JP2004154571A - 多重送信を使用したハーモニック・イメージング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像の均質性を保ちながらハーモニック・イメージングの透過性を改善する。
【解決手段】 近距離音場画像に使用されるｆ₁の中心周波数を有する第１の透過事象に関係した高調波信号は、２ｆ₁を中心とした周波数帯域を有する。遠距離音場において使用される、第２の透過事象における中心周波数ｆ₂は２ｆ₁に近接しており、かつ第１の透過事象から抽出された信号と第２の透過事象から抽出された信号との間には周波数帯域における大きな重なりがある。第２の透過事象からの抽出信号は、受信されたエコーの基本成分であって、第１の透過事象から高調波信号よりも非常に大きい振幅を有し、ハーモニック・イメージングの透過性の改善のために加算される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、一般的に超音波イメージングシステムに関する。より具体的には、本発明は、画像の均質性を犠牲にすることなくハーモニック・イメージングの透過性を改善するために、多重送信を使用して基本信号を高調波画像内に混和するための方法及び装置に関する。

従来の超音波イメージングシステムは、超音波ビームを送信（透過）し、次いで被検体からの反射ビームを受信する超音波変換器素子のアレイを含んでいる。この作動は、一連の計測を含んでおり、これらの計測においては、集束された超音波が送信され、短い時間間隔の後に、システムが受信モードに切り換わり、反射された超音波が受信され、ビーム化され、そして表示のために処理される。走査線という名でも知られている音響ビームに沿った一連の点からデータを取得するために、送信と受信とは、典型的には各計測の間に同一方向へ集束される。反射された超音波が受信される時、受信機は走査線に沿った連続距離に動的に焦点合わせされる。

超音波イメージングのために、アレイは、典型的には一列に配列された複数の変換器素子を有し、これら変換器素子は、個別の電圧により個別の時間遅延をもたせて駆動される。個々の変換器素子に印加される電圧の遅延時間（又は位相）と振幅とを制御することにより、選択ベクトル方向に沿って移動しかつビームに沿った選択点において集束する正味超音波を形成することができる。例えば各ビームの焦点を先行ビームの焦点に対してずらしながら連続的なビームを同一走査線に沿って送信することによるなど、各発射のビーム化パラメータを変えて、最大焦点距離に変化を与え、或いはそれとは別に、各ビーム発射に対する受信データの内容を変化させることができる。ステアードアレイの場合には、印加電圧の遅延時間と振幅とを変えることにより、ビームはその焦点を、被検体を走査するための平面内で動かすことができる。リニアアレイの場合には、アレイに対して直角方向の集束ビームは、或るビーム発射から次の発射までの間に該アレイを横切って開口を移動させることにより、被検体を走査する。

反射された超音波を受信モードにおいて受信するように超音波変換器プローブが使用される場合にも、同じ原理が当てはまる。正味信号が被検体内の単一の焦点から反射された超音波を表すように、受信変換器素子において生成された電圧が加算される。透過モードについても同様に、この超音波エネルギーの集束受信は、個別の時間遅延（及び／又は位相シフト）と利得とを各受信変換器素子からの信号に与えることにより達成される。

超音波画像は、多数の画像走査線で構成される。単一の走査線（又は走査線の局部的な小グループ）は、関心領域内の点に集束された超音波エネルギーを送信し、次に時間をおいて、反射されたエネルギーを受信することにより得られる。集束された送信エネルギーは、透過ビームと呼ばれる。透過後の期間中に、１つ又はそれ以上の受信ビームフォーマが、各チャネルによって受信されたエネルギーを動的に位相回転又は位相遅延を変化させてコヒーレントに加算して、経過時間に比例した距離における所望の走査線に沿ったピーク感度を生成する。得られた集束した感度パターンは、関係した透過（送信）及び受信ビーム対の指向性の合成結果である。

ビームフォーマチャネルの出力信号は、コヒーレントに加算されて、被検体の関心領域又は関心ボリューム内の各サンプルボリュームに対するそれぞれのピクセル強度値を形成する。これらのピクセル強度値は、対数圧縮され、走査変換され、次いで走査されている解剖学的組織の画像として表示される。

先行技術においては、画像を形成するために使用される信号は、第１の周波数帯域もしくは第２の周波数帯域内のいずれかにある。第１の周波数帯域は基本周波数帯域を含み、第２の周波数帯域は基本周波数帯域の高調波を含む。第２の周波数帯域は、実質的に第１の周波数帯域を除外する。合成画像は、近距離音場においては第２の周波数帯域からの信号により形成され、遠距離音場においては第１の周波数帯域からの信号により形成される。このような方法は、ハーモニック・イメージングの透過性を改善することができるが、該方法は、画像の均質性を犠牲にしてこの改善を達成している。第１の周波数帯域に関係した画像スペックルサイズは、通常、第２の周波数帯域に関係した画像スペックルサイズよりも非常に大きい。その結果、合成画像は、近距離音場においてはより小さいスペックルサイズを有し、遠距離音場においてはより大きいスペックルサイズを有することになり、このことによって画像の均質性の低下を招く。
米国特許第６，１４６，３２８号

本発明は、画像の均質性を保ちながら、ハーモニック・イメージングの透過性を改善するための方法及び装置である。

本発明は、同様の周波数帯域からの信号を使用して合成画像を形成することによって、上記のことを達成する。より具体的に言うと、近距離音場の画像は、ｆ₁の中心周波数を有する第１の透過事象に関係した、生体組織により生成された高調波信号を主として使用する。生体組織により発生されたそのような高調波信号は、２ｆ₁を中心とした周波数帯域を有する。遠距離音場においては、ｆ₂の中心周波数を有する第２の透過事象からの基本エコー信号が主として使用される。第２の透過事象における中心周波数ｆ₂は２ｆ₁に近接しており、かつ第１の透過事象から抽出された信号と第２の透過事象から抽出された信号との間には周波数帯域における大きな重なりがあるので、これらの信号により形成された合成画像は、全画像にわたり同様のスペックルサイズを有する。第２の透過事象からの抽出信号は、受信されたエコーの基本成分であるから、そのような信号は、第１の透過事象からの、生体組織により生成された高調波信号よりも非常に大きい振幅を有する。従って、遠距離音場における第２の透過事象からの基本信号を加算することは、画像の均質性を犠牲にすることなくハーモニック・イメージングの透過性を改善する。

要するに、本発明の方法及び装置は、基本信号を高調波画像内に混和してハーモニック・イメージングの透過性を改善する。この混和は、画像の均質性を犠牲にすることなく、ハーモニック・イメージングの透過性を改善するように行われる。本発明の方法及び装置の上記及びその他の特徴は、以下に記述する詳細な説明から明らかになるであろう。

次に、全体を通して同じ符号は同じ構成要素を示している図面を詳細に参照すると、図１は、全体を符号１で表した従来の超音波イメージングシステムを概略的に示している。システム１には、個別に駆動される複数の変換器素子からなる変換器アレイ２４が組み込まれており、各々の変換器素子は、波形１２を増幅するパルス発生器２０により励起された時、超音波エネルギーのバーストを生成する。送信機１８は、超音波エネルギーが方向付けされた集束ビームとして透過されるように、変換器アレイ２４を駆動する。これを達成するために、適当な遅延時間が複数のパルス発生器２０に与えられる。各々のパルス発生器２０は、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ２２を介して対応する変換器素子に接続される。Ｔ／Ｒスイッチ２２は、典型的には送信電子装置により生成された高電圧から受信電子装置を保護するダイオードである。送信信号により、ダイオードが受信機２６への信号を遮断又は制限するようになる。透過フォーカス遅延時間は、参照用テーブルから読み取られるのが好ましい。透過フォーカス遅延時間を従来の方式で適正に調整することにより、超音波ビームを方向付けして１点に集束させることができる。

超音波エネルギーの各バーストにより生成されたエコー信号は、超音波ビームに沿った連続的距離に位置する被検体により反射される。エコー信号は、アレイ２４内の各変換器素子により個別に感知され、電気信号に変換され、Ｔ／Ｒスイッチ２２の組を介して個別に受信機２６に供給される。或る特定時点におけるエコー信号の大きさのサンプルは、或る特定距離で起こる反射の量を表す。これらのエコー信号は、反射点と各変換器素子との間の伝播経路の差により、同時には検出されず、又それらの振幅も等しくないことになる。受信機２６は、典型的には個別のエコー信号を増幅し、各エコー信号に適正な遅延時間を与え、かつそれらを加算して単一のエコー信号を生成し、このエコー信号は、超音波ビームに沿った或る特定距離に位置する特定点から反射された全超音波エネルギーを正確に表している。受信フォーカス遅延時間は、専用ハードウエアを使用してリアルタイムに計算されるか、或いは参照用テーブルから読み取られる。次に受信機２６からの出力信号は、ブロック２８においてフィルタ処理され、ブロック４２において振幅検出され、ブロック３６において走査変換されて表示される。

送信機１８と受信機２６とは、操作者による命令に応答する走査制御装置（図示せず）の制御下で作動する。完全な走査は一連のエコーを取得することによって行われ、一連のエコーにおいては、送信機１８が瞬間的にオン（ＯＮ）にされて各変換器素子にエネルギーを供給し、各変換器素子により生成された後続のエコー信号が受信機２６に供給される。他の変換器素子がまだ送信している間に、１つの変換器素子を作動させて受信を始めることができる。受信機２６は、各変換器素子からの個別のエコー信号を結合して単一のエコー信号を生成し、この単一のエコー信号を使用して、焦点区域５０内で走査線５６を生成し、表示モニタ３６上に画像を生成する。

図２は、本発明の好ましい実施形態を概略的に示す。より具体的には、近距離音場５２又は遠距離音場５４を含む焦点区域５０と関係した各走査線５６は、２つの透過事象を含む。第１の透過事象においてパルス発生器２０は、変換器２４を励起するために送信波形１２を使用する。対応するエコーが変換器２４により受信され、従来の方法で受信機２６内においてビーム化される。受信機２６の出力信号は、次にフィルタ２８でフィルタ処理される。生体組織により生成された高調波信号３２が抽出されて遅延線３８に保持される。第２の透過事象は、時間遅延１６の後に起こる。この場合、パルス発生器２０は、変換器２４を励起するために送信波形１４を使用する。対応するエコーが変換器２４により受信され、従来の方法で受信機２６内においてビーム化される。受信機２６の出力信号は、次にフィルタ３０でフィルタ処理される。抽出された信号３４は、次に加算器４０内で時間遅延された信号３２と加算される。遅延時間１６は、第１の透過事象に関係した超音波が生体組織を通って伝播しかつ戻って来るのに要する時間である。送信波形のスペクトルと、これに関連した第１及び第２の透過事象に関係した信号処理とが、図３及び図４に示されている。図３及び図４において、第１の透過事象は、近距離音場５２においては全体を符号６０で表されており、遠距離音場５４においては全体を符号８０で表されている。図３に示すように、第１の送信波形１２のスペクトル６２は、ｆ₁の中心周波数を有する。このスペクトルは、符号８２で図４にも示されている。波形６６及び８６は、近距離音場及び遠距離音場それぞれにおける、対応する生体組織により生成された高調波信号のスペクトルを示している。これらの生体組織により生成された高調波信号６６及び８６は、２ｆ₁付近に中心があり、次にフィルタ２８によりフィルタ処理されて、近距離音場５２における抽出信号６８及び遠距離音場５４における抽出信号８８を生成する。近距離音場５２においては全体を符号７０で表され、遠距離音場５４においては全体を符号９０で表された第２の透過事象において、透過された超音波エネルギーは、ｆ₂付近（図示せず）に中心がある。近距離音場及び遠距離音場からの反射エコーは、それぞれ符号７２及び９４で示されている。時間利得可変フィルタ３０を使用して、それぞれ近距離音場５２及び遠距離音場５４についてのエコー７２及び９４が抽出される。近距離音場５２において、時間利得可変フィルタ３０のスペクトル７４は、低い大きさを有するから、第２の透過事象に関係したエコー７２の小部分７６のみが抽出される。遠距離音場５４においては、時間利得可変フィルタ３０のスペクトル９２は、高い大きさを有するから、周波数ｆ₂付近の大部分のエコー信号９４が抽出９６される。図３を参照されたい。近距離音場において、次ぎに時間遅延３８の後の抽出信号６８と抽出信号７６とが加算４０される（図３に信号７８としても示されている）。同様に遠距離音場において、時間遅延３８の後の抽出信号８８と抽出信号９６とが加算（符号４０）される。加算器４０の出力信号は、次に振幅検出４２され、走査変換されて、図１に示すような走査線５６を形成する。第２の送信におけるｆ₂は、図３及び図４に示すようにほぼ２ｆ₁になるように設計される。第１の透過事象に関係した抽出信号６８、８８は、第２の透過事象に関係した周波数帯域と大きな重なりを有する周波数帯域内にある。時間利得可変フィルタ３０は、その中心周波数が一定又は単調減少する時間／深さの関数のいずれかとすることができ、かつその大きさが単調増加する時間／深さの関数であるような帯域通過フィルタであることに注目されたい。

この好ましい実施形態に対して、幾つかの変形形態がある。第１の透過事象は、例えばその位相が１８０°異なる２つの送信パルスのような、多数回の発射を含むことができる。第２の透過事象は、例えば米国特許第６，１４６，３２８号に記載されているような２つのゴレーコード送信パルスのような、多数回の発射を含むことができる。時間利得可変フィルタ３０は、時間可変フィルタで置き換えることができ、この時間可変フィルタにおいては、時間／深さの全体にわたってその大きさが一定であるが、この帯域通過フィルタの中心周波数が時間／深さと共に減少している。このことは、図５に示されており、この図５において波形１００は浅い深さにおいてのフィルタのスペクトルであり、波形１１０は深い深さにおいての同じフィルタのスペクトルである。

次に別の実施形態について説明すると、図６は、この実施形態の全体を符号２１０で表した概略ブロック図である。より具体的には、第１の透過事象は、偶数番目の走査線２５６のために使用され、第２の透過事象は、奇数番目の走査線２５８のために使用される。前に述べたように、焦点区域２５０は近距離音場２５２と遠距離音場２５４とを含む。しかしながら、前記の好ましい実施形態とは異なり、第１及び第２の透過事象からの抽出信号２３２、２３４は、個別に振幅検出２３８され、画像内におけるそれらの走査線位置に従って走査変換２３６される。図示するように、第１の送信波形２１２及び第２の送信波形２１４は、主制御装置２２６により送信ビームフォーマ２１６へ入力制御される。主制御装置２２６はまた、受信ビームフォーマ２２４からの出力と振幅検出器２３８への入力とを制御する。その他の点において、この実施形態２１０は、パルス発生器２１８とＴ／Ｒスイッチ２２０と変換器アレイ２２２とが使用される点で第１の実施形態と同様である。更に、第１の抽出信号２３２のためにフィルタ２２８が使用され、第２の抽出信号２３４のために時間利得可変フィルタ２３０が使用される。

図７は、近距離音場画像のために使用される、全体を符号２６０、２７０で表した信号処理方法を示しており、また図８は、遠距離音場画像のために使用される、全体を符号２８０、２９０で表した信号処理方法を示している。より具体的には、第１の透過事象は、近距離音場２５２においては全体を符号２６０で表され、遠距離音場２５４においては全体を符号２８０で表されている。図６及び図７に示すように、第１の送信波形２１２のスペクトル２６２は、ｆ₁の中心周波数を有するものとして示されている。このスペクトルは、符号２８２で図８にも示されている。波形２６６及び２８６は、近距離音場及び遠距離音場それぞれにおいる、対応する生体組織により生成された高調波信号のスペクトルを示している。これらの生体組織により生成された高調波信号２６６、２８６は、２ｆ₁付近に中心があり、次ぎにフィルタ２２８によりフィルタ処理されて、近距離音場における抽出信号２６８及び遠距離音場における抽出信号２８８を生成する。フィルタ２２８のスペクトルが、図７及び図８にそれぞれ符号２６４及び２８４で示されている。抽出信号２６８、２８８は、次に奇数番目の走査線２５８のために振幅検出２３８され、かつ走査変換２５８される。近距離音場２５２においては全体を符号２７０で表され、遠距離音場２５４においては全体を符号２９０で表されている第２の透過事象において、透過された超音波エネルギーは、ｆ₂付近（図示せず）に中心がある。近距離音場及び遠距離音場の両方からの反射エコーは、それぞれ符号２７２及び２９４で示されている。時間利得可変フィルタ２３０を使用して、それぞれ近距離音場２５２及び遠距離音場２５４についてのエコー２７２及び２９４が抽出される。近距離音場２５２において、符号２７４で示すように時間利得可変フィルタ２３０のスペクトルは、低い大きさを有するから、第２の透過事象に関係したエコー２７２の小部分のみが符号２７６で示すように抽出される（図７参照）。遠距離音場２５４においては、時間利得可変フィルタ２３０のスペクトル２９２は、高い大きさを有するから、周波数ｆ₂付近のエコー信号２９４の大部分が抽出２９６される（図８参照）。抽出信号２７６、２９６は、次に偶数番目の走査線２５６のために振幅検出２３８され、走査変換される。第２の送信におけるｆ₂は、図７及び図８に示すようにほぼ２ｆ₁になるように設計される。好ましい実施形態１０において言及した３つの変形形態がこの実施形態２１０にも適用できることを強調しておきたい。

従来の超音波イメージングシステムのブロック図。 本発明で使用するのに適した超音波イメージングシステムの第１の実施形態のブロック図。 第１の実施形態における近距離音場につての信号処理方法を示す幾つかのグラフ。 第１の実施形態における遠距離音場についての信号処理方法を示す幾つかのグラフ。 第１の実施形態の時間可変フィルタモードにおける信号を示す幾つかののグラフ。 本発明で使用するのに適した超音波イメージングシステムの第２の実施形態のブロック図。 第２の実施形態における近距離音場についての信号処理方法を示す幾つかのグラフ。 第２の実施形態における遠距離音場についての信号処理方法を示す幾つかのグラフ。

符号の説明

１０ 超音波イメージングシステム
１２ 第１の送信波形
１４ 第２の送信波形
１６ 遅延ＴＤ
１８ 送信ビームフォーマ
２０ パルス発生器
２２ Ｔ／Ｒスイッチ
２４ 変換器アレイ
２６ 受信ビームフォーマ
２８ 復調フィルタ １
３２ 第１の抽出信号
３８ 遅延ＴＤ
３０ 時間利得可変フィルタ
３４ 第２の抽出信号
４０ 加算器
４２ 振幅検出器
３６ 走査変換器／画像表示装置
５０ 焦点区域
５２ 近距離音場
５４ 遠距離音場
５６ 走査線

Claims (7)

1. 多重送信を使用したハーモニック・超音波イメージング方法であって、
   第１の透過事象（１２）を行う段階と、
   前記第１の透過事象（１２）に関係した、生体組織により生成された高調波信号（３２、６８）を近距離音場（５２）において抽出する段階と、
   第２の透過事象（１４）を行う段階と、
   前記第２の透過事象（１４）に関係した基本エコー信号（３４、９６）を遠距離音場（５４）において抽出する段階と、
   を含み、
   前記抽出された信号の合成イメージングが、画像（５０）全体にわたり同様のスペックルサイズを生じる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記生体組織により生成された高調波信号（３２、６８）が、２ｆ₁を中心とした周波数帯域を有し、前記第２の透過事象（１４）からの基本エコー信号（３４、９６）が、ｆ₂を中心とした周波数帯域を有し、前記第２の透過事象におけるｆ₂が２ｆ₁に近接していることを特徴とする、請求項１に記載の超音波イメージング方法。
3. 前記第１の透過事象（１２）から抽出された信号（６８、８８）と前記第２の透過事象（１４）から抽出された信号（７６、９６）との間に、周波数帯域における大きな重なりがあることを特徴とする、請求項２に記載の超音波イメージング方法。
4. ハーモニック・超音波イメージング方法であって、
   超音波エネルギーが中心周波数ｆ₁の第１の送信波形（１２、６２、８２）により送信されるような第１の透過事象（１２）を、近距離音場（５２）及び遠距離音場（５４）において行う段階と、
   前記第１の透過事象（１２）からの対応するエコー（２６）を受信する段階と、
   前記近距離音場（５２）及び遠距離音場（５４）についての、生体組織により発生された２ｆ₁付近を中心とする高調波信号（６６、８８）を抽出する段階と、
   前記近距離音場（５２）及び遠距離音場（５４）において、ｆ₂の中心周波数で第２の透過事象（１４）を発生させる段階と、
   時間利得可変フィルタ（３０）を使用して、前記近距離音場（５２）及び遠距離音場（５４）についての信号（３４）を抽出する段階と、
   を含み、
   前記第１の透過事象に関係した抽出信号（６６、８８）が、前記第２の透過事象（１４）に関係した周波数帯域と大きな重なりを有する周波数帯域内にある、
   ことを特徴とする方法。
5. 多重送信（１２、１４）を使用して超音波画像（５０）の走査線（５６）を作り出す超音波イメージング装置であって、
   第１の透過事象（１２）を行うための手段と、
   前記第１の透過事象（１２）に関係した、生体組織により生成された高調波信号（３２、６８）を近距離音場（５２）において抽出するための手段と、
   第２の透過事象（１４）を行うための手段と、
   前記第２の透過事象（１４）に関係した基本エコー信号（３４、９６）を遠距離音場（５４）において抽出するための手段と、
   を含み、
   前記抽出された信号の合成イメージングが、画像（５０）全体にわたり同様のスペックルサイズを生じる、
   ことを特徴とする超音波イメージング装置。
6. 前記生体組織により生成された高調波信号（３２、６８）が、２ｆ₁を中心とした周波数帯域を有し、前記第２の透過事象（１４）からの基本エコー信号（３４、９６）が、ｆ₂を中心とした周波数帯域を有し、前記第２の透過事象におけるｆ₂が２ｆ₁に近接していることを特徴とする、請求項５に記載の超音波イメージング装置。
7. 前記第１の透過事象（１２）から抽出された信号（６８、８８）と前記第２の透過事象（１４）から抽出された信号（７６、９６）との間に、周波数帯域における大きな重なりがあることを特徴とする、請求項５に記載の超音波イメージング装置。

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