JP2000308642A - セグメント化およびフロー・ダイナミクスを強化するためのカラー・フロー撮像 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 既知のシステムに必要な妥協を解消し、急速
な流れのダイナミクスの視覚化するとともに、流れ領域
の画像を壁あるいは組織領域の画像から分けること。 【解決手段】 ビーム位置ごとに異なるパルス繰返し率
と異なる数の変換器刺激から得られるフレームに対応す
るカラー・フロー信号を生成する受信器を含む、カラー
・フロー画像を表示するための超音波撮像システムであ
る。カラー・フロー信号は液体（血液など）のフロー・
ダイナミクスの視覚化を可能にすると同時に他の組織か
らの液体の流れのセグメント化を維持するように選択さ
れ、結合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音響撮像に関し、
さらに詳しくは超音波信号のドップラーシフトに基づく
カラー・フロー画像の生成に関する。

【０００２】

【従来の技術】すべての既知のカラー・フロー超音波撮
像システムは現在、液体流（血流など）から壁の動きを
分ける能力と、急速な流れのダイナミクスを視覚化する
能力とを妥協させている。このような分離は、動脈流の
ダイナミクスが視覚化できない点までフレーム・レート
を低減させる、大きなパケット・サイズを必要とする。
超音波変換器の２回または３回の発射（firing）など非
常に小さなパケット・サイズを使用すると、流れのダイ
ナミクスはよく視覚化されるが、壁フラッシュを抑制す
る能力はかなり犠牲にされる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、既知のシス
テムに必要な妥協を解消し、急速な流れのダイナミクス
の視覚化するとともに、流れ領域の画像を壁あるいは組
織領域の画像から分けることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、振動エネルギ
変換器を刺激して超音波ビームを生成し、そのビームを
所定の角度位置に向けて研究対象を貫通させる能力のあ
る超音波システムにおいて有用である。好ましい実施態
様は、対象の組織内の、血液流など液体流の１つあるい
は複数の特性のカラー表示を提供するための改良された
技術を含む。その技術は、所定の第１の刺激繰返し率で
ビーム位置ごとに、変換器の刺激が所定の第１の数だけ
生成されたことに応答して対象内で所定の距離の範囲か
ら後方散乱された超音波に対応する第１の受信器信号を
生成する。第２の受信器信号もまた、所定の第２の刺激
繰返し率でビーム位置ごとに、変換器の刺激が所定の第
２の数だけ生成されたことに応答して、対象から後方散
乱された超音波に対応して生成される。好ましくは、受
信器信号は超音波受信器によって生成される。第１のカ
ラー・フロー信号が生成され、第１の受信器信号に応答
して液体流の第１の特性を示す。第２のカラー・フロー
信号も生成され、その信号に応答して液体流の第２の特
性を示す。好ましくは、第１と第２のカラー・フロー信
号はカラー・フロー・プロセッサで生成される。好まし
くは、プロセッサなどの論理装置によって第１と第２の
カラー・フロー信号の組合せが選択される。

【０００５】前述の技術を使用することによって、流れ
のダイナミクスは最小の壁動きフラッシュで最適に表示
される。たとえば、画像フレームを異なる処理パラメー
タと組み合わせるようなことによって次のような結果が
達成される。すなわち、ビーム位置（パケット・サイ
ズ）ごとにより多い数の発射および／またはより小さい
パルス繰返周波数（ＰＲＦ）を伴うセグメント化フレー
ムを使用して、表示された画像内の壁／組織領域から流
れ領域を分けることができる。より高いＰＲＦとより小
さいパケット・サイズを伴う流れダイナミック・フレー
ムを使用すると、急速に更新し、表示された画像内でよ
りよい流れのダイナミクスを視覚化できる。ダイナミッ
ク・フローは、分けられた領域内だけで、対応するセグ
メント化フレーム中で流れとして表示される。その対応
は、時間的にもっとも近いフレーム、あるいはＥＣＧト
リガを使用することによって心臓サイクル内の同じポイ
ントにもっとも近いフレームに従う。

【０００６】前述の技術は低いパケット・サイズを伴う
高いフレーム・レートにおける急速なフローのダイナミ
クスの視覚化を可能にすると同時に、壁フラッシュを抑
制する能力を保持する。たとえば、数個のフレーム（あ
るいは心臓のサイクル）ごとに１フレームの間、セグメ
ント化フレーム（複数可）が発射される。これらのフレ
ームからの画像データは格納される。後続の急速なダイ
ナミック・フロー・フレームが発射され、これらのデー
タは、フローが対応するセグメント化フレーム内で壁と
して決定された領域に表示されないような形で、セグメ
ント化フレームと融合される。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１を参照すると、振動エネルギ
撮像システムは、送信器１３によって生成された刺激パ
ルス波形によって励起された時に超音波エネルギのバー
ストをそれぞれ生成する、複数の個別に駆動される要素
１２を含む変換器アレイ１１を含む。研究対象から変換
器アレイ１１に反射して戻った超音波エネルギは、各変
換器要素１２によって電気信号に変換され、１組の送信
／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１５を通じて個別に受信器１
４に加えられる。送信器１３、受信器１４、スイッチ１
５は、ディジタル制御装置１６の制御下で人間のオペレ
ータのコマンドに応答して動作する。完全な走査は、一
連のエコーを得ることによって実行され、そのエコー中
でスイッチ１５はその送信位置に送られ、送信器１３は
各変換器要素１２を励起するように時間的にゲートさ
れ、スイッチ１５は次に受信位置にセットされ、各変換
器要素１２によって生成された後続のエコー信号が受信
器１４に加えられる。各変換器要素１２からの個別のエ
コー信号は受信器１４内で組み合わされ、表示システム
１７上の画像に線を生成するために使用される１つのエ
コー信号を生成する。

【０００８】送信器１３は、超音波エネルギなどの生成
された振動エネルギがビーム内に向けられる、すなわち
操向（steer ）されるように変換器アレイ１１を駆動す
る。したがってＢ走査は、物理的に変換器アレイ１１を
移動させるのではなく、ポイントからポイントへ１組の
角度位置を通してこのビームを移動することによって実
行できる。これを達成するために、送信器１３は、連続
的な変換器要素１２に加えられる各パルス波形２０へ時
間遅延（Ｔ_i ）を割り当てる。時間遅延がゼロの時（Ｔ
_i ＝０）、すべての変換器要素１２は同時に励起され、
結果として生じた超音波ビームは、変換器面に垂直で変
換器アレイ１１の中央から発する軸２１に沿った方向に
向けられる。図１に示すように、時間遅延（Ｔ_i）が増
大すると、超音波ビームは角度θだけ中央軸２１から下
方に向けられる。

【０００９】変換器アレイ（ｉ＝１）の一端から他端
（ｉ＝ｎ）へのｉ番目ごとの信号に適用される時間遅延
Ｔ_iの間の関係は、以下の関係式によって与えられる。

【数１】 上式で、ｘ＝変換器アレイの中心から変換器要素１２の
中心までの距離 θ＝送信ビーム角度 ｃ＝研究対象内の音速 Ｒ_T＝送信ビームが集束される範囲

【００１０】方程式（１）内の時間遅延Ｔ_iは、ビーム
を所望の角度θに向け、固定された範囲Ｒ_Tで集束され
る効果を有する。扇形走査は、連続的な励起で時間遅延
Ｔ_iを累進的に変化させることによって実行される。角
度θは、送信されたビームを連続的な方向に向けるため
に増分的に変化される。ビームの方向が中央軸２１より
上になった時、パルス２０のタイミングが反転される
が、方程式（１）の公式はそのまま適用される。

【００１１】さらに図１を参照すると、超音波エネルギ
の各バーストごとに生成されたエコー信号は、超音波ビ
ームに沿って連続した位置（Ｒ）にある反射する対象か
ら放射する。これらは変換器アレイ１１の各セグメント
１２によって個別に感知され、特定の時点におけるエコ
ー信号の強さのサンプルは特定の範囲（Ｒ）において発
生する反射の量を示す。ただし、反射ポイントＰと各変
換器要素１２の間の伝播経路の差により、これらのエコ
ー信号は同時には発生せず、その振幅は等しくはならな
い。受信器１４の機能は、これらの個別のエコー信号を
増幅し復調し、それぞれに適正な時間遅延と移相を割り
当て、それらを合計して、角度θに向けられた超音波ビ
ームに沿ってＲに位置するポイントＰから反射される合
計超音波エネルギを正確に示す１つのエコー信号を提供
することである。

【００１２】各変換器要素１２からのエコーによって生
成された電気信号を同時に合計するために、受信器１４
の各個別の変換器要素チャネルに時間遅延と移相が導入
される。受信のためのビーム時間遅延は、上記の送信遅
延と同じ遅延（Ｔ_i）である。しかし、ダイナミックに
集束させるために、各受信器チャネルの時間遅延と移相
はエコーの受信の間連続的に変化し、エコー信号がそこ
から放射する範囲Ｒにおいて受信されたビームのダイナ
ミックの集束を与える。各変換器要素によって受信され
た信号に加えられる時間遅延Ｔ_dについての最適な方程
式は次の通りである。

【数２】 上式で ｔ＝変換器アレイの中央から音が送信された後の経過時
間（すなわち、ＳＴＡＲＴ） ｃ＝研究対象内の音速 θ＝ビーム角度 ｘ＝変換器アレイの中心から要素の中心までの距離

【００１３】同じ計算から、適切にスケーリングすれ
ば、正しい移相も得られる。

【００１４】ディジタル制御装置１６の支持のみで、受
信器１４は走査の間、受信器１４の操向が送信器１３に
よって操向されたビームの方向θを追跡し、範囲Ｒの連
続においてエコー信号をサンプルし、ビームに沿ってポ
イントＰにおいてダイナミックに集束させるために正し
い遅延と移相を提供するような形で遅延を行う。このよ
うにして、超音波パルス波形の各発射は、超音波ビーム
に沿った位置にある対応する一連のポイントＰから反射
された音の量を表す一連のデータ・ポイントを取得す
る。

【００１５】表示システム１７は受信器１４によって生
成された一連のデータ・ポイントを受信し、所望の画像
を生成する形にデータを変換する。たとえば、Ａ走査が
望ましい場合、一連のデータ・ポイントの強さは時間の
関数としてだけグラフ化される。Ｂ走査が望ましい場
合、シリーズ内の各データ・ポイントを使用して画像内
のピクセルの輝度を制御し、連続した操向角（θ）にお
ける一連の測定からなる走査が実行され、表示に必要な
データを提供する。

【００１６】図１と共に図２を参照すると、送信器１３
はメモリ５０として集合的に示されている１組のチャネ
ル・パルス符号メモリを含む。好ましい実施形態では１
２８の個別の変換器要素１２があるので、１２８の個別
のチャネル・パルス符号メモリ５０がある。各パルス符
号メモリ５０は典型的には１ビット×５１２ビット・メ
モリであり、生成される超音波パルス５２の周波数を決
定するビット・パターン５１を格納する。好ましい実施
形態では、このビット・パターンは４０ＭＨｚマスタ・
クロックによって各パルス符号メモリ５０から読み取ら
れ、信号を駆動変換器１１に適切なパワー・レベルに増
幅するドライバ５３に印加される。図２Ｂに示す例で
は、ビット・パターンは、４つの「０」ビットと互いに
配置された４つの「１」ビットのシーケンスであり、５
ＭＨｚの超音波パルス５２を生成する。しかし、２．５
ＭＨｚ、３．７５ＭＨｚ、６．２５ＭＨｚ、７．５ＭＨ
ｚ、８．７５ＭＨｚ、１０ＭＨｚなど他の搬送波周波数
（Ｆ₀ ）も好ましい実施形態で採用できる。これらの超
音波パルス５２が印加される変換器要素１２は、超音波
エネルギを生成することによって応答する。すべての５
１２ビットが使用されている場合、搬送波周波数（すな
わちこの例では５ＭＨｚ）を中心とした４０ｋＨｚとい
う狭い帯域幅のパルスが放出される。

【００１７】上記に示したように、超音波エネルギの送
信されたビームを所望の方向（θ）に向けるために、図
２Ｃに示すように各ｎチャネルについてパルス５２が適
正な量だけ遅延されなければならない。これらの遅延
は、ディジタル制御装置１６（図１）から４つの制御信
号（ＳＴＡＲＴ、ＭＡＳＴＥＲ ＣＬＯＣＫ、Ｒ_T 、
θ）を受信する送信制御５４によって行われる。入力制
御信号θ、固定された送信焦点Ｒ_T 、上記の方程式
（１）を使用して、送信制御５４は連続的な送信チャネ
ルの間で要求される遅延増分Ｔ_i を計算する。ＳＴＡＲ
Ｔ制御信号が受信されると、送信制御５４は４０ＭＨｚ
ＭＡＳＴＥＲ ＣＬＯＣＫ信号の４つの可能な位相の
うち１つを第１の送信チャネル５０を通じてゲートす
る。その後各連続的な遅延時間間隔（Ｔ_i ）において、
４０ＭＨｚ ＭＡＳＴＥＲ ＣＬＯＣＫ信号は、すべて
のｎ＝１２８チャネルがその超音波パルス５２を生成す
るまで、次のチャネル・パルス符号メモリ５０を通じて
ゲートされる。各送信チャネル５０は全ビット・パター
ン５１が送信された後にリセットされ、送信器１３は、
ディジタル制御装置１６から次のθと次のＳＴＡＲＴ制
御信号を待つ。上記に示したように本発明の好ましい実
施形態では、完全なＢ走査は、変換器１１の中央軸２１
（図１）を中心にして９０°の扇形を通じて０．７０°
ずつのΔθ増分で方向づけられる１２８の超音波パルス
から構成される。

【００１８】送信器１３を詳細に説明するために、１９
９１年５月１４日に発行され本願の譲受人に譲渡された
「Ｃｏｄｅｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｔｒａ
ｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｃｕｓｉｎ
ｇ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｂｅａ
ｍ」という名称の米国特許第５，０１４，７１２号を参
照する。前記特許は参照により本明細書に組み込まれ
る。

【００１９】特に図３を参照すると、受信器１４は、時
間ゲイン制御セクション１００、受信ビーム形成セクシ
ョン１０１、中間プロセッサ１０２の３つのセクション
から構成される。時間ゲイン制御（ＴＧＣ）セクション
１００は、ｎ＝１２８の受信器チャネルごとに１つの増
幅器１０５と、時間ゲイン制御回路１０６を含む。各増
幅器１０５の入力はそれぞれ１つの変換器要素１２に接
続され、それが受信するエコー信号を受信し増幅する。
増幅器１０５によって提供される増幅の量は、ＴＧＣ回
路１０６によって駆動される制御線１０７を通じて制御
される。当技術分野において周知のように、エコー信号
の範囲が増大するとその振幅は減少する。その結果、さ
らに遠い反射器から発射されたエコー信号が近い反射器
からのエコー信号より大きく増幅されない限り、画像の
輝度は範囲（Ｒ）の関数として急速に減少する。この増
幅は、８つの（典型的な場合）ＴＧＣ直線電位差計１０
８を手動で設定するオペレータによりセクション走査の
全範囲にわたって比較的均一な輝度を与える値に制御さ
れる。エコー信号が取得される時間間隔から、それが放
出される元の範囲が決定され、この時間間隔はＴＧＣ回
路１０６によって８つの部分に分けられる。８つの電位
差計の設定は、エコー信号がエコー信号取得時間間隔に
わたって連続的に増大する量で増幅されるような形で、
８つの各時間間隔の間に増幅器１０５のゲインを設定す
るために用いられる。

【００２０】受信器１４の受信ビーム形成セクション１
０１は、ｎ＝２８の個別の受信器チャネル１１０を含
む。以下にさらに詳細に説明されるように、各受信器チ
ャネル１１０は入力１１１において増幅器１０５の１つ
からアナログ・エコー信号を受信し、Ｉバス１１２とＱ
バス１１３上でディジタル化された出力値のストリーム
を生成する。これらの各Ｉ値とＱ値は、特定の範囲
（Ｒ）においてエコー信号エンベロープの復調サンプル
を表す。これらのサンプルは、それが合計ポイント１１
４と１１５において他の受信器チャネル１１０それぞれ
からのＩサンプルとＱサンプルと合計されるように遅延
され移相されており、方向づけられたビーム（θ）上で
範囲Ｒの位置にあるポイントＰから反映されたエコー信
号の強さと位相を示す。好ましい実施形態では、各エコ
ー信号は走査線の全範囲にわたって約５１２ポイントに
おいてサンプルされる（典型的には４０ミリメートルか
ら２００ミリメートル）。

【００２１】受信器１４のさらに詳細な記述について
は、１９９１年１月８日に発行され本願の譲受人に譲渡
された「Ｍｅｔｈｏｄ Ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ
ｆｏｒＤｉｇｉｔａｌ Ｐｈａｓｅ Ａｒｒａｙ Ｉｍ
ａｇｉｎｇ」という名称の、参照により本明細書に組み
込まれる米国特許第４，９８３，９７０号を参照された
い。

【００２２】さらに図３を参照すると、中間プロセッサ
・セクション１０２は合計ポイント１１４と１１５から
ビーム・サンプルを受信する。各ビーム・サンプルのＩ
値とＱ値はポイント（Ｒ、θ）から反射された音響の強
さの同相直交成分要素を表すディジタル値である。中間
プロセッサ１０２はこれらのビーム・サンプルに対して
さまざまな計算を実行でき、選択は再構築される画像の
タイプによって決まる。たとえば通常の強さの画像が生
成される場合、検出プロセッサ１２０（図３）が実装さ
れ、その中では次式に従ってディジタル強さＭが各受信
ビーム・サンプルから計算され、反射ポイントのＲ、θ
座標と共に出力１２１において生成される。

【数３】

【００２３】検出プロセッサ１２０はまた、１９８９年
５月３０日に「ＡｄａｐｔｉｖｅＣｏｈｅｒｅｎｔ Ｅ
ｎｅｒｇｙ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎ
ｇＰｈａｓｅ Ｃｏｎｊｕｎｇａｔｉｏｎ」という名称
で発行された、米国特許４，８３５，６８９に開示され
たような修正方法を実装することもできる。このような
修正方法は、受信されたビーム・サンプルを検査し、送
信器１３と受信器１４による後続の測定に使用できる修
正値を計算し、ビームの集束および操向を向上する。こ
のような修正はたとえば、走査の間各変換器要素からの
音響が伝わる媒体の非均質性を補償するために必要であ
る。

【００２４】本発明は特に、中間プロセッサ１０２に位
置するカラー・フロー・プロセッサ１２３に関する。図
５に関してさらに詳細に下に記述されるカラー・フロー
・プロセッサ１２３は、復調され集束された各エコー信
号サンプルのＩ値とＱ値を合計ポイント１１４と１１５
から受信し、中間プロセッサ出力１２１において１２ビ
ットのフロー値を生成する。このフロー信号は赤、緑、
青の各表示色を制御し、同じポイントについて強さＭと
共に表示システム１７に印加される。次にさらに詳細を
説明するように、このフロー値によって示された色は、
カラー・フロー・プロセッサ１２３によって測定された
フローの結果生じたドップラ信号のパワーの関数であ
る。

【００２５】特に図１と図４に関しては、受信器１４は
出力バス１２１に８ビットのディジタル番号のストリー
ムを生成する。このストリームは表示システム１７の入
力に印加される。各出力は８ビットの組織の強さと１２
ビットのフロー値を含む。これらの「走査データ」はメ
モリ１５０内にアレイとして格納され、取得された各ビ
ーム角（θ）に対応する走査データ・アレイ１５０の行
と、各ビームに沿ってサンプルが取得された各範囲
（Ｒ）に対応する走査データ・アレイ１５０の列を伴
う。受信器１４からのＲ制御信号１５１およびθ制御信
号１５２は、各入力値がアレイ１５０内のどこに格納さ
れるかを示し、メモリ制御回路１５３はその値をアレイ
１５０内の適切なメモリ位置に書き込む。走査は連続的
に繰り返され、受信器１４からの値のフローは連続的に
走査データ・アレイ１５０を更新する。

【００２６】さらに図４を参照すると、アレイ１５０内
の走査データはディジタル走査変換器１５４によって読
み出され、所望の画像を生成する形に変換される。たと
えば通常のＢ走査画像が生成される場合、走査データ・
アレイ１５０内に格納されている組織の強さと流れの値
Ｍ（Ｒ、θ）は画像内のピクセル位置（ｘ、ｙ）におい
て灰色の色調（組織について）と色（流れについて）を
示す値Ｍ（ｘ、ｙ）に変換される。超音波画像データの
極座標からデカルト座標への変換は、たとえば、１９８
３年１０月のＨｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ Ｊｏｕ
ｒｎａｌの３０ページ〜３３ページに掲載された、Ｓｔ
ｅｖｅｎ Ｃ．Ｌｅａｖｉｔｔらの論文「Ａ Ｓｃａｎ
Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ
Ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｉｍ
ａｇｅｓ」に記載されている。

【００２７】ディジタル走査変換器１５４によってどん
な変換が行われるかに関わらず、結果として生じた画像
データは、変換された走査データの二次元のアレイを格
納するメモリ１５５に書き込まれる。メモリ制御１５６
は、表示プロセッサ１５７が更新されたデータを読み取
る間に、ディジタル走査変換器１５４は、その中にある
値を連続的に新しいデータで更新することができるよう
な形で、メモリ１５５にデュアル・ポート・アクセスを
行う。表示プロセッサ１５７は、制御パネル１５８から
受信されたオペレータのコマンドに応答して、メモリ１
５５内の変換された走査データについて通常の画像処理
機能を実行する。たとえば、メモリ１５５内の変換され
た走査データによって示された輝度レベルの範囲が、表
示装置１６０の輝度の範囲をはるかに超えることがあ
る。確かに、メモリ１５５内の変換された走査データの
輝度の解像度は、人間の目の輝度の解像度をはるかに超
えることがあり、典型的には手動で操作可能な制御が行
われ、オペレータは最大の画像対比が達成されるような
輝度の値の窓を選択することができる。表示プロセッサ
はメモリ１５５から変換された走査データを読み取り、
所望の画像強化を行い、強化された値を表示メモリ１６
１に書き込む。

【００２８】表示メモリ１６１は、メモリ制御回路１６
３を通じて表示制御装置回路１６２と共有され、その中
の値は、表示１６０内の対応するピクセルの制御輝度と
色にマッピングされる。表示制御装置１６２は、使用さ
れる特定のタイプのディスプレイ１６０を操作するよう
に設計された市販の集積回路である。たとえばディスプ
レイ１６０はＣＲＴ（陰極線管）とすることができ、こ
の場合は表示制御装置１６２は、水平掃引回路と垂直掃
引回路について必要とされる同期パルスを提供し、掃引
の間適切な時間に表示データをＣＲＴにマッピングする
ＣＲＴ制御装置チップである。

【００２９】表示システム１７は特定の超音波システム
の能力と融通性に応じて多くの形のうちの１つをとるこ
とができることは当業者には明らかであろう。上記の好
ましい実施形態では、プログラムされたマイクロプロセ
ッサを使用して、ディジタル操作変換装置と表示プロセ
ッサ機能を実装するので、結果として得られる表示シス
テムは非常に融通性がありパワフルである。

【００３０】特に図５を参照すると、図３のカラー・フ
ロー・プロセッサ１２３は市販の集積回路から構成され
る。プロセッサ１２３は受信装置のビーム形成セクショ
ンによって生成される復調されたエコー信号のＩサンプ
ルとＱサンプルを格納し、Ｎ出力とＤ出力を速度推定回
路３０１Ｂに渡す自己相関および正規化回路３０１Ａの
Ｉ入力とＱ入力にこれらを印加するバッファ・メモリ３
００を含む。メモリ３００からのＩ出力とＱ出力は遅延
ＦＩＦＯ３０２にも渡される。回路３０１Ａと３０１Ｂ
はたとえば、１９８５年５月のＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａ
ｃｔｉｏｎｓｏｎ Ｓｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｕｌｔｒａ
ｓｏｎｉｃｓ ＶＯＬ．ＳＵ−３２，Ｎｏ．３所載の
Ｃ．Ｋａｓａｉらの論文「Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｔｗｏ
−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｂｌｏｏｄ Ｆｌｏｗ Ｉ
ｍａｇｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔ
ｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」に記載されるように、複
合共役乗算器、１対の遅延と１対の積分器から構成する
こともでき、上述の論文は参照により本明細書に組み込
まれる。回路３０１Ｂはその入力に加えられるｎ個のサ
ンプルの周波数の中間値を表わす出力信号２を生成す
る。反射体の動きがない場合は、エコー・サンプルの周
波数にドップラ変化はなく、この出力信号はゼロであ
る。一方向に動きがあれば、出力信号２は正の値を有
し、動きが反対方向であれば、出力信号２は負の値を有
する。

【００３１】中間値出力信号２はＩＩＲフィルタ３０５
を通じて複合ミキサ回路３０３の参照入力に印加され
る。同時に、信号２を生成するために使用される同じ復
調されたエコー信号サンプルの遅延されたＩ値とＱ値
は、複合ミキサ３０３の入力に印加される。周波数偏移
出力信号Ｉ’とＱ’は、複合ミキサ３０３による次の方
程式に従って生成される。 Ｉ’＝Ｉｃｏｓθ＋Ｑｓｉｎθ （４） Ｑ^l＝Ｉｓｉｎθ−Ｑｃｏｓθ （５）

【００３２】中間周波数２を伴うこの複合ミキシングの
効果は、すべての復調されたエコー信号周波数を値−２
だけ偏移することである。ほとんどの場合、フィルタ壁
信号成分がエコー信号より優勢なので、壁信号成分の測
定された中間周波数と、複合ミキサ３０３による周波数
の偏移は本質において、壁信号周波数ゼロ、あるいは
Ｄ．Ｃ．の中間値を偏移する。壁信号を偏移することに
ついてのより詳細は、参照により本明細書に組み込まれ
る米国特許第５，３４９，５２４号を参照されたい。大
きな壁信号成分は周波数偏移され、ほぼＤ．Ｃ．を中心
としている。

【００３３】さらに図５を参照すれば、偏移されたエコ
ー信号値Ｉ’とＱ’は、高域ＦＩＲ（有限インパルス応
答）フィルタ３１０の入力に印加される。ＦＩＲフィル
タ３１０は、Ｄ．Ｃ．を中心としたストップ域を有する
Ｐｌｅｓｓｅｙ ＰＤＳＰ１６２５６Ａなどの市販の集
積回路である。

【００３４】回路３０１Ａと３０１Ｂは、濾波されない
ベースバンド・エコー信号の分散を計算できる出力Ｒ
（Ｏ）とＲ（Ｔ）を有する。この計算は次の方程式に従
って乱れ推定回路３１５によって実行される。 σ₂＝（１−｜Ｒ（Ｔ）｜／Ｒ（Ｏ））／Ｔ² （６） 上式においてＴは超音波パルスの発射間隔である。この
分散σは、壁信号成分の幅の指標であり、図５に示すよ
うに、適応的選択回路３０６へ入力させる低域ＩＩＲフ
ィルタ３０４に送られる。その結果、ＦＩＲフィルタ３
１０の出力信号は、主に流れ信号成分から構成される濾
波されたエコー信号となる。

【００３５】図５に示した、ＦＩＲフィルタ３１０によ
って生成される濾波されたエコー信号成分Ｉ”とＱ”
は、第２の自己相関および正規化回路３１８Ａに供給さ
れ、回路３１８Ａは第２の速度推定回路３１８Ｂに出力
を提供する。回路３１８Ａは回路３０１Ａと同一であ
り、回路３１８Ｂは回路３０１Ｂと同一である。速度推
定回路３１８Ｂは出力３２８に、偏移された流れ信号成
分周波数の中間値の推定値である中間値信号θ’を生成
する。すなわちθ’は、流れている反射体の中間ドップ
ラーシフトの推定値であり、その中間速度に比例する。
信号θ’はカラー・フロー・プロセッサ１２３によって
生成されるフロー信号の１成分を形成する。

【００３６】流れる散乱体の性質を示すために乱流計算
器３２６が回路３１８Ｂに結合されている。乱流計算器
３２６は上記の乱流計算器３１５と同一であり、ベース
バンド・エコー信号の流れ信号成分の周波数分散を示す
出力信号σ’を生成する。層流が非常に狭い範囲の速度
を有している一方、乱流は多くの速度の混合であるた
め、この値は流れの乱れを示す。４ビット乱流値σ’
は、流れ信号の別の成分として乱流計算器３２６から導
体３３０上に供給される。

【００３７】回路３１８Ａはまた、ベースバンド・エコ
ー信号の流れ信号成分のパワーの推定値であるパワー信
号Ｒ（Ｏ）’を導体３３２上で生成する。

【００３８】ポスト・プロセッサ３３４は導体３２８上
でθ’信号を受信し、導体３３０上でσ’信号を受信
し、導体３３２上で（Ｒ）（Ｏ）’信号を受信する。ポ
スト・プロセッサ３３４は、自己相関および正規化回路
３０１Ａから導体３３６上でパワー信号（Ｒ）（Ｏ）を
受信する。パワー値Ｒ（Ｏ）は、導体３２８と３３０上
の速度と分散推定信号の閾値を指定するために使用され
る。推定値は次にシステムのオペレータによって決定さ
れた方法で、選択された表示モードに基づいて８ビット
の１つの主出力３３８と４ビットの１つの副出力３４０
に結合される。

【００３９】主出力と副出力は、長フレーム・バッファ
３４２と短フレーム・バッファ３４４に送られる。長フ
レーム・バッファ３４２はビーム位置（パケット・サイ
ズ）ごとに比較的多数の発射を伴うセグメント化フレー
ムを表わす値を格納し、かつ／または、表示システム１
７内の壁領域と組織領域から流れ領域を分けるために使
用される比較的低いパルス繰返し周波数または刺激周波
数（ＰＲＦ）を格納する。

【００４０】短フレーム・バッファ３４４は比較的高い
ＰＲＦを伴うフロー・ダイナミック・フレームに対応す
る値と、フロー・ダイナミクスの画像を提供するために
使用される比較的小さいパケット・サイズから得られる
値を格納する。すなわち、短フレーム・バッファ３４４
に格納される値は、よりよくフロー・ダイナミックを視
覚化させるように急速に更新するために使用される。

【００４１】バッファ３４４内のデータに基づくダイナ
ミック・フローは、長フレーム・バッファ３４２内に格
納された値による流れとして分けた領域だけに表示され
る。

【００４２】要約すると、フレーム・バッファ３４２内
に格納された値は、フレーム・バッファ３４４に格納さ
れた値よりも多い数の、ビーム位置ごとの変換器１１の
発射または刺激の数に基づいている。同様に、バッファ
３４２に格納された値は、フレーム・バッファ３４４内
に格納された値を生じる刺激繰返し率またはパルス繰返
し率より小さい刺激繰返し率またはパルス繰返し率から
生じる。

【００４３】導体３３６上で生成されたパワー信号の値
は、所定の閾値と比較される。値が閾値よりも大きい場
合、ポスト・プロセッサ３３４からの信号は出力モード
選択ブロック（図示せず）を介して出力される。値が閾
値より小さい場合、すべての出力はゼロ値となる。出力
モード選択ブロックでは、ポスト・プロセッサ３３４か
らの出力を決定し、最終的にそれがオペレータによって
決定される走査変換器へ送られる。この選択ブロックか
らの出力は１つの８ビット数と１つの４ビット数であ
る。可能性のあるモードを次の表に示す。

【表１】

【００４４】変換器１１は、数回の心臓サイクルごとに
長フレーム・バッファ３４２に値を生成するために、す
でに記述された方法で刺激される。変換器１１は、短フ
レーム・バッファ３４４に格納される値を生成するため
により急速に刺激される。このようにして、短フレーム
・バッファ３４４は心臓サイクルごとに何回もリフレッ
シュされる。

【００４５】短フレーム・バッファ３４４の各リフレッ
シュの後に、ポスト・プロセッサ３３４はさらに処理す
るために、長フレーム・バッファ３４２と短フレーム・
バッファ３４４からカラー・フロー信号の組合せを選択
する。好ましい実施形態によれば、プロセッサ３３４は
長フレーム・バッファ３４２内の各メモリ位置をアドレ
ス指定し、その値を決定する。値がゼロか所定の閾値以
下の場合、血流はわずかであるかあるいはまったくない
ことを示し、アドレス指定された長フレーム・バッファ
３４２値からのデータはバス１２１に送信される。バッ
ファ３４２でアドレス指定された位置における値が閾値
を超えたゼロ以外の値である場合、短フレーム・バッフ
ァ３４４内の対応するアドレスがアクセスされ、バッフ
ァ３４４内のそのアドレス指定された位置からのデータ
がバス１２１に送信され、長フレーム・バッファ３４２
からの同じアドレスにある対応するデータと置き換えら
れる。

【００４６】長フレーム・バッファ３４２と短フレーム
・バッファ３４４内に値を格納するために、ポスト・プ
ロセッサ３３４は、前に記述された方法で走査データ・
メモリ１５０のアドレスを指定するために使用されるビ
ーム角θと各範囲Ｒを使用してバッファをアドレス指定
する。ビーム角と範囲の値は、図５に示すようにプロセ
ッサ３３４に入力される。

【００４７】ポスト・プロセッサ３３４の前述の動作の
結果、長フレーム・バッファ３４２と短フレーム・バッ
ファ３４４からの値は、壁組織であると決定された領域
内で表示システム１７によって血流が表示されないよう
な組合せで選択される。しかしながら、血流情報は短フ
レーム・バッファ３４４から急速に読み取られるため、
血流の速度の急速な変化は表示システム１７内ですぐに
視覚化される。

【００４８】図６は、ポスト・プロセッサ３３４が上記
の説明と同じ方法で動作する代替の実施形態を図示した
ものであるが、長フレーム・バッファ３４２と短フレー
ム・バッファ３４４からの値がバス１２１に出力されな
い点が異なる。その代わりに、ディジタル走査変換器１
５４（図４と図６）は、バッファ３４２と３４４内の値
を定期的に対応するＸＹ座標に変換し、図に示すよう
に、変換された値を長フレーム・バッファ３５０と短フ
レーム・バッファ３５２に格納するために、メモリ制御
回路１５６Ａと１５６Ｂ（図６）を動作させる。走査変
換は、走査データ・メモリ１５０に関して図４に関連し
て前に記述したのと同じ方法で動作する。

【００４９】表示プロセッサ１５７（図４と図６）は、
長フレーム・バッファ３４２と短フレーム・バッファ３
４４に関して上記に記述された方法で長フレーム・バッ
ファ３５０と短フレーム・バッファ３５２からデータを
選択し組み合わせて、選択された値の組合せをメモリ制
御回路１６３（図４と図６）に送信する。この動作の結
果、長フレーム・バッファ３５０と短フレーム・バッフ
ァ３５２から選択され組み合わされた値は表示データ・
メモリ１６１に書き込まれ、上記に記述された方法で表
示制御装置１６２によって処理される。

【００５０】長フレーム・バッファ３５０と短フレーム
・バッファ３５２からの値が表示プロセッサ１５７によ
って選択され組み合わされ、表示データ・メモリ１６１
内に書き込まれた後、結果として生じたメモリ１６１内
の値が、目的のカラー・フロー領域内の表示１６０の各
ピクセルの色を決定する。目的の領域内の各ピクセルに
ついて、８ビットは赤の強さを制御し、８ビットは緑の
強さを制御し、８ビットは青の強さを制御する。これら
のビット・パターンは、信号θ’によって表わされた流
れの速度が方向あるいは強さを変えた時に、表示位置
Ｘ、Ｙにおけるピクセルの色が変わるように、あらかじ
め選択されている。たとえば、変換器へ向かう流れが赤
と示されると、変換器から離れる流れは青と示される。
流れが早いほど、色は明るくなる。

【００５１】他の例としては、プロセッサ１５７は導体
３３０上の乱れ測定値に基づいてピクセル内に表示され
た緑の量を選択する（図５）。その結果、表示された画
像内の特定のポイントＸ、Ｙにおける中間の流れの速度
は赤と青の量で示され、乱れの程度は緑の量で示され
る。

【００５２】表示の強さあるいはルーメンは、導体３３
２上のパワー信号の値に従って変化する。

【００５３】本明細書では、本発明の所定の好ましい機
能だけを図示し記述したが、当業者であれば多くの変更
や変化を考えつくであろう。たとえば、ＥＣＧトリガリ
ングを使用して心臓サイクルとほぼ同じ時間に対応する
セグメント化フレームを選択することができる。あるい
は、もっとも最近のセグメント化フレームを使用するこ
とができる。したがって、添付の特許請求の範囲はこの
ようなすべての変更および変化を、本発明の真の精神の
範囲内としてカバーすることを目的としていることを理
解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施形態を採用した超音波撮
像システムの構成図である。

【図２】図１のシステムの一部を形成する送信器の構成
図（Ａ）、送信器５０の任意のチャネル内の信号を示す
図（Ｂ）、送信器５０の任意のチャネル内の信号を示す
図（Ｃ）である。

【図３】図１のシステムの一部を構成する受信器の構成
図である。

【図４】図１のシステムの一部を構成する表示システム
の構成図である。

【図５】図３に図示された中間プロセッサ１０２の一形
態の図である。

【図６】図５に図示された中間プロセッサ１０２の別の
形態の図である。

【符号の説明】

１１ 変換器アレイ １２ 要素 １３ 送信器 １４ 受信器 １５ 送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ １６ ディジタル制御装置 １７ 表示システム ２０ パルス波形 ２１ 軸 １２１ 出力

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年５月１２日（２０００．５．１
２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図４】

【図２】

【図３】

【図５】

【図６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アン・リンゼイ・ホール アメリカ合衆国・53151・ウイスコンシン 州・ニュー ベルリン・ウエスト トップ −オー−ヒル ドライブ・16015 Ｆターム(参考） 4C301 DD04 EE07 EE09 HH04

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動エネルギ変換器を刺激して超音波ビ
   ームを生成し、そのビームを所定の角度位置に向けて研
   究対象を貫通させる能力のある超音波システムにおい
   て、対象の組織内の液体流の１つあるいは複数の特性に
   ついてカラー表示を行う装置であって、 所定の第１の刺激繰返し率でビーム位置ごとに、変換器
   の刺激が所定の第１の数だけ生成されたことに応答し
   て、対象内で所定の距離の範囲から後方散乱された超音
   波に対応する第１の受信器信号を生成するように接続さ
   れ、また、所定の第２の刺激繰返し率でビーム位置ごと
   に、変換器の刺激が所定の第２の数だけ生成されたこと
   に応答して対象から後方散乱された超音波に対応する第
   ２の受信器信号を生成するように接続された受信器と、 第１の受信器信号に応答して液体流の第１の特性を示す
   第１のカラー・フロー信号を生成し、第２の受信器信号
   に応答して液体流の第２の特性を示す第２のカラー・フ
   ロー信号を生成するように接続されたカラー・フロー・
   プロセッサと、 第１と第２のカラー・フロー信号の組合せを選択するよ
   うに接続された論理装置と、 他の組織からの液体流の液体流ダイナミクスおよびセグ
   メント化をより簡単に視覚化できるように組み合わされ
   た第１のカラー・フロー信号と第２のカラー・フロー信
   号に応答して画像を表示するように接続されたディスプ
   レイとを有する装置。
2. 【請求項２】 第１の数が第２の数よりも大きい請求項
   １に記載の装置。
3. 【請求項３】 第１の刺激繰返し率が第２の刺激繰返し
   率よりも小さい請求項１に記載の装置。
4. 【請求項４】 第１の刺激繰返し率が第２の刺激繰返し
   率よりも小さい請求項２に記載の装置。
5. 【請求項５】 第１の特性が液体流に隣接した組織から
   の液体流の部分を含む請求項１に記載の装置。
6. 【請求項６】 第２の特性が液体流の速度のダイナミッ
   クの変化を含む請求項１に記載の装置。
7. 【請求項７】 第１のカラー・フロー信号の値が所定の
   閾値よりも高い液体流を示した場合に、第１のカラー・
   フロー信号を第２のカラー・フロー信号で置き換えるよ
   うに論理装置が接続されている請求項１に記載の装置。
8. 【請求項８】 第１のカラー・フロー信号の値が所定の
   閾値よりも高い液体流を示した場合に、第２のカラー・
   フロー信号を第１のカラー・フロー信号と組み合わせる
   ように論理装置が接続されている請求項１に記載の装
   置。
9. 【請求項９】 少なくとも第１のカラー・フロー信号に
   応答して第１のメモリ信号を格納するための第１のメモ
   リをさらに含む請求項１に記載の装置。
10. 【請求項１０】 第２のカラー・フロー信号に応答して
    第２のメモリ信号を格納するようにメモリが接続されて
    いる請求項９に記載の装置。
11. 【請求項１１】 所定の角度位置と所定の範囲に応答し
    てメモリがアドレス指定される請求項９に記載の装置。
12. 【請求項１２】 表示の座標軸に従ってメモリがアドレ
    ス指定される請求項９に記載の装置。
13. 【請求項１３】 振動エネルギ変換器を刺激して超音波
    ビームを生成し、そのビームを所定の角度位置に向けて
    研究対象を貫通させる能力のある超音波システムにおけ
    る、対象の組織内の液体流の１つあるいは複数の特性の
    カラー表示を行う方法において、 所定の第１の刺激繰返し率でビーム位置ごとに、変換器
    の刺激が所定の第１の数だけ生成されたことに応答し
    て、対象内で所定の距離の範囲から後方散乱された超音
    波に対応する第１の受信器信号を生成するステップと、 所定の第２の刺激繰返し率でビーム位置ごとに、変換器
    の刺激が所定の第２の数だけ生成されたことに応答して
    対象から後方散乱された超音波に対応する第２の受信器
    信号を生成するステップと、 第１の受信器信号に応答して液体流の第１の特性を示す
    第１のカラー・フロー信号を生成するステップと、 第２の受信器信号に応答して液体流の第２の特性を示す
    第２のカラー・フロー信号を生成するステップと、 第１と第２のカラー・フロー信号の組合せを選択するス
    テップと、 液体流ダイナミクスと他の組織から分離した液体流とを
    より簡単に視覚化できるように、組み合わされた第１の
    カラー・フロー信号と第２のカラー・フロー信号に応答
    して画像を表示するステップとを含む方法。
14. 【請求項１４】 第１の数が第２の数よりも大きい請求
    項１３に記載の方法。
15. 【請求項１５】 第１の刺激繰返し率が第２の刺激繰返
    し率よりも小さい請求項１３に記載の方法。
16. 【請求項１６】 第１の刺激繰返し率が第２の刺激繰返
    し率よりも小さい請求項１５に記載の方法。
17. 【請求項１７】 第１の特性が液体流に隣接した組織か
    らの液体流のセグメント化を含む請求項１３に記載の方
    法。
18. 【請求項１８】 第２の特性が液体流の速度のダイナミ
    ックの変化を含む請求項１３に記載の方法。
19. 【請求項１９】 選択ステップが、第１のカラー・フロ
    ー信号の値が所定の閾値よりも高い液体流を示した場合
    に、第１のカラー・フロー信号を第２のカラー・フロー
    信号で置き換えるステップを含む請求項１３に記載の方
    法。
20. 【請求項２０】 選択ステップが、第１のカラー・フロ
    ー信号の値が所定の閾値よりも高い液体流を示した場合
    に、第２のカラー・フロー信号を第１のカラー・フロー
    信号と組み合わせるステップを含む請求項１３に記載の
    方法。
21. 【請求項２１】 少なくとも第１のカラー・フロー信号
    に応答して第１のメモリ信号を格納するステップをさら
    に含む請求項１３に記載の装置。
22. 【請求項２２】 格納ステップが、第２のカラー・フロ
    ー信号に応答して第２のメモリ信号を格納するステップ
    をさらに含む請求項２１に記載の装置。
23. 【請求項２３】 所定の角度位置と所定の範囲に応答し
    て第１のメモリ信号を読み取るステップをさらに含む請
    求項２１に記載の装置。
24. 【請求項２４】 表示の座標軸に従って第１のメモリ信
    号を読み取るステップをさらに含む請求項２１に記載の
    装置。