging" movements around the ideal resting state, which in practice also have upper amplitude limits when no extraordinary events occur.
Dies ist zwar etwas vereinfachend, aber nun dennoch fundamental wichtig für das Verständnis rechnerischer Bewegungs-Korrekturen. Etwas prosaischer: Im Normalfall bzw. in der statistischen Normalverteilung (typischerweise) muss man z.B. nach 5 sec. nicht etwa eine 10-fach größere Korrektur errechnen als nach 0,5 sec, lediglich eine „etwas andere", evtl. auch „sehr ähnliche", und in praxi innerhalb durchaus kompensierbarer „Amplituden"- oder „Vektor"-Obergrenzen solcher Bewegungen (etwaige Ausführungen zu nicht-linearen Gleichungen zur Beschreibung von „komplexeren" Bewegungen gehören sicher nicht in diesen Rahmen). Eine längere Aufnahmedauer impliziert also kei- neswegs per se auch schon entsprechend größere Bewegungs-Korrekturen - zumindest bis zu einem gewissen Grad kann man sagen: Je größer die Bild/Volumen- Komponenten, umso besser das Ergebnis, weil weniger Übergänge berechnet werden müssen (zwischen denen das Nativ-Bild/Volumen in seiner Qualität erhalten bleibt) , bzw. im wesentlichen gilt also der Grundsatz: je weniger solche Korrekturen notwendig sind, desto besser wird das Ergebnis.Although this is somewhat simplistic, it is nevertheless fundamentally important for understanding computational motion corrections. Somewhat more prosaic: In the normal case or in the statistical normal distribution (typically) you do not have to calculate a 10-fold greater correction after 5 seconds than after 0.5 seconds, just a "something others ", possibly also" very similar ", and in practice within absolutely compensatable" amplitude "or" vector "limits of such movements (any comments on non-linear equations describing" more complex "movements certainly do not belong in this context Therefore, a longer recording duration does not necessarily imply per se larger corrections of movement - at least to a certain extent one can say: the larger the image / volume components, the better the result, because fewer transitions have to be calculated (between which the native image / volume is maintained in its quality), or essentially the principle applies: the less such corrections are necessary, the better the result.
Nochmals: Eine Vereinfachung, die sicher nur bis zu einem gewissen Optimum gilt und darüber hinaus wieder zu schlechteren Ergebnissen führt.Again, a simplification that certainly only applies to a certain optimum and also leads to worse results.
Man nehme nun z.B. die Breite (Lateral-Achse) eines „realen" (also nicht das Monitor- bild) 2D-Schallfelds mit 30mm an - und betrachte für einen Vergleich nun die Abstände „hintereinander" angeordneter Frames (2D) bei einem manuell/"konventionell" durchgeführten Sweep, der (etwa orthogonal zur Schallfeld-Lateralachse) für die anschließende Konvertierung in ein Volumen durchgeführt wurde - und nehme hierbei (realistisch) an, dass bei 30mm „Sweep-Strecke" 90 Frames erfasst wurden (entsprechend „Frame- Rate" = 30/sec* „Sweep-Geschwindigkeit" = 10mm/sec.*„Sweep-Dauer"= 3 seα), so wird folgendes offensichtlich:For example, assume the width (lateral axis) of a "real" (ie not the monitor image) 2D sound field with 30mm - and consider for a comparison now the distances of "consecutively" arranged frames (2D) in a manual / "conventionally" performed sweep (approximately orthogonal to the sound field lateral axis) for the subsequent conversion to a volume - assuming (realistically) that at 30mm "sweep distance" 90 frames were captured (corresponding to "frame"). Rate "= 30 / sec * " Sweep Speed "= 10mm / sec. * " Sweep Duration "= 3 seα), the following becomes obvious:
Bei Frames (2D) müssen zwecks Errechnung von Volumina (hinsichtlich der angestrebten Anordnung wie in einem kartesichen Würfel:) „irreguläre" räumliche Bildanordnungen - durch Äquidistanz- und Parallelitäts-herstellende sowie lückenfüllende Inter- polations -Rechenverfahren - kompensiert werden, und zwar entsprechend unserer o- bigen Vergleichs-Annahme bei immerhin 90 Frames - und dabei generiert jeder Übergang von einem Frame zum nächsten „Verwischungen" bzw. Bild-Unschärfen - es werden also bei einer Konvertierung 2D=>3D über 30mm „Sweep-Wegstrecke" folglich theoretisch auch 90 mal „Verwischungen" bzw. Bild-Unschärfen „in das Volumen hin- eingerechnet".In the case of frames (2D), for the purpose of calculating volumes (with respect to the desired arrangement as in a Cartesian cube), "irregular" spatial image arrangements must be compensated for - by equidistant and parallelism-producing and gap-filling interpolation algorithms The same assumption for at least 90 frames - and every transition from one frame to the next generates "blurring" or image blurring - thus, in a conversion, 2D => 3D over 30mm "sweep-distance" will theoretically also be 90 times "blurring" or image blurring "into the volume".
Schaut man sich im Vergleich nun die Methodik für „Panorama-Bilder" mit ihrem „i.Vgl. dazu 90° gedrehten bzw. parallel/entlang der Bild-Lateralachse durchgeführten Sweep" an, so ist festzustellen, dass im Optimal-Fall (d.h. bei ebener Hautoberfläche bzw. linearem Sweep) erst nach 30mm die nächste „Aneinaderfügung" erfolgen muss. Zur Erfassbarkeit auch von Schallstrukturen unter nicht-ebenen Hautflächen werden in praxi auch deutlich mehr (verfahrensabhärjgig evtl. partielle) Frames aneinandergefügt auch deutlich mehr (verfahrensabhängig evtl. partielle) Frames aneinandergefügt werden müssen, aber immer noch weitaus weniger als dies die „Frame-toFrame"-Distanz bei einem Sweep zur Konvertierung in ein Volumen erfordert. Der entscheidende Punkt hierbei ist nun, dass das Panorama-Verfahren viel „schärfere" Bilder liefert, was auch darin seine Ursache hat, dass viel weniger „Übergänge" bildtechnisch errechnet werden müssen — auch wenn man in praxi nicht auf den theoretischen Wert von „90-mal weniger Übergangs-Berechnungen" gemäss den Beispiel-Annahmen kommt - , „zigmal" weniger Übergangs-Berechnungen kommt dennoch dabei heraus, und so wie die theoretisch angestellte Überlegung hier sehen auch die praktischen Ergebnisse aus.If one compares the methodology for "panorama images" with their "i.V. 90 ° rotated or parallel / along the image lateral axis carried out sweep" on, it can be seen that in the optimal case (ie in the case of even skin surface or linear sweep), the next "insertion" must be made only after 30 mm.For the detection of even sound structures under non-flat skin surfaces in practice also significantly more (depending on the process, possibly partial) frames are joined together also significantly more (depending on the process, possibly partial) frames have to be joined, but still far less than the "frame-to-frame" distance in a sweep for conversion into a volume requires.The crucial point here is that the panoramic The process produces much "sharper" images, which also has its cause in that much fewer "transitions" must be calculated by image technology - even if one does not in practice on the theoretical value of "90 times less transition calculations" according to the example Assumptions come - "zigly" less transitional calculations come out nevertheless, and as well as the theoretically employed consideration here also the practical results look.
Es wird hier nochmals ausdrücklich auf die anfängliche Annahme zu der typischen Charakteristik artefakt-erzeugender Bewegungen hingewiesen - und dann wird offensichtlich: Während das Panorama-Verfahren von dieser realitätsgerechten Annahme in Form exzellenter (d.h. praktisch artefaktfreier und hochauflösender) Bildergebnisse profitiert, kann man dies von der konventionellen 2D=>3D-Konversion nicht sagen.Again, the initial assumption of the typical characteristic of artifact-producing motions is explicitly pointed out, and then it becomes obvious: While the Panorama method benefits from this realistic assumption in the form of excellent (ie practically artifact-free and high-resolution) image results, this can be said of not say conventional 2D => 3D conversion.
Eher prosaisch-kritisch und etwas ironisch ausgedrückt: Letztgenanntes Verfahren rechnet mit großem Fleiß „mm für mm" Verwischungen in die resultierenden Volumina hinein, was bei dem heutigen Stand der Scanner-Technologie nicht mehr notwendig ist, und es nutzt nicht die Tatsache, dass Übergänge auch nach viel größeren „Sweep- Wegstrecken" möglich wären, ausreichend und nicht schwieriger als Übergänge kleiner Wegstrecken sind, weil „hintereinander angeordnete" Frames das nicht ermöglichen, obwohl man die resultierende Voxel-Auflösung dadurch massiv verbessern könnte. Auch der Nachteil der hohen Gefährdung für Bewegungsartefakte hierbei ist mit dieser Betrachtung inhaltlich zusammenhängend. 3D/4D-Scanner liefern innerhalb des Transducer-Schallraums viel artefaktfreiere Volumina — für die Verwendung zur Simulation gilt es nun, solche Volumina entweder ähnlich wie bei dem Panorama- Verfahren lückenlos und mit praktisch nicht wahrnehmbaren Übergängen „nebeneinander zu rechnen" oder durch schnellen Direktzugriff auf alle für einen kompletten Datensatz notwendigen Volumina ein solches „Mosaicing" im visuellen Effekt zu erreichen, aber tatsächlich obsolet zu machen - oder ein kombiniertes Verfahren dieser beiden Ansätze gemäss den Ergebnissen entsprechender Forschungs-Vorarbeiten dafür zu realisieren.Rather prosaically-critical and expressed somewhat ironically, the last-mentioned method, with great diligence, calculates blurring "mm by mm" into the resulting volumes, which is no longer necessary in the current state of scanner technology, and it does not take advantage of the fact that transitions Even after much larger "sweep distances" would be possible, sufficient and no more difficult than transitions of small distances, because "consecutively arranged" frames do not allow this, although it could massively improve the resulting voxel resolution thereby also the disadvantage of high risk 3D / 4D scanners deliver much more artifact-free volumes within the transducer's sonic space - for use in simulation, such volumes are either gapless and virtually imperceptible, similar to the panoramic technique Transitions "side to converge "or to achieve such" mosaicing "in the visual effect by rapid direct access to all volumes necessary for a complete data set, but actually make it obsolete - or to realize a combined process of these two approaches according to the results of appropriate research preparatory work for it ,
Ein „Mosaicing" von Volumina mag etwas komplexer sein als selbiges bei Frames (2D), aber es gibt keinen plausiblen Grund, anzunehmen, dass man hierbei auf unüberwind- bare Schwierigkeiten trifft - eher im Gegenteil: Das Panorama-Verfahren liefert einen gewichtigen Grund zu der Annahme, dass man mit den Verfahren dieses Antrags für die Simulation einen ähnlichen Qualitätssprung durch Errechnen von Meta-Volumen erreichen wird, wie das bereits durch das Einlesen nativer 3D/4D-Datensätze erreicht wurde, aber bisher eben beschränkt auf den Schallraum einer statischen Transducer- Position, also mit dem Erkaufen eines deutlichen Nachteils verbunden. Die Verfahren des Antrags legen eine erreichbare Größe bei Meta-Volumina nahe, die sogar signifikant über das Maß der bisherigen konventionellen Sweeps für die 2D=>3D/4D- Methode hinausgeht. Vielmehr legt diese theoretische Überlegung wie das praktische Beispiel des Panorama-Verfahrens nahe, dass limitierende Faktoren letzten Endes e- her die geringere geometrische Auflösung oder sonstige Schwächen von 3D/4D- Scannem (i. Vgl. zu 2D-Scannern) sein werden als die Lösung des Problems von Volumen-Übergängen - immerhin hätte die Simulation des Ultraschalls technologisch damit aber quasi wieder den Anschluss zur realen aktuellen Scanner-Technologie gefunden, und die sind seit Jahrzehnten immer weiter perfektioniert worden."Mosaicing" volumes may be a bit more complex than frames (2D), but there is no plausible reason to assume that this is an insurmountable difficulty - quite the opposite, on the contrary: the panorama method yields one important reason to assume that the methods of this simulation application will achieve a similar quality leap in meta-volume computation, as already achieved by reading in native 3D / 4D datasets, but limited to sonic space so far a static transducer position, ie associated with the purchase of a significant disadvantage. The procedures of the proposal suggest an achievable size for meta-volumes that is significantly beyond the level of previous conventional sweeps for the 2D => 3D / 4D method. Rather, this theoretical consideration, like the practical example of the Panorama method, suggests that limiting factors will ultimately be the lower geometric resolution or other weaknesses of 3D / 4D scanners (compared to 2D scanners) Solving the problem of volume transitions - after all, the simulation of ultrasound would, technologically, have virtually re-established the connection to the real current scanner technology, and these have been perfected ever since decades.
Schließlich ist auch darauf hinzuweisen, dass die Erfassung gemäss der Verfahren dieses Antrags offensichtlich durch die wesentlich geringere Anfälligkeit für Bewegungsartefakte auch signifikant einfacher und „stressärmer" für den erfassenden Arzt wird - und ebenso auch, dass damit offensichtlich ein „nachträgliches bzw. nachbes- serndes Einfügen" eventuell partiell „verhunzter" Meta-Volumina (also anteiliger Volumina) realisierbar werden dürfte - dies sind eher praktische „Nebeneffekte", deren reale Bedeutung in der zeitknappen klinischen Realität aber äußerst hoch zu bewerten sind: Ohne Aufnahmen ist auch der technisch beste Simulator wertlos.Finally, it should also be pointed out that, as a result of the considerably lower susceptibility to movement artefacts, the registration according to the methods of this application also becomes significantly simpler and "less stressful" for the acquiring physician - and likewise that this obviously constitutes a "subsequent or subsequent improvement" Insertion "possibly partially" stunted "meta-volumes (ie proportionate volumes) should be feasible - these are rather practical" side effects "whose real importance in the short-lived clinical reality but are extremely high: Without recordings is also the best technical simulator worthless.
Abschließend noch zum klinischen und didaktischen Sinn einer Visualisierung von Meta-Volumina - seien sie als „Post- Processing" nach Erfassung bzw. vor der eigentlichen Simulation errechnet oder als Effekt eines Real-Time-visualisierenden Speicherzugriffs auf alle relevanten Einzelvolumina oder „kombiniert" realisiert: Die bisherige Simulation war auf „Post-Graduate-Education" fokussiert, also Trainees, die typisch schon über etliche sono-anatomische (Vor-)Kenntnisse verfügen. Auch da bestand - fallabhängig - jedoch durchaus schon häufig der Wunsch nach Volumina, die eine größere Umgebung der FaII-ROI visualisieren können. Oft konnten Fälle nicht einmal ROl-bezogen so vollständig erfasst werden, wie es sein sollte, und anatomische Leitstrukturen z.B. können, soweit es sie gibt, oft nur ROI-intern visualisiert werden. Es ist offensichtlich, dass die bisherige Alternative des „direkten" Einlesens nativer 3D/4D- Datensätze von Volumen-Scannern dieses Problem nicht löst, sondern in dieser Hinsicht sogar oft noch weiter zurückbleibt, auch wenn diese kleinen Volumina dafür kaum Bewegungsartefakte beinhalten. Je mehr sich die Simulation an „Anfänger" wendet, umso gravierender wird die Limitation der visualisierbaren Volumengröße. Genau die bessere Einbindung der Grundausbildung ist aber eine wichtige Zielsetzung der Simulation. Auch für eine spätere Einbeziehung von Vergleichsverfahren, also z.B. Simultanschnitte desselben Falls durch ein „quasi parallel" aufgenommenes CT-Volumen sowie Simultanschnitte durch Anatomie-didaktische, z.B. graphische oder histologisch basierte Modelle u.a.m. wird erst durch Meta-Volumina auch praktisch realisierbar. Mehr sei hier dazu nicht gesagt - der klinische und didaktische Nutzen ist jedenfalls sehr signifikant und praktisch unbestreitbar - abgesehen einmal von teilweise auch etwas „perfektionistischen" Gesichtspunkten wie Forderungen mancher technologischer oder medizinischer Experten, einen Scanner und Patienten ganz generell möglichst realitätsnah simulieren zu können/sollen, jedenfalls ist klar: Die entsprechenden Ansprü- che werden sicher bei allen umso mehr steigen, je mehr bzw. je länger die Simulation angewandt wird - auch das ist reichlich erfahrungsgestützt - und ist „mit Maß" zu berücksichtigen.Finally, for the clinical and didactic sense of a visualization of meta-volumes - they are calculated as "post-processing" after acquisition or before the actual simulation or realized as an effect of a real-time visualizing memory access to all relevant individual volumes or "combined" : The previous simulation was focused on "post-graduate education", ie trainees who typically already have a lot of sono-anatomical (pre-) knowledge, although there was often the desire for volumes, which is often dependent on the case Often, cases could not even be captured as completely as they should be in relation to the ROI, and anatomical lead structures, for example, can often only be visualized within the ROI as far as they are available. that the previous alternative of "direct" reading native 3D / 4D Data sets from volume scanners do not solve this problem, but often even lag behind in this respect, even though these small volumes hardly contain movement artifacts. The more the simulation applies to "beginners", the more serious becomes the limitation of the visualizable volume size, but the better incorporation of the basic training is an important objective of the simulation, even for a later inclusion of comparison methods, eg simultaneous sections of the same case by a " Quasi-parallel recorded CT volume as well as simultaneous sections through anatomy-didactic, eg graphical or histological based models and so on, can only be practically realized with meta-volumes. There is nothing more to be said here - the clinical and didactic benefit is certainly very significant and virtually indisputable - apart from sometimes somewhat "perfectionist" aspects such as the demands of some technological or medical experts to be able to simulate a scanner and patient as realistically as possible in general. At any rate, it is clear that the corresponding demands will certainly increase all the more, the more and the longer the simulation is used - that too is ample experience-based - and must be considered "with moderation".
Auf folgendes sei allerdings ausdrücklich hingewiesen: Im Grundsatz ist der Einsatz von 3D/4D-Scannern Mittel der Wahl für eine Verbesserung der Simulation. HUMR ist aber nicht ganz ausschließlich auf die Datenübernahme von 3D/4D-Scannem fokus- siert: Sowohl z.B. die Mamma-Sonographie als auch die (Kinder/Erwachsenen- bzw. Fetal-) Kardiologie zeichnen sich dadurch aus, dass hier weitere anatomische Umgebungs-Darstellungen von geringem Interesse sind - und hier z.B. kann das konventionelle Freehand-Verfahren durchaus noch sinnvoll sein - nicht zuletzt in motorisierten Varianten, die dann auch die Problematik von Bewegungsartefakten obsolet machen.However, the following should be explicitly pointed out: In principle, the use of 3D / 4D scanners is the means of choice for improving the simulation. However, HUMR is not entirely focused on 3D / 4D scanning data: both. Mammary sonography as well as (pediatric / adult or fetal) cardiology is characterized by the fact that further anatomical environmental representations are of little interest here - and here e.g. The conventional Freehand method can still be useful - not least in motorized variants, which then make the problem of motion artifacts obsolete.
Vorbemerkungen zu den unter (b) subsummierten Verfahren können viel kürzer abgehandelt werden - einerseits, weil das Thema weniger komplex ist, aber auch allein schon deshalb, weil es hier kaum Alternativen abzuwägen gilt, sondern quasi nur eine bisher bestehende grosse Lücke in der Simulation gefüllt wird.Preliminary remarks on the procedures subsumed under (b) can be dealt with much more quickly - on the one hand because the topic is less complex, but also because there are hardly any alternatives to be weighed here, but almost only filled a previously existing large gap in the simulation becomes.
Es hängt von der Transducer-Position - d.h. der „groben" Lokalisation auf dem Patienten bis hin zur „feinjustierenden" Anlotung der ROI und ihrer Details - ab, welches aufgenommene (Meta-) Volumen zur Schnitt-Visualisierung heranzuziehen ist. Die Realität heute ist, dass Simulatoren ihre „Patienten", genauer: die Oberfläche ihrer Patienten-Modelle („Puppen") sozusagen gar nicht kennen. Anders formuliert: Die Software kennt nur ein Volumen, das manuell so positioniert wird, dass es dann anatomisch korrekt in dem Schall-Modell positioniert ist, und dazu die relative Position des Transducers. Von einer Berücksichtigung physiologisch vorgegebener „Schallfenstern", „perspektivisch" sich unterscheidender verschiedener Transducer-Positionen, evtl. re- sultierender passiver, aber auch reaktiver und aktiver Patienten-Bewegungen und dergleichen kann bei der heutigen Simulation keine Rede sein - die Software weiß nichts von der Position des Transducers auf dem Patienten, dessen schalltechnischer Beschaffenheit - und erst recht nicht von Organ-Verschiebungen, wie sie z.B. beim Abdominalschall nicht nur schlicht „vorkommen", sondern durchaus gezielt für eine selek- tive Visualisierung durch das Eindrücken des Transducers von dem schallenden Arzt gezielt genutzt werden - also daraus folgende Organ-Verschiebungen wie auch damit zusammenhängende Patienten-(Re-)Aktionen.It depends on the transducer position - ie, the "gross" localization on the patient, to the "fine-tuned" exploration of the ROI and its details - which is taken up (meta) volume for sectional visualization. The reality today is that simulators, so to speak, do not know their "patients," or more precisely, the surface of their patient models ("dolls"). In other words: the Software knows only one volume, which is manually positioned so that it is anatomically correctly positioned in the sound model, and the relative position of the transducer. From a consideration of physiologically given "sound windows", "perspective" differing different transducer positions, possibly resulting passive, but also reactive and active patient movements and the like, there can be no question in today's simulation - the software knows nothing about the position of the transducer on the patient, its sonic nature - and certainly not of organ displacements, as they are not simply "present" in abdominal sound, for example, but quite specifically for a selective visualization by the impressions of the transducer of the resounding Doctor can be specifically used - so resulting organ shifts as well as related patient (re-) actions.
Dieser Teil der Simulation war bisher selbst bei freundlichster Betrachtung „rudimentär" - ein anatomisch an sich richtig positioniertes, aber der komplexen Realität des Ultra- schalls nur unter Annahme bestimmter Bedingungen (insbesondere zu den Transducer-Positionen) einigermaßen entsprechendes Volumen musste für alle Situationen des virtuellen Schallens und der Ausbildung für die Realität „herhalten". Auch die später „in more detail" beschriebene Methode des Einscannens von Schall- Modell-Klassen und so gemeinsam mit den bereits verfügbaren Positionsdaten des 3D- Sensors dann mögliche Schall-Modell-bezogene abgeleitete Transducer-Bewegung wird hier einen signifikanten Qualitätssprung in der Simulation bewirken. Die oben beschriebenen Mängel können damit signifikant verbessert oder gar beseitigt werden. Dies sei hier nicht nochmals aufgezählt und wiederholt - damit ist für eine Einführung auch genug gesagt.This part of the simulation used to be "rudimentary" even with the most friendly consideration - a volume that was anatomically correct in itself but reasonably suited to the complex reality of ultrasound only under certain conditions (in particular to the transducer positions) had to be used in all situations virtual sounds and training for the reality "serve". Also, the later described "in more detail" method of scanning sonic model classes and so together with the already available position data of the 3D sensor then possible sound model-related derived transducer movement will cause a significant jump in quality in the simulation The deficiencies described above can thus be significantly improved or even eliminated.This is not listed here and repeated - so is enough for an introduction enough.
Die oben unter (c) subsummierten Verfahren werden dann unmittelbar bei ihren Einzeldarstellungen erläutert, um hier einen sinnvollen Umfang einer Einführung nicht zu sprengen. Wie in dem nachfolgenden - nicht-technischen - Schlusskapitel noch deutlicher wer- den wird, ist die Ultraschall-Simulation ein Verfahren, das eine inzwischen kaum noch aufzuhaltende Eigendynamik entwickelt hat, die sich künftig eher noch verstärken wird. Es ist naheliegend, dass sich im Zeitalter des Internets eine Verbreiterung dieses Verfahrens in zweierlei Richtung aufdrängen wird: Nicht nur mehr oder weniger singuläre Zentren pro Fachbereich werden Fälle erfassen und zur Aus-/Weiterbildung verfügbar machen wollen, sondern viele Zentren werden sich daran beteiligen wollen.The methods subsumed under (c) above are then explained directly in their individual representations so as not to go beyond a reasonable scope of an introduction. As will become even clearer in the following - non-technical - final chapter, ultrasound simulation is a process that has developed a momentum that has become almost unstoppable and that will tend to intensify in the future. It is obvious that in the age of the Internet, a broadening of this process will be imposed in two ways: Not only will more or less singular centers per department want to record cases and make them available for training, many centers will want to participate.
Die Aus-/Weiterbildung wird einen wesentlich größeren Anwender- bzw. „Trai- nee"-Kreis - von Studenten bis zu als zu „Pionierzeiten" dieser Simulation erreichen.The training will reach a much larger user or "trainee" circle - from students to the "pioneer times" of this simulation.
Damit wird ein Punkt erreicht werden, der einen Bedarf nicht nur einiger privilegierter Ausbilder bzw. Ausbildungs-Institutionen definiert - was damit aber sowohl einen Bedarf nach wesentlich größeren Stückzahlen als auch den Bedarf nach preiswerten Si- mulatorsystemen generiert, die sich entsprechend viele Anwender ohne die heute notwendige hohe Initialinvestition leisten können.This will reach a point that does not only define a need for some privileged trainers or training institutions, which will generate both a need for much larger volumes and the need for low-cost simulator systems that will require a corresponding number of users without the can afford today high initial investment.
In dem letzten Kapitel zu HUMR wird dafür eine Lösung aufgezeigt, die diesem zu erwartenden Anforderungsprofil entspricht.In the last chapter of HUMR, a solution is shown that corresponds to this expected requirement profile.
Abschließend aber noch ein - nicht technischer - kurzer Abriss zu Relevanz und Wirkung des Ultraschall-Simulators in der Medizin bzw. klinischen Realität:Finally, a short, non-technical summary of the relevance and impact of the ultrasound simulator in medicine or clinical reality:
Ultraschall ist bisher nicht in die medizinische Grundausbildung integriert - weder in Deutschland noch z.B. in den USA. Die Ausbildung ist bisher also eigentlich eine „Weiterbildung" - oder international formuliert: „Post-Graduate Education" - abhängig von den jeweiligen Ländern: Dies kann allerdings auch die Ausbildung von „Nurses" (etwa analog „MTA") oder, wie in den USA, von sog. „Ultrasound Technicians" bedeuten, die meist den Radiologen zugeordnet sind. In Deutschland liegt der Ultraschall primär in der Hand der diversen Fachärzte - anders als bei Röntgen oder sonstigen bildgebenden Verfahren haben die Radiologen hier kein Monopol - dies ist aber länderspezifisch völlig individuell geregelt, z.B. in den USA, wo er primär den Radiologen zugeordnet ist, hat deren Lobby ihr Primat bisher weitgehend verteidigen können. Für die Frage „Wer soll und wer darf schallen?" ist ei- ne „gute Antwort" auf die Frage „Wer kann eine qualifizierte Ausbildung bereitstellen?" von großer „strategischer" Bedeutung:Ultrasound has not yet been integrated into basic medical education - neither in Germany nor, for example, in Germany. in the USA. So far, training is actually a "further education" - or internationally formulated: "post-graduate education" - depending on the respective countries: However, this can also be the training of "Nurses" (analogous to "MTA") or, as in the In Germany, the ultrasound is primarily in the hands of the various specialists - unlike with X-ray or other imaging techniques, the radiologists have no monopoly here - but this is country-specific completely individually regulated, eg in the USA, where it is assigned primarily to the radiologist, their lobby has been able to defend their primacy so far largely for the question "who should and who may sound?" is a "good answer" to the question "Who can provide a qualified education?" of great "strategic" importance:
Es spricht medizinisch viel dafür, dass die Fachärzte ein eigenes, sofort (erste) Ergebnisse lieferndes bildgebendes Verfahren haben, und der Ultraschall ist mit seiner Unschädlichkeit und Mobilität für diese Zuordnung zusätzlich prädestiniert - aber hier geht es auch um Geld bzw. die Frage „Wer darf Ultraschall-Diagnostik (z.B. mit Kranken- kassen) abrechnen?" - auch um die Frage, wieweit eine „initiale" Ultraschall- Untersuchung nach Aufnahme eines Patienten bzw. eines gesamten Untersuchungsablaufs nachfolgend weitere radiologische Untersuchungen obsolet machen könnte - also auch um Medizin(er)-inteme Berufspolitik. Ausbildung, Qualitätssicherung und Reproduzierbarkeit gehören z.B. zu den wesentlichsten Argumenten von Radiologen gegen von anderen Ärzten praktizierten Ultraschall. All dies betrifft den Simulator insbesondere deshalb, weil er die einzige Methode ist, mit der man im praktischen Ultraschall überhaupt einen Kanon von definierten Fällen „Was soll und was muss man (insbesondere an Pathologien) gesehen haben bzw. qualifiziert diagnostizieren kön- nen?" abarbeiten kann, und darüber hinaus das einzige objektivierende, reproduzierbare Prüfungsverfahren im praktischen Ultraschall darstellt: „Reale Patienten" als Trainingsobjekte werden aus ethischen Gründen immer mehr abgelehnt, abgesehen davon, dass dies aus vielerlei praktischen Gründen nie „funktioniert" hat und nie so systematisch funktionieren kann, dass damit eine strukturierte Ausbildung realisierbar ist. Also schon ein recht „schweres Kaliber" in diesen Diskussionen - die Radiologen haben (außer in den USA für deren Ultrasound Technicians) selbst bisher kein Simulator- Training und geraten so mit ihrer eigenen Argumentation nun in die Defensive. Ebenso einleuchtend ist es also, dass es hier sicher nicht nur Begeisterung über diese Methode, sondern auch massive Widerstände - von „Prüfungsängsten" mancher schallen- der Ärzte - über den Verlust von Bedeutung und Einnahmen bei Ultraschall-Ausbildern ohne Simulator - bis hin zu Befürchtungen von Einnahmeverlusten bei anderen Ärztegruppen gibt. Unmittelbar sind solche berufspolitischen Auseinandersetzungen wohl kein Argument in einer Gewichtung der Bedeutung dieses Simulators und evtl. folglich einer Gewichtung der Bedeutung des hier einzureichenden Patentantrags - mittelbar aber gerade wegen dennoch erreichter Erfolge vielleicht doch:Medically speaking, there is a great deal of evidence that specialists have their own, immediate (first) results providing imaging, and the ultrasound is with its harmlessness and mobility for this assignment additionally predestined - but here it is also about money or the question "who may use ultrasound diagnostics (eg with - even to the question of how far an "initial" ultrasound examination after admission of a patient or a whole examination procedure could subsequently make further radiological examinations obsolete - thus also for medical (he) -intem professional policy. Training, quality assurance and reproducibility are among the most important arguments of radiologists against ultrasound practiced by other doctors. All this concerns the simulator, in particular, because it is the only method that can be used in practical ultrasound at all a canon of defined cases "What should and what must be (especially in pathologies) seen or can diagnose qualified?""Realpatients" as training objects are increasingly rejected for ethical reasons, except that for many practical reasons this has never "worked" and never functioned so systematically This is already quite a "heavy caliber" in these discussions - the radiologists themselves (except for the USA for their Ultrasound Technicians) do not have any simulator training themselves yet and thus get their own reasoning in now the defensive. Equally plausible, it is certainly not just enthusiasm for this method, but also a lot of resistance - from the "scrutiny" of many a deafening doctor - to the loss of meaning and revenues of ultrasound trainers without a simulator - to fears Immediately such occupational disputes are arguably no argument in a weighting of the meaning of this simulator and possibly therefore a weighting of the meaning of the patent application to be submitted here - but perhaps because of nevertheless achieved successes perhaps nevertheless:
Die Tatsache, dass in weniger als 3 Jahren inzwischen über 1.000 Kurse von den deutschen Gynäkologen mit diesem System als eines der größten derartigen Qualitätssicherungs-Programme in der Ärzteschaft durchgeführt wurden - in der Schweiz läuft das ähnlich ab -, ist sicher ein Beleg für diese Erläuterung. Dies betrifft übrigens nur die „Kern-Ausbildung", dazu kommt eine ähnlich große Zahl an Kursen für speziellere Themen außerhalb dieses Programms -wohlgemerkt: Anzahl Kurse der FBA (Frauenärztliche Bundes-Akademie), nicht lediglich kursteilnehmende Ärzte (max. 16 Teilnehmer pro Kurs mit 4 Simulatoren - sehr oft ausgebucht). Auch dass die größte Berufshaftpflicht-Versicherung bei den Gynäkologen, die Assekuranz AG, nun einen „Rabatt" für die Kursteilnehmer gewährt, hat keine sentimentalen, sondern eher versi- cherungsmathematische Gründe - dieses Qualitätssicherungs-Programm hat deutliche Spuren bei den Schadensfallzahlen durch Fehldiagnosen gezeigt. (Diese Kurse wurden (logischerweise) übrigens mit der „ersten Generation" von Simulatoren durchgeführt.)The fact that in less than 3 years now more than 1,000 courses by the German gynecologists have been carried out with this system as one of the largest such quality assurance programs in the medical profession - in Switzerland this is similar - is certainly a proof of this explanation , Incidentally, this only applies to the "core training", plus a similarly large number of courses for more specialized topics outside this program. - Please note: number of courses offered by the FBA (gynecological federal academy), not just participating physicians (maximum 16 participants per course with 4 simulators - very often booked out.) The fact that the largest professional liability insurance with the gynecologists, the Assekuranz AG, now offers a "discount" for the course participants, has no sentimental, but rather actuarial reasons - this quality assurance program has clearly shown the number of claims due to misdiagnosis. (Incidentally, these courses were (logically) done with the "first generation" of simulators.)
Diese Kurse boten sich wiederum für Studien und Publikationen zu deren Ergebnissen an - mit Fallzahlen bis zu 1.000 Ärzten. Kurz gefasst zeigten die Ergebnisse eine gute Akzeptanz des Simulators und den Wunsch nach dessen weiterem Einsatz. Mit dem Simulator „im Rücken", wagten sich dessen Pioniere dann auch an das heikle Thema, welche Effizienz konventionelle Kurse mit „Frontal-Unterricht" für die reale Pathologie- Erkennung haben - Ergebnis: Eine Verbesserung blieb im Bereich des statistischen Rauschens bzw. war nicht nachweisbar. Mit dem Simulator hingegen ergaben sich fachabhängig bereits nach einem Kurs Quoten zwischen 25% und 70% für die Verbesserung der Pathologie-Erkennung - Ergebnisse, die mit der Reaktion des besagten Haftpflichtversicherers korrelieren.These courses were again available for studies and publications on their results - with case numbers of up to 1,000 physicians. In short, the results showed a good acceptance of the simulator and the desire for its further use. With the simulator "in the back", its pioneers ventured then also on the tricky topic, which efficiency conventional courses with "frontal lessons" for the real pathology recognition have - result: An improvement remained in the range of the statistical noise or was not detectable. On the other hand, with the simulator, depending on the subject, quotas of between 25% and 70% were found already after a course for the improvement of pathology recognition - results which correlate with the reaction of said liability insurer.
Da auch erlerntes Wissen und Können kein unbegrenztes Haltbarkeitsdatum hat, wird sicher auch ein Punkt erreicht werden, wo (in Medizin bzw. im Ultraschall auch sonst übliche) „Refresher-Kurse" relevant werden - abgesehen von „nachwachsenden Ärzte- Generationen" und System-„Updates" mit neuen Fällen, verbesserten/neuen Ultraschall-Technologien, die neben verbesserter Simulationstechnologie (alle Fälle müssen dann wieder neu erfasst werden) eine eventuell zu berücksichtigende „Sättigung" kompensieren werden. Insofern haben diese Aspekte also auch dauerhaften Charakter. Darüber hinaus beginnt nun aktuell die Universität Heidelberg z.B. ein Programm zur Integration des Ultraschalls mit schwerpunktmäßigem Einsatz des Simulators bereits während des Studiengangs Medizin.Since even learned knowledge and skills have no unlimited expiration date, a point will certainly be reached where (in medicine or in ultrasound also usual) "refresher courses" become relevant - apart from "growing generations of doctors" and system- "Updates" with new cases, improved / new ultrasound technologies, which in addition to improved simulation technology (all cases must then be recaptured) will compensate for any "saturation" that may have to be considered. In this respect, these aspects therefore have a lasting character. In addition, the University of Heidelberg is currently starting, for example, a program for the integration of ultrasound with emphasis on the use of the simulator already during the medical study program.
Bei den letzten vier Jahreskongressen der deutschsprachigen Ultraschall- Gesellschaften (gemeinsam veranstaltet von Deutschland, Österreich, Schweiz) DE- GUM-ÖGUM-SGUM wurde die Simulator-gestützte Ausbildung, hierbei vor allem in Gastro-Enterologie und Notfall-Medizin, bereits in das praktische Kongress- Weiterbildungsprogramm einbezogen, ähnlich auch bei den DGGG-Kongressen der Gynäkologen - sowie auf weiteren fach-ärztlichen Kongressen - neben den bereits erwähnten speziellen Simulator-Kusprogrammen. Auch entsprechende „Awards" u. dgl. - direkt für den Simulator - oder indirekt durch die Thematik entsprechender Autoren über den Simulator - verdeutlichen Relevanz und Erfolg:At the last four annual congresses of the German-speaking ultrasound companies (jointly organized by Germany, Austria, Switzerland) DE-GUM-ÖGUM-SGUM, simulator-based training, especially in gastro-enterology and emergency medicine, has already become practical Similar to the DGGG congresses of the gynecologists - as well as to other specialist medical congresses - besides the already mentioned special simulator cousin programs. Also corresponding "awards" and the like - directly for the simulator - or indirectly through the theme of corresponding authors on the simulator - clarify relevance and success:
- Zweimal FBA-Ausbildungspreis für die Autoren bzw. den Initiator des ersten Real- Time-Simulators im Ultraschall (realisiert von Fa. SONOFIT) und „Pionier" des Simulators in der Gynäkologie und Pränatalmedizin, Prof. Dr. C. Sohn und den „Realisierer" der Fall-Inhalte und didaktischen Ob/Gyn-Konzepts, PD Dr. A. Scharf - beide damals MHH Hannover, mittlerweile beide Universität Heidelberg - Habilitation von PD Dr. A. Scharf zur Thematik Ultraschall-Simulator in der Qualitäts-Sicherung und NT-Diagnostik- Twice FBA training award for the authors or the initiator of the first real-time simulator in the ultrasound (realized by SONOFIT) and "Pioneer" of the simulator in gynecology and prenatal medicine, Prof. Dr. C. Sohn and the " Realizer "of the case content and didactic ob / gyn concept, PD Dr. med. A. Scharf - both at that time MHH Hannover, meanwhile both University of Heidelberg - Habilitation of PD Dr. med. A. Scharf on the topic of ultrasonic simulators in quality assurance and NT diagnostics
Der sehr renommierte Merckle-Recordati-Forschungspreis für den Gastro- E ntero- logie-Autoren, Dr. C. Terkamp - Mitarbeiter von Prof. Dr. M. J.Gebel, Gastro- Enterologie/Hepatologie/Endokrinologie der MHH in Hannover, vormals Präsident der DEGUM, der „Pionier" des Simulators in seiner Auslegung für die Innere undThe highly acclaimed Merckle Recordati Research Award for Gastroenterology Authors, Dr. Ing. C. Terkamp - employee of Prof. Dr. med. M. J. Gebel, Gastroenterology / Hepatology / Endocrinology of MHH in Hanover, formerly President of DEGUM, the "pioneer" of the simulator in its interpretation for the interior and
Notfall-MedizinEmergency Medicine
Dauer-Exponat im „Cybernarium" Darmstadt, wo der Öffentlichkeit ein Querschnitt durch aktuelle, interessante virtuelle Technologien zugänglich gemacht wird - Dauer-Exponat in der Sonderausstellung „Computer.Medizin" des Heinz-Nixdorf- MuseumsForums/HNF zu den 100 interessantesten Computeranwendungen in der Medizin, zunächst Paderborn, anschließend als internationale Wanderausstellung.Permanent exhibit in the "Cybernarium" Darmstadt, where a cross-section of current, interesting virtual technologies is made available to the public - permanent exhibit in the special exhibition "Computer.Medicine" of the Heinz-Nixdorf-MuseumsForums / HNF to the 100 most interesting computer applications in the Medicine, first Paderborn, then as an international traveling exhibition.
Insgesamt also zwar in einem sehr inhomogenen Szenario positioniert, hat der Simulator so „bottom line" nun doch eine hinreichende Eigendynamik für seine Zukunft entwickelt, und es gibt neben einer beachtlichen Zahl von Publikationen und seriösen Validierungs-Studien dazu (auch in „top ranking" Fachzeitschriften publiziert) eine beachtliche Reihe von diversen „harten Fakten" zu der Relevanz dieser Methode und der prak- tischen Initial-Bewährung des sie umsetzenden Systems - bereits in seiner „ersten Generation" trotz einiger Schwächen. Es gibt außer SONOFIT nur einen weiteren nennenswerten Hersteller für Ultraschall- Simulatoren - die Firma MedSim in Florida, USA, die ihre Entwicklungsarbeiten in Israel durchführen ließ und den ersten Ultraschall-Simulator überhaupt Mitte der 90-er Jahre vorstellte — allerdings war dies kein Real-Time-Simulator. Der erste Real-Time-Simulator wurde 2000 dann von der deutschen Firma SONOFIT vorgestellt. Auch sonst unterscheiden sich die Konzepte der beiden Firmen ziemlich stark - maßgeblich bedingt durch den divergierenden Ausbildungs-Schwerpunkt „Ultrasound Technicians" entsprechend der US-amerikanischen „Ultraschall-Kultur" - und den Ausbildungs-Schwerpunkt „Fachärzte" entsprechend der Zentral-Europäischen „Ultraschall-Kultur". Außerhalb ihrer „Home Base" hat aber nur SONOFIT - maßgeblich wegen des Real-Time-Verhaltens - nun auch eine gewisse, wenn auch noch nicht durchschlagende, internationale Verbreitung gefunden. So hat inzwischen SONOFIT Installationen in West- und Ost-Europa, den USA usw. respective in allen Kontinenten außer Australien und Afrika.All in all, although positioned in a very inhomogeneous scenario, the simulator has developed sufficient momentum for its future "bottom line", and in addition to a considerable number of publications and serious validation studies, there are also (also in "top ranking" Journals published) a considerable number of diverse "hard facts" on the relevance of this method and the practical initial proof of the system implementing it - even in its "first generation" despite some weaknesses. Apart from SONOFIT, there is only one other manufacturer of ultrasonic simulators worth mentioning - the company MedSim in Florida, USA, which did its development work in Israel and presented the first ultrasound simulator ever in the mid-90s - although this was not realistic. Time simulator. The first real-time simulator was introduced in 2000 by the German company SONOFIT. Even otherwise, the concepts of the two companies are quite different - mainly due to the diverging training focus "Ultrasound Technicians" according to the US "ultrasound culture" - and the training focus "Specialists" according to the Central European "Ultrasound -Culture". However, apart from their "home base", only SONOFIT - largely because of the real-time behavior - has now also found a certain, if not yet resounding, international distribution.Thus, SONOFIT now has installations in Western and Eastern Europe, the USA etc. on all continents except Australia and Africa.
Relativierend muss eines allerdings gesagt werden: Wenn man Ultraschall als das begreift, was er bei sachverständiger Betrachtung in seiner Vielfalt tatsächlich ist, betreiben beide Firmen derzeit mit dem Anspruch eines „Ultraschall-Simulators" eigentlich Hochstapelei. Nicht einmal die größte Anwendung „Gynäkologie und Pränatalmedizin" ist vollständig abgebildet: Gynäkologisch fehlt beiden die Abbildung der wichtigen Mamma-Sonographie in einer Form, die auch eine Ausbildung zur systematischstrukturierten Basis-Untersuchung der weiblichen Brust erlaubt - und pränatal- medizinisch fehlt beiden ausgerechnet die fetale Echokardiographie als der häufigsten Fehlbildung. Schließlich, weil beiden überhaupt das „Schwergewicht Echokardiogra- phie" komplett fehlt, darf man eigentlich allein schon deshalb bestenfalls noch von zwei alternativen „Sonographie-Simulatoren" sprechen - um hier nur einmal die augenfälligsten „Absenz-Highlights" klarzustellen. Ein echter „Ultraschall-Simulator" sollte also doch wenigstens die klinisch und quantitativ wichtigsten Bereiche der Medizin - entsprechend dem realen Ultraschall - abdecken, um auch wirklich „Ultraschall- Ausbildung" zu ermöglichen. Damit würde übrigens auch kommerziell eine kritische Masse durch eine stetige System-Nutzung/However, one thing must be said: If ultrasound is understood as what it really is when it comes to expert opinion, both companies are currently impatient with the claim of an "ultrasound simulator." Not even the largest application "gynecology and prenatal medicine "is completely pictured: gynecologically, both lack the image of important mamma sonography in a form that also allows training for systematic structured basic examination of the female breast - and prenatal- medically lacking both fetal echocardiography as the most common malformation. Finally, because both of them lack the "heavyweight echocardiography" altogether, one should not even speak of two alternative "sonography simulators" at best - just to clarify the most obvious "absence highlights" - a real "ultrasound" Simulator "should at least cover the most clinically and quantitatively important areas of medicine - corresponding to the real ultrasound - in order to really enable" ultrasound training. "By the way, this would also make a commercially critical mass through a continuous system usage /
Auslastung erreicht, wo ein Simulator für viele größere Krankenhäuser, bei denen diese Fachbereiche oft vollständig vertreten sind (und so von vielen Ärzten oder „Technicians" zum Training nutzbar würde), interessant wird - und nicht nur für SpezialZentren und Fachausbildungs-Organisationen - dies beginnt folglich nur zögerlich. Was nicht ist, kann aber noch werden - eine spannende Frage ist nun eben, wer hierbei im Wesentlichen das Rennen gewinnt. Gelingt es, einen derartigen Ultraschall- Simulator zu realisieren und dann entsprechend durch gute und viele Fälle „mit Leben zu erfüllen", wird das langfristig deutliche Auswirkungen auf den Ultraschall und dar- über hinaus bis zu einigen Strukturierungen der Medizin und Kosten im Gesundheitswesen haben. In jedem Fall aber wird der weitere Durchbruch der Simulation als Ausbildungsmethode von ihrer ausreichenden Perfektionierung und Vervollständigung maßgeblich mitbestimmt werden. Schließlich, dass alleine schon das sono- anatomische Vorstellungsvermögen sowie die komplexe Interaktion „Auge-Hand- Gehirn" trainingsbedürftig sind, ein auch Pathologie-orientiertes Training ein „muss" ist, und der Schluss „für das billigste bildgebende Verfahren reicht auch die simpelste Ausbildung" fatal ist, begreifen nun doch immer mehr Verantwortliche im Gesundheitswesen.Utilization reaches a point where a simulator for many larger hospitals, where these departments are often fully represented (and so would be used by many doctors or "technicians" for training), becomes interesting - and not just for specialty centers and specialist training organizations - it starts consequently, only hesitantly. What is not, but can still be - an exciting question is now just who this essentially wins the race. If such an ultrasound simulator can be realized and then "brought to life" through good and many cases, this will have significant long-term effects on ultrasound and, in addition, some structuring of medicine and healthcare costs. In any case, the further breakthrough of the simulation as a training method will be decisively influenced by its sufficient perfection and completion.Finally, that alone the sono-anatomical imagination as well as the complex interaction "eye-hand-brain" are in need of training, also pathology- Oriented training is a "must", and the conclusion "for the cheapest imaging process even the simplest training enough" is fatal, but now understand more and more responsible in health care.
Insgesamt ist nun eine praktisch nicht mehr aufzuhaltende Zunahme der Akzeptanz festzustellen. Dies wird (wie zuvor schon ausgeführt) allerdings auch die Notwendigkeit nach neuen technischen Konzepten einschließlich der Inhalte, der Distribution der Kasuistiken (Fall-Datenbank) etc. generieren, bei denen der Simulator quasi weg von einem noch etwas elitären Instrument sich hin zu einer Methode und einem System „für jedermann" (im Rahmen der medizinischen Aus-/Weiterbildung) hin entwickeln wird - dies sollte dann allerdings auch von flankierenden Maßnahmen einer „Qualitätssicherung dieser Qualitätssicherungs-Methode Simulation 'an sich" begleitete werden.Overall, there is now a virtually unstoppable increase in acceptance. However, this will (as stated before) also generate the need for new technical concepts including the content, the distribution of case histories (case database), etc., where the simulator moves away from a somewhat elitist instrument to a method and will develop "for everyone" (in the context of medical education / training) a system down - this should then, however, "quality assurance of this quality assurance method simulation 'in itself" also accompanied by flanking measures are a.
1 HUMR1 HUMR
Der erste Ansatz zur Simulation im Ultraschall war (und ist weiterhin) einerseits von insgesamt guter Akzeptanz und bemerkenswert guten Ergebnissen bei der Ausbildungs-Effizienz, auch gemäss vieler Validierungs-Studien, charakterisiert, und ist inzwischen als Ausbildungs-Methode nachweisbar auf dem Vormarsch. Das heutige Ver- fahren hat aber auch eine Reihe von störenden Limitationen, die einen weitergehenden Erfolg abbremsen:The first approach to simulation in ultrasound was (and continues to be) characterized on the one hand by overall good acceptance and remarkably good results in training efficiency, also according to many validation studies, and has now become demonstrably on the rise as a training method. However, today's procedure also has a number of disturbing limitations that slow down further success:
Die Schnittblilder haben eine geometrische Auflösung, die verfahrensbedingt in X- und Y-Achse auf weniger als die Hälfte im Vergleich zum realen B-Mode von 2D-Scannern reduziert ist - bzw. auf 20-30% der Pixel, soweit sie über das sog. „Freehand- Verfahren" als 2D-Bilder erfasst, dann nach 3D konvertiert werden und bei der Simula- tion dann als 2D-Schnittbild durch das Volumen visualisiert werden. Zudem stören Bewegungsartefakte, oft zu geringe Volumengröße und weitere Im Perfektionen bei der Simulation - und schließlich fehlen wichtige Modalitäten in der Simulation - oder sind so limitiert, dass der „Ultraschall" nicht wirklich zumindest in allen wichtigen Formen simuliert werden konnte.The cut sheets have a geometric resolution, which is due to the process in the X- and Y-axis reduced to less than half compared to the real B-mode of 2D scanners - or to 20-30% of the pixels, as far as they "Freehand method" can be captured as 2D images, then converted to 3D and used in simula- tion can then be visualized as a 2D cross-section through the volume. In addition, motion artifacts, often too small volume size and others, interfere with perfection in the simulation - and finally, important modalities in the simulation are lacking - or are so limited that the "ultrasound" could not really be simulated, at least in all important forms.
Die Alternative, eine direkte digitale Datenübernahme nativer 3D/4D-Volumina von 3D/4D-Scannern, liefert zwar keine sehr viel bessere Auflösung, dennoch wirken diese Volumina oft noch deutlich „klarer", als dies die Auflösung nahe legen würde, weil sie weniger Bewegungs-Artefakte haben (verfahrensbedingt durch höhere Scan- Geschwindigkeit) und hier entsprechend geringfügigere Korrektur-Berechnungen durchgeführt werden müssen, als dies das „Freehand-Verfahren impliziert - Nachteil dieses Wegs ist allerdings, dass die so erfassten Volumina auf die Größe einer einzigen bzw. statischen Transducer-Position beschränkt sind: Die zur Simulation verfügba- ren Volumina entsprechen in ihrer Größe also lediglich dem Schallraum des Transdu- cers.Although the alternative, a direct digital data acquisition of native 3D / 4D volumes from 3D / 4D scanners, does not provide much better resolution, these volumes often appear significantly "clearer" than resolution would suggest because they are less Movement artifacts have (due to the process due to higher scanning speed) and here correspondingly smaller correction calculations have to be performed, as the "Freehand method implies - the disadvantage of this way, however, is that the volumes thus recorded on the size of a single or are limited in static transducer position: The size of the available volumes for simulation therefore corresponds only to the sound space of the transducer.
Da sich die Scanner-Technologie seit Jahrzehnten sehr dynamisch verbessert, sind aber bei 3D/4D-Scannern auch weitere Verbesserungen der Technologie wie z.B. in der geometrischen Auflösung zu erwarten, während das „Freehand"-Verfahren prak- tisch nicht mehr weiterentwickelt wird. Insofern ist es sehr wahrscheinlich, dass nun ein guter Zeitpunkt für einen Verfahrenswechsel bei der Simulation gegeben ist, der quasi auf 3D/4D-Scanner setzt und sich der Lösung der begrenzten Volumengröße widmet - im übrigen sind bereits heute damit typischerweise überlegene Ergebnisse zu erwarten. HUMR bietet mit den hier dargestellten Teil-Methoden und -Verfahren IVS und DVA genau dazu Lösungsansätze — und berücksichtigt dabei auch erstmals weitere wesentliche Schwächen der bisherigen Methoden in der Ultraschall-Simulation.As scanner technology has been improving very dynamically for decades, however, further enhancements to the technology such as 3D / 4D scanners have been made. in the geometric resolution, while the "Freehand" method is practically no longer being developed, so it is very likely that now is a good time for a procedural change in the simulation, the quasi on 3D / 4D scanner By the way, superior results are typically expected even today, and HMSR offers solution approaches with the IVS and DVA sub-methods and methods presented here - and for the first time also takes into account other major weaknesses in the field Previous methods in ultrasonic simulation.
Eine absolute Perfektion ist derzeit kaum erreichbar - auch darauf ist die Einführung bereits eingegangen — aber das Ziel einer Simulation, die nun hinreichend den Ein- druck realen Ultraschalls vermittelt und soweit allen Erfordernissen einer Ultraschall- Ausbildung mittels Simulatoren gerecht wird, soll und kann voraussichtlich mit HUMR erreicht werden. (Weitere didaktische System-Komponenten sollen hierbei nicht behandelt werden, da sie nicht Gegenstand eines Patentantrags sind bzw. sein können.) HUMR reflektiert allerdings auch die Erfahrung, die im Laufe von über 1.000 Kursen und deren Auswertung entstanden sind, und weitere Studien/Begutachtungen durch führende Ultraschall-Experten, die anerkannt „erste Adressen" in Deutschland, der Schweiz, Großbritannien und den USA sind. HUMR enthält somit z.T. Komponenten, die schlicht aus dem Wunsch nach optimierter Simulation mit langjährig aufgebautem medizin- und simulationstechnischem Know-How, sowie z.T. Komponenten, die vor diesem Hintergrund konkret erwachsen sind - d.h. die Realisierung zusammengefass- ter Anforderungen sind, die aus klinisch-didaktisch festgestellten Defiziten sowie auch technischen Defiziten der bisherigen Ultraschall-Simulation ergeben haben. Die Relevanz einer solchen Zielerreichung wurde in der Einführung auch kurz umrissen. Der Terminus HUMR steht für „Hybride Ultraschall Meta-Volumen Restitution" - letzte- re Einzel begriffe wurden in der Einführung bereits erläutert. Als allgemeine Definition ist HUMR folgendermaßen beschreibbar:Absolute perfection is currently hardly achievable - and the introduction has already been made - but the goal of a simulation, which now sufficiently conveys the impression of real ultrasound and meets all the requirements of ultrasound training by means of simulators, should and can be expected HUMR be achieved. (Other didactic system components should not be treated here, since they are not or may not be the subject of a patent application.) However, HUMR also reflects the experience gained during more than 1,000 courses and their evaluation, and further studies / assessments by Leading ultrasound experts who are recognized as "top addresses" in Germany, Switzerland, Great Britain and the US HUMR thus contains components that are simply the result of the desire for optimized simulation with many years of medical and simulation know-how, and partly Components that have actually grown up in this context - that is, the realization of summarized requirements that have resulted from clinical-didactically identified deficits as well as technical deficits of the previous ultrasound simulation.The relevance of such a target achievement was briefly outlined in the introduction The term HUMR stands for "Hybrid Ultrasound Meta-Volume Restitution" - the last individual terms have already been explained in the introduction. As a general definition, HUMR is writable as follows:
HUMR ist ein multi-modales Verfahren zur Erfassung sowie Restitution weitgehend artefaktfreier, auflösungs-beibehaltender und relevante physiologische Faktoren berück- sichtigender statischer und dynamischer Ultraschall-Bild-Volumina* - die über die Größe des Schallfelds/Schallraums eines Transducers** hinausgehen können - und deren Einsatz bei Visualisierung und Simulation.HUMR is a multi-modal method for detecting and restoring largely artifact-free, resolution-preserving, and relevant physiological factors of consider- able static and dynamic ultrasound image volumes * - which may exceed the size of the sound field / acoustic space of a transducer ** their use in visualization and simulation.
* (Die Reihenfolge der genannten Merkmale ist willkürlich und keine Signifikanz- Reihenfolge) ** ("Transducer-Schallfeld/Schallraum" bedeutet quasi auf eine statische Scan-Position bezogen)* (The order of the named features is arbitrary and no significance order) ** ("Transducer sound field / sound space" refers to a static scan position)
HUMR ist insgesamt eine heuristische bzw. hybride Methode, die z.T. aus (1) allen Anwendungen gemeinsamen Einzel-Methoden/Verfahren besteht und z.T. aus (2) Ein- zel-Methoden/Verfahren, die sich nur auf spezielle Anwendungen beziehen. In der Regel geht HUMR von einer (Bild-)Volumen-Erfassung mittels 3D/4D-Scannern aus, z.B. DVT und SMA können aber auch weiterhin zusätzlich mit dem Freehand-Verfahren (2D-Bild-Erfassung und Konvertierung nach 3D/4D) eingesetzt werden. Die Gründe für diese Modularität wurden in der Einführung bereits dargestellt. Dennoch ist ein HUMR- Simulator nur in seiner Gesamtheit aller Verfahren umfassend zu verstehen, und die Einzelverfahren werden auch in ihrer Realisierung dennoch auch ein Ganzes darstellen. HUMR ist allerdings - soweit es sich ausdrücklich nur auf SDMD-Ultraschall-Scanner bezieht, nicht nur von deren Entwicklung, d.h. primär deren (Bild-)Volumen-Qualität, abhängig, sondern bei der Verfahrens-Realisierung auch von der jeweils aktuell verfügbaren Rechner(PC)-Technologie. Verglichen mit der heute aktuellen Simulator-Generation ergibt sich zunächst folgendes Bild:Overall, HUMR is a heuristic or hybrid method, which partly consists of (1) single methods / procedures common to all applications, and partly of (2) individual methods / procedures which only relate to specific applications. As a rule HUMR assumes a (image) volume acquisition using 3D / 4D scanners, eg DVT and SMA can still be used additionally with the Freehand process (2D image acquisition and conversion to 3D / 4D) become. The reasons for this modularity have already been presented in the introduction. Nevertheless, a HUMR simulator is to be understood comprehensively only in its entirety of all methods, and the individual methods will nevertheless also represent a whole in their realization. However, HUMR is - as far as it relates explicitly to SDMD ultrasound scanners, not only dependent on their development, ie primarily their (image) volume quality, but in the process realization of the currently available computer ( PC) technology. Compared with today's simulator generation, the following picture emerges:
Die höhere Voxelzahl der Volumina bzw. Schnittbild-Pixel, die im Vergleich zum 2D-basierten Freehand-Verfahren mit 3D-Rekonstruktion versus immer besserer 3D/4D-Scanner durch wachsende geometrische Auflösung bedingt ist, als auch insbesondere durch die deutlich anwachsende Volumengröße, die sich durch größere erfasste bzw. zusammengefasste anatomische Bereiche ergibt, wird eine höhere Rechnerleistung und deutlich mehr Speicher bedingen Die parallel laufende Verarbeitung zusätzlicher Daten wie Schall-Modell- Oberfläche und bezogen darauf laufender Bewegungen des Transducer-Imitats werden aller Voraussicht nach eine Multi-Threading-Verarbeitung erfordern.The higher voxel number of volumes or slice pixels, which is due to increasing geometric resolution compared to the 2D-based Freehand method with 3D reconstruction versus better and better 3D / 4D scanner, and in particular by the significantly increasing volume size, the This will result in higher computing power and significantly more memory. Parallel processing of additional data, such as the sonic model surface and related movements of the transducer fiduciary, will most likely result in a multi-threading process. Require processing.
Der Zeitpunkt für HUMR bzw. einen Patentantrag ist jedoch nicht nur hinsichtlich der Entwicklung der Ultraschall-Scanner-Technologie (=> Erfassungs-Aspekt), sondern auch der Rechner(PC)-Technologie (=> Simulations-Aspekt) bewusst gewählt: Wir ste- hen in der PC-Technologie nun auch breiter Front am Beginn eines Wechsels von 32bit- zu 64bit -Systemen einerseits, und zu Multi-Core-Rechnem (Multi-Prozessor- Systeme) andererseits - und auch im übrigen wird sich simultan die ganze PC- Technologie, z.B. hin zu höheren Kapazitäten und Transfer-Geschwindigkeiten bei Speichermedien, mitentwickeln - all dies wird sich übrigens wiederum auch auf die (e- benfalls PC-basierte) Scanner-Technologie auswirken.However, the time for HUMR or a patent application is deliberately chosen not only with regard to the development of the ultrasonic scanner technology (=> acquisition aspect), but also the computer (PC) technology (=> simulation aspect): we ste - In PC technology now also broad front at the beginning of a change from 32bit to 64bit systems on the one hand, and to multi-core computers (multi-processor systems) on the other - and also the rest is simultaneously the whole PC - Technology, eg Incidentally, this will, in turn, affect the (also PC-based) scanner technology.
Bis HUMR sich also zum serienreifen Produkt, von (Anwendungs-)Forschung über System-Entwicklung bis hin zu einem ausreichenden Kanon aufgenommener Fälle entwickelt hat, werden auch die für eine gute Realisierung nötigen Technologien dafür tatsächlich alle auf einem vertretbaren Preis- und hohen Leistungs-Niveau verfügbar sein - und der Status quo reicht technologisch aus, um all diese Arbeiten jetzt beginnen zu können: Es gibt bereits erste 64bit-PCs, Duo-Core-Prozessoren (für Quatro- und Octo-Versionen läuft bereits die Entwicklung), leistungsfähige Graphikkarten, schnelle RAMs in Gbyte-Chip-Größe, Platten, die im Durchsatz schneller als Video- Streaming sind - sowie SDMD-Ultraschall-Scanner. Bei einigen HUMR-Verfahren ist es tatsächlich schwer vorhersehbar, wie genau die Endvarianten in der Realisierung aussehen werden, und „Forschung" ist da nicht übertrieben - schließlich wird hier viel Neuland betreten: Man muss ggf. Testaufbauten für periphere Komponenten durchführen oder per „Rapid Prototyping" o. dgl. verschiedene Algorithmen testen, um eine klare Vorstellung über die optimale Realisierung zu bekommen, falls man nicht mehr oder weniger auf Anhieb eine für alle wesentlichen Arbeitsbedingungen befriedigende Lösung erreicht.So until HUMR has evolved into a production-ready product, from (application) research, to system development, to a sufficient canon of recorded cases, even the technologies necessary for good implementation will all be available at a reasonable price and high performance. Level is available - and the status quo is technologically sufficient to start all this work now: There are already the first 64bit PCs, duo-core processors (for Quatro and Octo versions is already under development), powerful graphics cards , fast RAMs in Gbyte chip size, plates that are faster in throughput than video streaming - as well as SDMD ultrasound scanners. With some HUMR methods, it is actually difficult to predict exactly how the final variants will look in the realization, and "research" is not exaggerated - after all, there is a lot of new territory to be explored: One may have to perform test setups for peripheral components or use "Rapid Prototyping "o. Like. Different algorithms test to get a clear idea of the optimal implementation, if one no longer or less immediately reaches a satisfactory for all essential working conditions solution.
So sind z.B. DVT (in Form des vermutlich schwierigsten Teilverfahrens FET), und AHS (für die Pneumatik, Mikroprozessor-Steuerung und eine erste Schallmodell-Versuchs- Form) sowie SMA (für den dabei wichtigsten Teil, die Mamma-Sonographie) bereits als Prototypen soweit realisiert, dass die prinzipielle Funktionsfähigkeit bereits unter Beweis gestellt werden kann, aber es müssen dazu noch einige abschließende, optimierende Arbeiten durchgeführt werden - hier sind also Forschungsarbeiten schon weitgehend absolviert. Auf ADP, PVP und STP trifft dies noch gar nicht zu (allerdings sind dies auch diejenigen Verfahren, wo das Risiko „böser Überraschungen" am geringsten zu sein scheint) - zu IVS und DVA schließlich wurden erste Vorarbeiten begonnen, diese zeigen soweit auch erste befriedigende Ergebnisse, aber hier gibt es noch sehr viel zu tun.Thus, e.g. DVT (in the form of probably the most difficult sub-method FET), and AHS (for the pneumatics, microprocessor control and a first model of the acoustic model) and SMA (for the most important part, the mammography sonography) already realized as prototypes, that the basic functionality can already be proven, but some final, optimizing work has to be carried out - so research work has already been largely completed. This is not yet the case for ADP, PVP and STP (although these are the ones where the risk of "bad surprises" seems the least) - IVS and DVA have finally begun their preliminary work, which shows the first satisfactory results Results, but there is still a lot to do here.
Die alternativen Verfahren IVS und DVA sind ein gutes Beispiel für das Vorgehen, das sich auch aus der Verquickung mit der jeweiligen, sich fortentwickelnden Rechnertechnologie ergibt. DVA ist quasi der „straight-forward"-Ansatz - man speichert schlichtweg alle erfassten Volumina und greift bei der Simulation wieder direkt auf sie zu. IVS ist vom Ansatz her eher ein Weiterdenken und Perfektionieren der Freehand-Methode mit 2D-Erfassung hin zur Verarbeitung nativer 3D/4D-Volumina. Beide hängen in der Qualität ihrer Realisierung ab von der Leistungsfähigkeit der verwendbaren Rechnerkomponenten - was wiederum die verwendeten Algorithmen unmittelbar berührt.The alternative methods IVS and DVA are a good example of the procedure, which also results from the amalgamation with the respective, evolving computer technology. DVA is almost the "straight-forward" approach - you simply save all recorded volumes and access them directly in the simulation again.Firstly, IVS is more of a reflection and perfecting of the freehand method with 2D capture to processing native 3D / 4D volumes, both depend on the quality of their implementation on the performance of the usable computer components - which in turn directly affects the algorithms used.
Das PVP-Verfahren ist eng verwandt mit DVA: Eigentlich ist der einzige Unterschied im Grundgedanken der, dass PVP eher für Meta-Volumina konzipiert ist - und ansonsten, dass dementsprechend die verschiedenen Transducer-Perspektiven stärker divergieren und somit Distanzen zwischen verschiedenen zu ladenden (Meta-)Volumina größer angedacht sind, was dann wohl auch „mehr Ruhe" für das virtuelle Schnittbild impliziert. Ohne entsprechende Versuche wird es nicht hinreichend vorhersehbar sein, ob sich IVS oder DVA in der Praxis als besser erweist - oder eine Kombination aus bei- den. Letzteres erscheint aus heutiger Sicht als der wahrscheinlichste Ausgang, aber das ist aus all den erläuterten Gründen ziemlich spekulativ: Die Verfahrens- Realisierung dürfte stark abhängig von der jeweils verfügbaren Rechner-Technologie und dem Ausgang entsprechender Forschung sein. Daher sind IVS- und DVA- Verfahren als getrennte Alternativen dargestellt - mit dem Hinweis, dass nur eine der beiden oder auch eine Synthese beider Ansätze zur optimalen Simulations- Realisierung führt.The PVP method is closely related to DVA: Actually, the only difference in the basic idea is that PVP is designed more for meta-volumes - and otherwise that, accordingly, the different transducer perspectives diverge more and thus distances between different to be loaded (Meta It may well not be sufficiently predictable, if IVS or DVA proves to be better in practice - or a combination of two or more volumes. the. The latter seems to be the most likely outcome from today's point of view, but for all the reasons explained, this is rather speculative: the realization of the method should be highly dependent on the available computer technology and the outcome of appropriate research. Therefore, IVS and DVA methods are presented as separate alternatives - with the remark that only one of the two or even a synthesis of both approaches leads to an optimal simulation realization.
Das PVP-Verfahren wird separat dargestellt, (1) da derzeit noch nicht absehbar ist, wie genau es eingesetzt wird: Würde sich IVS als die überlegene Variante gegenüber DVA erweisen, sollte es in jedem Fall - und eventuell als eigenständige Software-Komponente - eingesetzt werden. Falls sich DVA als überlegen erweist, würde es bei der Programmierung wahrscheinlich eher wie eine Teilmenge davon bzw. als Spezialfall von DVA behandelt - es mag aber auch sein, dass es ähnlich wie bei IVS als Steuerung fungiert, die geeignete Teile der verfügbaren Volumina eines „Meta-Datensatzes" definiert und deren Laden steuert - (2) weil der anatomisch-schalltechnische Hintergrund des Verfahrens z.T. anders ist: PVP ist im Ansatz eine Problemlösung für die verschiedenen Abbildungen ein und desselben Volumens aus verschiedenen Anlotungen, während DVA im Ansatz eine Pro- blemlösung zur Darstellung von Ultraschallbildern ist, welche die Größe des Schallraums eines einzelnen Volumens überschreiten. Beide Ansätze sind jedoch als Verfahrens-Lösung weitgehend deckungsgleich.The PVP process is presented separately, (1) as it is currently not foreseeable how exactly it will be used: If IVS proved to be the superior variant to DVA, it should in any case - and possibly as an independent software component - used become. If DVA proves to be superior, it would probably be treated as a subset or as a special case of DVA in programming - but it may also be that, similar to IVS, it controls the appropriate portion of the available volumes of a DVA. " Meta-dataset "defines and controls their loading - (2) because the anatomical-sound-technical background of the procedure differs in part: PVP is initially a problem-solving for the different mappings of the same volume from different approaches, whereas DVA in the approach A solution for blasting ultrasound images that exceeds the size of the sonic space of a single volume, however, both approaches are largely congruent as a method solution.
Voraussetzung für ein gutes Funktionieren von IVS, DVA und PVP sind das SSP+VTP- Verfahren. Erst dadurch, dass die Software nicht lediglich die Volumina, sondern auch jedes Schallmodell „kennt" und die darauf bezogenen Transducer-Ortsdaten und - Bewegungen in geeigneter Form „verstehen" kann - und genau dies leisten SSP+VTP - wird ein wirklich befriedigendes Reagieren des Simulators hinsichtlich der zu ladenden (Meta-)Volumina und der sich daraus ergebenden virtuellen Schnittbilder erreich- bar. SPP und insbesondere VTP sollen, soweit nötig und möglich, auch eine „Look- Ahead"-Logik für Bewegungen des Trandsducer-Imitats beinhalten. All dies könnte für sich bereits ein (sowieso permanent laufender,) derart rechenintensiver Prozess werden, dass dafür bereits ein eigener Software-Thread bzw. ein eigener Prozesser-Core erforderlich wird, wenn die Visualisierung virtueller Schnitte nicht ihren Real-Time- Charakter verlieren soll - und die erfordert für sich auch schon mehr Rechenleistung als bisher. Mit einer „Look-Ahead"-Logik via eigenem Thread und Prozessor-Core hingegen könnte STP dann das Laden der Bilder sogar beschleunigen und evtl. auch weitere Hilfsprogramme steuern, die für möglichst „weiche Übergänge" zwischen verschiedenen Volumina sorgen. STP wird trotz solcher Zusammenhänge dennoch als ei- genständiges Verfahren dargestellt, da es auch andere, darüber wesentlich hinausreichende Fähigkeiten hat, die in dem entsprechenden Kapitel zu STP näher erläutert werden.A prerequisite for the proper functioning of IVS, DVA and PVP is the SSP + VTP procedure. The fact that the software not only "knows" the volumes but also each sound model and "understands" the related transducer location data and movements in a suitable form - and this is exactly what SSP + VTP does - will produce a truly satisfying response Simulator regarding the (meta-) volumes to be loaded and the resulting virtual cross-sectional images reachable. SPP and in particular VTP should, as far as necessary and possible, also include a "look-ahead" logic for movements of the Trandsducer-Imitats, all of which could already be a (anyway permanently running) process so computationally intensive own software thread or its own processor core is required if the visualization of virtual cuts should not lose their real-time character - and that requires more computing power as before. On the other hand, with a look-ahead logic via its own thread and processor core, STP could even accelerate the loading of the images and, if necessary, also control other utilities that ensure as "soft transitions" as possible between different volumes. Nevertheless, STP is presented as a stand-alone process, despite the fact that it also has other capabilities that are more extensive than those discussed in more detail in the STP chapter.
DVT behandelt die Triggerung bei der Erfassung dynamischer bzw. 4D-Volumina - vor allem das Teilverfahren der fetalen Echokardiographie-Triggerung (FET). EKG und Respirations-Trigger sowie ein Trigger für irreguläre Bewegungen werden nur hier kurz erwähnt - z.B. EKG- oder Respirations-Trigger sind keine Innovationen und werden daher vernachlässigt.DVT treats triggering in the acquisition of dynamic or 4D volumes - especially the sub-procedure of fetal echocardiography triggering (FET). ECG and respiratory triggers, as well as a trigger for irregular movements are briefly mentioned here - e.g. ECG or respiration triggers are not innovations and are therefore neglected.
AHS behandelt die in der Ultraschall-Simulation ebenfalls neue Thematik „aktiver" - d.h. über eigene (Rechner-)lntelligenz verfügende Schall-Modelle. Sie können auch lebende Patienten z.B. per Respirations-Simulation besser abbilden, wo dies für die Anwendung erforderlich ist (z.B. Abdominal-Sonographie) - sowie auch „reaktive" (z.B. Schmerz-Reaktionen in der Notfall-Medizin) und interaktive (d.h. als Programmsteue- rung für den Simulator) Komponenten beinhalten. AHS hat wiederum auch Zusammenhänge mit STP.AHS also deals with the topic of "active" sound models - ie with their own (computer) intelligence - in ultrasound simulation, as well as better visualization of living patients by means of respiration simulation, where this is required for the application (eg Abdominal sonography) as well as "reactive" (eg pain reactions in emergency medicine) and interactive (ie as program control for the simulator) components. In turn, AHS has connections with STP.
ADP ist ein mit PVP verwandtes, aber für die Doppler-Sonographie weiterentwickeltes Verfahren. Es zeichnet sich weiter eigenständig durch eine duale Lösung für Aufnahme und Simulation aus, was bei PVP keinen Sinn ergeben würde. ADP deckt grundsätzlich alle Doppler-Verfahren ab, bei denen der Anlotungswinkel von der bekannten Fehlerwinkel-Problematik betroffen ist.ADP is a process related to PVP, but advanced for Doppler sonography. It further distinguishes itself by a dual solution for recording and simulation, which would make no sense in PVP. In principle, ADP covers all Doppler methods in which the angle of attack is affected by the known error angle problem.
SIA schließlich ist ein Verfahren, das die Erfassung von Weichgewebe ohne Stützstrukturen (z.B. die weibliche Brust für die klinisch hochrelevante Mamma- Sonographie, evtl. auch Fettbauch u.a.) überhaupt erst sinnvoll für die Simulation ermöglicht. Es ist grundsätzlich in zwei Varianten - einer mit manueller Transducer- Führung sowie einer mit motorisierter Transducer-Führung realisierbar - nur im letzteren Fall ist dazu evtl. auch eine einfache Steuerungs-Software sinnvoll. Das Verfahren ist ansonsten eine rein „mechanische" Lösung. Nur mit SIA ist eine vollständige Brust (oder derer zwei) erfassbar, was eigentlich für die mammasonographische Grundausbildung unabdingbar ist (systematische bzw. strukturierte Untersuchung von Drüsengewebe etc.)- Außerdem liefert SIA auch Grund-Voraussetzungen für eine standardisierte Untersuchung - und das Fehlen eines Standards war bisher der Haupt- Kritikpunkt an der Mamma-Sonographie.Finally, SIA is a procedure that makes the detection of soft tissue without supporting structures (eg the female breast for the clinically highly relevant mammography sonography, possibly also fat abdomen, etc.) possible in the first place meaningful for the simulation. It is basically possible in two variants - one with manual transducer guidance and one with motorized transducer guidance - only in the latter case, a simple control software may be useful. The procedure is otherwise a purely "mechanical" solution, only with SIA is a complete chest (or the two of them), which is actually essential for the basic education in mammography (systematic or structured examination of gland tissue etc.) - In addition, SIA also provides basic prerequisites for a standardized examination - and the absence of a standard has been the main criticism so far at the Moms sonography.
Die besagte „erste Generation" von Ultraschall-Simulatoren hat zum einen gemeinsam, dass sie zumindest in ihren Anfängen auf der Konvertierung erfasster (2D-)Ultraschall- Frames in ein Volumen basierte, zum anderen aber auch, dass sie mit magnetfeldba- sierten 3D-Sensoren gearbeitet haben. In dieser Darstellung einer „Folge-Generation", die auf dem/den HUMR-Verfahren basiert, wird hier zunächst weiterhin von letzteren 3D-Sensoren ausgegangen. Inzwischen sind auch andere Sensoren - z.B. optische, Kamera- oder Laser-basierte Systeme, Trägheits-basierte Sensoren usw. - denkbar, mit denen die notwendigen 3D-Daten für Erfassung und Visualisierung bzw. Simulation einschließlich der nachfolgenden Positionierung von (Meta-) Volumina ermittelt werden können. Ohne Ortsdaten-Sensorik bei der Erfassung (jedoch nicht bei der Simulation) kämen auch Verfahren aus, welche Bildverarbeitungs-Prozessoren einsetzen, die alle Voxel „verfolgen" (Tracking) und damit Volumina (über die Grosse des Volumens, das durch den unmittelbaren Schallraum eines Transducers definiert ist, hinaus) aneinanderfügen können - zur reinen Visualisierung großer Volumina würde dies ausreichen, für die Simulation von Volumina in einem Schallmodell ist dies allein jedoch keine Lösung.The said "first generation" of ultrasound simulators has in common that at least in its beginning it was based on the conversion of acquired (2D) ultrasound frames into a volume, but on the other hand, that they are based on magnetic-field-based 3D In this representation of a "successor generation", which is based on the HUMR method (s), the latter will initially continue to be based on the latter 3D sensors. Meanwhile, other sensors - e.g. optical, camera or laser-based systems, inertial-based sensors, etc. - conceivable with which the necessary 3D data for acquisition and visualization or simulation including the subsequent positioning of (meta) volumes can be determined. Without spatial data sensors in the detection (but not in the simulation) would also come from processes that use image processing processors that "track" all voxels (and thus volumes (over the size of the volume, by the immediate sound space of a Transducers is defined, beyond) - this would suffice for the pure visualization of large volumes, but this alone is no solution for the simulation of volumes in a sound model.
Auf Alternativen zu magnetfeldbasierten 3D-Sensoren wird in dem letzten Kapitel 10 noch näher eingegangen - die sonstigen HUMR-Verfahren sind darauf jedoch ebenso anwendbar, sodass in den Kapiteln 1-9 der Einfachheit halber nur auf die bisher verwendeten magnetfeldbasierte Sensoren eingegangen wird.Alternatives to magnetic field-based 3D sensors are discussed in more detail in the last chapter 10 - but the other HUMR methods are also applicable to them, so that in Chapters 1-9, for simplicity, only the previously used magnetic field-based sensors will be discussed.
HUMR dient somit einem den Zweck perfektionierender Visualisierung und Simulation des bildgebenden Ultraschalls erfüllenden Verfahren in vielen wichtigen Aspekten.HUMR thus serves a purpose perfecting visualization and simulation of imaging ultrasound-fulfilling procedures in many important aspects.
2 IVS - DVA: 2 Darstellungs- Ansätze für Meta-Volumina2 IVS - DVA: 2 presentation approaches for meta-volumes
IVS (Integrative Volume Sampling) und DVA (Diract Volume Access) sind zwei alternative Methoden , um bei der Simulation möglichst bzw. angemessen große Areale an dem Patienten-Modell virtuell schallen zu können. Beide sind zunächst alternative Methoden, bei der native 3D/4D-Volumina von entsprechenden Ultraschall-Scannern in ein Akquisitions-System eingelesen werden.IVS (Integrative Volume Sampling) and DVA (Diract Volume Access) are two alternative methods of virtual simulation of large enough areas of the patient model, if possible. Both are initially alternative methods in which native 3D / 4D volumes are read by appropriate ultrasound scanners into an acquisition system.
IVS und DVA mögen aber auch für die Diagnostik eine gewisse Bedeutung erlangen. Statt Steuerung mit dem 3D-Sensor (im Transducer-Imitat) ist z.B. auch eine Maus zur Schnittsteuerung durch ein (Meta)Volumen realisierbar - sogar ohne ein Patienten- Modell. Man könnte so größere, zusammenhängende Bereiche eines Patienten eins- cannen und auch nach der Untersuchung bzw. ohne Präsenz des Patienten visualisie- ren - ähnlich wie bei radiologischen Verfahren (Röntgen, CT, MR) - soweit die Patien- ten-Präsenz nicht für eine Interaktion/Kooperation (z.B. Abwehrspannung der Bauchmuskulatur bei Ultraschall-Untersuchung einer Gallenkolik) zwischen Arzt und Patient notwendig ist. Auch eine Internet- oder (W)LAN-Variante könnte auf dieser Basis realisiert werden.IVS and DVA may also gain some importance for diagnostics. Instead of controlling with the 3D sensor (in the transducer imitation), e.g. Also, a mouse can be realized for cutting control through a (meta) volume - even without a patient model. One could scan larger, coherent areas of a patient and also visualize them after the examination or without the presence of the patient - similar to radiological procedures (X-ray, CT, MR) - as far as the patient presence is not for one patient Interaction / cooperation (eg defense tension of the abdominal muscles during ultrasound examination of a biliary colic) between doctor and patient is necessary. An Internet or (W) LAN variant could also be realized on this basis.
Für IVS und DVA sind folgende gemeinsame Aspekte zu definieren:For IVS and DVA the following common aspects have to be defined:
Beide Verfahren erfassen 3D/4D-Volumina mit dem Ziel, auch größere zusammenhängende Bereiche unmittelbar zur Visualisierung bzw. zum virtuellen Schallen verfügbar zu haben, als dies der vorgegeben Größe eines Transducer-Schallraums - etwa bei einer statischen Positionierung - entspricht, auch größer, als dies mit dem bisherigen Freehand-Verfahren (2D => 3D/4D) möglich war. Dies würde dem realen Schallen eines Patienten deutlich näherkommen als die bisherige Simulation. Die mit 3D/4D- Transducern mögliche geometrische Auflösung soll dabei praktisch 1 :1 erhalten bleiben. IVS verfolgt den Ansatz, derartige Meta-Volumina tatsächlich so zusammenhän- gend zu generieren, während AVS den Ansatz verfolgt, einen solchen Effekt simulierend durch i.w. unveränderte Abspeicherung von und schnellen Zugriff auf alle diese nativen 3D/4D-Volumina zu erreichen.Both methods capture 3D / 4D volumes with the goal of having larger contiguous areas immediately available for visualization or for virtual sounding, as this corresponds to the given size of a transducer sound space, for example in a static positioning, even larger than this was possible with the previous Freehand method (2D => 3D / 4D). This would be much closer to the real sound of a patient than the previous simulation. The geometric resolution possible with 3D / 4D transducers should be preserved practically 1: 1. IVS pursues the approach of actually generating such meta-volumes in such a coherent way, while AVS pursues the approach of simulating such an effect through i.w. to achieve unaltered storage of and quick access to all these native 3D / 4D volumes.
Der Geräte-Aufbau bei IVS - DVA für das gesamte Aufnahme-System umfasst also ei- nen 3D/4D-Scanner und einen Aquisitions-Rechner, d.h. einen leistungsfähigen PC mit 3D-Sensor, dessen Empfänger auf dem Volumen-Transducer oder Matrix-Transducer an definierter Stelle befestigt wird. Für die Erzeugung periodisch-dynamischer Volumina kann nötigenfalls auch noch ein Triggergerät zur Zeittaktung der Aufnahme bzw. zeitlichen Zuordnung erfasster Volumina hinzugefügt werden. Eine Graphik dazu ist auch in Abb.12 zu sehen, die i.w. auch hier gültig ist. Wenn diese 3D/4D-Scanner über eine „Streaming"-Datenübertragung verfügen, wäre dies die Methode der Wahl. Derzeitiger Stand der Technik ist aber eher eine Zwi- schenspeicherung von aufgenommenen Volumen-Sequenzen in den Scannern, die erst nach der Erfassung dann in das Akquisitions-System übertragen werden können. Das Akquisitions-System muss dementsprechend über eine Aufnahme-Steuerung und ein Verfahren für die zeitliche Zuordnung der erfassten Volumina zu den zeitgleich er- fassten Ortskoordinaten des 3D-Sensors verfügen.The device setup for IVS - DVA for the entire recording system thus includes a 3D / 4D scanner and an acquisition computer, ie a powerful PC with 3D sensor, its receiver on the volume transducer or matrix transducer is attached at a defined location. For the generation of periodic-dynamic volumes, if necessary, a trigger device can also be added for timing the recording or time allocation of detected volumes. A graphic can also be seen in Fig.12, which is also valid here. If these 3D / 4D scanners have "streaming" data transmission, this would be the method of choice, but the current state of the art is rather an intermediate storage of recorded volume sequences in the scanners, which are then recorded in the scanned image Accordingly, the acquisition system must have an acquisition control and a method for the temporal allocation of the acquired volumes to the simultaneously recorded spatial coordinates of the 3D sensor.
Der 3D-Sensor besteht aus einer PC-Steckkarte, die in Verbindung mit ihrer Treiber- Software bereits eine gewisse Datenvorverarbeitung erledigt. An diese Steckkarte wird ein Sender, der eine Magnetfeld-Hemisphäre erzeugt, und ein Empfänger (etwa in Zuckerwürfel-Größe oder auch in kleineren Varianten), der dieses Magnetfeld registriert, angeschlossen und betrieben. Die so generierten Daten werden als 3dimensionales Bezugskoordinatensystem X, Y, Z und darauf bezogen wiederum als 3dimensionales Ortskoordinatensystem Xx F1 Z1 ausgegeben - das heißt praktisch, dass der Sensor ein Basisdatensystem erzeugt, in dem dann die räumliche Position registriert wird - mit anderen Worten beschreibend heißt dies, dass sowohl die Bewegung des Empfängers im Raum als auch die Ausrichtung im Raum erfasst wird. Ingenieure mögen das als 6 Freiheitsgrade, Ma- thematiker als 6 Dimensionen bezeichnen.The 3D sensor consists of a PC card which, in conjunction with its driver software, already performs a certain amount of data preprocessing. On this plug-in card is a transmitter that generates a magnetic field hemisphere, and a receiver (about in sugar cube size or in smaller variants) that registered this magnetic field, connected and operated. The data thus generated are output as a three-dimensional reference coordinate system X, Y, Z and, in turn, as a three-dimensional location coordinate system X x F 1 Z 1 - that is to say in practice that the sensor generates a basic data system in which the spatial position is then registered - with others Describing words, this means that both the movement of the receiver in space and the orientation in space is detected. Engineers may call this 6 degrees of freedom, mathematicians 6 dimensions.
Der 3D-Sensor ist insofern also eigentlich ein räumlich 6-dimensionaler Sensor. Dies ist für ein angemessenes „Tracking" des Transducers auch zwingend notwendig - es sei denn, man kann Sensorsysteme einsetzen, die ein festes Bezugs-Koordinatensystem haben, wo man dann mit 3 Freiheitsgraden auskommen würde, worauf später noch eingegangen wird - zunächst jedoch zum aktuellen Stand der Technik mit magnetfeldbasierten Sensoren:So far, the 3D sensor is actually a spatially 6-dimensional sensor. This is imperative for proper "tracking" of the transducer - unless you can use sensor systems that have a fixed reference coordinate system, where you would get along with 3 degrees of freedom, which will be discussed later - but first to the current State of the art with magnetic-field-based sensors:
Das Magnetfeld hat einen Arbeitsbereichs-Durchmesser von typisch 60 cm (Halbkugel) - in dieser Hemisphäre ist die definierte Genauigkeit gewährleistet. Der 3D-Sensor hat dort einen max. Fehler von 1 mm, was so nahe bei der Ultraschall-Auflösung liegt, so- dass man also tatsächlich von einem prinzipiell geometrisch korrekten Verfahren ausgehen kann. Für signifikant höhere Auflösungsleistungen ist schon der Ultraschall selbst nicht mehr geeignet, es können damit voll ausreichend geometrische Messfunktionen (beim Ultraschall stets in mm inkrementiert) angewandt werden, und die opti- sehen Ergebnisse der Bildgebung (z.B. bei Berechnung von Übergängen von einem Volumen zu einem Nachbarvolumen) sind entsprechend allen Vorarbeiten hinreichend bis sehr gut bzw. liefern damit eine gute geometrische Basis für Feinanpassungen. Übrigens wurden derartige Erfassungs-Systeme für 2D-Transducer auch CE- zertifiziert, und zwar nach Medizingeräte-Klasse 2a, d.h. wie ein Ultraschallgerät, was mittelbar diese Feststellung belegt - und es gibt überhaupt keinen Grund, anzunehmen, dass sich diese implizite Bewertung der Sensorgenauigkeit durch Einsatz eines 3D-Transducers statt eines 2D-Transducers verändern würde, weil sich dadurch an dem Sensor absolut nicht ändert.The magnetic field has a working area diameter of typically 60 cm (hemisphere) - in this hemisphere the defined accuracy is guaranteed. The 3D sensor has a max. Error of 1 mm, which is so close to the ultrasonic resolution, so that one can actually start from a principle geometrically correct method. The ultrasound itself is no longer suitable for significantly higher resolution powers, so that fully sufficient geometric measurement functions (always incremented in mm for ultrasound) can be used, and the optimal imaging results (eg when calculating transitions from one to two) Volume to a neighboring volume) are adequate to very good according to all preparatory work or provide a good geometric basis for fine adjustments. Incidentally, such detection systems for 2D transducers have also been CE certified, namely, medical device class 2a, ie, like an ultrasound device, which indirectly substantiates this finding - and there is no reason to assume that this implied assessment of sensor accuracy would change by using a 3D transducer instead of a 2D transducer, because this does not change at the sensor absolutely.
Der Sender kann einfach neben dem Patienten in ausreichender Nähe zum Empfänger aufgestellt werden, der seinerseits auf einer kleinen, am Transducer festmontierten Grundplatte als „Clip" an genau definierter Stelle angebracht (und wieder abgenommen) werden kann. Es ist bei Aufnahmen darauf zu achten, dass in dem Raum, wo die Aufnahme stattfindet, keine signifikanten Magnetfelder auftreten, welche die 3D- Sensorfunktion beeinträchtigen. Dafür steht aber eine Messfunktion zur Verfügung, und die Erfahrung hat gezeigt, dass derlei nur in Ausnahmefällen auftritt. Auf diese Position des Empfängers wird der 3D-Sensor bzw. Transducer nun kalibriert - ebenso werden für alle Eindringtiefen des verwendeten Transducers die geometrischen Eigenschaften seines Schallraums und seiner Abbildung ausgemessen bzw. de- finiert und gespeichert. Damit ist das System vollständig parametrisiert und kalibriert - und damit grundsätzlich arbeitsbereit. Alles weitere betrifft dann die Methode der Aufnahme bzw. ihrer Verarbeitung, was nachfolgend auch in allgemein beschreibender, mathematischer Form erfolgt.The transmitter can simply be placed next to the patient in sufficient proximity to the receiver, which in turn can be attached (and removed) to a small base fixed to the transducer as a "clip" at a well-defined location. There are no significant magnetic fields in the room where the picture is taken, which affects the 3D sensor function, but a measurement function is available and experience has shown that this only happens in exceptional cases 3D sensor or transducer now calibrated - the geometrical properties of the sound space and its image are measured, defined and stored for all penetration depths of the transducer used, meaning that the system is fully parameterized and calibrated - and therefore basically ready for work then concerns the method of Aufna hme or their processing, which is subsequently also in a generally descriptive, mathematical form.
Beide Methoden werden hier separat beschrieben. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile, soweit dies theoretisch im Voraus erschließbar ist. In der HUMR- Beschreibung wurde darauf bereits kurz, jedoch eher mit Fokus auf die Rechnertechnologie, eingegangen.Both methods are described separately here. Both methods have advantages and disadvantages, as far as theoretically possible in advance. The HUMR description has already dealt with this briefly, but more with a focus on computer technology.
Das hier später beschriebene PVP-Verfahren gibt einen Hinweis darauf, wo z.B. mit DVA praktische Probleme entstehen könnten: Das Erfassen mit einem Transducer unterscheidet sich stark vom typischen realen diagnostischen Schallen: Beim Erfassen hält man den Transducer weitgehend quasi in der „Durchschnitts- Anlotung/Anwinkelung", nämlich etwa orthogonal zur Hautoberfläche - beim realen diagnostischen Schallen hingegen führt man wenige Sweeps durch, sondern kippt und dreht einen Transducer überwiegend - was man dann beim virtuellen Schallen selbstverständlich dann auch so nachvollzieht. „Streift" man beim Kippen oder Drehen ein Nachbarvolumen - oder befindet sich der Transducer im Übergansbereich zwischen zwei oder mehrerer benachbarter Volumina, würde dies vom Grundgedanken her dann das Laden solcher Nachbar-Volumina bewirken, was evtl. ein „nervös springendes" virtuelles Schnittbild nach sich ziehen würde.The PVP method described here gives an indication of where, for example, practical problems could arise with DVA: Capturing with a transducer is very different from the typical real diagnostic sounding: When capturing, the transducer is largely kept in the "average" / Angulation ", namely approximately orthogonal to the skin surface - in real diagnostic sounds, however, one performs a few sweeps, but tilts and Turns a transducer predominantly - which is then understood in virtual sounding then of course. If you "tap" when tilting or turning a neighbor volume - or is the transducer in the transition region between two or more adjacent volumes, this would then cause the idea of loading such neighbor volumes, which may be a "jump-jumping" virtual sectional image would draw.
Bei IVS hingegen ist z.B. zu klären, wieweit generierte Meta-Volumina Probleme hinsichtlich der Speicherkapazität, insbesondere für das RAM, aufwerfen. Es ist außer- dem vorerst von einem „Post-Processing" nach der Erfassung auszugehen. Grundsätzlich sollte man davon ausgehen, dass bei einem „Mosaicing", also Aneinanderfügen noch kleine Nachkorrekturen erforderlich sind. Außerdem dürften dann wohl weitere Problemstellungen zu lösen sein, wie zueinander zunächst passende Volumina auch zugleich bezüglich ihrer gesamten „Projektion" bzw. Positionierung unter der Schall- modell-Oberfläche (quasi die virtuelle Patienten-Haut) eingepasst werden können - es gibt also eine „Matching"-Aufgabenste!lung mindestens in zweierlei Hinsicht. Die Erfassung mit DVA könnte spürbar aufwendiger als mit IVS werden, um dann etwa alle Anlotungen/Anwinkelungen zu erfassen, damit Varianzen zwischen den geladenen Volumina möglichst klein gehalten werden man dadurch nötigenfalls das virtuelle Schnittbild quasi „beruhigen" kann - was evtl. die Belastbarkeitsgrenzen von erfassendem Arzt wie Patient überschreiten könnte. Auch IVS macht Überlegungen zu einem ähnlichen Vorgehen aber nicht obsolet.In IVS, on the other hand, e.g. to clarify to what extent generated meta-volumes pose problems in terms of storage capacity, especially for RAM. In addition, it should be assumed that post-processing will take place after the acquisition has been completed, and one should assume that "mosaicing", ie joining together, will require a small amount of post-corrections. In addition, then probably further problems should be solved, how mutually suitable volumes at the same time with respect to their entire "projection" or positioning under the sonic model surface (virtually the virtual patient skin) can be fitted - so there is a " Matching task at least in two ways. The capture with DVA could be noticeably more complicated than with IVS, and then to capture all the Anlotungen / Anwinkelungen, so that variances between the charged volumes are kept as small as possible, so to speak, if necessary, the virtual cross-sectional image "calm down" - what possibly the load limits of However, IVS also makes considerations for a similar approach obsolete.
Viele dieser Problemstellungen werden ohne praktische Versuche nicht beantwortbar oder lösbar sein. An „Anwendungs-Forschung" führt hier also kein Weg vorbei, um die beiden Ansätze abschließend und fundiert bewerten bzw. sich für den einen oder anderen Weg entscheiden zu können - oder eine optimale Synthese beider Ansätze zu suchen und zu realisieren. Mit solchen Vorarbeiten ist zwar seit einiger Zeit begonnen worden - soweit durchaus erfolgversprechend -, sie haben aber noch nicht einen Punkt erreicht, wo hier eine erste Verfahrens-Realisierung vorgestellt werden kann - für eine damit verbundene erste provisorische Festlegung ist das Thema zu komplex bzw. der momentane Zeitpunkt noch etwas zu früh.Many of these problems will be unanswerable or solvable without practical experimentation. Thus, there is no way around "application research" to assess the two approaches in a conclusive and well-founded way, or to decide one way or the other - or to seek and realize an optimal synthesis of both approaches Although it has been started for some time - as far as promising - but they have not yet reached a point where a first process implementation can be presented here - for a related first provisional determination, the topic is too complex or the current time still a bit too early.
Der Vollständigkeit halber sei hier auch noch ein weiteres Verfahren erwähnt: Es gibt inzwischen Bildverarbeitungs-Prozessoren, die in der Lage sind, einzelne Pixel bei UIt- raschall-Aufnahmen zu verfolgen - so z.B. beim SIESCAPE-Verfahren der Fa. SIE- MENS. Diese Prozessoren kommen nun bei einigen modernen Ultraschall-Scannern zum Einsatz. Grundsätzlich ist dies ein sehr interessanter Lösungsansatz, der im Prinzip auch zur Generierung von Metavolumina eingesetzt werden könnte - wieweit diese Anwendung für 3D bzw. zur Erzeugung von Metavolumina einsatzfähig ist, konnte der- zeit noch nicht abschließend geklärt werden, außerdem würde man bei diesem Weg damit von einzelnen Herstellern abhängig - auch die Einbindung anderer HUMR- Verfahren ist nicht gegeben - und die Aufnahmetechnik zum Zweck der Simulation sollte aus heutiger Sicht unabhängig von den Herstellern einzelner Ultraschall-Scanner bleiben, um universell einsetzbar zu sein. Grundsätzlich wäre dieses Feature mit sehr schnellen Rechnern aber auch durch Software realisierbar.For the sake of completeness, another method is mentioned here: There are now image processing processors that are able to track individual pixels in ultrasound recordings - such as in the SIESCAPE method of the company SIE. MENS. These processors are now used in some modern ultrasonic scanners. Basically, this is a very interesting approach, which could be used in principle for the generation of metavolumina - to what extent this application for 3D or for the production of metavolumina is operational, could not yet be clarified conclusively, also one would in this way This does not depend on individual manufacturers - the integration of other HUMR methods is also not available - and the recording technology for the purpose of simulation should, from today's perspective, remain independent of the manufacturers of individual ultrasonic scanners in order to be universally applicable. Basically, this feature would be realizable with very fast computers but also by software.
Allerdings - eine pixel/voxel-genaue Darstellung von Meta-Volumina ist angesichts der realen biologischen Varianzen in der Ausbildung (!) typischerweise nicht unbedingt notwendig/zielführend - die Genauigkeit heutiger 3D-Sensoren reicht zur Simulation aus.However - a pixel / voxel-accurate representation of meta-volumes is typically not necessary / expedient in view of the real biological variances in the training (!) - the accuracy of today's 3D sensors is sufficient for the simulation.
2.1 IVS: Integrative Volume Sampling - Creating Meta-Volumes2.1 IVS: Integrative Volume Sampling - Creating Meta Volumes
Ziel von IVS ist die Erzeugung von Meta-Volumina. Die Voraussetzungen und genaue- ren Zielsetzungen wurden bereits in dem einleitenden Kapitel „2 IVS - DVA" erläutert.The goal of IVS is the generation of meta-volumes. The requirements and more precise objectives were already explained in the introductory chapter "2 IVS - DVA".
Ein Grundgedanke bei IVS ist, dass in prinzipiell geometrisch korrekter Form Volumina aneinandergefügt werden - und zwar nur um den Bereich eines folgenden Nachbar- Volumens entsprechend der Fortbewegung des Erfassungs-Transducers bzw. seines Schallraums - oder umgekehrt, dass das jeweils letzte Volumen das entsprechend vorangehende stets auch in dem jeweiligen „Überlappungsbereich" ersetzt und stets nur den nicht überlappenden Bereich beibehält/abspeichert. Welchen Modus man wählt, kann man einfach pragmatisch entsprechend dem besseren Ergebnis entscheiden/umschalten.A basic idea with IVS is that, in principle geometrically correct, volumes are joined together - and only around the area of a following neighbor volume according to the movement of the acquisition transducer or its sonic space - or vice versa, that the respective last volume is the corresponding preceding one It also always replaces the non-overlapping area, which one can simply decide pragmatically on the basis of the better result.
Weiter können in einem Sweep, der zu erfassende dynamische Strukturen erreicht, Fortbewegungspausen des Transducers eingelegt werden, bis die betreffenden Volumina (z.B. mindestens eine periodische Bewegung dauernd) fertig erfasst sind, und dann den Erfassungs-Sweep fortsetzen. Die Sweep-Geschwindigkeit ist fast beliebig, solange sie nicht die Größe eines Volumens pro „1 /Volume-Rate" (Volume-Rate = Scan-Geschwindigkeit des Transducers) auf der Sweep-Strecke überschreitet. Auch die Sweep-Richtung ist beliebig - nur mit der praktischen Einschränkung, dass die Sweep-Bewegung jeden Bereich des gewünschten Erfassungs-Areals mindestens einmal erfasst haben muss, um das gewünschte Meta-Volumen vollständig generieren zu können. Hierbei kann den Erfasser eine graphische Hilfs-Software (z.B. ähnlich „Radierer-Spur" in Zeichenprogrammen) unterstützen, die visualisiert, wie viel bereits erfasst wurde bzw. was noch nicht erfasst wurde.Further, in a sweep that achieves dynamic structures to be detected, trajectory pauses of the transducer may be inserted until the respective volumes (eg, at least one periodic motion are persistent) are completed, and then continue the acquisition sweep. The sweep speed is almost arbitrary, as long as it is not the size of a volume per "1 / volume rate" (volume rate = Scan speed of the transducer) on the sweep path. The sweep direction is also arbitrary - but with the practical restriction that the sweep movement must have detected each area of the desired detection area at least once in order to be able to fully generate the desired meta volume. In this case, the author can support a graphic auxiliary software (eg similar to "eraser track" in drawing programs), which visualizes how much has already been recorded or what has not yet been recorded.
Bei Transducern mit motorischen Komponenten muss evtl. eine magnetische Abschir- mung des 3D-Sensors am Transducer gegen magnetische Interferenzen angebracht werden.For transducers with motor components, magnetic shielding of the 3D sensor on the transducer may be required to prevent magnetic interference.
Bei 3D-Sensoren (bei optischen Sensoren evtl. mit Unterstützung von Kameras) ist eine geometrische „Kalibration" anhand anatomischer Leitstrukturen, die für die Lokali- sierung des Volumens in dem Schallmodell an dessen analogen Leitstrukturen „wiederholt" wird, zur Vereinfachung der Lokalisierung (auch als Positionierung bezeichnet) möglich. Weiter kann so eine uniforme Aufnahmesituation - d.h. eine uniforme Anordnung (Position und Abstand) von Patient zu 3D-Sensor-Sender - realisiert werden.In the case of 3D sensors (with the aid of cameras, in the case of optical sensors), a geometric "calibration" using anatomical lead structures, which is "repeated" for the localization of the volume in the sound model on its analog lead structures, is used to simplify the localization ( also referred to as positioning) possible. Furthermore, such a uniform recording situation - i. a uniform arrangement (position and distance) from patient to 3D sensor transmitter - realized.
Die Software stellt folgende zwei grundlegende Aufnahme-Modi zur Verfügung:The software provides the following two basic recording modes:
Ab einem Ersten (Start-)Volumen wird jeweils das durch die Translation (eine auch mögliche kleine Rotation soll hier vernachlässigt werden) des Transducers generierte nächste Teilvolumen ohne die Überlappung mit dem Startvolumen addiert, dieses addierte Volumen wird bei fortschreitender Translation wiederum wie das Startvolumen mit der Eddition des nächsten Volumens vergrössert etc.From a first (start) volume, the next partial volume generated by the translation (a possible small rotation should be neglected here) is added to the start volume without the overlap, this added volume will again be like the start volume as the translation progresses the eduction of the next volume increases, etc.
Wie zuvor, jedoch „überschreibt" das jeweilige Translations-Volumen den Überlappungsbereich des zuvor erfassten Volumens.As before, however, the respective translational volume "overwrites" the overlap area of the previously acquired volume.
Darüber hinaus sind auch komplexere Additionsformen denkbar, die hier jedoch nicht weiter ausgeführt werden und der Verfahrensrealisierung vorbehalten sein sollen. Jedenfalls bleiben alle Einzel-Volumina bleiben jedoch gleichzeitig auch zunächst in vollständiger Form gespeichert, um mit allen Daten für Korrekturen des „Matchings" (s.u.) weiter verfügbar zu sein. Nach dieser Basis-Erfassung erfolgt ein „Post-Processing" - ein sog. „Matching" - bei dem die erfassten Volumina mit Algorithmen wie Kreuzkorrelation o.a. einerseits bezüglich ihrer „Nachbarschaft" zueinander angepasst werden - und andererseits hinsichtlich ihrer „Passform" für ihre Position in dem Schallmodell, d.h. primär ihrer korrek- ten Ausrichtung unter der „Haut" (oder anderer anatomischer Strukturen) des Schallmodells angepasst werden — für beide Anpassungen ist mit dieser Vorverarbeitung also auch ein optimaler Kompromiss zwischen diesen beiden Kriterien zu ermitteln. Ebenso können derartige (bezogen auf die Aufnahme:) „Post-Processing"-Algorithmen (bzw. „Pre-Processing" bezogen auf die Simulation) Varianzen der Transducer- Anlotung bei der Volumen-Akquisition (s.a. Teil 6 und 8) nachkorrigiert werden.In addition, more complex addition forms are conceivable, which, however, are not further elaborated here and should be reserved for process realization. In any case, all individual volumes remain at the same time initially stored in their entirety in order to be available with all data for corrections of the "matching" (see below). After this basic detection, a "post-processing" - a so-called "matching" - takes place in which the detected volumes are matched with algorithms such as cross-correlation on the one hand with respect to their "neighborhood" - and on the other hand with regard to their "fit" for their position in the sound model, that is to say, they are primarily adapted to their correct orientation under the "skin" (or other anatomical structures) of the sound model - with this preprocessing, therefore, an optimal compromise between these two criteria must also be determined for both adaptations. in relation to the image :) "post-processing" algorithms (or "pre-processing" based on the simulation) variances of the transducer clipping during the volume acquisition (see also part 6 and 8) can be post-corrected.
Abschließende praktische Anmerkung: Wenn man die Freehand-Methode kennt und obigen Erfassungs-Vorgang versteht und dann beides miteinander vergleicht, wird klar, dass sich die Erfassung mit IVS voraussichtlich drastisch vereinfacht - und das, ob- wohl sich bei größeren Volumina auch noch Artefaktfreiheit und Auflösung verbessern.Concluding Practical Note: If you know the Freehand method and understand the above capture process and then compare the two, it becomes clear that IVS capture is likely to be drastically simplified - and that, even with larger volumes, will still have artifact freedom and Improve resolution.
Wie in den nachfolgenden Kapiteln näher ausgeführt, wird es zur Erreichung ausreichender „Perfektion" der Simulation notwendig sein, gleiche Volumina mehrfach (z.B. aus verschiedenen Körperreg ionen bzw. „Anlotungen" heraus) zu erfassen - dennoch dürfte dieser „Mehraufwand" durch die prinzipbedingt geringe Artefaktanfälligkeit und die prinzipielle Bedienerfreundlichkeit der Erfassungs-Software (siehe „Radiergummi"- Tracking der Aufnahme) bei IVS-DVA diesen Mehraufwand erträglich machen.As detailed in the following chapters, to achieve sufficient "perfection" of the simulation, it will be necessary to record equal volumes multiple times (eg from different body regions or "leads") - nevertheless, this "additional effort" may be due to the inherent low Artifactivity and the ease of use of the acquisition software (see "Eraser" - Tracking the recording) in IVS-DVA make this extra effort bearable.
Nachfolgend nun die mathematisch gefasste Beschreibung von IVS:Below is the mathematical description of IVS:
Vorbemerkungen:Preliminary remarks:
• Wesentlichstes Charakteristikum dieses Verfahrens ist seine Fähigkeit, mehrere benachbarte, eingescannte Schall-Volumen nicht nur approximativ (und sei dies computergestützt durchgeführt), sondern grundsätzlich geometrisch korrekt an- einander zu fügen. „Grundsätzlich" bedeutet dabei, dass bei der Realisierung eines Verfahrens systemtechnisch bedingte Ungenauigkeiten zu berücksichtigen sind, und in der biologisch-medizinischen Realität beim Einscannen Artefakte wie z.B. kleine Verschiebungen (bedingt durch Atmungsbewegungen etc.) der Körperstrukturen von einem Volumen zum nächsten entstehen können, die zusätz- lieh „nachkorrigierende" Optimierungsverfahren notwendig machen können. Den- noch hat dieses Verfahren eben diese spezifische Fähigkeit, als ersten Schritt eine geometrisch korrekte, definierte Grundlage für eine derartige Aneinanderfügung von Schallvolumen zu liefern. (Dies hat bei dem Grad der „Korrektheit" für die Wiedergabe physiologischer/pathologischer Strukturen definitiv eine prakti- sehe Bedeutung, wenn nicht nur „Überblick/Orientierung", sondern konkrete diagnostische Differenzierungen gefordert sind, und insbesondere auch bei einer nachfolgenden Anwendung von Messfunktionen. Im Unterschied zu einem nur zur unmittelbaren Diagnostik eingesetzten Ultraschall-Scanner — hier als zentrale Aufnahme-Komponente fungierend - hat das dabei auch zur Diskussion stehen- de W/ectergrabe-System „Simulator" nicht die Möglichkeit, Unklarheiten durch nochmaliges Scannen von anteiligen Volumen (eines „Meta-Volumens") am Patienten abzuklären, d.h. das erfasste und im Simulator wiedergegebene „MetaVolumen" ersetzt dann hierbei quasi den realen Patienten und sollte daher alle zur Diagnostik erforderlichen Bildinformationen in größtmöglicher (geometrischer) Qualität unmittelbar bereitstellen. Ungeachtet dessen ist in dieser erhöhten Bildgenauigkeit von „Meta-Volumen" gegenüber prinzipiell approximativen Verfahren auch für rein diagnostisch (also nicht als Aufnahme-System für die Simulation) verwendete Ultraschall-Scanner ein medizinisch relevanter Nutzen gegeben, allein schon deshalb, weil die (geometrisch) korrekten Bild/Volumen-Daten auch nach der Untersuchung bzw. Anwesenheit des Patienten durch Abspeicherung verfügbar gemacht werden können.• The most important characteristic of this method is its ability to adjoin several neighboring, scanned sound volumes not only in an approximate (and computer-assisted) way, but in principle geometrically correct. "Basically" means that in the realization of a process system-related inaccuracies are taken into account, and in the biological medical reality when scanning artifacts such as small shifts (caused by respiratory movements, etc.) of the body structures can arise from one volume to the next, may require the additional "post-correcting" optimization procedures. The- nor does this process have precisely this specific ability, as a first step, to provide a geometrically correct, defined basis for such an association of sound volumes. (This definitely has a practical significance in the degree of "correctness" for the reproduction of physiological / pathological structures, if not only "overview / orientation", but concrete diagnostic differentiations are required, and in particular also in a subsequent application of measuring functions. In contrast to an ultrasound scanner used only for immediate diagnosis - here acting as a central recording component - the W / ectergrabe system "simulator" which is also under discussion does not have the possibility of obscuring it by rescanning proportional volumes ( of a "meta-volume") on the patient, ie the captured and reproduced in the simulator "MetaVolumen" then virtually replaces the real patient and should therefore provide all the diagnostic information necessary image information in the highest possible (geometric) quality immediately increased picture accuracy In addition, the use of ultrasound scanners for purely diagnostic (ie not as a recording system for the simulation) has given a medically relevant benefit to "meta-volume", in principle simply because the (geometrically) correct image / volume Data can be made available even after the examination or presence of the patient by saving.
• Es ist an dieser Stelle deutlich zu unterscheiden zwischen der folgenden allgemeinen bzw. „prinzipiellen", wenngleich hier auch mathematisch gefassten und damit quasi vorerst einmal so verbindlichen Beschreibung dieses Verfahrens ei- nerseits - und einer oder mehreren konkreten Realisierungen dieses Verfahrens andererseits, die u.a. mittels numerischer Mathematik bzw. Algorithmen zu beschreiben sind, was an dieser Stelle (noch) nicht erfolgen soll. Nachfolgend wird also hier eine solche prinzipielle mathematische Beschreibung dieses Verfahrens ausgeführt.• At this point it is important to distinguish between the following general or "principled", albeit mathematical, description of this method on the one hand, and one or more concrete implementations of this method on the other hand which is not (yet) to be done at this point, so here is a basic mathematical description of this method.
Ausgangsdatenoutput data
Es wird ein in der Einleitung mit dem Funktionsprinzip beschriebener (A.)3D/4D-Ultra- schall-Scanner, ein damit konnektiertes und dort ebenfalls beschriebenes (B.) Bild- und Transducer-Lokalisations- Erfassungssystem (derzeit ein PC mit entsprechender Soft- wäre) mit einem dort ebenfalls beschriebenen (C.) 3D-Sensor (6-dimensional), verwendet. Die unmittelbar als 3dimensionaler Raum die Schalldaten generierende Vorrichtung eines solchen Systems ist der zum 3D/4D-Ultraschall-Scanner gehörende Transducer. Dessen Arbeitsbereich, wo in Form sog. Volumen die Schalldaten erzeugt werden, wird nachfolgend auch als Schall(werte)-Raum bezeichnet. Scanner, die ca. 3- 5 Volumina/sec. erzeugen,, werden als i.a. als 3D-Systeme bezeichnet, schnellere Scanner mit ca. 20 Volumina/sec. - z.B. zur Realtime-Darstellung des bewegten Herzens - als 4D-Systeme (Einbeziehung der Zeitachse), und z.B. mittels Farbe könnten evtl. sogar noch höhere Dimensionen angeführt werden: Hier relevant sind also quasi „mindestens 3dimensionale Scanner". Diese drei benannten Hauptkomponenten (A., B., C.) jedenfalls können separate Geräteeinheiten oder ein integriertes System sein und werden hier in ihrer Gesamtheit als Aufnahme-System bezeichnet für das IVS- Verfahren bezeichnet.A (A.) 3D / 4D ultrasound scanner described in the introduction with the functional principle, a (B.) image and transducer localization detection system connected therewith (currently a PC with corresponding soft - would be) with a likewise described there (C.) 3D sensor (6-dimensional) used. The immediately as 3dimensional space the sound data generating device of such a system is the belonging to the 3D / 4D ultrasound scanner transducer. Its working area, where in the form of so-called volume the sound data are generated, is also referred to below as sound (values) space. Scanner, about 3 to 5 volumes / sec. are generally referred to as 3D systems, faster scanners with about 20 volumes / sec. For example, for the real-time representation of the moving heart - as 4D systems (inclusion of the time axis), and possibly even higher dimensions could be cited by means of color: Here, therefore, quasi "at least three-dimensional scanners" are relevant. A., B., C.) can in any case be separate units of equipment or an integrated system and are referred to in their entirety as a receiving system referred to for the IVS method.
Mit Hilfe des Aufnahme-Systems werden zu den ZeitpunktenWith the help of the recording system will be at the times
0 < /, ≤ /2 ≤ ... < /„ , n ≥ \0 </, ≤ / 2 ≤ ... </ ", n ≥ \
Teile des menschlichen Körpers (unmittelbar durch den Transducer, der an dem Pati- enten akustisch angekoppelt wird) geschallt. Zu jedem Zeitpunkt tt bezeichne V1 das zugehörige „geschallte" Volumen.Parts of the human body (directly through the transducer, which is acoustically coupled to the patient) sounded. At each point in time t t , V 1 designates the corresponding "sounded" volume.
Das geschallte Volumen wird hier nicht in Form von Rohdaten betrachtet, sondern ist bereits in das Ausgangskoordinatensystem transformiert worden. Das könnte z.B. ein Quader, ein Kegelstumpf oder eine Pyramide sein. Typisch ist für sog. Matrix- Transducer der hier relevanten 3D/4D-Scanner derzeit z.B. ein (regelmäßiger, gerader) Pyramidenstumpf. In diesen Ausführungen wurde exemplarisch für alle Transducer, die ein (Schall-)Volumen erzeugen, eine (regelmäßige, gerade) Pyramide gewählt. All diese geometrischen Objekte lassen sich parametrisieren (was für die praktische Umset- zung in entsprechende Algorithmen auch notwendig ist und dann bei deren Beschreibung erfolgen wird): Die (regelmäßige, gerade) Pyramide z.B. wird eindeutig durch ihre Spitze (als dreidimensionaler Punkt), durch das Lot auf die Grundfläche (als dreidimensionaler Vektor) und die Grundflächenlänge festgelegt. Allgemein kann man Pa- rametrisierungen durch Angabe einer Parametermenge Θ und eines Parameters θ e Θ beschreiben. Im Fall einer solchen Pyramide wäre das z.B. Θ := R3 x R3 x (0,∞)The sounded volume is not considered here in the form of raw data, but has already been transformed into the output coordinate system. This could be, for example, a cuboid, a truncated cone or a pyramid. A typical example of a so-called matrix transducer is the 3D / 4D scanner of interest here, for example a (regular, straight) truncated pyramid. In these explanations, a (regular, even) pyramid was chosen as an example for all transducers that generate a (sound) volume. All these geometric objects can be parameterized (which is also necessary for their practical implementation in corresponding algorithms and will then be described): The (regular, even) pyramid, for example, is clearly indicated by its peak (as a three-dimensional point) the solder is fixed to the base (as a three-dimensional vector) and the base surface length. In general, parametrizations can be described by specifying a parameter set Θ and a parameter θ e Θ. In the case of such a pyramid that would be eg Θ: = R 3 x R 3 x (0, ∞)
Dabei sei das geschallte Volumen parametrisiert, d.h.In this case, the sound volume is parameterized, i.
K := V(θ(t„)) , 0(O e ΘK: = V (θ (t ")), 0 (O e Θ
wobei Θ eine geeignete Parametermenge sei. Die geschallten Daten seien durch diewhere Θ is a suitable set of parameters. The sounded data are through the
Funktionen f„ : Vn → Ω , l ≤ n ≤ NFunctions f ": V n → Ω, l ≤ n ≤ N
spezifiziert; Ω bezeichnet dabei den Schallwerteraum.specified; Ω designates the sound volume space.
Mit Schallwerteraum ist die Menge aller mögliche Grau-, Färb- oder sonstigen „Intensi- tätswerte" bzw. „Schallwerte" gemeint, die der Ultraschall-Scanner für die einzelnen Koordinatenpunkte „zurückliefern" kann; f, (x) ist dann der Wert, der zum ZeitpunktSound volume refers to the set of all possible gray, color or other "intensity values" or "sound values" that the ultrasonic scanner can "return" for the individual coordinate points, f, (x) is then the value the time
/, an der Position x geschallt wurde./, sounded at position x.
Verfahren für statische Meta-VoluminaMethod for static meta-volumes
Das statisch orientierte Verfahren ist für Strukturen des menschlichen Körpers gedacht, die praktisch keinen zeitlichen bzw. periodischen (wie es i.w. beim Herzen oder der Atmung der Fall ist) Veränderungen unterliegen. Es lässt sich mathematisch einfacher als das dynamisch orientierte Verfahren beschreiben und hat somit zunächst vorberei- tenden Charakter.The statically oriented method is intended for structures of the human body that undergo virtually no temporal or periodic changes (as is the case in the heart or respiration). It can be described mathematically simpler than the dynamically oriented method and thus has preparatory character.
Beim statisch orientierten Verfahren werden die geschallten Volumina nacheinander zusammengefügt. Das Gesamtbild setzt sich aus den geschallten Daten für die einzelnen Volumina zusammen. Für die Funktionsfähigkeit des Verfahrens ist die Schallrei- henfolge im Grundprinzip irrelevant; diese ließe sich z.B. auch umkehren bzw. selektieren etc. . Außerdem ist es nicht notwendig, sämtliche Schallzeitpunkte heranzuziehen; so könnten z.B. nur Zeitpunkte zu Beginn des Scanvorgangs betrachtet werden. Allgemein spezifizieren wir die selektierten Zeitpunkte und deren Reihenfolge durch die (injektive) Funktion α : {i,...,A:}→ {i,...,N}In the statically oriented method, the sound volumes are joined together one after the other. The overall picture consists of the sounded data for the individual volumes. For the functionality of the method, the sound order in the basic principle is irrelevant; This could also be reversed or selected, etc. In addition, it is not necessary to use all sound times; For example, only times at the beginning of the scan could be considered. Generally we specify the selected times and their order by the (injective) function α: {i, ..., A:} → {i, ..., N}
wobei l ≤ K ≤ N und AT die Anzahl der selektierten Zeitpunkte angibt. Der erste Schallzeitpunkt ist dann durch /α(1) , der zweite durch /α(2)usw. gegeben.where l ≤ K ≤ N and AT indicates the number of times selected. The first sound time is then given by / α (1) , the second by / α (2) and so on.
Injektiv bedeutet, dass α(i) ≠ a(J) für alle i ≠ j , d.h. dass jedes Volumen höchstens einmal berücksichtigt wird.Injective means that α (i) ≠ a (J) for all i ≠ j, i. that each volume is considered at most once.
Schränken wir das Gesamtbild auf einen vom Nutzer ausgewählten Bereich V <z R3 ein, so erhalten wir den folgenden Schallbereich:If we restrict the overall picture to a user-selected area V <z R 3 , we obtain the following sound range:
V Va(k)
Figure imgf000061_0001
VV a (k)
Figure imgf000061_0001
Da sich einzelne Volumina überschneiden können, existieren zu jedem Koordinaten- punkt aus deren Schnittmenge mehrere Schallwerte. Das statisch orientierte Verfahren beschreibt für jeden Koordinatenpunkt aus dem Schallbereich, welcher Schallzeitpunkt zur Bestimmung des zugehörigen Schallwerts herangezogen werden soll:Since individual volumes can overlap, there are several sound values for each coordinate point based on their intersection. The statically oriented method describes, for each coordinate point from the sound area, which sound point is to be used to determine the associated sound value:
j : V → {l,...,K}, j(x) = minjt : 1 < k < K,x e Vk }j: V → {1, ..., K}, j (x) = minjt: 1 <k <K, xe V k }
Mit dieser Abbildung lässt sich schließlich das zusammengesetzte Schallbild durch
Figure imgf000061_0002
in eindeutiger Weise definieren.
With this picture, finally, the composite sound image through
Figure imgf000061_0002
in a clear way.
In dem einfachen Fall K=N und a(k) = k wird also für x der Schall/Intensitäts-Wert des Schallzeitpunktes herangezogen, für den die Position x das erste Mal geschallt wurde.In the simple case K = N and a (k) = k, the sound / intensity value of the sound time point for which the position x was sounded for the first time is used for x.
Verfahren für hybrid statische+dynamische Meta-VoluminaMethod for hybrid static + dynamic meta-volumes
Das Verfahren für hybrid statische+dynamische Meta-Volumina berücksichtigt biologisch relativ häufig auftretende Bewegungen (Respiration, Kreislauf-Pulsationen etc.) von zu erfassenden Schall-Strukturen. Diese sind meist (1) repetitiv/periodisch ablaufend und (2) „regional begrenzt", also evtl. nur Teile einer zur Erfassung erwünschten gesamten Region betreffend. Das Prinzip baut auf dem oben beschriebenen statisch orientierten Verfahren auf.The procedure for hybrid static + dynamic meta-volumes considers biologically relatively frequent movements (respiration, circulatory pulsations, etc.) of sound structures to be detected. These are usually (1) repetitive / periodic and (2) "regionally limited", that is, possibly only parts of an entire region desired for detection.The principle is based on the above-described statically oriented method.
Die gewünschte Scan-Bewegung des Arztes bei der Volumen-Erfassung, dem sog. „Sweep", lässt sich folgendermaßen beschreiben: In der Regel ist sie fließend. Zwischendurch wird der Transducer des Scanners praktisch nicht bewegt, um eine sich bewegende Strukur (bzw. einen Teil davon) aus der gleichen Position heraus über mindestens eine vollständige Periode zu scannen. Die Schalldaten der Volumina, die zu den einzelnen ruhenden Transducer-Positionen des Scanners gehören, sollen wieder aufsummiert werden, diesmal unter Synchronisation der zeitlichen Veränderungen der bewegten Schallstruktur (z.B. des Herzens oder eines pulsierenden Gefäßes). Man könnte wohl den Scan-Vorgang für bewegte Schallstrukturen auch lediglich auf eine bewegte Struktur reduzieren - zumindest, wenn der Schallwerteraum des Transducers diese bewegte Struktur vollständig abbilden kann -, was jedoch logisch quasi eine Untermenge des hier beschriebenen und deshalb gewählten Verfahrens ist, weil auch die Abdeckbarkeit möglichst großer Volumina wünschenswert ist.The desired scan movement of the physician during the volume acquisition, the so-called "sweep", can be described as follows: In general, it is fluent In between, the transducer of the scanner is practically not moved to avoid a moving structure. a part of it) from the same position to scan over at least a complete period.The sound data of the volumes that belong to the individual stationary transducer positions of the scanner are to be summed up again, this time with synchronization of temporal changes of the moving sound structure (eg One could probably reduce the scanning process for moving sound structures only to a moving structure - at least if the sound space of the transducer can completely map this moving structure - but this is logically a subset of what is described here and therefore chosen method is because even the Abd Eckbarkeit the largest possible volumes is desirable.
K sei wieder die Anzahl der Volumina, die man „aufsummieren" möchte, entspricht also der Zahl der Ruhepositionen, die zum dynamisch orientierten Verfahren herangezogen werden sollen.Let K be the number of volumes that you want to "sum up", ie the number of rest positions that should be used for the dynamically oriented procedure.
T bezeichne die Periodenlänge undT denote the period length and
sm e [0,T) , λ ≤ m ≤ Ms m e [0, T), λ ≤ m ≤ M
die Zeitpunkte, zu denen Schalldaten synchronisiert werden sollen. In der Regel wird man sm äquidistant wählen, also sm = (m - ϊ) - T/M . Um zu beschreiben, welchethe times at which sound data should be synchronized. As a rule, one will choose s m equidistant, that is s m = (m - ϊ) - T / M. To describe which ones
Scan-Zeitpunkte zum Verfahren (z.B. welche genaue Periode während der k-ten Ru- heposition) herangezogen werden, bedienen wir uns wieder der obigen Funktion a , diesmal erweitert um einen zeitabhängigen Faktor (wobei wir dies im folgenden nicht mittels der Zeitpunkte sm sondern mittels des Indices m ausdrücken wollen):Scan times for the procedure (eg which exact period during the k-th row position) are used, we again use the above function a, this time extended by a time-dependent factor (where we do not use the time s m but instead to express by means of the index m):
a : {l,...,K}χ {\,...,M} → {h...,N} Zum Schallzeitpunkt ta(k m) liegen also Schalldaten aus der k-ten Ruheposition vor, die für den Synchronisationszeitpunkt sm ausgewertet werden sollen. Die oben für« geforderte Injektivität lässt sich ersetzen durch die Annahme, dass die Mengena: {l, ..., K} χ {\, ..., M} → {h ..., N} At the time of sound t a (km) , therefore, sound data from the k-th rest position are present, which are to be evaluated for the synchronization time s m . The above-demanded injectivity can be replaced by the assumption that the quantities
Ak = {a(k,m) Λ ≤ m ≤ M} , l ≤ k ≤ KA k = {a (k, m) Λ ≦ m ≦ M}, l ≦ k ≦ K
disjunkt sind, sich also paarweise nicht überschneiden. Die Wahl der Funktion a be- einflusst natürlich die Akkumulationsreihenfolge; sie muss entweder manuell oder automatisch definiert werden. Bei dieser allgemeinen Formulierung muss M nicht notwendigerweise mit der tatsächlichen Zahl der Schallbilder übereinstimmen, die der Scanner aufgrund seiner Frequenz innerhalb einer Periode liefern kann. In der Praxis wird dies aber wohl der Fall sein und man wird außerdem für die k-ten Ruheposition einen Scan-Zeitpunkt - beispielsweise also: /„wählen, der den Beginn einer vollständigen Periode kennzeichnet, und dann a(k,\) = n , a(k,2) = n + l a(k,M) = n + M - l setzen.are disjoint, so do not overlap in pairs. The choice of the function a naturally influences the order of accumulation; it must be defined either manually or automatically. In this general formulation, M need not necessarily coincide with the actual number of sound images that the scanner can deliver based on its frequency within a period. However, in practice this will probably be the case and one will also choose a scan time for the k-th rest position - for example: /, which marks the beginning of a complete period, and then a (k, \) = n , a (k, 2) = n + la (k, M) = n + M - l.
Die eingescannten Volumina während einer einzelnen Ruheposition sind nahezu iden- tisch (bis auf etwaige Fluktuationen, z.B. durch Zitterbewegungen der Hand des Arztes oder andere Unstetigkeiten bei den Erfassungs-Sweeps), d.h. es giltThe scanned volumes during a single resting position are nearly identical (except for any fluctuations, such as the patient's hand shaking or other discontinuities in the detection sweeps), i. it applies
V γ a(k,\) ~ ~ V y a(k,2) ~ ~ ■ ■ ■ ~ ~ V a(kM) ' 1 < Jr < KV γ a (k, \) ~ ~ V y a (k, 2) ~ ~ ■ ■ ■ ~ ~ V a (kM) '1 <Jr <K
Um das zusammengesetzte Schallbild wohldefiniert zu beschreiben, setzen wirTo describe the composite sound image well-defined, we set
vk = (ya(k,m) , \ ≤ k ≤ κv k = (y a (k, m) , \ ≤ k ≤ κ
und ignorieren hier damit etwaige Fluktuationen. Für jedes x e Vk liegt somit zu jedem Zeitpunkt sm exakt ein Schallwert fa(k m)(x) vor. Schränken wir das Gesamtbild wieder auf einen vom Nutzer ausgewählten Bereich V cz R3 ein, so erhalten wir folgenden Schallbereich:
Figure imgf000064_0001
and ignoring any fluctuations. For each xe V k , therefore, there is exactly one sound value f a (km) (x) at each instant s m . If we restrict the overall picture to a user-selected area V cz R 3 , we obtain the following sound range:
Figure imgf000064_0001
Mit der Funktion j : V → {l,...,K}, J(x)
Figure imgf000064_0002
: l ≤ k ≤ K,x e Vk }
With the function j: V → {l, ..., K}, J (x)
Figure imgf000064_0002
: l ≦ k ≦ K, xe V k }
(die identisch mit derjenigen aus dem statisch orientierten Verfahren ist), lässt sich das dynamisch orientierte Verfahren dann durch(which is identical to that from the statically oriented method), the dynamically oriented method then passes through
/ : V x {1, ... M) → Ω , f(x, m) = fa(j(x) m) (x)/: V x {1, ... M) → Ω, f (x, m) = f a (j (x) m) (x)
in eindeutiger Weise definieren.in a clear way.
Abschluss-Bemerkung :Final remark:
Es sei nochmals explizit darauf hingewiesen, dass hier allgemeingültig das Grundprinzip und quasi die „innovative Essenz" des IVS-Verfahrens beschrieben werden sollte. Ergänzende praktische Optimierung-Verfahren (Feintuning für ein Matching/Mosaicing u. dgl.) sollen in diesem Rahmen bzw. diesem ersten theoretischen Abschnitt noch un- berücksichtigt bleiben. Sie sind mit Sicherheit sinnvoll und erforderlich, mögen sich a- ber relativ kurzfristig ändern und sollen zu eigenen Realisierungs-Darstellungen dieses Prinzips erläutert werden. Auch generell nochmals explizit: Die Leistung des IVS- Verfahrens liegt keineswegs nur in einem einfachen „Mosaicing" (d.h. Zusammenfügen ohne Lücken oder Überlappungen) statischer Ultraschall-Volumina, sondern, quasi zwei Stufen weiter, darin, dass, während einem einzigen nahtlosen, ggf. (mehrfach) pausierenden, aber eigentlich kontinuierlichen „Sweeps" erfasst, „gemischt statische und dynamische" Volumina als „Mosaicing" erfasst/generiert werden - mit dem Ergebnis hier sog. (hybrider) „Meta-Volumina", in dem statische und dynamische (Meta-) Volumen-Anteile praktisch beliebig gemischt bzw. „hybrid" existieren - und dies in prinzi- piell geometrisch korrekter Form. Die unmittelbare Visualisierbarkeit eines ganzen oder auch nur „halben" Patienten ist didaktisch nicht wirklich zielführend: Ultraschall ist in viele Fachdisziplinen gegliedert. Wer z.B. Abdominal-Sonographie lernt, will und braucht nicht die unmittelbare visuelle Verfügbarkeit der Mamma (weibliche Brust); wer Echokardiographie (Herz) erlernen will, braucht nicht die unmittelbare visuelle Verfügbarkeit des Urogenitaltrakts, usw. - und dies gilt nicht nur bei einem hochspezialisierten Pathologietraining für Experten, sondern sogar für eine erste orientierende sono-anatomische (Grund-) Ausbildung. Sinnvoll und eigentlich notwendig ist hingegen die unmittelbare visuelle Verfügbarkeit der direkten „realen" Umgebung einer ROI („Region Of Interest") bis hin zur Darstell- barkeit und Einübungs-Möglichkeit der Verwendung sog. anatomischer Leitstrukturen („Landmarks"), die einerseits die Vorstellbarkeit der gegebenen Morphologie einer ROI samt der dabei relevanten Umgebung ermöglichen, sowie andererseits praktische, oft notwendige Hilfen zum Finden des Schallobjekts samt der korrekten Transducer- Einstellung (Anlotung) bzw. Schnittebene sind. Ein physiologischer (d.h. normal- gesunder oder sonstiger) „Standard-Patient" soll bei diesem Simulator nur für die sono- anatomische Grundausbildung in Betracht kommen, ansonsten soli(t)en auch „Umgebungen" patientenspezifisch visualisiert und entsprechend realitätsnah sein. Dies zu ermöglichen, ist ein Leistungsmerkmal von HUMR, und genau dies sind die Zielsetzungen von HUMR. Weiter entfernte Umgebungen bzw. Volumina können auch durch Selektion (d.h. im Sinne der Visualisierungs-Geschwindigkeit via GUI-Menü bzw. gezieltes Laden der gewünschten anatomischen Teilregionen statt dauernder Vorhaltung im RAM des Systems) völlig ausreichend realisiert werden. HUMR wird z.B. auch multimorbiden Patienten und deren Simulation gerecht - auch mehrere ausgewählte dis- junkte Regionen sind so realisierbar. Perfektionierungen der Simulation sollen bei HUMR auf tatsächlich für die Ausbildung relevante Aspekte fokussiert werden (d.h. „Simulation hinreichend realistisch so, wie Ultraschall in den spezifischen Fällen wirklich aussieht und so, wie qualifiziert geschallt bzw. Ausbildung praktiziert wird"), dort aber mit. einigem Aufwand, soweit er notwendig ist.It should be pointed out once more that the general principle and quasi the "innovative essence" of the IVS-method should be described here in a general way.Additional practical optimization methods (fine tuning for a matching / mosaicing and the like) should be described in this context or They are certainly sensible and necessary, but may change relatively quickly and should be explained in terms of their own representations of this principle, and again in more general terms: the performance of the ITS procedure lies not only in a simple "mosaicing" (ie, joining without gaps or overlaps) static ultrasonic volumes, but, more or less two steps further, in that, during a single seamless, possibly (multiple) pausing, but actually continuous "sweeps" captures "mixed static and dynamic" volumes as "mosaicing" captured / generi The result here are so-called (hybrid) "meta-volumes", in which static and dynamic (meta) volume components are virtually arbitrarily mixed or "hybrid" exist - and this in a basically geometrically correct form. The immediate visualizability of a whole or even "half" patient is not really effective in teaching: Ultrasound is divided into many disciplines: For example, those who are learning abdominal ultrasound do not want and need the immediate visual availability of the breast (female breast), who echocardiography ( Heart) does not need the immediate visual availability of the genitourinary tract, etc. - and this is not only true for a highly specialized pathology training for experts, but even for a first orienting sono-anatomical (basic) education The immediate visual availability of the direct "real" environment of an ROI ("Region Of Interest") to the presentation and training possibility of the use of so-called anatomical lead structures ("Landmarks"), on the one hand the conceivability of the given morphology of an ROI together with the relevant environment makes it possible On the other hand, there are practical, often necessary aids for finding the sound object together with the correct transducer setting (slotting) or cutting plane. A physiological (ie normal-healthy or other) "standard patient" should be considered in this simulator only for basic sonographic anatomy, otherwise "environments" should be patient-specifically visualized and correspondingly realistic. Making this possible is one of HUMR's features, and these are the objectives of HUMR. More distant environments or volumes can also be completely realized by selection (ie in terms of visualization speed via the GUI menu or targeted loading of the desired anatomical subregions instead of permanent provision in the RAM of the system). HUMR, for example, does justice to multimorbid patients and their simulations - even several selected disjunctive regions can be realized in this way. Perfections of the simulation are to be focused at HUMR on aspects that are actually relevant to the training (ie "simulation sufficiently realistic, as ultrasound in the specific cases really looks like and how well trained or training is practiced"), but there with some Effort, as far as it is necessary.
Die Leistung des/der HUMR-Verfahren(s) wiederum liegt darin, das IVS-Verfahren derart nahtlos mit zugehörigen Hilfsverfahren so zu koppeln und einzubinden, dass die Erfassung solcher (hybriden) „Meta-Volumina" auch tatsächlich für alle heute wesentlichen diagnostischen Ultraschall-Modalitäten in praxi erfolgen und dann per „nachgeschalteter" Simulations-Technologie visualisiert werden können - was eine hinreichend methodisch vollständige und wohl als hinreichend realitätsnah wirkende bzw. einer entsprechend qualifizierten und qualifizierenden Ausbildung genügende Ultraschall- Simulation eigentlich erst(mals) ermöglicht (jedenfalls entsprechend dem - voraussichtlichen - Urteil der allermeisten Experten, welches jedoch die bestmöglich erzielbare Referenz bzw. realer Maßstab ist.The performance of the HUMR method (s), in turn, is to couple and integrate the IVS method so seamlessly with associated ancillary procedures that the detection of such (hybrid) "meta-volumes" is in fact essential for all diagnostic ultrasounds that are essential today -Modalities in practice and can then be visualized by "downstream" simulation technology - which is a sufficiently methodologically complete and probably as sufficiently realistic-looking or one according to qualified and qualified training sufficient ultrasound simulation actually only (once) possible (at least according to the - presumable - judgment of the vast majority of experts, but which is the best possible attainable reference or real scale.
Entsprechende hochqualifizierte Gutachten z.B. des vorigen Präsidenten - Prof. Gebet, anerkannter Top-Experte für Ultraschall wie auch dessen Simulation - der DEG U M.¬ Deutsche Gesellschaft für Ultraschall i.d. Medizin - Deutschland ist zumindest eine der führenden Nationen im praktischen Ultraschall samt Ausbildung - , dazu, auch eine Konzept-Beurteilung, könnten wohl erbracht werden, sollte dies hier Relevanz haben.Corresponding highly qualified reports of eg the previous president - Prof. Gebet, recognized top expert for ultrasound as well as its simulation - DEG U M. ¬ German Society for Ultrasound in Medicine - Germany is at least one of the leading nations in practical ultrasound including training -, This, as well as a concept assessment, could well be provided, if this is relevant here.
Es liegt dabei in der Natur der Sache, dass „HUMR-Verfahren" quasi auch ein Plural ist (ob auch in einem schließlichen Patentantrag, sei dahingestellt): Eine übergreifende Beschreibung ist nur so, wie hier, verbal erläuternd möglich, und gar eine allgemeine mathematische Beschreibung (wie z.B. für IVS) ist nur in einigen Teilen bzw. nicht ü- bergreifend und wirklich sinnvoll darstellbar. Die Natur der Sache ist eben so, dass hier völlig unterschiedliche Ultraschall-Problemstellungen gelöst werden, die nur einen gemeinsamen Nenner haben, und das ist die Erfassbarkeit hinreichend zutreffend abbildender und simulationsgeeigneter Ultraschall- (Meta-) Volumina - mit welchem 3D/4D- oder sonstigen Hilfsverfahren (mechanisch, elektronisch, PC-gestützt), sei es „erfassende und simulierende Scan-Verfahren bereitstellend und unterstützend" oder „Patienteneigenschaften abbildend". Der Grund dafür wurde bereits in der Einleitung erwähnt: Die Nicht-Existenz eines Ultraschall-Scanners, der mit einem einzigen Scanvorgang - idealerweise für statische Körperteile in einem Sekundenbruchteil und für periodische Organbewegungen fast bzw. praktisch zeitgleich eine Bewegungs-Periode erfassend - den gesamten Patienten, und das auch noch in allen Scan-Modalitäten abbilden kann, erfordert eine (auch mehrfach) zeitversetzte Nachbildung in allen relevanten Untersuchungs-Szenarien und Scan-Modalitäten zur Visualisierbarkeit aller Ultraschalluntersuchungen in der Simulation. Die Simulation des Ultraschalls ist im Grundsatz eine Aufgabenstellung - beantwortet kann sie aber vorläufig nur mit vielen Antworten: Auch das ist eine übergreifende Beschreibungs-Möglichkeit von HUMR.It is in the nature of the matter that "HUMR-procedure" is also a plural (even in a final patent application, it is not clear): A comprehensive description is only as here, verbally explanatory possible, and even a general The mathematical description (eg for IVS) can only be represented in some parts or not over all and really meaningful.The nature of the thing is just that here completely different ultrasonic problems are solved, which have only one common denominator, and this is the comprehensibility of sufficiently accurate imaging and simulation-suitable ultrasound (meta) volumes - with which 3D / 4D or other auxiliary method (mechanical, electronic, PC-based), be it "providing and supporting scanning and simulating scanning processes" or The reason for this was already mentioned in the introduction: The non-existence of an ultrasound scan rs, which can capture the entire patient, and this in all scan modalities, even with a single scan - ideally for static body parts in a split second and for periodic organ movements almost or practically simultaneously recording a movement period - requires one (also multiple) delayed replication in all relevant examination scenarios and scan modalities for the visualization of all ultrasound examinations in the simulation. The simulation of ultrasound is in principle a task - but it can only answer for the time being with many answers: This is also a comprehensive description possibility of HUMR.
Im übrigen mag die Erfassung derartiger Meta- Volumina allerdings auch ohne eineFor the rest, however, the detection of such meta-volumes may also be without one
„nachgeschaltete" Simulation (aber eventuell mit etwas modifizierter Visualisierungs- Technologie, die hier zunächst nur mit Hilfe von Simulatorkomponenten wie Patienten- Modell und Transducer-Imitat realisiert wurde, aber, z.B. durch eine Maus-Steuerung, ersetzt werden könnte), in ähnlicher Form bereits für die unmittelbare Patienten- Diagnostik oder evtl. Therapie relevant sein. Dies mag Grenzen haben bei ausgeprägt interaktiven Schalltechniken wie z.B. Gastro-Enterologie oder Notfall-Medizin - in der Gynäkologie hingegen ist dies durchaus vorstellbar - und diese Option vermittelt dem Ultraschall ein Stück weit Möglichkeiten, wie sie bisher nur radiologischen Verfahren wie CT oder MR hatten, wo ein Patient ganz oder in größeren Regionen eingescannt - und erst später diagnostiziert werden kann - bzw. frühere Scans mit späteren in einer so bisher nicht gegebenen Weise verglichen werden können."Downstream" simulation (but possibly with slightly modified visualization technology, which is initially only available with the help of simulator components such as patient Model and transducer imitation was realized, but, for example, by a mouse control, could be replaced), in a similar form already be relevant for immediate patient diagnosis or possible therapy. This may have limitations with pronounced interactive sound techniques such as gastro-enterology or emergency medicine - in gynecology on the other hand, this is quite conceivable - and this option gives the ultrasound a bit of possibilities, as they had previously only radiological procedures such as CT or MR, where a patient can be scanned in whole or in larger regions - and can only be diagnosed later - or earlier scans can be compared with later in such a way not previously given way.
Zum strukturellen Aufbau diese Skripts:To structurally build this script:
Eine solche mathematische Beschreibung hat nach bisheriger Kenntnislage nur für das obige IVS-Verfahren einigen Sinn - evtl. wird noch eine analoge Oschreibung für das folgende DVA-Verfahren erstellt. Bei den anderen Verfahren dieses Dokuments ist eine derartige Verallgemeinerung mittels Mathematik nicht so darstellbar bzw. nicht angemessen. Daher erfolgt deren Darstellung, soweit sinnvoll, vorläufig lediglich mit den Mitteln verbaler (technischer und funktionaler) Beschreibungen, technischer Zeichnungen und Abbildungen oder Erläuterung von Software wie Algorithmenbeschreibung und Ablaufdiagramme.Such a mathematical description has according to previous knowledge only for the above IVS method some sense - possibly even an analog Oschreibung for the following DVA procedure is created. In the other methods of this document, such a generalization by means of mathematics is not so representable or appropriate. Therefore, their presentation, where appropriate, for the time being only with the means verbal (technical and functional) descriptions, technical drawings and illustrations or explanation of software such as algorithm description and flow charts.
2.1 DVA: Direct Volume Access - Pretending Meta-Volumes2.1 DVA: Direct Volume Access - Pretending Meta Volumes
Ein im ersten Ansatz „alternatives" Verfahren zu IVS ist das als DVA (Direct Volume Access) bezeichnete Verfahren.An alternative approach to IVS in the first approach is DVA (Direct Volume Access).
Dieses Verfahren ist im Prinzip eine Variante des PVP-Verfahrens, das in dem folgenden Kapitel 3 näher erläutert wird - der Unterschied besteht im Grundsatz nur darin, dass bei PVP von Meta-Volumina ausgegangen wird, während DVA diesen Ansatz auf die zugrunde-liegenden Einzelvolumina anwendet. Weitere Details sind dort beschrie- ben. Die Beschreibung von DVA ist hier zur Vermeidung von Redundanzen daher ziemlich kurz.This method is in principle a variant of the PVP method, which is explained in more detail in the following Chapter 3 - the difference is in principle only that PVP is based on meta-volumes, whereas DVA bases this approach on the underlying individual volumes applies. Further details are described there. The description of DVA is therefore quite short to avoid redundancy.
DVA ist damit grundsätzlich sehr einfach damit beschreibbar, dass einzelne - typischerweise benachbarte - aufgenommene Volumina zur Simulation (nach erfolgter Lo- kalisierung im Schallmodell) entsprechend der momentanen Position des Transducer- Imitats bzw. des 3D-Sensor-Receivers von dem Rechner „einzeln" geladen und visuali- siert werden. Wenn dies in hinreichend hoher Geschwindigkeit möglich ist, wird visuell prinzipiell der Effekt eines Meta-Volumens bzw. dessen Größe erzielt - einige dafür eventuell notwendige Hilfstechniken werden in den folgenden Kapiteln 5 „SSP" und insbesondere 6 „VTP" noch weiter erläutert.DVA is thus basically very simply describable by the fact that individual - typically adjacent - recorded volumes for simulation (after localization in the sound model) correspond to the instantaneous position of the transducer. If this is possible at a sufficiently high speed, the effect of a meta-volume or its size is visually achieved in principle - some of which may or may not be necessary Auxiliary techniques are further explained in the following chapters 5 "SSP" and in particular 6 "VTP".
Voraussetzung für das DVA-Verfahren ist eine hinreichend hohe Transfergeschwindigkeit der Speichermedien (Platten etc. - RAMs sind dafür sowieso schnell genug), auf denen die einzelnen Volumina der zu visualisierenden Region gespeichert sind. Davon kann inzwischen aber grundsätzlich ausgegangen werden.A prerequisite for the DVA method is a sufficiently high transfer speed of the storage media (disks, etc. - RAMs are fast enough anyway), on which the individual volumes of the region to be visualized are stored. This can be assumed in principle meanwhile.
Wie einleitend bereits gesagt, müssen praktische Forschungs-Vorarbeiten zeigen, ob IVS oder DVA das geeignetere Verfahren ist - aus heutiger Sicht scheint eine Kombination von Komponenten beider Verfahren am wahrscheinlichsten. Dies ist auch ab- hängig von der verfügbaren Computer-Hardware, Betriebssystemen und weiteren Hilfs- technologien, worauf in dem abschließenden Kapitel 10 noch aligemein eingegangen wird.As mentioned in the introduction, practical research work must show whether IVS or DVA is the more appropriate method - from today's perspective, a combination of components from both approaches seems most likely. This also depends on the available computer hardware, operating systems and other ancillary technologies, which will be discussed in the final chapter 10.
3 PVP - Perspective-Related (Meta)Volume Processing3 PVP - Perspective-Related (Meta) Volume Processing
(Meta)Volumina, die von einem bestimmten anatomischen Aufsetzpunkt des Erfas- sungs-Transducers, z.B. „von oben" (wie hier als Beispiel von der Bauchdecke aus) er- fasst wurden, können typischerweise später nicht notwendigerweise auch von der Flanke (d.h. Bauchseite) korrekt visualisiert/simuliert werden - genau dies wird beim Schallen aber häufig praktiziert.(Meta) volumes that are from a particular anatomical attachment point of the capture transducer, e.g. "From above" (as seen here as an example from the abdominal wall) can typically not later be correctly visualized / simulated by the flank (i.e., ventral side) - but this is frequently practiced during sounding.
Seitlich der - z.B. „von oben" - erfassten (Meta)Volumina können sich Strukturen befinden, die sich bei einer anderen Perspektive (z.B. Flanke bzw. Bauchseite) dann vor dem Volumen befinden, „von oben" aber nicht erfasst wurden - oder selbst dann, wenn sie erfasst wurden, durch die andere Richtung bzw. Perspektive doch zumindest ver- ändert visualisiert werden - und somit ein anderes, verfälschtes Bild generieren, wenn die Perspektive bzw. Visualisierung bei der Simulation nicht der Perspektive/Visualisierung bei der Aufnahme entspricht. Ebenso werden manche physikalische Phänomene des Ultraschalls wie Schallschatten in erfassten Volumina, die entlang der Ausbreitungsrichtung der Schallwellen abgebildet werden, bei der anschließenden Simulation im Falle anderer Anlotungen als bei der Erfassung nicht mehr korrekt wiedergegeben - z. B. Schallschatten, die bei der Auf- nähme lotrecht zur Transducer-Schallfläche abgebildet werden, zeigen sich bei Anlotungen während der Wiedergabe/Simulation, die nicht der Aufnahme-Anlotung entsprechen, dann nicht mehr lotrecht zur „Schallfläche" des Transducer-Imitats eines Simulators bisheriger Provenienz.On the side of the (meta) volumes captured, eg "from above", there may be structures that are located in front of the volume in a different perspective (eg flank or ventral side) but not captured "from above" - or even then when they have been captured, by which the other direction or perspective is at least visually altered - and thus generate a different, distorted image, if the perspective or visualization in the simulation does not correspond to the perspective / visualization during the recording. Likewise, some physical phenomena of ultrasound, such as sonic shadows in detected volumes that are mapped along the propagation direction of the sound waves, are no longer correctly reproduced in the subsequent simulation in the case of other plots than in the acquisition - eg. For example, sonic shadows that are imaged perpendicular to the transducer sound surface during recording, are no longer perpendicular to the "sound surface" of the transducer imitation of a simulator during playback / simulation that does not correspond to the recording sound previous provenance.
Eine zumindest annähernde Lösung dieser Problematik, welche solche Fehler auf ein nicht mehr störendes Mali reduzieren können, wird mit dem PVP-Verfahren erreicht: PVP ist bzw. erfordert die Mehrfach-Aufnahme eines (Meta-)Volumens aus mehreren Richtungen — zumindest soweit, wie sie diagnostisch relevant bzw. für eine hinreichend realistische Wiedergabe aus verschiedenen Anlotungen angemessen sind und bei der nachfolgenden Simulation dann entsprechend visualisiert werden können. Dafür wird bei der Aufnahme eine Ausgangs-Anlotung gewählt, auf die sich die nachfolgenden einzelnen Aufnahme-Anlotungen beziehen. Die so erfassten einzelnen (Meta)- Volumina werden anschließend in dem Schallmodell analog positioniert. Die Bildverar- beitungskomponente(n) des Simulators halten nun all diese einzelnen Volumina spei- cherseitig so vor, dass sie bei entsprechender Position bzw. Anlotung des Transducer- Imitats sofort visualisiert werden können.An at least approximate solution to this problem, which can reduce such errors to a no longer disturbing Mali, is achieved with the PVP method: PVP is or requires the multiple recording of a (meta) volume from several directions - at least as far as they are diagnostically relevant or appropriate for a sufficiently realistic reproduction from different approaches and can then be visualized accordingly in the subsequent simulation. For this purpose, an initial sounding is selected during the recording, to which the following individual recordings apply. The individual (meta) volumes recorded in this way are then positioned analogously in the sound model. The image processing component (s) of the simulator now store all these individual volumes on the memory side in such a way that they can be visualized immediately when the transducer imitates a corresponding position or sound.
Für dieses und verwandte Probleme müssen mehrere (Meta)Volumina aus „relevanten" (d.h. wesentliche Unterschiede generierende) Perspektiven (=Transducerpositionen) erfasst und so schnell zugreifbar gemacht werden, dass sie sich in real-time der jeweiligen Position des Transducer-Imitats beim Simulator anpassen.For this and related problems, multiple (meta) volumes need to be captured from "relevant" (ie, substantial difference generating) perspectives (= transducer positions) and made to be quickly accessible in real time to the respective position of the transducer imitator on the simulator to adjust.
Die dafür notwendigen Vorraussetzungen, dass die Interaktion an Schallmodell und Transducer-Imitat dem System die dafür notwendigen Steuerungs-Informationen liefert, werden mit den nachfolgend unter Kapitel 5 „SSP" und Kapitel 6 „VTP" erläuterten Verfahren noch näher beschrieben. Diese Verfahren haben durch ihre umfassend abbildende Beschreibung der Geometrie und Dynamik von Schallmodell-Oberfläche und Transducer-Imitat alle Daten verfügbar, um für die jeweiligen Positionen bzw. Anlotun- gen des Schallkopf-Imitats das perspektivisch korrekte (Meta)Volumen laden bzw. vi- sualisieren zu können.The necessary prerequisites for the interaction with the sound model and the transducer imitation to provide the system with the necessary control information are described in more detail in the methods explained below under Chapter 5 "SSP" and Chapter 6 "VTP". These methods have all the data available through their comprehensive depiction of the geometry and dynamics of the sound model surface and transducer fidelity in order to determine the respective positions or approaches. In the case of the transducer imitation, the perspective (meta) volume can be loaded or visualized.
Wenn sich dies als notwendig und sinnvoll erweist, kann PVP sogar bedeuten, dass Volumina aus der gleichen „Perspektive", lediglich mit verschiedenen (pro „Sweep" jedoch konstanten) Anwinkelungen des Aufnahme-Transducers aquiriert werden - dies ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn verschiedene Anwinkelungen aus ansonsten anatomisch gleichen Aufsetz-Arealen des aufnehmenden Transducers bzw. gleichen oder ähnlichen Sweep-Strecken tatsächlich diagnostisch bzw. visuell ausreichend signifikant verschiedene bzw. zu unterscheidende Bilder generieren.If this proves necessary and useful, PVP may even mean that volumes are acquired from the same "perspective," but with different (per "sweep" but constant) angulations of the uptake transducer - but this only makes sense if different angulations from otherwise anatomically identical Aufsetz-areas of the receiving transducer or the same or similar sweep lines actually diagnostically or visually significantly significantly different or different images to generate.
Eine weitere darauf ausgerichtete Perfektionierung lässt sich erreichen, wenn man dieselbe anlotungs-spezifische Aufnahmetechnik, die im Kap. 8 „ADP" für Doppler beschrieben wird, hier bei PVP ebenfalls einsetzt und für den späteren anlotungsbezoge- nen Abruf bzw. die Visualisierung/Simulation analoger Anlotungs-Varianzen bei dem Transducer-Imitat des Simulators auch für Grauwert-Bilder einsetzt. Eine allgemeingültige Regel, wann dies sinnvoll ist, lässt sich kaum formulieren - man wird hier im Einzelfall entscheiden müssen, wann man darauf zurückgreift. Als Standard- Aufnahmetechnik wird man dies gerade bei Bilderfassung mit 3D/4D-Transducern, die eher zu orthogonaalen Anlotungen führen dürften, und auch wegen des nicht unerheb- liehen Aufnahme-Aufwands wohl nicht einsetzen.Further perfecting can be achieved by using the same exploration-specific acquisition technique described in Chap. 8 "ADP" for Doppler, which is also used here for PVP and also used for gray-scale images for the later exploration-related retrieval or the visualization / simulation of analogue exploration variances in the simulator's transducer imitat. When this makes sense can hardly be formulated - you will have to decide on a case-by-case basis when to rely on it.As a standard recording technique, this will be especially in image capture with 3D / 4D transducers, which are likely to lead to orthogonal Anlotungen, and also probably not because of the not incommensurable borrowing effort.
Das zuvor beschriebene DVA-Verfahren wendet diese Technik anstatt auf Meta- Volumina auf einzelne, typischerweise direkt benachbarte (Einzel-)Volumina an.The DVA method described above applies this technique to individual, typically directly adjacent (single) volumes rather than meta-volumes.
4 DVT - Dynamic Volume Triggering4 DVT - Dynamic Volume Triggering
Für die Erfassung und Visualisierung/Simulation bewegter Organe/Strukturen können Triggersysteme eingesetzt werden, soweit es sich um zyklische/periodische/repititive Bewegungsmuster handelt.For the acquisition and visualization / simulation of moving organs / structures, triggering systems can be used, as far as cyclic / periodic / repetitive motion patterns are concerned.
Trigger bilden quasi eine Zeittaktung, um neben einer räumlichen Zuordnung von Bildern auch eine zeitliche Zuordnung - z.B. zur Aufsummierung mehrere Bilder/Volumina mit hinreichend guter Zeitauflösung - zu ermöglichen. Der Sinn einer derartigen Taktung liegt darin, ein Zeitraster zu generieren, durch welches Ausgangs- Bilder (neben der räumlichen Zuordnung) mit einer zeitlichen Zuordnung versehen werden können, um sie solange aufzusummieren, bis die Ergebnis-Bilder für alle Zeitabschnitte einer Bewegungsperiode (z.B. ein Herzschlag) eine ausreichende Anzahl von Pixeln/Voxeln haben. Nach der Erfassung können die derart durch Aufsummieren generierten ErgebnisModerne dann als „Loop" einer Bewegungsperiode visualisiert werden. „Real-Time-Scanner" können durch ihre hohe Bild/Volumen-Frequenz jedoch Triggersysteme oft obsolet machen, da sich hier eine solche „Aufsummierung" erübrigt. Mehrere Trigger können auch kombiniert eingesetzt werden.Triggers form, so to speak, a time-clocking, in order to enable not only a spatial assignment of images, but also a temporal assignment - for example, to sum up several images / volumes with a sufficiently good time resolution. The purpose of such a timing is to generate a time grid, by which output images (in addition to the spatial assignment) provided with a temporal assignment to sum them up until the result images have a sufficient number of pixels / voxels for all periods of a motion period (eg, a heartbeat). After acquisition, the result can be visualized as a "loop" of a period of motion, but real-time scanners can often render their trigger systems obsolete due to their high image / volume frequency, since such a "summation" Several triggers can also be used in combination.
Für Bewegungen, die vom Herzen generiert werden (unmittelbar Herzmuskel, -Klappen etc. oder mittelbar durch die variierenden Druck- bzw. Flow-Verhältnisse des Bluts ge- nerierte Gefäss-Pulsationen), können z.B. EKG-Trigger eingesetzt werden - die folgenden Erläuterungen zur Echokardiographie sind hinsichtlich der Triggerung technisch prinzipiell auch auf die mit dem Herzen verbundenen Gefäße anwendbar - weitere Aspekte der Angiologie/Phlebologie werden im Kapitel (8) ADP behandelt.For movements generated by the heart (immediate heart muscle, valves, etc., or vascular pulsations indirectly generated by the varying pressure or flow conditions of the blood), e.g. ECG triggers are used - the following explanations on echocardiography are in principle technically applicable with regard to triggering to the vessels connected to the heart - further aspects of angiology / phlebology are dealt with in chapter (8) ADP.
A. Zur Echokardiographie:A. For echocardiography:
Bei der Darstellung beliebiger 2-dimensionaler Schnitte des Erwachsenen-, Kinderoder fetalen Herzens bietet die 3D/4D~Aufnahme/Darstellung eine optimale Basis, da sich hieraus jeder 2-dimensionale Schnitt errechnen/rekonstruieren und darstellen lässt - prinzipiell also auch Schnitte, die sonst aus abdominellen (oder theoretisch endova- ginalen) Anlotungen mit B-Mode-Transducern nicht visualisierbar sind. Bei der Simulation könnte auch dies zur Nachbildung des B-Modes ggf. entsprechend bewusst limitiert werden - quasi als „negatives PVP", wo außerhalb der physiologischen Schallfenster nichts visualisiert wird. In der Ultraschalldiagnostik ist seit Beginn der 90-er Jah- re von dieser Technik, zunächst in der TEE (TransEsophageal Echocardiography), und danach auch in der TTE (TransThoracal Echocardiography) bei der Erwachsenen- und z.T. auch in der Kinder-Kardiologie umfassend Gebrauch gemacht worden. Für die Simulation ist sowieso ein (dynamisches) Volumen methodische Voraussetzung. Die fetale Echokardiographie hat einen besonderen Stellenwert in der Pränatal- Medizin: Zum einen stehen „Herzfehler" bezüglich der Inzidenz (Häufigkeit) an erster Stelle unter den fetalen Fehlbildungen, zum anderen gibt es kaum eine Fehlbildungs- Kategorie, wo es therapeutisch so viele Reaktionsmöglichkeiten gibt. Zwar mögen viele Gynäkologen auf Herzfehler mit Überweisung an spezialisierte Fachkollegen reagieren - Voraussetzung dafür ist dennoch das Erkennen einer solchen Fehlbildung, sodass dies an dem eigentlich sehr hohen Ausbildungsbedarf angesichts seiner medizinischen Relevanz wenig ändern sollte. (Die Aufgabe der Spezialisten kann nicht eine derartige Basis-Stratifikation aller Feten der Nation sein, sondern eine der Überweisung folgende „Feindiagnostik", evtl. Einleitung einer Entbindung zu einem opportunen Zeitpunkt, abgestimmte Vorbereitung schneller therapeutischer post-partem-Maßnahmen des Kin- derkardiologen und dergleichen.)In the representation of any 2-dimensional sections of the adult, pediatric or fetal heart, the 3D / 4D recording / presentation provides an optimal basis, since each 2-dimensional section can be calculated / reconstructed and represented - in principle, also cuts that otherwise can not be visualized from abdominal (or theoretically endovaginal) probes with B-mode transducers. In the simulation, this could also be consciously limited to simulating the B-mode if necessary - as a kind of "negative PVP", where nothing is visualized outside the physiological sound window Technique, first in the TEE (TransEsophageal Echocardiography), and then also in the TTE (TransThoracal Echocardiography) in the adult and partly also in the pediatric cardiology comprehensive use has been made for the simulation is anyway a (dynamic) volume methodological requirement Fetal echocardiography has a special status in prenatal medicine: Firstly, "heart defects" rank first in terms of incidence (frequency) among the fetal malformations, and secondly, there is hardly a malformation category where there are so many therapeutic options gives. Although many gynecologists may respond to heart defects with referral to specialized colleagues - the prerequisite for this is yet to recognize such a malformation, so this is due to the very high training requirements in the light of his medical Relevance should change little. (The task of the specialists can not be such a basic stratification of all fetuses of the nation, but a "fine diagnostics" following referral, possibly initiation of a delivery at an opportune time, coordinated preparation of rapid therapeutic postpartum measures by the pediatric cardiologist and the same.)
Technisch hat die fetale Echokardiographie allerdings ein gravierendes Problem: Für kardiologische Ultraschall-Bilder/Volumina benötigt man ein Triggerverfahren. Bei Erwachsenen kann dies mit einem EKG leicht gelöst werden. Da ein EKG keine Innovati- on ist, wird es hier bei dem Patentantrag nur als selbstverständlich vorhandene Technologie erwähnt. Bei einem Feten ist aber nur ein „unsinniges" EKG ableitbar, und das reflektiert das Herz der Mutter - ist somit also unbrauchbar (ein fetales Herz arbeitet praktisch unabhängig von der Mutter und hat übrigens eine typisch ca. doppelt so hohe Herzfrequenz wie Erwachsene - aber auch durchaus schwankend: Ein eigenes Trig- ger-Verfahren ist unabdingbar). Nun scheint die fetale Doppler-Sonographie als einzige praktikabel verfügbare Alternativ-Ableitung zwar einen zunächst naheliegenden Ausweg anzubieten - auch die Doppler-Flow(-Shift)-Spitzen sind ähnlich einer R-Zacke beim EKG technisch gut definierbar - aber der bildgebende Ultraschall und der Fetal- doppler-Ultraschall stören gegenseitig massiv die jeweiligen Signale: Wendet man bei- de simultan am selben Schallobjekt (Fetal-Herz) an, sind beide nicht mehr brauchbar. Dies ist der Hintergrund, vor dem man die Gewinnung brauchbarer dynamischer Volumen sehen muss - bzw. eben kaum zu sehen bekam - abgesehen von „Sonntags- Aufnahmen" von Fetalherzen mit sehr gleichbleibender Herzfrequenz. Primäres Interesse sind für die Simulation aber gerade pathologische Herzen, wo man von „aufnah- me-idealen" bzw. langfristig stabilen Herzfrequenzen eben nicht ausgehen kann.Technically, however, fetal echocardiography has a serious problem: For cardiac ultrasound images / volumes, a trigger procedure is needed. In adults, this can be easily resolved with an ECG. Since an ECG is not an innovation, it is only mentioned as a matter of course in the patent application. In a fetus, however, only a "nonsensical" ECG is derived, and this reflects the heart of the mother - is thus therefore unusable (a fetal heart works practically independent of the mother and incidentally has a typical about twice as high heart rate as adults - but It is also quite unsteady: a separate trigger procedure is indispensable.) Now, fetal Doppler ultrasound as the only practicably available alternative deriva- tive seems to offer a first obvious solution - also the Doppler flow (-Shift) tips are similar to one R-wave is technically easy to define on the ECG - but ultrasound imaging and fetal doppler ultrasound massively interfere with each other's signals: when both are simultaneously applied to the same sounding object (fetal heart), both are no longer usable is the background against which you have to see the acquisition of useful dynamic volumes - or just barely got to see - except for "Sunday recording n "of fetal hearts with a very constant heart rate. Primary interest for the simulation, however, is precisely pathological hearts, where one can not assume that "ideal" or long-term stable heart rates are involved.
Braucht man überhaupt einen fetal-echokardiographischen Trigger?Do you even need a fetal echocardiographic trigger?
Der nächste naheliegende Gedanke könnte schliesslich sein, Real-Time-4D-Scanner mit Matrix-Transducer einzusetzen, die keine „Volumen-Rekonstruktion" durchführen, weil der Transducer native Volumina generiert und bekanntermassen so schnell sind („Real-Time-4D"), dass sie für die Bildgenerierung keinen EKG-Trigger brauchen. (Um die Zuordnung der Bilder zu den Herzphasen exakt bestimmen zu können, wird allerdings dennoch ein EKG ohne Trigger implementiert). Sie sind teuer, aber wenn Geld keine Rolle spielt, scheint dies zunächst einleuchtend zu sein. Allerdings ist auch be- kannt, dass diese Systeme in der geometrischen Auflösung eher am unteren Ende der Ultraschall-Scanner rangieren. Hier sollte man sich weiter klarmachen: Zu jeder Eindringtiefe ist eine bestimmte Anzahl von „Voxeln pro Volumeneinheit (z.B. Kubikzentimeter)" für die geometrische Auflösung technisch vorgegeben bzw. definiert - anders gesagt: Ein großes Herz bekommt viele Voxel, ein kleines entsprechend wenige Voxel für die geometrische Auflösung. Diese Matrix-Transducer wurden eben für die (ggf. Kinder- und) Erwachsenen-Echokardiographie konzipiert - und das Erwachsenenherz kann ein „zig-fach" größeres „Kubikzentimeter- bzw. Milliliter-Volumen" (bzw. Muskel- masse plus Cavum/Blutmenge - das ist das zu visualisierende Volumen) eines kleinen Fetalherzen erreichen - entsprechend wenige Voxel stehen für die Auflösung zur Verfügung. Per se wird ein Fetalherz also schon entsprechend „grob" aufgelöst - und je geringer die physikalisch-technisch vorgegebene Auflösung eines Verfahrens, umso stärker sichtbar obendrein. Außerdem liegt das Kinder- bzw. Erwachsenenherz auch noch viel Transducer-näher (beginnend direkt hinter der Thoraxwand oder etwa vom Sternum aus visualisierbar) als das Fetalherz, bei dem zuerst einmal eine Schall- Laufstrecke von der Bauchdecke bzw. Placenta der Mutter durch das Fruchtwasser bis zum Erreichen des Feten durchlaufen werden muss: Wenn die Eindringtiefe soweit reicht, befinden wir uns eventuell doch schon im „Fernfeld" oder in der Nähe desselben, wo die geometrische Auflösung dann nochmals nachlässt. Wie schnell ist schließlich „schnell" bei Matrix-Transducern? Derzeit etwa 20 VoIu- men/sec - und damit zurück zur fetalen Herzfrequenz: Sie ist typisch etwa doppelt so hoch wie die eines Erwachsenenherzens. Geht man von einer Erwachsenen-Herzfrequenz von 60 bpm aus, wird eine Herzaktion in 1 sec. mit 20 Volumen zeitlich aufgelöst, wenn man eine typische fetale Herzfrequenz mit 120 bpm ansetzt, wird diese in ΛA sec. mit 10 Volumen aufgelöst - also im Durchschnitt für die 4 Phasen: Früh- und Spät- Systole sowie -Diastole je 2,5 Volumen als Bewegungs- bzw. zeitliche Auflösung - nicht zuviel, so relativ ist also „schnell".The next obvious idea might be to use real-time 4D scanners with matrix transducers that do not perform "volume reconstruction" because the transducers generate native volumes and are known to be so fast ("real-time 4D"). in that they do not need an ECG trigger for image generation. (In order to be able to exactly determine the assignment of the images to the cardiac phases, however, an ECG without triggers is nevertheless implemented). They are expensive, but if money does not matter, it seems plausible at first. However, It is well known that these systems tend to rank in the geometric resolution at the lower end of the ultrasound scanners. Here it should be further clarified: For each penetration depth a certain number of "voxels per unit volume (eg cubic centimeter)" for the geometric resolution is technically specified or defined - in other words: A large heart gets many voxels, a small correspondingly few voxels for the geometric resolution: These matrix transducers were designed for (possibly pediatric and) adult echocardiography - and the adult heart can have a "tens of times" larger "cubic centimeter or milliliter volume" (or muscle mass plus cavum / blood volume - that is the volume to be visualized) of a small fetal heart reach - correspondingly few voxels are available for the resolution.A per se, a fetal heart is already "roughly" dissolved - and the lower the physically-technically predetermined resolution of a Procedure, the more visible on top of that. In addition, the child's or adult's heart is also much closer to the transducer (starting directly behind the thoracic wall or visualizable from the sternum) than the fetal heart, in which first a sound path from the abdominal wall or placenta of the mother through the amniotic fluid If the penetration depth reaches, we may already be in the "far field" or in the vicinity of it, where the geometric resolution then decreases again. "How fast is" fast "with matrix transducers? ? Currently about 20 voices / sec - and thus back to the fetal heart rate: it is typically about twice as high as that of an adult heart. . Assuming an adult heart rate of 60 bpm of a heart action in 1 sec is dissolved with 20 volumes of time by assuming that a typical fetal heart rate of 120 bpm, this is dissolved in Λ A sec with 10 volumes -. So in Average for the 4 phases: Early and late systole as well as diastole each 2.5 volumes as movement or temporal resolution - not too much, so relative is thus "fast".
An dieser Stelle legen also schon theoretische Vorüberlegungen nahe: Die Ergebnisse eines Matrix-Transducers mögen brauchbar sein, werden aber momentan kein „neues Zeitalter" einläuten. Die Ergebnisse evtl. zukünftiger spezieller Matrix-Transducer, die für diese besonderen Fetal-Echo-Randbedingungen optimiert sind, blieben abzuwarten. Hier aber zurück zum Geld: Nur für Fetal-Echokardiographie einen teuren Real- Time-4D-Scanner zu kaufen, mit dem man in der Gynäkologie aktuell sonst wohl wenig anstellen könnte, wird auch für Spezialisten unproportional: Wenn das Ergebnis eine „neue Dimension" versprechen würde - vielleicht für einige wenige, aber das ist vorerst nicht zu erwarten.Theoretical considerations suggest that the results of a matrix transducer may be useful, but will not herald a "new age." The results of any future special matrix transducers that will optimize for these particular fetal-echo constraints Here are back to the money: Only for fetal echocardiography to buy an expensive real-time 4D scanner, with which one currently could do little else in gynecology, is also disproportionate for specialists: If the result a Would promise a "new dimension" - perhaps for a few, but that is not to be expected for the time being.
Zurück zu der anfangs gestellten Frage - mit der Antwort. Nach gegenwärtigem tech- nischem Stand ist ein fetal-echokardiographischer Trigger also tatsächlich sinnvoll:Back to the initial question - with the answer. So, according to the current state of the art, a fetal echocardiographic trigger really makes sense:
Das Fetalherz gehört zu den Fällen, wo auf die Darstellung einer größeren anatomischen Umgebung für die Ausbildung relativ gut verzichtet werden kann - die Übergänge zu den großen herznahen Gefäßen wie Aorta etc. werden mit visualisiert, und we- nigstens ab der Geburt gibt es in der luftgefüllten Lunge sowieso im Ultraschall nicht mehr viel Relevantes zu sehen. Das Freehand-Verfahren muss für das Fetalherz also keine langstreckigen Sweeps absolvieren und arbeitet mit 25 2D-Bildem/sec. bzw. analog ebenso vielen rekonstruierten Volumina eher schneller als Matrix-Scanner. (Eventuell ist für Ausbildungszwecke auch das sog. „Halbbild-Verfahren" einsetzbar: Da die Datenübernahme per Video erfolgt, liegen hier entsprechend der TV-Norm zwei aufeinanderfolgende Bilder mit den Zeilen „1 ,3, 5,... bis 767" sowie „2,4,6... bis 768" vor, eben die sog. Halbbilder - diese kann man durch Interpolation jeweils zu „Vollbildern" umrechnen und damit eine Verdopplung der Bildfrequenz auf 50/sec. erreichen - hier müssten anerkannte Experten entscheiden, ob für Ausbildung die Bildqualität derart ist, dass man vertretbar sagen kann „so könnte es in der Realität aussehen".)The fetal heart is one of the cases where the presentation of a larger anatomical environment for the training can be done relatively well - the transitions to the large vessels close to the heart, such as the aorta, etc., are also visualized, and at least from birth on Airborne lung anyway no longer much relevant to see in the ultrasound. The Freehand procedure therefore does not have to complete long sweeps for the fetal heart and works with 25 2D-images / sec. or analogously just as many reconstructed volumes rather faster than matrix scanner. (Possibly also the so-called "Halbbild-Verfahren" can be used for training purposes: Since the data transfer takes place by video, here according to the TV standard two consecutive pictures with the lines "1, 3, 5, ... to 767" and "2,4,6 ... to 768" before, just the so-called fields - these can be converted by interpolation in each case to "frames" and thus achieve a doubling of the frame rate to 50 / sec - here would have to decide accepted experts, whether image quality is such for education that it can reasonably be said "that's how it might look like in reality".)
Der erste Prototyp des FET (Fetal Echocardiography Trigger) wurde mit diesem Verfahren getestet und zeigte die erwarteten Ergebnisse, solange man bei der Simulation Schnitte etwa in derselben Ebene wie bei der Aufnahme mit dem 2D-Scanner durchführte - bei mehr orthogonal dazu liegenden Schnitten ließ die Bildqualität stark nach - was allerdings so auch nicht überraschte. (Das Halbbildverfahren wurde dabei bisher nicht angewendet/geprüft.)The first prototype of the FET (Fetal Echocardiography Trigger) was tested with this method and showed the expected results, as long as the simulation performed cuts in approximately the same plane as when recording with the 2D scanner - with more orthogonal sections left the Picture quality strongly after - which did not surprise however so also. (The field method has not been used / tested.)
Für die Simulation sollte bei diesem Verfahren also ein Fall in zwei zueinander etwa orthogonalen Sweep-Richtungen erfasst und zumindest analog bei der Simulation mit vorgegebener Schnittebenenvorgabe verfügbar gemacht werden. Dies schränkt die Perfektion der Simulation allerdings - auch dies ist allerdings dadurch hinreichend lösbar, dass der Simulator diese beiden 4D-Volumina lädt und über eine Ermittlung der Position des Transducers das dazu „passende" 4D-Volumen visualisiert (siehe auch „PRS - Perspective Related Scanning"). Im übrigen gibt es dazu jetzt aber auch eine interessante Alternative: Bei Einsatz des FET bei einem 3D-Scanner ist der zuvor beschriebene Effekt (mindere Qualität bei anderen Schnittebenen als derjenigen, die zur Aufnahme verwendet wurde) so nicht oder nur in deutlich abgeschwächter Form zu erwarten. Der FET ist praktisch unverändert auch für eine Volumenaddition über der Zeitachse einsetzbar, wofür man dann übliche 3D-Scanner mit Volumen-Transducern verwenden kann, die auf abdominelle Anlotun- gen eines Feten ausgelegt sind, und auch sonst von dem Gynäkologen genutzt werden können. Somit ist der FET als Alternative zu Matrix-Scannern mit zwei Scan-Verfahren einsetzbar, was als durchaus sinnvoll zu bewerten ist.For the simulation, a case should therefore be detected in two mutually approximately orthogonal sweep directions and made available at least analogously in the simulation with a given cutting plane specification. However, this limits the perfection of the simulation - however, this is sufficiently solvable that the simulator loads these two 4D volumes and visualizes the "matching" 4D volume by determining the position of the transducer (see also "PRS - Perspective Related scanning "). Incidentally, there is also an interesting alternative: When using the FET in a 3D scanner, the effect described above (lower quality at other cutting planes than the one used for recording) is not or only to a much lesser extent expect. The FET can be used virtually unchanged for a volume addition over the time axis, for which you can then use conventional 3D scanners with volume transducers, which are designed for abdominal clutches of a fetus, and otherwise can be used by the gynecologist. Thus, the FET can be used as an alternative to matrix scanners with two scanning methods, which is quite reasonable to evaluate.
Als Routineverfahren ist FET momentan noch nicht konzipiert, (könnte jedoch im Hand- ling bei Bedarf entsprechend weiter optimiert werden), wohl aber als Lösung, um zumindest fetal-echokardiographische Aufnahmen bei selektierten Fällen zur Simulation erfassen zu können. Soviel zum Hintergrund des FET.As a routine procedure, FET is currently not yet conceived (but could be further optimized if necessary), but as a solution to capture at least fetal echocardiographic recordings in selected cases for simulation purposes. So much for the background of the FET.
Zur Beschreibung des FET-Verfahrens an sich:To describe the FET method itself:
Da der Doppler-Schall mit dem bildgebenden Schall - ebenso wie der bildgebende Schall mit dem Doppler-Schall massive Interferenzen erzeugen würde (beide Verfah- ren könnten dabei dann keine verwertbaren Ergebnisse mehr liefern - eine Aussage, die Vorversuche auch genauso bestätigt haben), wurde ein zeitversetztes Verfahren eingesetzt.Since the Doppler sound with the imaging sound - as well as the imaging sound with the Doppler sound - would produce massive interferences (both processes could then no longer deliver usable results - a statement that also confirmed preliminary tests) used a time-shifted method.
Dieses Verfahren verwendet daher wahlweise ein separates, zu dem Triggersystem gehörendes Ultraschall-Dopplergerät oder die Dopplerfunktion des Transducers eines Ultraschschall-Scanners zur Ermittlung der fetalen Herzfrequenz über einen repräsentativen Zeitraum unmittelbar vor der Bilderfassung. Im Detail vorgestellt wird hier dieThus, this method optionally utilizes a separate ultrasonic Doppler device associated with the triggering system or the Doppler function of the transducer of an ultrasound scanner to determine the fetal heart rate over a representative period immediately prior to image acquisition. In detail presented here is the
I. Version mit separatem Dopplergerät, 2D-Scanner und dem Freehand-Verfahren:I. Version with separate Doppler device, 2D scanner and the Freehand method:
Das dazu entwickelte Triggergerät FET (Fetal Echocardiography Trigger) wertet das Audiosignal des Dopplers entsprechend der gesuchten Herzfötusrhythmik als Peak Flow beim Ejektionsbeginn jeder (periodischen) Herzaktion aus. Dieses Signal ist gut erkennbar/diskriminierbar, da es eine deutlich höhere Amplitude aufweist als die restlichen Dopplersignale. Abbildung 10 veranschaulicht dies unmittelbar: Die so ermittelte Rhythmik entspricht der Herzfrequenz, die als TTL-Ausgangsimpuls an das Bild-Erfassungssystem zur 4D-Rekonstruktion übermittelt wird. Zur Kontrolle wird über ein Display die aktuelle Ausgabefrequenz angezeigt.The trigger device FET (Fetal Echocardiography Trigger) developed for this purpose evaluates the audio signal of the Doppler in accordance with the desired cardiac fetal rhythm as peak flow at the beginning of the ejection of each (periodic) heart action. This signal is easily recognizable / discriminated because it has a much higher amplitude than the remaining Doppler signals. Figure 10 illustrates this immediately: The rhythm determined in this way corresponds to the heart rate, which is transmitted as a TTL output pulse to the image acquisition system for 4D reconstruction. As a check, the display shows the current output frequency.
Die Ausgabefrequenz des Triggergerätes konnte vergleichend durch manuelles Nach- messen von Audiobändern mit Hilfe von Signalauswertungssoftware validiert werden.The output frequency of the trigger device could be comparatively validated by manual remeasurement of audio tapes with the aid of signal evaluation software.
Das Triggergerät im engsten Sinne besteht aus einer Analogkomponente, welche einen Bandpass einsetzt, der störende Frequenzen ausfiltert, und aus einem Microcontroller, der über einen integrierten A/D-Wandler das Audiosignal des Dopplers nach einem praktisch erprobten Algorithmus ausmisst. Das Gerät synchronisiert sein Ausgangssignal bei anliegendem Dopplersignal. Bei fehlendem Eingangssignal (Doppler ausgeschaltet zur Bildaufnahme) wird die zuletzt gemessene Frequenz als „virtueller Puls" weiter ausgegeben.The trigger device in the strictest sense consists of an analog component, which uses a bandpass filter that filters out interfering frequencies, and a microcontroller that uses an integrated A / D converter to measure the Doppler audio signal according to a practically proven algorithm. The device synchronizes its output signal when the Doppler signal is applied. If there is no input signal (Doppler switched off for image acquisition), the last measured frequency is output as a "virtual pulse".
Eine nachregelnd/aktualisierende, intermittierende Adaption des „virtuellen" Pulses im Falle eines „Auseinanderlaufens" gegenüber dem realen Puls - d.h. mit kurz pausierender Bildaufnahme - ist vorgesehen, war aber bei den bisher aufgenommenen Fällen nicht notwendig. Der so ermittelte virtuelle Puls übernimmt die Funktion des EKG-Triggers wie zur Ge- nerierung einer 4D-Bildsequenz in der "konventionellen" Kardiologie. Der unmittelbar ermittelte Triggerzeitpunkt kann dabei nach pragmatischen Gesichtspunkten einer optimalen Bildaufnahme mit einem zeitlichen Shift versehen werden.A tracking / updating, intermittent adaptation of the "virtual" pulse in the case of a "divergence" from the real pulse - i. with a brief pause of image acquisition - is provided, but was not necessary in the cases recorded so far. The virtual pulse determined in this way takes on the function of the ECG trigger as it does for generating a 4D image sequence in "conventional" cardiology. The immediately determined trigger time can be provided with a temporal shift according to pragmatic aspects of optimal image acquisition.
Damit wird es der Software möglich, die notwendige bzw. auch die geeignetste zeitli- che Anordnung der 2D-Bilder des fetalen Herzens vor der Konvertierung in ein bewegtes 3D-Volumen bzw. ein 4D-Volumen vorzunehmen. Das Ergebnis ist nun eine Sequenz korrekt aufeinanderfolgender Volumina in zeitlichem Abstand von 40 (Originaldaten-Vollbilder) oder 20 (sog. interpolierte Halbbilder) msec. bzw. 25 oder 50 BiI- dem/sec. für die Dauer einer fetalen Herzaktion, die dann ein dynamisches 3D- Volumen bzw. ein 4D-Volumen erzeugen. Getestet wurde bisher nur das Vollbild- Verfahren.This makes it possible for the software to perform the necessary or even the most suitable temporal arrangement of the 2D images of the fetal heart before conversion into a moving 3D volume or a 4D volume. The result is now a sequence of correctly consecutive volumes at intervals of 40 (original data frames) or 20 (so-called interpolated fields) msec. or 25 or 50 images / sec. for the duration of a fetal heart action, which then generate a dynamic 3D volume or a 4D volume. So far, only the full-screen method has been tested.
Der für die Bildsequenz initiale Triggerimpuls kann nicht nur „voreinstellend" per Para- metrisierung des Triggersystems, sondern entsprechend einer „Life-Bild- Abschätzung" der beobachteten Herzaktion unmittelbar vor der Akquisition auch bei dem verwende- ten Aufnahmesystem (MedCom ScanNT) an einer theoretisch beliebigen Stelle gesetzt werden.The trigger pulse which is initial for the image sequence can not only be "preset" by parameterization of the trigger system, but also according to a "life image estimation" of the observed heart action immediately prior to the acquisition, even in the case of the The recording system (MedCom ScanNT) can be set at a theoretically arbitrary position.
In der Praxis empfiehlt es sich, den Triggerpunkt zunächst so zu wählen, dass er in einer längeren bewegungsarmen Phase (z.B. in der Enddiastole, aber ausreichend weit vor der Kontraktion) gesetzt wird - auf diese Weise kann man ein „Ruckein" beim „Abspielen" vermeiden, wenn Bilder, die gerade auf der Grenze zwischen zwei aufeinanderfolgenden Herzzyklen erfasst werden, „mal als letztes" Bild des einen Zyklus, und „mal als erstes" des nächsten Zyklus angeordnet werden: Befinden sie sich in beiden Fällen als spät-diastolische Bilder in dem dafür vorgesehenen Bereich, ist dies für den visuellen Kontraktions-Dilatations-Ablauf unwesentlich - wenn hingegen das eine oder andere früh-systolische Bild in die den spät-diastolischen Bereich eingeordnet wird, ist das Ergebnis medizinisch nicht mehr korrekt und wirkt beim „Abspielen" auch schon rein optisch sehr störend. Der im folgenden dargestellte Screenshot zeigt die Akquisition eines Herzens - unten von links nach rechts in dem zentralen Window „US Akquisition" sieht man die symbolisierte R-Zacke, den gesetzten Triggerpunkt, die bereits gesampelten Bilder (Frames), die Herzfrequenz und deren erlaubte Varianz (Abb. 11 mit freundlicher Genehmigung der MedCom GmbH).In practice, it is advisable to first select the trigger point in such a way that it is set in a longer, low-motion phase (eg in the end diastole, but sufficiently far in advance of the contraction) - this way, one can "jolt" when "playing" Avoid when images that are just captured on the border between two consecutive cardiac cycles are placed "once as last" image of the one cycle, and "times first" of the next cycle: in both cases, they are considered late-diastolic images in the designated area, this is immaterial for the visual contraction-dilation process - however, if one or the other early-systolic image is classified in the late-diastolic area, the result is medically no longer correct and acts when "play "even very visually very annoying.The screenshot below shows the acquisition of a heart - bottom left to right In the central window "US Acquisition" you can see the symbolized R wave, the set trigger point, the already sampled frames, the heart rate and their allowed variance (Fig. 11 by courtesy of MedCom GmbH).
Abbildung 12 stellt synoptisch und synchron nochmals den Ablauf einer mit FET (Doppler: blau dargestellt) oder EKG (EKG: gelb dargestellt) herzgetriggerten (Triggersignal: rot dargestellt) Aufnahme dar; diagonal von links/oben nach rechts/unten: Geometrisch noch nicht kartesisch transformierte M-Mode/2D-Bilder (Frames) EKG (bei EKG-Triggerung - im Falle von FET-Triggerung hier lediglich als Orientie- rung für die Zuordnung zu den Herzphasen zu verstehen)Figure 12 shows synoptically and synchronously again the sequence of a heart-triggered with FET (Doppler: blue) or ECG (ECG: yellow) heart-triggered (trigger signal: shown in red) recording; diagonally from left / top to right / bottom: Geometrically not yet Cartesian transformed M-mode / 2D images (frames) ECG (for ECG triggering - in the case of FET triggering here only as an orientation for the assignment to the cardiac phases to understand)
Abgeleitetes Triggersignal Doppler-basiertes Haemodynamik-SignalDerived trigger signal Doppler-based hemodynamic signal
Zeitachse (diagonal von links unten nach rechts oben verlaufend) Zeitlich und geometrisch (siehe nach oben zeigender Pfeil am ersten „Bild-Wuerfel" fuer die räumliche Zuweisung der Frames) korrekt angeordnete 2D-Bilder:Timeline (running diagonally from bottom left to top right) Timed and geometric (see up arrow on the first "image cubes" for the spatial assignment of the frames) correctly arranged 2D images:
Abschließend noch eine Abbildung 13 mit einer schematische Graphik zum gesamten Geräte-Aufbau mit separatem Dopplergerät+FET (links), 3D-Sensorik am Transducer, 2D-Scanner (Mitte) und Aufnahmesystem (rechts) während des Aufnahmevorgangs bei der Patientin: (Auch die räumliche Zuordnung per 3D-Sensor wird in dieser letzten Graphik betr. DVT-FET zum gesamten Geräte-Aufbau evtl. anschaulicher und ergänzend zur obigen Graphik gezeigt).Finally, a Figure 13 with a schematic diagram of the entire device structure with separate Doppler + FET (left), 3D sensor on the transducer, 2D scanner (center) and recording system (right) during the recording process in the patient: (Also the spatial assignment by 3D-sensor is shown in this last graph concerning DVT-FET for the complete device-structure possibly more vividly and in addition to the above graphic).
Das Freehand-Verfahren mit diesen Darstellungen wurde hier auch deshalb gewählt, weil FET darauf eben anwendbar ist und dabei zugleich visuell eine gute Vorstellung vermittelt werden kann, wie 3D und getriggertes 4D „step by step" ablaufen - i.w. auch für 3D/4D-Scanner, wo dies - außer 3D-Sensor und FET - Scanner-intern (als ein integriertes System) im Prinzip sehr ähnlich realisiert wird.The Freehand method with these representations was also chosen here because FET is applicable to it and at the same time visually a good idea can be conveyed, as 3D and triggered 4D "step by step" run - iw also for 3D / 4D scanner where this - except for 3D sensor and FET - scanner internally (as an integrated system) in principle very similar realized.
II. Version mit 3D-Scanner (Volumen-Transducer):II. Version with 3D Scanner (Volume Transducer):
Ein 3D-Scanner ist auch eine weitere Alternative für FET: Das Gerät kann ebenso dafür verwendet werden, den Volumen-Transducer eines 3D-Scanners zur Erfassung des Fetalherzens geeignet zu positionieren/anzulöten und dann für eine ausreichend lange Zeitdauer die Volumina mit „Time Stamp" auf der Zeitsachse aufzusummieren. Dabei muss - statt eines Sweeps beim Freehand-Verfahren - der Volumen-Transducer eines 3D-Scanners in der Eindringtiefe so eingestellt werden, dass das Fetalherz optimal und vollständig visualisiert wird und dann während der Aufnahme in dieser Anlotung sta- tisch positioniert bleiben.A 3D scanner is also another alternative for FET: The device can also be used to properly position / solder the volume transducer of a 3D scanner to capture the fetal heart and then, for a sufficiently long period of time, measure the volumes with "Time Stamp Instead of sweeping the freehand method, the volume transducer of a 3D scanner must be set in the penetration depth in such a way that the fetal heart is optimally and completely visualized and then recorded in this plot during the acquisition. stay positioned.
Bei der Erfassung der Volumina kann ggf. wegen der einer zu langsamen Zeitauflösung von Volumen-Transducern zunächst ein n-faches der Periodendauer einer Herzaktion zur Summierung herangezogen werden - z.B. 5 Volumen/sec. werden ein Fetalherz zum einen nicht akzeptabel zeitlich auflösen, und die Volumina werden hinsicht- lieh ihrer Aufnahmezeitpunkte z.B. bei 3 oder 4 Perioden auch statistisch besser verteilt bzw. könnten hinreichend gleichmäßig verteilt anschließend in eine Periodenlänge ge- mäss der Zuordnungsreihenfolge zwischen zwei Triggerzeitpunkte regelmäßig eingefügt werden. Das Aufnahmesystem und der Simulator können hingegen eine höhere Bildfrequenz (z.B. 25 Volumina/sec.) verarbeiten. So könnten dann entsprechend viele Volumina aufsummiert und herangezogen werden und anschließend in physiologisch korrekter „Abspielgeschwindigkeit" auch mit guter Zeitauflösung dargestellt werden. III. Verfahren mit Real-Time 3D/4D-Scanner (4D Matrix-Transducer):When capturing the volumes, it may be necessary to use an n-fold of the period duration of a heart action for summation, for example 5 volumes / sec, because of the too slow time resolution of volume transducers. On the one hand, a fetal heart will not dissolve in an acceptable manner, and the volumes will also be statistically better distributed, eg at 3 or 4 periods, or may be regularly distributed evenly and then regularly inserted into a period length according to the order of assignment between two trigger times , By contrast, the recording system and the simulator can process a higher frame rate (eg 25 volumes / sec.). So then a corresponding number of volumes could be summed and used and then displayed in physiologically correct "playback speed" with good time resolution. III. Procedure with Real-Time 3D / 4D Scanner (4D Matrix Transducer):
Möglicherweise erübrigen sich diese Verfahren für die Fetal-Echokardiographie durch Real-Time 3/4D-Scanner mit Matrix-Transducer: Durch ihre hohe Bild/Volumenfrequenz machen diese Scanner ein „Aufsummieren" von Bilddaten obsolet.These procedures may be unnecessary for fetal echocardiography using Real-Time 3 / 4D scanners with matrix transducers: their high image / volume frequency makes these scanners obsolete "summing up" image data.
Erste Versuche scheinen erfolgversprechend zu sein, sind aber noch nicht veröffentlicht.Initial attempts seem promising, but have not yet been published.
B. Zur Atmung:B. For breathing:
Für die Triggerung bei der Atmung können viele verschiedene Methoden, so z.B. Impedanzverfahren eingesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist ein drucksensitiver Gürtel, der die Atmung registrieren kann. Ebenso kann hierfür ein 3D-Sensor einge- setzt werden, der zusätzlich zu dem 3D-Sensor des Aufnahme-Transducers an einer atmungsrepräsentativen Steile auf dem Patienten positioniert wird. Die Wahl des eingesetzten Triggers kann somit praktisch als angemessene Lösung, welche der jeweiligen Fragestellung unter Berücksichtigung der erforderlichen bzw. gewünschten Genauigkeit und des Aufwands entspricht, relativ beliebig gewählt werden.For triggering in breathing, many different methods, e.g. Impedance method can be used. Another option is a pressure-sensitive belt that can register breathing. Likewise, for this purpose, a 3D sensor can be used, which is positioned in addition to the 3D sensor of the recording transducer at a respiration-representative position on the patient. The choice of the trigger used can thus be chosen relatively arbitrarily as an appropriate solution, which corresponds to the respective question, taking into account the required or desired accuracy and the effort.
C. Irreguläre bzw. „chaotische" Bewegungen:C. Irregular or "chaotic" movements:
Für irreguläre Bewegungen - wie die Ganzkörper-Bewegungen eines Feten oder manche Bewegungen in der Orthopädie tec. - wird man nur mit Real-Time 4D-Scannern wirklich zufriedenstellende Ergebnisse erzielen.For irregular movements - like the whole-body movements of a fetus or some movements in orthopedics tec. - Real-Time 4D scanners will produce really satisfying results.
5 SSP - Scan-Model Surface Processing5 SSP - Scan-Model Surface Processing
Bislang hat die Ultraschall-Simulation einfach nur Volumen verwendet, die mit Ultra- schall-Scannem und 3D-Sensorik erfasst wurden und anschließend wiederum mittels eines 3D-Sensors in einem Pseudo-Schallkopf „virtuelle", d.h. aus dessen räumlicher Position errechnete Schnitte visualisiert. Der 3D-Sensor und das Simulator-System berücksichtigten dabei also die Form und räumliche Position der aufgenommenen „Datenwolke" innerhalb des Schallmodells quasi wie ein 3dimensionales Projektionsmedi- um für das aufgenommene Volumen - sowie die momentane Position des 3D-Sensors. Die Form, oder genauer: die (Oberflächen-)Ortskoordinaten des Schallmodells spielten für die Software keine Rolle bzw. wurden nicht erfasst und berechnet - zunächst logisch und ausreichend erscheinend, da das erfasste Volumen dennoch in dem Schallmodell in der anatomisch richtigen Position lokalisierbar bzw. jeder gewünschte Schnitt damit visualisierbar war. Dies führte zu dem Effekt, dass Schnittbilder bei manchen Positionen des Peudo-Transducers auch dann generiert wurden, wenn er gar nicht auf dem Schallmodell aufgesetzt war/wird - ein etwas mangelnder Realismus, der an sich allerdings nicht sehr (negativ-) folgenreich ist, da er recht selten bemerkt wird und selbst dann wegen seiner Offensichtlichkeit nicht wirklich zur Vermittlung falscher BiId- Interpretationen führt.So far, ultrasound simulation has simply used volumes that have been recorded with ultrasonic scanners and 3D sensors, and then visualized by means of a 3D sensor in a pseudo-transducer "virtual", ie calculated from its spatial position cuts. The 3D sensor and the simulator system thus took into account the shape and spatial position of the recorded "data cloud" within the sound model, more or less like a three-dimensional projection medium for the recorded volume - as well as the current position of the 3D sensor. The shape, or more precisely: the (surface) location coordinates of the sound model were irrelevant or were not recorded and calculated for the software - initially logical and sufficient appearing, since the detected volume can still be localized in the anatomically correct position in the sound model or every desired cut could be visualized. This led to the effect that sectional images were generated at some positions of the Peudo transducer even if it was not set up on the sound model - a somewhat lacking realism, which in itself is not very (negative) consequential, because it is rarely noticed and even then, because of its obviousness, does not really lead to the misrepresentation of false bi-interpretations.
Mit anderen Worten: Ultraschall-Simulatoren „kannten" bisher nur das Schall-Volumen und die Position ihres Pseudo-Transducers, aber nicht das Schallmodell, das nur eine passive und quasi „qualitative", jedoch „quantitativ unbekannte" (d.h. Ortskoordinaten- )Oberfläche zur Simulation der System-Komponente „Patient(in)" war. Aus einer Vielzahl von signifikanten Gründen wird hier nun das (3dimensionale) Einscannen, z.B. mit einem 3D-Laser-Scanner, aller verwendeten Schallmodell-Typen (wie z.B. für Kardiologie, Innere/Notfall-Medizin, Gynäkologie/Pränatalmedizin etc.) vorgenommen. (Voraussetzung für die Sinnhaftigkeit dieses Verfahrens ist dabei eine in der Realisierung hinreichende Uniformität aller hergestellten Exemplare jedes Schallmodell-Typs (man könnte auch sagen: Schallmodell-Klasse), sofern man nur einmal den Schallmodell- Typ und nicht jedes einzelne Schallmodell einscannen will, was unrealistisch aufwändig wäre.) Dabei gibt es derzeit wohl drei technische Realisierungswege für eine derartige „Abtas- tung":In other words, ultrasound simulators have only "known" the volume and position of their pseudo-transducer, but not the sound model, which is only a passive and quasi "qualitative" but "quantitatively unknown" (ie, location coordinate) surface to simulate the system component "Patient (in)". For a variety of significant reasons, here now (3-dimensional) scanning, e.g. with a 3D laser scanner, all types of sound models used (such as for cardiology, internal / emergency medicine, gynecology / prenatal medicine, etc.). (Prerequisite for the meaningfulness of this method is a sufficient uniformity in the realization of all produced specimens of each sound model type (one could also say: sound model class), if one wants to scan only the sound model type and not every single sound model, which would be unrealistic.) There are currently three technical implementation paths for such a "sampling":
(1) Verwendung der „eigenen" 3D-Sensorik mit einer hinreichend uniformen Scan- Methode zur Gewinnung eines ausreichend dichten „Gitternetzes", das die Oberfläche des Schallmodells annähernd „orginalgetreu" (hinreichend kleine Polygone, orthogonale Anwinklung etc.) und überall „unkomprimiert" (im ersten Ansatz wie in unberührtem Zustand, evtl. aber auch plus/minus einem kleinen, gewünschten Offset) wiedergibt;(1) Using the "own" 3D sensor with a sufficiently uniform scan method to obtain a sufficiently dense "grid", the surface of the sound model approximately "orginalgetreu" (sufficiently small polygons, orthogonal angling, etc.) and everywhere "uncompressed "(in the first approach as in the untouched state, but possibly also plus / minus a small, desired offset) reproduces;
(2) Verwendung eines speziellen optischen (z.B. Laser-) Scanners, mit dem die O- berflächendaten grundsätzlich wohl noch „feiner" gewonnen werden könnten;(2) using a special optical (e.g., laser) scanner that could in principle make the surface data "finer";
(3) Gewinnung dieser Oberflächendaten unmittelbar aus dem Herstellungsprozess der jeweiligen Schallmodelle. Ziel ist in jedem Fall ein hinreichendes „dichtes" Netz von Oberflächendaten (z.B. Polygon-Ecken), das eine ausreichend „feine" Abbildung der runden, irregulär geformten Schallmodelle gewährleistet. Die letzteren beiden Verfahren sind voraussichtlich in der praktischen Realisierung grundsätzlich etwas genauer, allerdings wäre dabei evtl. ein zusätzlicher Rechenschritt notwendig, der eine geeignete Konversion der gewonnenen Oberflächenkoordinaten in das proprietäre Koordinatensystem des eigenen SD- Sensors leistet - letztlich wohl eine pragmatisch bzw. im Versuch zu treffende Entscheidung, was dann praktisch am besten funktioniert.(3) Obtaining this surface data directly from the manufacturing process of the respective sound models. The goal is in any case a sufficient "dense" network of surface data (eg polygon corners), which ensures a sufficiently "fine" image of the round, irregularly shaped sound models. The latter two methods are expected to be generally more accurate in practical implementation, but this might require an additional computational step, which makes a suitable conversion of the acquired surface coordinates into the proprietary coordinate system of the own SD sensor - ultimately a pragmatic or in an attempt decision to make, which works best in practice.
Eine derartige Scan-Methode macht es jedenfalls möglich, die Oberflächendaten der Schallmodelle als hinreichend fein aufgelöste Vielzahl einzelner, kohärenter Polygonebenen in einer Tabelle zu speichern, schnell abzurufen und für die weitere Verarbeitung zur Bilddaten-Visualisierung und Simulation zu nutzen.In any case, such a scanning method makes it possible to store the surface data of the sound models as a sufficiently finely resolved multiplicity of individual, coherent polygon planes in a table, to retrieve them quickly and to use them for further processing for image data visualization and simulation.
Bei der Realisierung sind vom Ansatz her wenig Probleme zu erwarten. In der Praxis dürfte die genaue Uniformität aller Schallmodelle einer jeden Schallmodell-Klasse bei den vorerst relativ kleinen Serienzahlen voraussichtlich eine der größten Herausforderungen sein.There are few problems to be expected in the implementation. In practice, the exact uniformity of all sound models of each sound model class is likely to be one of the biggest challenges for the current relatively small numbers of series.
(Theoretisch wäre als vierter Weg auch ein Druck-Sensor/Schalter am Pseudo-Trans- ducer denkbar, aber eine in vielerlei Hinsicht drastisch weniger leistungsfähige Lösung darstellen würde - wie aus folgenden Kapiteln ableitbar.(Theoretically, as a fourth way, a pressure sensor / switch on the pseudo transducers would be conceivable, but in many ways would be a drastically less powerful solution - as can be derived from the following chapters.
Unter Umständen kann aber evtl. auch eine Kombination beider Verfahren - Einscannen von Schallmodell-Oberflächen plus Drucksensor für einige Problemstellungen sinnvoll sein.)Under certain circumstances, however, a combination of both methods - scanning of sound model surfaces plus pressure sensor may be useful for some problems.)
Insbesondere haptische Schallmodelle (s. AHS) können auch mit weiteren anatomischen Features wie einem Skelett, das die Atembewegungen mitvollzieht, versehen werden. Bei derartigen Schallmodellen, die aktive oder reaktive Eigenbewegungen vollziehen können, sind ggf. mehrere derartige Oberflächenscans durchzuführen, welche hierbei gewünschten Zustände wiedergeben - und damit das Laden der variablen Oberflächen in die Visualisierung bzw. Simulation einbeziehen. Die durch diese Einscan-Verfahren gegebene Möglichkeit, lediglich bei „errechneter Berührung" oder „berechneter Berührung mit Eindrücken" des Pseudo-Transducers bei dem Schallmodell nun am Monitor des Simulators auch tatsächlich ein „aktives" Schallbild (versus „Leerbild-Darstellung", als sei der Transducer nicht aufgesetzt) zu visualisieren, ist eigentlich nur der „vordergründigste" Vorteil dieses Verfahrens. Tatsächlich ermöglichen erst die Verfahren des Einscannens der Schallmodelle in eleganter, d.h. sehr einfacher, einheitlicher und rechenökonomischer Weise - möglichst wenige bzw. „als Abruf-Tabelle bereits vorliegende" Messwerte generieren also möglichst viele nützliche, ableitbare Folge-Parameter - die Realisierung vieler bedeutenderer Features, die hier nachfolgend bis einschl. Kapitel 6 dargestellt werden.In particular haptic sound models (see AHS) can also be provided with further anatomical features such as a skeleton, which follows the respiratory movements. In such sound models, which can perform active or reactive proper motions, it may be necessary to perform a plurality of such surface scans, which in this case reflect desired states - and thus include the loading of the variable surfaces into the visualization or simulation. The given by these Einscan-method, only with "calculated touch" or "calculated contact with impressions" of the pseudo-transducer in the sound model now on the monitor of the simulator actually an "active" sound image (versus "blank image representation", as If the transducer is not set up, this is actually only the "most obvious" advantage of this method. "In fact, the methods of scanning the sound models in an elegant, ie very simple, uniform and computationally economical manner enable as few or as a retrieval table already existing "measurement values generate as many useful, derivable sequence parameters - the realization of many more important features, which are presented below up to and including chapter 6.
Ein fundamental wichtiger Schritt zur Visualisierung von Bilddaten (Volumina) ist die „Positionierung" im Schallmodell an der „richtigen", d.h. den realen Patienten, bei denen die jeweiligen Kasuistiken (Fälle/Volumina) aufgenommen wurden, entsprechen- den Lokalisierung. Dies kann durch verschiedene Verfahren realisiert werden - Translation der Volumina über entsprechende Einzelfunktionen wie Shifts der einzelnen Raumachsen, Rotation des Volumens, Speicherung einer oder mehrerer Schnittebenen oder definierter Punkte in aufgenommenen Volumina, die dann als Referenz am bzw. im Schallmodell reproduziert werden etc. - hierbei wird man typischerweise eine 3D-Sensorik mit 6 Freiheitsgraden zugrunde legen. Bei Einsatz von denkbaren anderen — z.B. optischen - Sensoren, die bei Aufnahme (z.B. an einem speziellen Aufnahmetisch) oder Visualisierung/Simulation (z.B. über optische Komponenten wie Laser, Kameras und dergleichen) eine vordefinierte Position - und damit ein eigenes Referenz-Koordinatensystem involvieren, kann ggf. auf 3 der sonst notwendigen 6 Frei- heitsgrade (zur Definition von Ort und Richtung) verzichtet werden: Sensor-Systeme dieser Provenienz liefern bereits ein Bezugs-Koordinatensystem. Alle derartige Positionierungen können in einigen Fachbereichen des Ultraschalls (z.B. Kardiologie, Präna- talmedizin) ausreichen - in anderen (z.B. Endokrinologie, Dermatologie) kann ein weiteres Justieren notwendig sein - daher seien derartige Positionierungen hier als „Pri- mär-Positionierung" bezeichnet.A fundamentally important step in the visualization of image data (volumes) is the "positioning" in the sound model at the "right", i. the real patients, for whom the respective case reports (cases / volumes) were recorded, corresponding localization. This can be realized by various methods - translation of the volumes via corresponding individual functions such as shifts of the individual spatial axes, rotation of the volume, storage of one or more cutting planes or defined points in recorded volumes, which are then reproduced as a reference on or in the sound model, etc. This will typically be based on a 3D sensor with 6 degrees of freedom. When using conceivable other - e.g. optical - sensors that involve a predefined position - and thus a separate reference coordinate system when recording (eg on a special recording table) or visualization / simulation (eg via optical components such as lasers, cameras and the like), may possibly affect 3 of the otherwise 6 degrees of freedom (for the definition of location and direction) are dispensed with: Sensor systems of this provenance already supply a reference coordinate system. Any such positioning may be sufficient in some fields of ultrasound (e.g., cardiology, prenatal medicine) - in others (e.g., endocrinology, dermatology) further adjustment may be necessary - therefore, such positioning is referred to herein as "primary positioning."
In jedem Fall sind Schallmodelle mit eingescannter Oberfläche für die korrekte Positionierung eine essentielle Hilfe: Da bei den aufgenommenen Volumina im transkutanen Ultraschall die Haut als Grenz-„Ebene" erfasst und als solche eine geometrische „Flächen-Passform" für die Positionierung unter der Oberfläche des Schallmodells liefert, kann diese Information die Datenbasis für „Feintuning-Algorithmen" nach einer „Primär- Positionierung". Diese besagte Haut- bzw. Grenz-„Ebene" mag im einzelnen Volumen etwas gekrümmt sein, dennoch funktioniert dieses Verfahren grundsätzlich dann als hinreichend genaue Approximation:In any case, scanned-surface sonic models are an essential aid to correct positioning: as the transcutaneous ultrasound volume in the captured volumes captures the skin as a boundary "plane" and, as such, provides a geometric "surface fit" for positioning beneath the surface of the skin Sonic model, this information can provide the database for "fine-tuning algorithms" after a "primary Positioning "This said skin or boundary" plane "may be somewhat curved in the individual volume, but this method basically works as a sufficiently accurate approximation:
Für die Ermittlung von „Grenzflächen" können bereits bekannte Verfahren dafür aus der Bildverarbeitung (z.B. Endokard-Erkennung) wie Grauwert-Gradienten-Auswertung u.a. herangezogen werden. Letzte Korrekturen können evtl. dann noch als „manuelle" Rotationen und Translationen vorgenommen werden.For the determination of "interfaces" already known methods for this from image processing (for example endocardial detection) such as grayscale gradient evaluation and the like can be used, with the last corrections possibly being made as "manual" rotations and translations.
Diese „Nachbearbeitung" wurde bereits im Kapitel IVS-DVA angesprochen.This "post-processing" has already been addressed in Chapter IVS-DVA.
Vervollständigend sei ausgeführt, dass die obige Beschreibung zunächst auf den „noninvasiven" Ultraschall (=transcutan, also durch die oberflächliche Haut schallend) ausgerichtet ist. Für „invasive" Ultraschall-Verfahren wie TEE, IVUS, Endosonographie oder dergleichen müsste das Verfahren analog mit einer Ortskoordinaten- Tabelle der betreffenden inneren (Hohl- oder sonstigen) Organe bei dem Simulatorsystem bzw. für seine entsprechenden invasiven Schallmodelle erweitert werden, was prinzipiell-technisch jedoch nur einen geringen Unterschied macht bzw. vom Verfahren her fast unmittelbar übertragbar ist und im Weiteren daher vernachlässigt wird. Eine solche Ortskoordinaten-Tabelle kann, wie beim transkutanen Ultraschall, mit 3D-Sensoren erstellt und weiter verarbeitet werden, seien dies magnetfeldbasierte, Trägheits-, optische oder andere 3D-Sensoren. Für das im letzten Absatz erläuterte „Feintuning" können in der Regel als Alternative für die Haut andere Grenzstrukturen wie Oesophagus-, Gefäss-, Magen-, Darm- oder andere körperinnere Wandstrukturen herangezogen werden.It should be concluded that the above description initially focuses on the "non-invasive" ultrasound (= transcutaneous, ie sounding through the superficial skin) For "invasive" ultrasound procedures such as TEE, IVUS, endosonography or the like, the method would have to be analogous to a Ortskoordinaten- table of the relevant internal (hollow or other) organs in the simulator system or for its corresponding invasive sound models are expanded, which in principle-technically makes only a small difference or the method is almost immediately transferable and subsequently neglected becomes. Such a location coordinate table, as in transcutaneous ultrasound, can be created with 3D sensors and further processed, be it magnetic field-based, inertial, optical or other 3D sensors. For the "fine tuning" explained in the last paragraph, other border structures such as esophagus, vascular, stomach, intestinal or other internal body wall structures can generally be used as an alternative to the skin.
6 VTP - Virtual Transducβr Processing6 VTP - Virtual Transducβr Processing
Das PVP-Verfahren (s.o.) ist wiederum eng verwandt mit VTP, welches die Bewegungen des „virtuellen Transducers", d.h. dem Schallkopf-Imitat erfasst und für die Simula- tion auswertet.The PVP method (see above), in turn, is closely related to VTP, which detects the movements of the "virtual transducer", that is the transducer imitat, and evaluates it for simulation.
VTP ermittelt insbesondere die nachfolgend erläuterten Parameter, die aus den Oberflächen-Scan-Daten der Schallmodelle, einer geometrischen Datenbeschreibung insbesondere konvexer Transducer-Imitate sowie aus den laufenden Positionsdaten des 3D-Sensor-Receivers im Schallkopf-Imitat ermittelbar/ableitbar sind und zur Visualisie- rung bzw. Simulation verwendet werden. Die eingescannten Schallmodell-Oberflächen liefern einen 3D-Datensatz - dabei sei hier zunächst von einem statischen/fixen Datensatz ausgegangen - m.a.W.: Vernachlässigt man zunächst die „Eindrücktiefe" bei passiven Schallmodellen (was nicht zwangsläufig ist - man kann z.B. derart verursachte Organverschiebungen - wie bei einer Leber - zu einem gewissen Grad auch bei einem passiven Schallmodell visuali- sieren) - ist zumindest also bei haptischen/aktiven Schallmodellen auch von einem dynamischen Datensatz 3dimensionaler Ortskoordinaten auszugehen - quasi 4dimensional, allerdings wird man sich in praxi mit relativ wenigen „repräsentativen Zuständen" zeitlicher Änderungen begnügen können (z.B. max. Expiration - Atemmittella- ge - max. Inspiration o. dgl.).In particular, VTP determines the parameters explained below, which can be determined / derived from the surface scan data of the sound models, a geometric data description, in particular convex transducer imitations and from the current position data of the 3D sensor receiver in the transducer fidelity and are used for visualization. tion or simulation can be used. The scanned sound model surfaces provide a 3D dataset - assuming a static / fixed dataset at first - maW: If one neglects first the "indentation depth" with passive sound models (which is not necessarily - one can eg such caused organ displacements - as with a visualization of a liver - to a certain extent also with a passive sound model) - so at least haptic / active sound models also assume a dynamic data set of 3-dimensional spatial coordinates - quasi 4dimensional, however, in practice, with relatively few "representative states" temporal changes (eg maximum expiration - breathing medium - max inspiration or the like).
Bei der 3D-Sensorik des sich prinzipiell „frei im Raum bewegenden" Transducer-Imitats ist z.B. für magnetfeldbasierte Sensorsysteme von der Notwendigkeit eines 6-dimen- sionalen Systems auszugehen: Bei der Erfassung der Ortsdaten kann der Magnetfelderzeugende „Sender" beliebig positioniert werden, solange er im Arbeits- bzw. Genau- igkeitsbereich für den Empfänger, der am Transducer befestigt ist, bleibt - damit wird ein Referenz-3D-Koordinatensystem definiert, innerhalb dessen dann die wiederum als 3D-Datensatz definierte (typischerweise dynamische) Position des Empfängers ermittelt wird - als ein βdimensionales System. Sensorsysteme mit einem festen Referenz- Koordinatengeber, wie dies z.B. mit Laser- oder kameragestützten 3D-System- Komponenten, die an einem Aufnahmetisch zur Ultraschall-Bildaufnahme - oder entsprechende Komponenten, die an dem Schallmodell zur Visualisierung/Simulation angebracht sind - oder im „Idealfall" beides - könnten (auch dynamische) SD- Ortskoordinaten durch ihr gleichbleibendes bzw. festes Bezugs-Koordinatensystem auch quasi mit einer „kalibrierten" Transformation von Aufnahme- und nachfolgender Visualisierung/Simulation operieren. Derartige 3D-Sensorkomponenten könnten z.B. in Form von Kameras mit Kamerastativen oder Laserkoponenten realisiert werden. Dies bezieht sich zunächst auf die 3D-Datensätze des (bewegten) Aufnahme-Transducers und des (bewegten) Transducer-Imitats; im besagten „Idealfall" könnte damit eben auch eine „automatisierbare" Positionierung der (Meta)Volumina, s.a. Kapitel (5) SSP, erfolgen - weiteres dazu s. Kapitel (10).In the case of the 3D sensor technology of the transducer imitator, which in principle operates "freely in space", the necessity of a 6-dimensional system is to be assumed, for example for magnetic-field-based sensor systems: When acquiring the location data, the "magnetic field-generating" transmitter can be positioned as long as desired it remains in the working or accuracy range for the receiver attached to the transducer - this defines a reference 3D coordinate system within which the (typically dynamic) position of the receiver, which in turn is defined as a 3D data set, is determined - as a β-dimensional system. Sensor systems with a fixed reference coordinate transmitter, as e.g. using laser or camera-mounted 3D system components mounted on an ultrasound imaging stage - or equivalent components attached to the visualization / simulation sound model - or, ideally, both (also dynamic) SD spatial coordinates Through their constant or fixed reference coordinate system, they also operate quasi with a "calibrated" transformation of recording and subsequent visualization / simulation. Such 3D sensor components could e.g. be realized in the form of cameras with camera tripods or laser coponents. This initially refers to the 3D data sets of the (moving) acquisition transducer and the (moving) transducer imitation; in the said "ideal case", an "automatable" positioning of the (meta) volumes, s.a. Chapter (5) SSP, done - see also Chapter (10).
Zunächst jedoch weiter zum Beispiel magnetfeldbasierter 3D-Sensoren mit 6 Freiheitsgraden. Heutige Ultraschall-Simulatoren haben dadurch, dass sie die Position von Volumina bezogen auf den imitierten Patientenkörper, also das Schallmodell, nicht berücksichtigen, einige systembedingte Schwächen. Translatorische Bewegungen des Transdu- cer-lmitats werden vom Simulator als entsprechende Verschiebung des Schnittbilds vi- sualisiert. Kipp- bzw. Rotations-Bewegungen können hingegen zu unrealistisch wirkenden Drehungen der Volumina führen. Diese Schwächen werden mit SSP und VTP überwunden, weil durch die Positionierung von Volumina relativ zu der Schallmodell- Oberfläche erfolgt und die Bewegung des Transducer-Imitats relativ dazu ermittelt werden kann. Darüber hinaus ermöglicht VTP das gezielte Visualisieren gewünschter weiterer, z.B. benachbarter Volumina, und hat grundsätzlich auch weitere Möglichkeiten wie z.B. das Implementieren einer „Look-Ahead"-Technik, bei der die Richtung von Bewegungen des Transducer-Imitats erfasst/analysiert wird und zur „Vorbereitung" zu ladender Volumina genutzt werden kann. Die Parameter, die durch Verknüpfung derartiger Schallmodell-Oberflächendaten und Transducer-Imitat-Daten ermittelt und für die Visualisierung/Simulation genutzt werden können, sind insbesondere:But first, for example, magnetic field-based 3D sensors with 6 degrees of freedom. Today's ultrasound simulators, by not taking into account the position of volumes relative to the imitated patient's body, the sound model, have some systemic weaknesses. Translational movements of the transducer compound are visualized by the simulator as a corresponding shift of the sectional image. By contrast, tilting or rotation movements can lead to unrealistically acting rotations of the volumes. These deficiencies are overcome with SSP and VTP because of the positioning of volumes relative to the sound model surface and the movement of the transducer imitative can be determined relative thereto. In addition, VTP allows the targeted visualization of desired additional, eg adjacent volumes, and in principle also has other possibilities, such as the implementation of a "look ahead" technique, in which the direction of movements of the transducer fiction is detected / analyzed and " Preparation "to be loaded volumes can be used. The parameters that can be determined by linking such sound model surface data and transducer-fidelity data and used for the visualization / simulation are in particular:
Mittelpunkt C (=Center Point) der Aufsetzfläche des Transducer-Imitats.Center point C (= center point) of the placement surface of the transducer fiction.
Dabei ist C tatsächlich die 3D-Sensor-Receiver-Position mit einem variablen x,y,z-Offset je nach verwendetem Typ des Transducer-Imitats, das einen „linearen" oder „konvexen" Transducer nachbildet - und/oder verschiedener 3D- Sensor-Receiver-Typen.In this case, C is actually the 3D sensor receiver position with a variable x, y, z offset depending on the type of transducer imitation used, which simulates a "linear" or "convex" transducer - and / or a different 3D sensor Receivers types.
Der 3D-Sensor-Receiver befindet sich innerhalb des Transducer-Imitats in einer definierten Distanz zu der „Aufsetzfläche" - theoretisch kann dieser „Aufsetz- punkt" als ein mathematischer Punkt, d.h. unendlich klein, betrachtet werden, a- ber die Nachbildung einer Schallfläche eines Transducers ist eben nicht unendlich klein wie ein mathematischer Punkt, sondern eine Fläche (deren Größe und Lokalisierung auch von Aufsetz-Druck und -Richtung beeinflusst wird). In der Praxis wird wahrscheinlich aber auch die schlichte Ermittlung des sich aus der Geometrie von Sensor, Schallmodell -Oberfläche (s. Kap.5 „SSP") und derThe 3D sensor receiver is located within the transducer mimic at a defined distance from the "footprint" - theoretically this "touchdown point" can be considered as a mathematical point, i. infinitely small, but the replica of a transducer's sonic surface is not infinitely small like a mathematical point, but a surface (whose size and localization are also affected by touchdown pressure and direction). In practice, however, the simple determination of the geometry of sensor, sound model surface (see Chapter 5 "SSP") and the
Transducerlmitat-Form (s.u. GT) - unmittelbar ergebenden „mathematischen" Punktes C ausreichen.Transducerlmitat form (s.u. GT) - immediately resulting "mathematical" point C suffice.
Zu beachten ist dabei aber, dass insbesondere bei Konvex-Transducer-Nach- bildungen die Anlotung bei der Mittelpunkt-Berechnung zu berücksichtigen ist: diese Transducertypen sind durch ihre kreisausschnitts-runde Schallfläche zum „Kippen" (und zwar zu einem gewissen Grad auch in der Ebene des Schnittes) prädestiniert - und werden genauso auch beim realen wie beim „virtuellen bzw. Simulations-Schallen" gehandhabt.It should be noted, however, that in the case of convex transducer simulations in particular, the orientation in the center point calculation has to be taken into account: these transducer types are known for their circle-round sound surface "Tilting" (and to a certain extent also in the plane of the cut) predestined - and are handled as well in real as in the "virtual or simulation-sounding".
Eine geometrische Beschreibung GT (=Geometrical TransducerData) von Trans- ducer-lmitaten, insbesondere solchen mit konvex geformten Schallflächen. Für die typischerweise in der Simulation eingesetzte Schnittbild-Darstellung sei hier nochmals darauf hingewiesen, dass die „Schallfläche" eines Transducers bzw. Transducer-Imitats zwar eine Fläche mit Länge und Breite ist, aber die Pie- zo-Kristalle eines Transducers eines 2D-Transducers auf dieser Fläche nebeneinander angeordnet sind, also eine (bei linearen Transducern eine Gerade und) bei konvexen Transducern eine „gekrümmte Linie" darstellen und so ein 2-dimen- sionales Schnittbild erzeugen. Für solche Transducer genügt die geometrische Beschreibung des durch C lau- fenden Kreisausschnitts mit Angabe des „Abstrahlwinkels" und des Radius. Lediglich für 3D/4D-Transducer, wo die Schallfläche tatsächlich ein 2dimensionaler Bildgenerator ist und so ein 3D/4D-Bild erzeugt bzw. deren Imitate müsste für Konvextypen analog ein „mittig" bzw. spiegelsymmetrisch durch C laufender „Kugelausschnitts" mit „Abstrahlbereich" und Radius dafür angegeben werden.A geometric description GT (= Geometrical TransducerData) of transducers, especially those with convex sound surfaces. For the cross-sectional imaging typically used in the simulation, it should again be pointed out here that the "sound surface" of a transducer or transducer imitation is an area with a length and a width, but the piezo-crystals of a transducer of a 2D transducer on this surface are arranged side by side, so one (in linear transducers a straight line and) in convex transducers represent a "curved line" and thus produce a 2-dimensional sectional image. For such transducers, the geometric description of the circular section running through C with indication of the "radiation angle" and the radius is sufficient, only for 3D / 4D transducers, where the sound surface is actually a 2-dimensional image generator and thus generates a 3D / 4D image In the case of convex types, their imitates would have to be analogously given a "center" or mirror - symmetric "C - section" with "radiating range" and radius.
Achse CA (=C-Axis) und die Schnittbildebene CS (=C-Section-plane) durch den Punkt C: Der „mittlere Schallstrahl" bei einem Transducer - und somit auch der „gedachte mittlere Schallstrahl" eines Transducer-Imitats - befindet sich in einer definierten bzw. konstanten Position - beschreibbar als die „mittig liegende" Längsachse des Transducers bzw. Transducer-Imitats.Axis CA (= C-Axis) and the sectional image plane CS (= C-Section-plane) through the point C: The "average sound beam" in a transducer - and thus also the "imaginary mean sound beam" of a transducer-imitative - is located in a defined or constant position - describable as the "centered" longitudinal axis of the transducer or transducer imitation.
C (s.o.) ist dabei als letzter Punkt dieser Längsachse innerhalb des Transducers und als erster Punkt auf der Haut bzw. der Schallmodell-Oberfläche entlang des „Schallstrahls" definiert. Diese Längsachse definiert für alle symmetrisch gebauten Transducer den mittleren „Schallstrahl" - sowohl bei realen Transducern wie auch als „gedachter mittlerer Schallstrahl" bei Transducer-Imitaten.C (see above) is defined as the last point of this longitudinal axis within the transducer and as the first point on the skin or the sound model surface along the "sound ray." This longitudinal axis defines the middle "sound ray" for all symmetrically built transducers real transducers as well as "imaginary mean sound beam" in transducer imitations.
Diese Längsachse befindet sich in der Mitte der realen und der „virtuellen" (d.h. Simulations-) Bild-Schnittebene CS. Für die geometrische Beschreibung bei einem Transducer-Imitat wird CS durch CA (s.o.) und die wiederum „mittig liegende" Querachse CO (C-Orthogonal-axis) des Transducer-Imitats definiert, die e- benfalls alle Punkte der Achse CA schneidet - somit ist die „virtuelle Bildschnitt- ebene" des Transducer-Imitats durch die zwei Geraden/Achsen CS und CO eindeutig beschrieben.This longitudinal axis is located in the middle of the real and the "virtual" (ie simulation) image intersecting plane CS For the geometric description in a transducing imitat CS is represented by CA (see above) and the "central" transverse axis CO (FIG. C-orthogonal-axis) of the transducer-imitative, which also intersects all points of the axis CA - thus the "virtual image slice" level of the transducer fiction by the two lines / axes CS and CO clearly described.
Diese Beschreibung trifft so in der Simulation allerdings bei Konvex-Transducern nur für den Fall einer orthogoalen Anlotung zu - kippt man einen Konvex-Trans- ducer ungefähr entland der Schnittebene, wandert C entland der gekrümmtenIn the case of convex transducers, however, this description only applies in the case of an orthogonal exploration in the simulation - tilting a convex transducer approximately along the plane of the section moves the continent of the curved plane
Querachse nach links oder rechts entsprechend der Rotationsbewegung, was positionsabhängig berücksichtigt wird.Transverse axis to the left or right according to the rotational movement, which is considered position-dependent.
Polygonebene SP (=Spatial-Plane of Polygone-Borderlines/Area) der jeweils vom Transducer-Imitat (definiert durch den hier oben beschriebenen Punkt C) berührten Schallmodell-Oberfläche (als X1Y1Z - Koordinatensatz). Die im vorigen Kapitel 5 "SSP" beschriebene Scan-Methode für Schallmodelle generiert eine Vielzahl einzelner, kohärenter Polygonebenen SP z.B. in Form einer Tabelle. Eine solche Tabelle enthält die Daten der Grenzlinien dieser Polygo- ne sowie deren Position als Fläche im Raum. C (s.o.) befindet sich bei aufgesetztem Transducer-imitat somit stets genau definiert in einem bzw. auf einem dieser Polygone. Das jeweils von C berührte Polygon definiert somit die Ebene der „Haut" bzw. Oberfläche des Schallmodells im Raum.Polygon plane SP (= Spatial Plane of Polygonal Borderlines / Area) of the respective sound imager surface (defined by the point C described here above) (as X 1 Y 1 Z coordinate set). The scan method for sound models described in the previous chapter 5 "SSP" generates a large number of individual, coherent polygon planes SP, for example in the form of a table. Such a table contains the data of the boundary lines of these polygons as well as their position as an area in space. C (see above) is thus always exactly defined in one or on one of these polygons when the imitation of the transducer is attached. The polygon touched by C thus defines the plane of the "skin" or surface of the sound model in space.
Auf zukünftig eventuell einsetzbare optische 3D-Sensoren ist dieses Verfahren weitgehend analog übertragbar.On future possibly usable optical 3D sensors, this method is largely analog transferable.
Die soweit beschriebenen Parameter liefern die notwendigen Grundvoraussetzungen, um eine geometrisch realitätsnahe Visualisierung/Simulation von Schnittbildern durch aufgenommene Ultraschall-(Meta)Volumina zu liefern. Für eine weiter perfektionierte Visualisierung ist eine realitätsnahe Lokalisierung/Positionierung aufgenommener (Me- ta)Volumina in den Schallmodellen notwendig:The parameters described so far provide the necessary prerequisites for providing a geometrically realistic visualization / simulation of sectional images by recorded ultrasound (meta) volumes. For a further perfected visualization, a realistic localization / positioning of recorded (metric) volumes in the sound models is necessary:
Zur Schallmodell-Lokalisierung/Positionierung wird nun mindestens eine Schnittbildebene CS eines aufgenommenen (, typischerweise noch nicht positionierten) Volumens als „Referenzschnitt" definiert/gespeichert. Damit kann das Volumen des Simulator-Systems in eindeutiger Weise in eine gewünschte räumliche Position - bezogen auf ein Schallmodell - „geschoben und/oder gedreht" werden, indem die gespeicherten Schnitt-Ortsdaten an einer für die Visualisierung/Simulation gewünschten Position des Schallkopf-Imitats als Referenzdaten für eine 3-dimensionale Position des Volumens - also mit einer Translation und Rotation versehen - „wiedergegeben" werden.For sound model localization / positioning, at least one slice image CS of a recorded (typically unpositioned) volume is now defined / stored as a "reference slice." Thus, the volume of the simulator system can be unambiguously adjusted to a desired spatial position Sound model - "pushed and / or rotated" by the stored section location data at a desired location for the visualization / simulation of the headgear imitation as reference data for a 3-dimensional position of the volume - thus provided with a translation and rotation - "rendered".
Typischerweise wird ein Anwender (Arzt), der ein Aufnahmesystem und einen „Master"-Ultraschall-Simulator für den Aufbau einer Fall-Datenbank mit solchenTypically, a user (doctor), who has a recording system and a "master" ultrasound simulator for building a case database with such
Volumina „füttert" bzw. betreibt/bedient, diese oben zuvor beschriebene Positionierung zunächst anatomisch richtig, aber doch nicht so exakt durchführen, dass dieses Volumen nun auch sofort optimal unter die Oberfläche des Schallmodells passt. Genauer gesagt: Das im Schallmodell derart anatomisch grundsätzlich richtig, quasi „vor-positionierte" Volumen wird häufig noch einer „Nachkorrektur" bedürfen - derart, dass das Volumen alle geometrisch betroffenen Polygonebenen SP des Schallmodells möglichst berührt, aber nirgendwo über dieselben „nach außen" hinausragt. Hier führt VTP nun ohne weitere manuelle Benutzer- Interaktion eine rechnerische Nachbesserung der manuellen Vorpositionierung durch. Verfahrenstechnisch könnte das System dafür z.B. entweder den Schwerpunkt des Volumens oder den Mittelpunkt der Achse, die durch C und den Endpunkt der Strecke CA definiert ist, als Drehpunkt für Rotationen verwenden, und für translatorische Bewegungen könnte die Achse CA des gewählten „Referenzschnitts" herangezogen werden, für Translationen könnte man auch die Schnitt- gerade von zwei Referentschnitten heranziehen - es sind aber auch andere iterative oder sonstige Methoden für ein solches Optimierungs-Verfahren denkbar, deren Wahl einer Verfahrens-Realisierung vorbehalten sein sollen.Volumes "feeds" or operates / operates the above described positioning first anatomically correct, but not so exactly that this volume now also optimally fits optimally under the surface of the sound model "pre-positioned" volumes often require a "post-correction" - in such a way that the volume touches as much as possible all geometrically affected polygon planes SP of the sound model, but nowhere protrudes beyond the same "outwards". Here VTP carries out a computational rework of the manual pre-positioning without further manual user interaction. Technically, the system could be used e.g. either the center of gravity of the axis or the center of the axis defined by C and the end point of the distance CA can be used as a fulcrum for rotations, and for translational motions the axis CA of the chosen "reference cut" could be used, for translations one could also use the average of two referential cuts - but other iterative or other methods are also conceivable for such an optimization method, the choice of which should be reserved for a method implementation.
Distanz C-SP: Das Transducer-Imitat soll nur dann ein Bild generieren, wenn es auf der Oberfläche des Schallmodells aufgesetzt oder in das Schallmodell eingedrückt wird. Daher wird laufend die Distanz ermittelt, in der sich der Punkt C des Transducer-Imitats „über" dem Schallmodell bzw. SP befindet - dies seien positive Werte. Für positive Werte wird die Bild-Visualisierung ausgeschaltet. Ab dem Wert Null oder für „negative" Werte hingegen wird das Bild visualisiert. Darüber hinaus kann auch eine Verschiebung der Hautebene beim Eindrücken desDistance C-SP: The Transducer-Imitat should generate an image only if it is placed on the surface of the sound model or pressed into the sound model. Therefore, the distance in which the point C of the transducer fiducial is "above" the sound model or SP is continuously determined - these are positive values, for positive values the image visualization is switched off, starting from the value zero or for "negative "Values, however, the image is visualized. In addition, a shift of the skin level when pressing the
Transducer-Imitats bei passiven sowie bei aktiven/haptischen Schallmodellen mit den in diesem Kapitel aufgeführten Parametern rechnerisch bzw. visualisierend nachgebildet werden. Referenz-Schallachse RS: Auf die Möglichkeit, diese Nachkorrektur nicht nur anhand der aufgenommenen Volumengrenzen selbst, sondern einer Grenzflächen- Bestimmung und darauf basierenden Ebenen-Definition der Haut zu perfektionieren, wurde bereits in Kap.5 „SSP" erläutert. Außer einer derartigen Berechnung der Hautoberfläche selbst könnte außerdem auch die zu dieser berechnetenTransducer imitations in passive as well as in active / haptic sound models with the parameters listed in this chapter are simulated mathematically or visualizing. Reference sound axis RS: The possibility of perfecting this post-correction not only on the basis of the recorded volume limits themselves, but also on an interface determination and the skin level definition based thereon, has already been explained in Section 5 "SSP", with the exception of such a calculation The surface of the skin itself could also be calculated for this
Hautebene orthogonale Anlotungsachse des aufnehmenden Transducers - z.B. als „Referenzachse" zur Bestimmung eines „Anlotungs-Deltas" laufender/momentaner Anlotungen - bestimmt werden. Wahrscheinlich ist es aber sinnvoller, die in praxi davon kaum abweichenden jeweiligen Orthogonalachsen auf den Polygoebenen SP des Schallmodells dafür heranzuziehen.Skin plane orthogonal scanning axis of the receiving transducer - e.g. as a "reference axis" for determining an "exploration delta" of current / current explorations. But it probably makes more sense to use the respective orthogonal axes, which in practice are hardly deviating from them, on the polygonal planes SP of the sound model.
(Approximativ kann eine orthogonale Referenzachse aber auch schlicht mit einer als vom Anwender - d.h. der erfassende Arzt - als orthogonal eingeschätzten/ definierten entsprechenden Anlotung gespeichert werden.) Damit können auch z.B. erlaubte Grenzen der Anlotung etc. bestimmt werden.(Conveniently, an orthogonal reference axis may also be simply stored with a corresponding prediction estimated as orthogonal to the user - i.e. the acquiring physician.) Thus, e.g. allowed limits of the Anlotung etc. are determined.
Die soweit beschriebenen Parameter betreffen die optimale Lokalisierung/Positionierung bzw. Schnittdarstellung von (Meta)Volumina im Schallmodell. Die Erfassung und Auswertung der folgenden, weiteren Parameter zielt auch auf eine optimale Performance der System- bzw. Rechengeschwindigkeit.The parameters described so far relate to the optimal localization / positioning or sectional representation of (meta) volumes in the sound model. The acquisition and evaluation of the following further parameters also aims at an optimum performance of the system or computing speed.
Vektor CV des Punktes C bei Bewegung des Transducer-ImitatsVector CV of point C during movement of the transducer fiction
Winkelgeschwindigkeit und Richtung D-CA der Anlotungs-Dynamik des Transducer-ImitatsAngular velocity and direction D-CA of the exploratory dynamics of the transducer fiction
Durch die Erfassung der Transducer-Imitat-Bewegung als Vektor mit Richtung und Geschwindigkeit des Aufsetzpunktes C - und die Erfassung der Dynamik ihrer Anlotung ist ein Visualisierungs/Simulationssystem auch in der Lage, eine „Look-Ahead"-Logik zu implementieren, mit der errechnet werden kann, welche Volumina oder Meta- Volumina voraussichtliche als nächste benötigt werden. „Look-Ahead"-Techniken werden heute bereits bei Halbleiterspeichern von Prozessoren eingesetzt.By capturing the transducer-imitative motion as a vector with the direction and velocity of the touchdown point C - and capturing the dynamics of its exploration, a visualization / simulation system is also able to implement a look-ahead logic that can be used to calculate can be used, which volumes or meta-volumes are likely to be needed next. "Look-ahead" techniques are already used today in semiconductor memories of processors.
Möglicherweise werden in praxi nicht alle oder aber auch weitere Parameter dieser Art benötigt werden. Entscheidend ist, dass das Transducer-Imitat in seiner eigenen Geo- metrie und der Geometrie nicht nur bezogen auf die (Meta)Volumina, sondern auch bezogen auf das Schallmodell bzw. dessen Oberfläche bzw. als Zusammenhang von (Meta)Volumen-, Schallmodell-Oberflächen- und Transducer-Imitat-Daten erfasst und ausgewertet wird.Possibly not all or even other parameters of this kind will be needed in praxi. The decisive factor is that the transducer imitat in its own geometry and the geometry not only in relation to the (meta) volumes, but also is recorded and evaluated with reference to the sound model or its surface or as a relationship of (meta) volume, sound model surface and transducer-fidelity data.
Das beschriebene „Tracking" des Transducer-Imitats kann selbstverständlich auch gespeichert werden - und damit auch in jedem Detail die Schallkopfführung eines Trai- nees am Simulator für anschließende Auswertungen etc.Of course, the described "tracking" of the transducer imitation can also be stored - and thus also in every detail the sound head guidance of a trainee on the simulator for subsequent evaluations, etc.
7 AHS - Active + Haptic Scan-Models7 AHS - Active + Haptic Scan Models
Je nach Anwendungsbereich (Gynäkologie, Gastro-Enterologie etc.) sind Schallmodelle (Patienten-Phantome, auch als „Mannequin" oder „Puppe" bezeichnet) in passiver Ausfertigung hinreichend - oder auch nicht. Bisher jedenfalls wurden nur passive Schallmodelle eingesetzt. „Passiv" heißt, dass ein Schallmodell lediglich eine 3dimensionale Oberfläche für das Aufsetzen eines „Transducer-Imitats" bzw. „Pseudo- Transducers" eines Ultraschall-Simulators darstellt, aber sonst keine weitere eigene Funktionalität hat bzw. technische Information liefern kann - in der Gynäkologie, insbesondere dem Bereich Pränatalmedizin, haben sich bisher solche passiven Schallmo- delle durchaus als hinreichend erwiesen. Hier spielt die Atmung praktisch keine Rolle, auch ist beim Schallen nur wenig Kooperation der Patientin erforderlich - und dementsprechend gibt es für die Simulation bei der Patientin selbst bzw. als Patient(inn)en- eigene Funktionalität praktisch nichts nachzubilden, abgesehen davon, dass sie sich schallen lässt. Solche Schallmodelle sind dementsprechend schlicht aus Kunststoff bzw. Schaumstoff hergestellt.Depending on the field of application (gynecology, gastro-enterology, etc.), sound models (patient phantoms, also referred to as "mannequin" or "doll") are passively sufficient - or not. So far, at least, only passive sound models have been used. "Passive" means that a sound model only represents a 3dimensionale surface for the putting on of a "Transducer-Imitats" or "Pseudo-Transducers" of an ultrasonic simulator, but otherwise has no further own functionality or can supply technical information - in the In the field of gynecology, especially in the field of prenatal medicine, such passive sonic models have proved to be adequate so far, in which breathing plays practically no role, and in the case of sounding only little cooperation between the patient is necessary - and accordingly there is a simulation for the patient herself or as a patient's own functionality practically nothing to emulate, apart from the fact that it can be sounded.Such sound models are therefore made simply from plastic or foam.
Abgesehen von der Einnahme einer Halb-Seitenlage gibt es in der Echokardiograhie auch atmungsbedingte Organverschiebungen (Lunge/Herz), und insbesondere für wichtige Teile der Abdominal-Sonograhie gilt dies noch mehr - auch als gezielt einge- setztes Mittel der Visualisierung mancher Organe - hier spielt also auch die Interaktion des Patienten eine wichtige Rolle für die Bildgebung.Apart from taking a half-lateral position, echocardiograhy also involves respiratory organ shifts (lung / heart), and especially for important parts of abdominal sonography, this is even more true - also as a deliberate means of visualizing some organs - playing here So the patient's interaction also plays an important role in imaging.
In der Gastro-Enterologie sind die „Eindrücktiefe" und ähnliche haptische Parameter bereits nach heutigem Stand manchmal von erheblicher Bedeutung und für den Rea- lismus der Ultraschall-Simulation wünschenswert. Die Verschieblichkeit der abdominel- len Organe ist oft Vorraussetzung für deren Visualisierbarkeit. Dies wird durch gezieltes Eindrücken des Transducers und Atemmanöver mit Zwerchfell-Atmung erreicht. In der Notfall-Medizin beispielsweise spielt auch die Reaktion — eine schmerzbedingte Abwehrspannung der Bauchmuskulatur - des Patienten darauf eine wichtige diagnos- tische Rolle.In gastro-enterology, the "depth of impression" and similar haptic parameters are sometimes of considerable importance as they stand today and are desirable for the realism of ultrasound simulation. len organs is often a prerequisite for their visualizability. This is achieved by targeted impressions of the transducer and breathing maneuvers with diaphragmatic breathing. In emergency medicine, for example, the reaction - a pain-related defensive tension of the abdominal muscles - of the patient also plays an important diagnostic role.
Dafür wird ein Schallmodell mit Funktionen wie Patienten-Respiration, Reaktion auf den Aufsetz-Druck des Transducers (via manuller Transducer-Führung des „virtuell scannenden" Auszubildenden) z.B. mit einem pneumatischen System verwendet, des- sen Zustände mit einem Mikroprozessor gesteuert werden können. Damit wird eine Positions-, Druck- und Richtungs-abhängige, organspezifische Visualisierung samt einer Einbeziehung haptischer (=Tastsinn-orientierter) Funktionen bei den Schallmodellen bzw. entsprechende Trainingsmöglichkeit am Simulator ermöglicht.For this purpose, a sound model with functions such as patient respiration, reaction to the touchdown pressure of the transducer (via manual transducer guidance of the "virtually scanning" trainee) is used, for example, with a pneumatic system whose states can be controlled with a microprocessor. Thus, a position, pressure and direction-dependent, organ-specific visualization including an inclusion of haptic (= sense of touch-oriented) functions in the sound models or corresponding training option on the simulator allows.
Eine Realisierung ist dabei nicht zwangsläufig an eine Pneumatik gebunden - entscheidend ist nur die Fähigkeit, ein für angemessene Simulation zur Erzielung bestimmter Zustände wie Patienten-Ein/Aus-Atmung - evtl. auch steuerbar - variables Oberflächen-, und/oder auch das Elastanz- bzw. Compliance-Verhalten der Schallmodell-Oberfläche generieren zu können. Dies sollte für definierte Zustände gegeben sein. Dies könnte evtl. ebenso durch entsprechende Oberflächen-Materialien, durch unterliegende Federn etc. realisiert werden. Eine Pneumatik mit Controller-Steuerung wird hier lediglich als naheliegendes Beispiel für eine Verfahrens-Realisierung herangezogen, weil damit auch eine aktive Steuerung gewünschter Zustände und eine Da- ten-/Steuerungs-Kommunikation mit dem bildverarbeitenden Rechner gut darstellbar ist.A realization is not necessarily bound to pneumatics - only the ability, a suitable for simulation to achieve certain conditions such as patient on / off breathing - possibly controllable - variable surface, and / or the elastance or to generate compliance behavior of the sound model surface. This should be given for defined states. This could possibly also be realized by appropriate surface materials, by underlying springs, etc. A pneumatics with controller control is used here only as an obvious example of a process implementation, because thus also an active control of desired states and a data / control communication with the image processing computer is well represented.
Solche Schallmodelle werden hier als „aktive Schallmodelle" beschrieben - in der derzeitigen Entwicklungsphase handelt es sich dabei gleichzeitig auch um „haptische Schallmodelle", dies ist aber nicht zwangsläufig so - ein aktives, aber nicht haptisches Schallmodell (z.B. nur Respiration) ist ebenso denkbar wie ein haptisches (z.B. mit unterlegtem Brustkork-Skelett und Federdruck funktionierendes), aber nicht aktives Schallmodell. Dieses System „aktives/haptisches Schallmodell" wird bei der technischen Simulator- Beschreibung nötigenfalls schematisch separat beschrieben werden. Bei der Aufnahme werden verschiedene Parameter bzw. Szenarien von räumlicher Position und Auf- setz-Druck des Transducers für die spätere Simulation entsprechend mit verschiede- nen Aufnahmen (typischerweise dergleichen Schallstruktur wie z.B. eines Organs) berücksichtigt.Such sound models are described here as "active sound models" - in the current development phase these are also "haptic sound models", but this is not necessarily the case - an active but not haptic sound model (eg only respiration) is just as conceivable as a haptic (eg with underlying corset skeleton and spring pressure working), but not active sound model. If necessary, this "active / haptic sound model" system will be described separately in the technical description of the simulator, with different parameters or scenarios of spatial position and pressure of the transducers corresponding to different ones for the later simulation Recordings (typically similar sound structure such as an organ) taken into account.
Bei der „Wiedergabe" der (Meta)Volumina werden nun sowohl der zu simulierende (softwareseitig vorgewählte) Patienten-Status und der (interaktiv/manuell durch den „Trainee" hervorgerufene) Transducer-Status von dem Simulator-System für eine reali- tätsnahe Simulation „intelligent" verknüpft, ggf. erfolgt auf Aktionen des Anwen- ders/Trainees eine entsprechende Reaktion des Patientenmodells, und es wird ein für das jeweilige Szenario zutreffendes (Meta-) Volumen visualisiert. Die Kapitel 2 bis 6 sind inhaltlich bzw. in dem mathematischen, algorithmischen und technischen Lösungsansatz z.T. miteinander verbunden. Die Realisierung dieser Vo- lumen-Visualisierung wird daher in dem folgenden Kapitel noch etwas näher ausgeführt.During the "rendering" of the (meta) volumes, both the (to be preselected by the software) patient status and the interactive (manually generated by the "trainee") transducer status are now simulated by the simulator system for a realistic simulation If necessary, an appropriate reaction of the patient model is carried out on actions of the user / trainee, and a (meta) volume relevant for the respective scenario is visualized.Chapters 2 to 6 are content-related or mathematical , Algorithmic and technical approaches are partly interconnected, so the implementation of this volume visualization will be explained in more detail in the following chapter.
Die Aufnahme und Visualisierung der „passenden" (Meta-)Volumina für die verschiedenen Zustände solcher Schallmodelle und ihrer Interaktion mit dem Transducer-Imitat entsprechen dem Prinzip des PVP-Verfahrens.The recording and visualization of the "fitting" (meta) volumes for the different states of such sound models and their interaction with the transducer imitation correspond to the principle of the PVP method.
8 ADP - Angulation-Related Doppler Processing8 ADP - Angulation-Related Doppler Processing
Die Doppler-Sonographie weist einen grundlegenden Unterschied zu den üblichen Grauwert-Bildern des Ultraschalls wie B-Mode oder analoger Visualisierungen mit 3D/4D-Scannem auf: Die Morphologie-Abbildung verändert sich mit den Schallkopfbewegungen zwar geometrisch bzw. perspektivisch, aber nicht in ihrer inhaltlichen Bedeutung, während beim Doppler sich mit den Transducer-Bewegungen auch die (oft durch Farbcodierung visualisierte) Bedeutung der parametrischen Bildkomponenten - d.h. der im Doppler dargestellte Blutfluss - mittelbar verändert:Doppler ultrasound has a fundamental difference to the usual gray value images of ultrasound such as B-mode or analogue visualizations with 3D / 4D scanners: the morphology image changes with the transducer movements, but not in their geometrical or perspective In terms of content, in Doppler, the movement of the transducers also means the (often visualized by color coding) meaning of the parametric image components - ie the blood flow shown in Doppler - indirectly changed:
Rot bedeutet typisch einen Fluss zum Transducer hin, Blau vom Transducer weg. Schallt man ein Gefäß z.B. mit einer angeschrägten Position entgegen der Flussrichtung - und anschließend analog angeschrägt dann mit der Flussrichtung, so vertauschen sich diese Farben im Bild entsprechend, obwohl man dasselbe Gefäß über der- selben anatomischen Stelle, nur in zwei verschiedenen Anlotungen schallt. Erfasst man nun ein Gefäß mit Dopplertechnik - per Sweep mit konstanter Anlotung wie bei Grauwertbild-Aufnahmen - für die spätere Visualisierung/Simulation, müsste man dem Trainee quasi mindestens vorgeben, in welcher etwaigen Anlotungsrichtung er bei der Simulation schallen soll. Dies ist offensichtlich eine absolut nicht wün- sehenswerte Limitation, denn am Ultraschall-Simulator soll schließlich gerade auch das richtige Anlöten erlernt - und nicht als Arbeitsgrundlage vorgegeben werden.Red typically indicates a flow towards the transducer, blue away from the transducer. If a vessel is sounded, for example, with a bevelled position opposite to the direction of flow - and then tapered in the same direction as the flow direction, these colors will be reversed in the image, although the same vessel is sounded over the same anatomical site, but in two different approaches. If one now acquires a vessel with Doppler technique - via sweep with constant sounding as in gray-scale image recordings - for the later visualization / simulation, one would have to at least pretend to the trainee in which possible direction of sounding he should sound in the simulation. Obviously, this is an absolutely undesirable limitation, because the ultrasonic simulator is supposed to teach you the right soldering - and not be used as a working basis.
Wie eingangs bereits erläutert, muss für die Ultraschall-Simulation zunächst mit einem Aufnahme- und dann mit einem Wiedergabe- (Simulations-)System gearbeitet werden - beim Doppler wird eine Abstimmung beider Systeme nun besonders wichtig.As already explained, for ultrasound simulation it is first necessary to work with a recording and then with a reproduction (simulation) system - in the case of Doppler, tuning both systems becomes particularly important.
Für periphere Gefäße (Angiologie/Phlebologie) kann zur Lösung der hier beschriebenen Problematik der am Aufnahme-Transducer angebrachte 3D-Sensor auch für die Erfassung der Anlotung bei der Aufnahme genutzt werden - die Software stellt dafür Features entsprechend der folgenden Beschreibung einer Beispiel-Lösung bereit.For peripheral angiology / phlebology, to solve the problem described here, the 3D sensor attached to the recording transducer can also be used to record the acquisition during acquisition - the software provides features in accordance with the following description of an example solution ,
Aufnahme: Der Bild/Volumen-aufnehmende Arzt soll zunächst die othogonale Anlotung eines zu erfassenden Gefäßes speichern - anschließend die Verlaufsrichtung des aufzunehmenden Gefäßes bzw. Gefäßabschnitts: Dies ist quasi der Ausgangs-Kalibration der folgenden Aufnahme. Diese Achse definiert den Mittelpunkt eines gedachten Kegels, dessen Grundfläche sich damit etwa parallel über dem Gefäß befindet - und damit orthogonal zu der definierten Referenz-Anlotungsachse. Die Kegel-Grundfläche wird wiederum von 2 zueinander orthogonalen Geraden aufgeteilt - davon eine etwa in der definierten Verlaufsrichtung des zu erfassenden Gefäßes und die andere „quer" dazu - in vier gleiche Kreisausschnitte geteilt. Der Kreisradius soll die mittlere der maximal möglichen/erlaubten Transducer-Anwinkelung beschreiben. Der Arzt nimmt nun das Gefäß in der Mitte jedes Kreisausschnitts - also insgesamt 4 mal - auf, d.h. nach besagter „Kalibration" entlang des Gefäßverlaufs in den 4 verschiedenen, hier zuvor beschriebenen Anlotungen. Zur Erleichterung einer solchen Aufnahme kann man eine kleine „LED-Ampel" verfügbar machen, die anzeigt, wie genau man sich in der definierten, gewählten Anlotung befindet.Recording: The image / volume-receiving physician should first save the othogonal sound of a vessel to be detected - then the course of the vessel or vascular segment to be recorded: This is basically the initial calibration of the following image. This axis defines the center of an imaginary cone whose base is thus approximately parallel to the vessel - and thus orthogonal to the defined reference Anlotungsachse. The cone base is in turn divided into 2 mutually orthogonal lines - one of which is roughly in the defined direction of the vessel to be detected and the other "transverse" - divided into four equal segments. The doctor now picks up the vessel in the middle of each segment of the circle, ie a total of 4 times, ie after said "calibration" along the course of the vessel in the 4 different approaches described above. To facilitate such recording, a small "LED traffic light" can be made available, indicating how well you are in the defined, selected sounding.
Wiedergabe: Am Simulator erfasst die in Kap.6 „VTP" beschriebene Technik die Anlotung des Transducer-Imitats und visualisiert nun - entsprechend der gewählten AnIo- tung - das „richtige" Volumen mit den „richtigen" Farbcodierungen aus den 4 verfügba- ren für jedes Gefäß bzw. jeden Gefäßabschnitt aus. Damit kann approximativ, aber doch hinreichend genau (s. Einführung: Doppler und Genauigkeit desselben) ein realer (z.B. Farb-)Doppler simuliert werden.Playback: On the simulator, the technique described in Chap. 6 "VTP" captures the exploration of the transducer fiction and now visualizes - in accordance with the selected animation - the "right" volume with the "correct" color coding from the 4 available. ren for each vessel or each vessel section. Thus, approximatively, but sufficiently accurately (see introduction: Doppler and accuracy of the same) a real (eg color) Doppler can be simulated.
Verfeinerungen dieser Technik sind selbstverständlich über eine größere Zahl der besagten „Kegelausschnitte" möglich - allerdings steigt proportional dazu der Aufwand bei der Aufnahme. Weiter können hier Parameter (s. Kap. 6 „VTP") wie der Vektor CV des Punktes C bei Bewegung des Transducer-Imitats oder die Winkelgeschwindigkeit und Richtung D-CA der Anlotungs-Dynamik des Transducer-Imitats genutzt werden, um eine gewünschte „Trägheit" bei der Visualisierung zu realisieren: eine „Zitterbewe- gung" in einen anderen Kegelausschnitt sollte nicht für einen Sekundenbruchteil einen anderen Kegelausschnitt abrufen etc. Derlei Erwägungen sind aber eher Fragen fürRefinements of this technique are of course possible over a larger number of said "conic sections" - but increases the cost of recording in proportion.Furthermore parameters (see Chapter 6 "VTP") as the vector CV of the point C during movement of the Transducer mimetics or the angular velocity and direction D-CA of the exploratory dynamics of the transducer fiction can be used to achieve a desired "inertia" in the visualization: a "dithering" into another conic section should not be for a fraction of a second retrieve other conic section, etc. Such considerations are more of a question for
Verfahrens-Realisierungen.Method implementations.
Bei der Erfassung und Wiedergabe lediglich „orthogonal von oben anlotend" zu verfah- ren, führt beim Doppler nicht zu einem brauchbaren Ergebnis für die Visualisierung/ Simulation. Entscheidend ist die Grundüberlegung bzw. deren Realisierung, dass für eine Simulation der Doppler-Sonographie eine anlotungsbezogene Aufnahme erfolgt und die Simulation eine analog anlotungsbezogene Visualisierung realisiert.In the case of acquisition and reproduction, only "orthogonally from the top" leads to a usable result for the visualization / simulation of Doppler.The deciding factor is the basic consideration or its realization that for a simulation of the Doppler ultrasonography an exploration-related Recording takes place and the simulation realizes an analogue-related visualization.
Diese Methode ist beim Doppler primär für die Angiologie/Phlebologie gedacht, lässt sich aber analog auch auf die Kardiologie übertragen (eventuelle andere Anwendungen s. Anmerkung in Kap. 3 „PVP").This method is primarily intended for angiology / phlebology in Doppler, but can also be transferred analogously to cardiology (other possible uses see note in Chapter 3 "PVP").
9 SIA - Soft-Tissue Immersion Meta-Volume Acquisition9 SIA - Soft Tissue Immersion Meta-Volume Acquisition
Weichgewebe ohne hinreichend stützende und/oder damit verbundene, feste Strukturen sind für die Erfassung von (Meta)Volumina zur Simulation ein erhebliches Problem. Bei den meisten Körperregionen, selbst bei dem relativ weichen Abdomen begrenzt die Haut von „oben" und im Körperinneren umgebende Strukturen wie weitere Organe, Knochen etc. die Verschiebbarkeit einer Struktur, die aufgenommen werden soll - erst gezielterer Druck führt z.B. selbst beim Abdomen dann zu entsprechenden Verschiebungen. Wird also ein Scan bzw. Sweep durchgeführt, kann durch einen kontinuierlichen/gleichbleibenden, sanften Druck mit dem Aufnahme-Transducer während eines Sweeps eine hinreichend konstante/stabile Aufnahmesituation geschaffen werden, die das Aneinanderfügen von Frames (bei 2D=>3D-Konversion) oder ein Aneinanderfügen von Volumina erlaubt. Der Bauch eines sehr adipösen Patienten oder vor allem eine weibliche (insbesondere größere) Brust kann zwar geschallt werden, ermöglicht aber nicht mehr die Schaffung der zuvor beschriebenen nötigen Aufnahmebedingungen - Frames oder Volumina etwaiger derartiger Aufnahmen würden kein verwertbares An- einanderfügen derselben mehr ermöglichen. Somit ist nur die Rekonstruktion bzw. Visualisierung/Simulation von Frames oder (bei zur Erfassung eingesetzter Volumen- Scanner) einzelner, kleiner Volumina, aber nicht mehr größerer Bereiche oder gar einer ganzen Brust unmittelbar erzielbar.Soft tissues without sufficiently supporting and / or associated solid structures are a significant problem for the detection of (meta) volumes for simulation. In most areas of the body, even in the relatively soft abdomen, the skin of "top" and surrounding structures inside the body such as other organs, bones, etc. limits the displacement of a structure to be recorded - only more specific pressure then leads to even the abdomen Thus, when performing a scan or sweep, a continuous / steady, gentle pressure with the imaging transducer during a sweep can provide a sufficiently stable / stable imaging situation that allows frames to be joined together (at 2D => 3D). Conversion) or a joining together of volumes allowed. Although the abdomen of a very obese patient or especially a female (especially larger) breast can be sounded, it does not allow the creation of the above-described necessary recording conditions - frames or volumes of any such recordings would no longer make it possible to combine them. Thus, only the reconstruction or visualization / simulation of frames or (when used for recording volume scanner) of individual, small volumes, but no longer larger areas or even an entire breast directly achievable.
Klassisches und wichtigstes Beispiel für dieses Problem ist nun genau eine weibliche Brust bei der Mamma-Sonographie. Als Lösung derartiger Problemstellungen wird oft ein scanbarer Behälter mit „Schall-Vorlaufstrecke", ein sog. „Wasserbad" vorgeschlagen. Eine derartige Wasserbad-Konstrukt erfüllt die Zielsetzung, eine konstante Formgebung während der Bilderfassung zu generieren: Die Schwerkraft hält die von oben in das Wasser getauchte Brust während des Scanvorgangs in einer konstanten Form. Dies löst jedoch nicht das Probiem, dass derartiges Weichgewebe ohne Stützstrukturen wie eine Mamma individuell „hochgradig unterschiedlich" geformt sein kann. In der Simulation ist auch der „Shape", d.h. die äußere Form eines Volumens von erheblicher Bedeutung, weil diese äußere Form eines Volumens in das Schallmodell eingepasst werden muss. Mit einem Wasserbad erfasste Volumina individuell verschiedener Weichgewebe-Strukturen und -Formen („Shapes") wie z.B. die sehr individuell geformte weibliche Brust können aber nicht typischerweise „passend" in die einheitlich geformte Brust eines Schallmodells projiziert werden. Der „umgekehrte" Weg, ein Schallmodell nun mit so vielen auswechselbaren Brustformen auszustatten, wie es variieren- de „Shapes" gibt, ist für Kurse bzw. Trainees sehr umständlich und kaum praktikabel.The classic and most important example of this problem is now exactly one female breast in mamma sonography. As a solution to such problems, a scannable container with "sound flow path", a so-called "water bath" is often proposed. Such a water bath construct fulfills the goal of generating a constant shape during image acquisition: Gravity keeps the breast immersed in the water from above in a constant shape during the scanning process. However, this does not solve the problem that such soft tissue without support structures such as a mamma may be individually "highly different" shaped. the outer shape of a volume of considerable importance, because this external shape of a volume must be fitted into the sound model. However, volumes of individually different soft tissue structures and shapes, such as the highly individualized female breasts sensed by a water bath, may not typically be "appropriately" projected into the uniformly shaped breast of a sound model. The "reverse" way of equipping a sound model with as many interchangeable breast forms as there are varying "shapes" is very cumbersome and hardly practicable for courses or trainees.
Daher wurde hier ein Immersions-Verfahren konzipiert und als auch als erster Versuchs-Aufbau realisiert, das die gewünschte äußere anatomische Form durch etwa halbschalen-förmige Immersions-Behälter, deren zumindest vorderer Teil genauso wie ein Abdruck der Schallmodell-Brust geformt sind, erzeugt — und die Eigenschaften eines Wasserbads durch die Wahl eines Materials aufweist, das wasserähnliche Schall- laufeigenschften hat. Genauer beschrieben waren dies „Brustkörbchen", die in verschiedenen Größen als etwa kegelförmige Schalen mit uniformer Steigung (auswechselbar) in einer Bauchlage-Liege eingebaut wurden. Für die akustische Ankopplung des Transducers können diese Schalen vor Eintauchen der Brust mit lauwarmem Wasser gefüllt oder innen mit dem auch sonst verwendeten Ultraschall-Gel bestrichen werden - auf der Außenseite, von der geschallt wird, bringt man ebenfalls Ultraschall-Gel auf. Der erfassende Arzt schallt dann durch diese For- men von unten auf einem Podest in Sitzhöhe, auf welchem auch diese Liege mit der Patientin in Bauchlage steht.Therefore, an immersion method was conceived and realized here as well as a first experimental design that generates the desired outer anatomical shape by means of approximately half-shell-shaped immersion containers whose at least front part is shaped exactly like an impression of the sound model breast. and having the properties of a water bath by the choice of a material having water-like acoustic properties. More specifically, these were "breast baskets" that were installed in various sizes as approximately tapered shells with uniform pitch (interchangeable) in a prone position couch. For the acoustic coupling of the transducer, these shells can be filled with lukewarm water before immersing the breast or coated inside with the otherwise used ultrasound gel - on the outside of the sound is also brought on ultrasound gel on. The recording physician then sounds through these forms from below on a pedestal in sitting height, on which this couch is also lying with the patient in prone position.
Sehr große Brüste, die so erfasst werden, ragen dann bei der nachfolgenden Simulation etwas weiter als anatomisch eigentlich zutreffend in den Bereich hinein, der eigentlich bereits den Thorax darstellen würde, dies tut aber (das Thorax-Innere ist wegen der Luftfüllung sowieso nicht schallbar) dem Zweck der Visualisierung/Simulation praktisch keinerlei Abbruch, wie medizinische Experten bestätigt haben.Very large breasts, which are so captured, then protrude slightly further than anatomically true in the following simulation in the area, which would actually represent the thorax, but this does (the thorax inside is not soundable because of the air filling anyway) The purpose of the visualization / simulation virtually no demolition, as medical experts have confirmed.
Dieses I mmersions- Verfahren kann sowohl für Volumen-Scanner eingesetzt werden als auch für das konventionelle/bisherige Verfahren, mit 2D-Scannern Frames zu er- fassen, die dann in ein Volumen konvertiert werden. Erste Tests an einer derartigen Aufnahme-Liege mit solchen Brust-Einsätzen für manuelle Scans waren erfolgversprechend und sind ein Novum.This immersion method can be used both for volume scanners and for the conventional / previous method of acquiring frames with 2D scanners, which are then converted into a volume. Initial tests on such a recording couch with such breast inserts for manual scans were promising and are a novelty.
Anstatt Schalen, die innen (eine etwas kleinere) und außen (wegen der Wanddicke des Schalenmaterials eine etwas größere) eine Kegelform aufweisen, sind auch Varianten denkbar, die innen eine Kegelform und außen z.B. eine zylinderähnliche Form aufweisen: Dabei würden quasi in zylindrische Blocks aus diesem Material dann die verschieden großen Kegel für die verschiedenen Brustgrößen „herausgefräst". Damit könnte dann auch relativ leicht ein Motor zur Anbringung eines Aufnahme-Transducers realisiert werden - d.h. dieses Verfahren ist im übrigen auch automatisierbar und würde dann eine Voraussetzung zur Standardisierung der Mamma-Somographie einbringen, die auch rein diagnostisch wünschenswert bzw. vielfach gefordert wird (das Fehlen einer Standardisierung wird bei der heutigen Mamma-Sonographie als der signifikanteste Mangel i. Vgl. zu der radiologischen Mammographie gesehen).Instead of shells having a conical shape on the inside (a slightly smaller one) and on the outside (because of the wall thickness of the shell material a little larger), variants are also possible which have a conical shape inside and outside, e.g. In this case, the differently sized cones for the different breast sizes would be "milled out" into cylindrical blocks made of this material, which would make it relatively easy to realize a motor for attaching a recording transducer - ie this method is otherwise also automatable and would then introduce a prerequisite for the standardization of breast somography, which is also purely diagnostically desirable or often required (the lack of standardization is seen in today's breast ultrasound as the most significant deficiency. Compared to the radiological mammography ).
Für diese Methode sind theoretisch auch mit dem konventionellen 2D=>3D-Verfahren gute Ergebnisse zu erwarten, weil die üblichen Störfaktoren (Atmungs-/Bewegungs- Artefakte etc.) hier alle recht elegant ausgeschaltet werden können - und eine fast beliebig langsame und gleichmäßige Motorisierung des Scan-Vorgangs impliziert per se eine gute geometrische Auflösung. Dazu liegen aber noch keine praktischen eine gute geometrische Auflösung. Dazu liegen aber noch keine praktischen Tests/Ergebnisse vor.For this method theoretically also with the conventional 2D => 3D method good results are to be expected, because the usual disturbing factors (respiratory / movement artifacts etc.) can all be turned off quite elegantly - and an almost arbitrarily slow and even motorization The scan process implies a good geometric resolution per se. But there are still no practical a good geometric resolution. But there are still no practical tests / results available.
Eine Automatisierung mit Volumen-Scannern ist aber ebenso denkbar; abzuklären wäre dabei allerdings, ob sich hier der Aufwand einer Motorisierung/Automatisierung lohnt, weil das Einscannen hier per se bereits ausreichend einfach und qualitativ von der Methodik (siehe insbesondere Kapitel 2 IVS - DVA) per se bereits gut und reproduzierbar/uniform sein sollte.An automation with volume scanners is also conceivable; It should, however, be clarified whether the effort of motorization / automation pays off here, because the scanning itself should already be sufficiently simple and qualitative by the methodology (see especially Chapter 2 IVS - DVA) per se and should be reproducible / uniform.
9 Future Ultrasound Acquisition + Visualization/Simulation Technologies9 Future Ultrasound Acquisition + Visualization / Simulation Technologies
Die vorgestellten Beispiele basieren auf heute verfügbarer Technik. Eine Reihe von HUMR-Verfahren benötigen allerdings bereits Technologien, die erst seit 2006 verfügbar sind. So wird z.B. das DVA- Verfahren, das Volumina bei der Simulation mehr oder weniger direkt von der Festplatte ausliest, kaum gleichzeitig mit einem Schallmodell-bezogenen Tracking des Transducer-Imitats, wie es das VTP- und Verfahren vorsieht, parallel zu bewältigen sein. Sowohl hohe Transfer-Geschwindigkeiten bei Platten als auch Multi- Core-Prozessoren bzw. Multi-Threading der entsprechenden Programme dürften Voraussetzung für die Realisierbarkeit sein, sofern das heute erreichte Real-Time- Verhalten der Simulation beibehalten werden soll. Das alternative IVS-Verfahren und PVP hingegen könnten, extensiv angewendet, einige Anforderungen an die RAM- Kapazitäten stellen.The examples presented are based on technology available today. However, a number of HUMR processes already require technologies that have only been available since 2006. For example, The DVA method, which reads volumes in the simulation more or less directly from the hard disk, can scarcely be handled simultaneously with a sound model-related tracking of the transducer fiction, as provided by the VTP and method. Both high transfer speeds for disks and multi-core processors or multi-threading of the corresponding programs should be prerequisite for the feasibility, as long as the real-time behavior of the simulation achieved today should be maintained. By contrast, the alternative IVS method and PVP, when applied extensively, could put some demands on the RAM capacities.
Insofern ist HUMR also z.T. relativ genau auf die technischen Möglichkeiten abgestimmt - die allerdings werden sich weiterhin schnell verändern. Hier gilt es also das Ziel klar zu sehen - und das heißt eine „realitätsnahe Visualisierung/Simulation". Extrapoliert man die Entwicklung des Ultraschalls in den letzten 20 Jahren auf die nächsten 10 Jahre, dürfte HUMR bei einem hypothetischen Fertigstellungs-Zeitpunkt in 2 Jahren für diesen Zeitraum - etwa ein Jahrzehnt - eine gute Lösung für die Ultraschall- Simulation sein.In this respect, HUMR is so z.T. relatively precisely matched to the technical possibilities - which, however, will continue to change rapidly. So here is the goal to see clearly - and that means a "realistic visualization / simulation." Extrapolating the development of ultrasound in the last 20 years to the next 10 years, HUMR is likely at a hypothetical completion time in 2 years for This period - about a decade - will be a good solution for ultrasonic simulation.
Weitere Veränderungen sind im Internet-Bereich zu erwarten - insbesondere eine signifikante Verbesserung der Bandbreiten, sei es Kabel- oder Funkgestützt. Damit werden in der Simulation Downloads von Kasuistiken, d.h. den Fall-Datenbank-Modulen, zukünftig eine große Rolle spielen. Eventuell wird ein Bedarf nach unterstützendem online-Tutoring u. dgl. entstehen. Der Ausbildungsbedarf wird sich zukünftig in der Tendenz außerdem stärker in Richtung einer Breiten- und Grundausbildung bewegen als in Richtung einer Weiterbildung für Fortgeschrittene, die aber auch bestehen bleibt. Paradoxerweise erfordert gerade die Breiten- und Grundausbildung eine weitere Perfektionierung der Simulation, weil Anfänger und wenig Geübte durch Limitationen der Simulation stärker irritiert werden als Fortgeschrittene. Damit wird andererseits aber auch der Bedarf nach preiswerteren Simulatoren steigen.Further changes can be expected in the Internet sector - in particular a significant improvement in bandwidth, be it cable or wireless. Thus, in the future, downloads of casuistry, ie the case database modules, will play a major role in the simulation. There may be a need for supportive online tutoring and the like. Like. arise. In the future, the need for training will tend to be more in the direction of a broad and basic education than in the direction of further education for advanced students, although it will continue to do so. Paradoxically, just the basic and basic training requires a further perfection of the simulation, because beginners and the less experienced are more irritated by limitations of the simulation than the advanced. On the other hand, this will also increase the demand for cheaper simulators.
Die teuerste Hardware-Komponente der Simulation (wohl zu unterscheiden von der Er- fassungs-Technologie) ist heute die 3D-Sensorik. Hier werden optische Sensoren eine wichtige Rolle spielen, da sie deutlich preiswerter hergestellt werden können. Hier ist die Simulation noch auf die aktuellen Magnetfeld-basierten 3D-Sensor-Technologien fokussiert, aber dieser Patentantrag formuliert diese ausdrücklich als Beispiel und weist auf die Übertragbarkeit hin oder weist auf die Notwendigkeit hin, manche Verfahren darauf etwas anpassen zu müssen, auch Grundzüge des Einsatzes optischer SD- Sensoren mit festem räumlichem Bezugskoordinatensystem für Akquisition und Visualisierung/The most expensive hardware component of the simulation (to be distinguished from the detection technology) today is 3D sensor technology. Here, optical sensors will play an important role, since they can be produced significantly cheaper. Here, the simulation is still focused on the current magnetic field-based 3D sensor technologies, but this patent application expressly formulated this as an example and points to the transferability or points to the need to have to adapt some procedures on it, even the basics of Use of Optical SD Sensors with Fixed Spatial Reference Coordinate System for Acquisition and Visualization /
Simulation wurden beschrieben. Darauf sei abschließend nochmals hingewiesen. Simulation were described. This is finally pointed out again.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Verarbeitung von Ultraschall-Bild-Volumina, wobei SD- Ultraschall-Bild-Volumina unter Verwendung eines Transducers eines 3D- Ultraschall-Scanners erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass während der Erfassung der 3D-Ultraschall-Bild-Volumina Position und Orientierung des Transducers erfasst und mit den jeweils erfassten SD-Ultraschall-Bild- Volumina verknüpft werden, erfasste 3D-Ultraschall-Bild-Volumina unter Auswertung der jeweiligen Position und Orientierung mit anderen erfassten 3D-Ultraschall-Bild-Volumina zu einem erweiterten Ultraschall-Bild-Volumen (Meta-Volumen) zusammengefügt und gespeichert werden, und/oder dass die erfassten 3D-Ultraschall-Bild-Volumina zusammen mit den verknüpften Da- ten über Position und Orientierung einzeln gespeichert werden.A method of processing ultrasound image volumes wherein SD ultrasound image volumes are acquired using a transducer of a 3D ultrasound scanner, characterized in that position and, during detection of the 3D ultrasound image volumes Detected orientation of the transducer and associated with each detected SD ultrasound image volumes, captured 3D ultrasound image volumes under evaluation of the respective position and orientation with other recorded 3D ultrasound image volumes to an extended ultrasound image Volume (meta-volume) are assembled and stored, and / or that the recorded 3D ultrasound image volumes are stored separately with the linked data on position and orientation.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung eine Restitution von Ultraschall-Bild-Volumina umfasst, wobei zur Restitution der Ultraschall-Bild-Volumina Position und Orientierung eines2. The method according to claim 1, characterized in that the processing comprises a restitution of ultrasound image volumes, wherein for restitution of the ultrasound image volumes position and orientation of a
Sensors erfasst und in Abhängigkeit der erfassten Position und Orientierung des Sensors ein Teilvolumen des erweiterten Ultraschall-Bild-Volumens restituiert und visualisiert wird.Detected sensor and depending on the detected position and orientation of the sensor, a partial volume of the extended ultrasound image volume is restituiert and visualized.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung eine Restitution von Ultraschall-Bild-Volumina umfasst, wobei zur Restitution der Ultraschall-Bild-Volumina Position und Orientierung eines Sensors erfasst werden und auf dasjenige einzeln gespeicherte 3D-Ultraschall- Bild-Volumen zugegriffen wird, dessen Daten über Position und Orientierung der erfassten Position und Orientierung des Sensors entsprechen, und dieses 3D-Ultraschall-Bild-Volumen visualisiert wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that the processing comprises a restitution of ultrasound image volumes, wherein for the restitution of the ultrasound image volumes the position and orientation of a sensor are detected and recorded on the individually stored 3D ultrasound image. Volume is accessed, whose data on position and orientation correspond to the detected position and orientation of the sensor, and this 3D ultrasound image volume is visualized.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Transducer-Imitat ist und bei der Restitution ein SD-Ultraschall- Bild-Volumen restituiert wird, welches in seiner Geometrie im wesentlichen ei- nem 3D-Ultraschall-Bild-Volumen entspricht, das von dem imitierten Transducer erzeugt werden würde.4. Method according to claim 2, characterized in that the sensor is a transducer-imitation and in the restitution an SD-ultrasound image volume is restituted which essentially has a 3D ultrasound image in its geometry. Volume that would be produced by the imitated transducer.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Restitution im Rahmen einer Simulation einer Ultraschalluntersuchung erfolgt.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the restitution takes place in the context of a simulation of an ultrasound examination.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zu Positionen und Orientierungen über einen Zeitraum jeweils mehrere SD-6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that for positions and orientations over a period of time in each case a plurality of SD
Ultraschall-Bild-Volumina erfasst werden, um zeitliche, insbesondere periodische, Veränderungen von geschallten Bereichen zu erfassen.Ultrasonic image volumes are recorded to detect temporal, especially periodic, changes in sounded areas.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens für einen Teil der Positionen und Orientierungen die mehreren über einen Zeitraum erfassten 3D-Ultraschall-Bild-Volumina für jede Position und O- rientierung zu 4D-Ultraschall-Bild-Volumina zusammengefasst werden.7. The method according to claim 6, characterized in that for at least part of the positions and orientations, the plurality of 3D ultrasound image volumes acquired over a period of time are combined for each position and orientation into 4D ultrasound image volumes.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Parametrisierung der 3D-Ultraschall-Bild-Volumina erfolgt.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a parameterization of the 3D ultrasound image volumes is carried out.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des erweiterten Ultraschall-Bild-Volumens ab einem ersten SD- Ultraschall-Bild-Volumen (Startvolumen) jeweils das durch Änderung von Position und/oder Orientierung des Transducers generierte nächste SD-Ultraschall- Bild-Volumen ohne den Überlappungsbereich dem Startvolumen hinzugefügt wird, und dieses vergrößerte 3D-Ultraschall-Bild-Volumen bei fortschreitender Bewegung des Transducers wiederum wie das Startvolumen durch Hinzufügen des nächsten Volumens vergrößert wird etc. oder dass das hinzuzufügende neue 3D-Ultraschall-Bild-Volumen das bereits vorhandene 3D-Ultraschall-Bild-Volumen den Überlappungsbereich in dem zuvor erfassten Volumen überschreibt.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that for generating the expanded ultrasound image volume from a first SD ultrasound image volume (start volume) each generated by changing the position and / or orientation of the transducer Next SD ultrasound image volume without the overlap area is added to the startup volume, and this enlarged 3D ultrasound image volume progressively Movement of the transducer, in turn, as the seed volume is increased by adding the next volume, etc., or that the new 3D ultrasound image volume to be added overwrites the already existing 3D ultrasound image volume over the overlap area in the previously detected volume.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that
Oberflächen-Positionsdaten von Schallmodellen eingescannt und in einer Simulation von Ultraschalluntersuchungen berücksichtigt werde.Surface position data of sound models is scanned and taken into account in a simulation of ultrasound examinations.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus eingescannten Oberflächen-Positionsdaten von Schallmodellen Positions- und Bewegungsdaten eines Transducer-Imitats abgeleitet werden.11. The method according to claim 10, characterized in that derived from scanned surface position data of sound models position and motion data of a transducer fiction.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass durch die Oberflächen-Positionsdaten Bewegungszustände von Schallmodellen beschreiben werden.12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that are described by the surface position data motion states of sound models.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schallmodell um ein haptisches Schallmodell handelt.13. The method according to claim 12, characterized in that it is a haptic sound model in the sound model.
14. Anordnung zur Verarbeitung von Ultraschall-Bild-Volumina, wobei die Anordnung einen 3D-Ultraschall-Scanner mit einem Transducer, eine Datenverarbeitungseinrichtung und Speichermitteln umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiter einen Sensor zur Erfassung von Position und Orientierung des Transducers umfasst und derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren zur Verarbeitung von Ultraschall-Bild-Volumina durchführbar ist, wobei 3D-Ultraschall-Bild-Volumina unter Verwendung des Transducers erfasst werden, während der Erfassung der 3D-Ultraschall-Bild-Volumina Position und Orientierung des Transducers erfasst und mit den jeweils erfassten SD-Ultraschall-Bild- Volumina verknüpft werden, erfasste 3D-Ultraschall-Bild-Volumina unter Auswertung der jeweiligen Position und Orientierung mit anderen erfassten 3D-Ultraschall-Bild-Volumina zu einem erweiterten Ultraschall-Bild-Volumen (Meta-Volumen) zusammengefügt und gespeichert werden, und/oder dass die erfassten 3D-Ultraschall-Bild-Volumina zusammen mit den verknüpften Daten über Position und Orientierung einzeln gespeichert werden.14. An arrangement for processing ultrasound image volumes, the arrangement comprising a 3D ultrasound scanner with a transducer, a data processing device and storage means, characterized in that the arrangement further comprises a sensor for detecting the position and orientation of the transducer and is arranged such that a method for processing ultrasound image volumes is feasible, wherein 3D ultrasound image volumes are detected using the transducer, During the acquisition of the 3D ultrasound image volumes, the position and orientation of the transducer are recorded and linked with the respectively acquired SD ultrasound image volumes, 3D ultrasound image volumes acquired by evaluating the respective position and orientation with other detected ones 3D ultrasound image volumes are merged and stored into an expanded ultrasound image volume (meta-volume), and / or the captured 3D ultrasound image volumes are individually stored together with the associated positional and orientation data ,
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiter ein Transducer-Imitat umfasst und derart eingerichtet ist, dass eine Restitution von Ultraschall-Bild-Volumina durchführbar ist, wobei zur Restitution der Ultraschall-Bild-Volumina Position und Orientierung des Trans- ducer-lmitats erfasst und in Abhängigkeit der erfassten Position und Orientierung des Transducer-Imitats ein Teilvolumen des erweiterten Ultraschall-Bild- Volumens restituiert und visualisiert wird.15. Arrangement according to claim 14, characterized in that the arrangement further comprises a transducer-imitat and is arranged such that a restitution of ultrasound image volumes can be carried out, wherein the restitution of the ultrasound image volumes position and orientation of the trans - Ducer-Lmitats detected and depending on the detected position and orientation of the transducer fiction, a partial volume of the extended ultrasound image volume is restituiert and visualized.
16. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiter ein Transducer-Imitat umfasst und derart eingerichtet ist, dass eine Restitution von Ultraschall-Bild-Volumina durchführbar ist, wobei zur Restitution der Ultraschall-Bild-Volumina Position und Orientierung des Trans- ducer-lmitats erfasst werden und auf dasjenige einzeln gespeicherte SD-16. Arrangement according to claim 14, characterized in that the arrangement further comprises a transducer-imitation and is arranged such that a restitution of ultrasound image volumes can be carried out, wherein the restitution of the ultrasound image volumes position and orientation of the trans - ducer-lmitats and recorded on the individually stored SD-
Ultraschall-Bild-Volumen zugegriffen wird, dessen Daten über Position und Orientierung der erfassten Position und Orientierung des Transducer-Imitats entsprechen, und dieses 3D-Ultraschall-Bild-Volumen visualisiert wird.Ultrasound image volume is accessed, whose data on position and orientation correspond to the detected position and orientation of the transducer fiction, and this 3D ultrasound image volume is visualized.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiter ein Schallmodell umfasst und derart eingerichtet ist, dass eine Simulation einer Ultraschalluntersuchung durchführbar ist. 17. Arrangement according to one of claims 14 to 16, characterized in that the arrangement further comprises a sound model and is arranged such that a simulation of an ultrasound examination is feasible.
18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Schallmodell um ein haptisches Schallmodell handelt.18. Arrangement according to claim 17, characterized in that it is a haptic sound model in the sound model.
19. Computerprogramm, das es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zur Verarbeitung von Ultraschall-Bild-Volumina durchzuführen, wobei ein 3D-Ultraschall-Scanner, ein Transducer zur Erfassung von 3D-Ultraschall-Bild-Volumina und ein Sensor zur Erfassung von Position und Orientierung des Transducers über Mittel zur Datenübertragung mit der Datenverarbeitungseinrichtung verbunden sind, und wobei während der Erfassung der 3D-Ultraschall-Bild-Volumina Position und Orientierung des Transducers erfasst und mit den jeweils erfassten SD-Ultraschall-Bild- Volumina verknüpft werden, erfasste 3D-Ultraschall-Bild-Volumina unter Auswertung der jeweiligen Position und Orientierung mit anderen erfassten 3D-Ultraschall-Bild-Volumina zu einem erweiterten Ultraschall-Bild-Volumen (Meta-Volumen) zusammengefügt und gespeichert werden, und/oder dass die erfassten 3D-Ultraschall-Bild-Volumina zusammen mit den verknüpften Da- ten über Position und Orientierung einzeln gespeichert werden.19. A computer program that allows a data processing device, after being loaded into storage means of the data processing device, to perform a method for processing ultrasound image volumes, wherein a 3D ultrasound scanner, a transducer for acquiring 3D ultrasound image Volume and a sensor for detecting the position and orientation of the transducer via means for data transmission to the data processing device are connected, and wherein detected during the detection of the 3D ultrasound image volumes position and orientation of the transducer and with each detected SD ultrasound Image volume, captured 3D ultrasound image volumes by evaluating the respective position and orientation with other acquired 3D ultrasound image volumes to form an expanded ultrasound image volume (meta-volume) and stored, and / or that the captured 3D ultrasound image volumes are too stored separately with the linked data via position and orientation.
20. Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zur Verarbeitung von Ultraschall-Bild-Volumina durchzuführen, wobei ein SD-20. A computer-readable storage medium having stored thereon a program that allows a data processing device, after having been loaded into storage means of the data processing device, to perform a method for processing ultrasound image volumes, wherein an SD
Ultraschall-Scanner, ein Transducer zur Erfassung von SD-Ultraschall-Bild- Volumina und ein Sensor zur Erfassung von Position und Orientierung des Transducers über Mittel zur Datenübertragung mit der Datenverarbeitungseinrichtung verbunden sind, und wobei während der Erfassung der 3D-Ultraschall-Bild-Volumina Position und Orientierung des Transducers erfasst und mit den jeweils erfassten SD-Ultraschall-Bild- Volumina verknüpft werden, erfasste 3D-Ultraschall-Bild-Volumina unter Auswertung der jeweiligen Position und Orientierung mit anderen erfassten 3D-Ultraschall-Bild-Volumina zu einem erweiterten Ultraschall-Bild-Volumen (Meta-Volumen) zusammengefügt und gespeichert werden, und/oder dass die erfassten 3D-Ultraschall-Bild-Volumina zusammen mit den verknüpften Daten über Position und Orientierung einzeln gespeichert werden. Ultrasonic scanner, a transducer for capturing SD ultrasound image volumes and a sensor for detecting position and orientation of the transducer are connected via data transfer means to the data processing device, and wherein during the detection of the 3D ultrasound image volumes Detected position and orientation of the transducer and are linked to each detected SD ultrasound image volumes, captured 3D ultrasound image volumes under evaluation of the respective position and orientation with other recorded 3D ultrasound image volumes to one expanded ultrasound image volume (meta-volume) and stored, and / or that the acquired 3D ultrasound image volumes are stored separately with the associated data on position and orientation.
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