JP2004202229A - 造影剤時間強度曲線分析のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 造影剤時間強度曲線の分析。
【解決手段】 時間強度曲線を生成する方法は、造影剤が注入された患者の走査に関するデータを受け取り、このデータに基づいて一連のコントラスト画像を生成する。２以上のコントラスト画像に基づいて１以上のパラメトリック画像が生成される。時間強度曲線を生成するシステムは、トランスデューサと、モニタと、これらに動作上結合されているコンピュータとを有する。コンピュータは、超音波造影剤を注入した患者の超音波走査に関するデータを受け取り、前記受け取ったデータに基づいて一連の超音波画像を生成し、次いで２以上の超音波画像に基づいて１以上のパラメトリック画像を生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は一般的に云えば超音波イメージング・システム及び方法に関し、より詳しく云えば造影剤時間強度曲線分析のための方法及び装置に関するものである。

主に、典型的には非常に小さい後方散乱信号を持つ血流の超音波イメージングを容易にするために超音波造影剤が数年にわたって開発されてきた。超音波造影剤として、赤血球の動態を模倣するように設計されたマイクロバブルを使用することにより、臨床医は、カラーフロー・イメージング及びパルス式ドップラー法で使用される従来のドップラー処理を使用することなく、血流の動態を一層容易に画像化することができる。

典型的には、超音波造影剤研究において、患者に超音波造影剤のボーラス（短いバースト）が注入されるか、或いは連続注入（より長いゆっくりした注入）がなされる。ボーラスの注入の場合、領域を連続的に画像化して、領域内へ流し込まれ且つ領域から流し出される造影剤の特徴を見ることによって該領域を通る血流についての動的な機能情報を見つける。連続注入の場合、超音波信号を使用して、コントラスト信号を操作することにより、再び関心のある解剖学的構造の血流の動態についての情報を得る。典型的な領域は冠動脈、脳及び腹部構造である。

これらの研究により得られた典型的な機能情報には、ピーク血流、平均移動時間（ＭＴＴ）、流し込み(washin)特性、及び血液量が挙げられる。しかしながら、超音波造影剤研究に現在採用されている方法及び装置には制約が存在する。

一面においては、造影剤時間強度曲線情報を生成する方法を提供する。本方法は、造影剤を注入した患者の走査に関するデータを受け取るステップと、前記受け取ったデータに基づいて一連のコントラスト画像を生成するステップと、少なくともとも２つのコントラスト画像に基づいて少なくとも１つのパラメトリック画像を生成するステップとを含んでいる。

別の一面においては、時間強度曲線を生成するシステムを提供する。本システムは、トランスデューサと、モニタと、前記トランスデューサ及び前記モニタに動作上結合されているコンピュータとを有する。コンピュータは、超音波造影剤を注入した患者の超音波走査に関するデータを受け取り、前記受け取ったデータに基づいて一連の超音波画像を生成し、次いで少なくとも２つの超音波画像に基づいて少なくとも１つのパラメトリック画像を生成するように構成されている。

また別の一面においては、コンピュータが、超音波造影剤を注入した患者の超音波走査に関するデータを受け取り、前記受け取ったデータに基づいて一連の超音波画像を生成し、次いで少なくとも２つの超音波画像に基づいて少なくとも１つのパラメトリック画像を生成するようにプログラムされている。

更に別の一面においては、コンピュータに命令するように構成されたプログラムでエンコードされたコンピュータ読出し可能な媒体を提供する。プログラムは、超音波造影剤を注入した患者の超音波走査に関するデータを受け取り、前記受け取ったデータに基づいて一連の超音波画像を生成し、次いで少なくとも２つの超音波画像に基づいて少なくとも１つのパラメトリック画像を生成することを、コンピュータに対して命令するように構成されている。プログラムはまた、ユーザから停止指示を受け取るまでは、最も新しい超音波画像と該最も新しい超音波画像を使用して生成されたパラメトリック画像とをほぼ同時に表示し、一連のパラメトリック画像をメモリに記憶し、ユーザの指示に応答して記憶されている中間パラメトリック画像を検索することを、コンピュータに対して命令するように構成されている。

更に別の一面においては、複数の画像を生成する方法を提供する。本方法は、患者の超音波走査に関するデータを受け取るステップと、前記受け取ったデータに基づいて一連の超音波画像を生成するステップと、少なくとも２つの超音波画像に基づいて少なくとも１つのパラメトリック画像を生成するステップと、ユーザから停止指示を受け取るまでは、最も新しい超音波画像と該最も新しい超音波画像を使用して生成されたパラメトリック画像とを単一の画面上にほぼ同時に連続的に表示するステップとを含んでいる。

本書で述べる方法及び装置は、既知の超音波イメージング・アプリケーション及び装置で見ることができる画像と比べて、時間の関数として造影剤の動態及び分布について付加的な情報をユーザに提供するのに役立つ画像を生成する。特に、本書で述べる方法及び装置は、関心のある器官を通って流れる造影剤の動態の特定の一面から、観察及び文書化を一層容易にするための単一のパラメトリック画像を生成する。一実施形態では、この生成されたパラメトリック画像は通常の超音波画像に重畳される。模範的な一実施形態では、パラメトリック画像は、グレースケールの通常の超音波画像上にカラーで表示される。更に別の実施形態では、２つ以上のパラメトリック画像が通常画像と共に、異なるカラーを用いて又は横に並べて表示される。

図１は、トランスデューサ・アレイ１０を含む模範的な超音波イメージング・システム１を示している。トランスデューサ・アレイ１０は複数の別々に駆動されるトランスデューサ素子１２を含んでおり、各々のトランスデューサ素子１２は、送信器１４によって発生されたパルス波形によって付勢されたとき、超音波エネルギのバーストを発生する。被検体（Ｓ）からトランスデューサ・アレイ１０へ反射されて戻る超音波エネルギは、各々の受信用トランスデューサ素子１２によって電気信号へ変換されて、一組の送受信切換え（Ｔ／Ｒ）スイッチ１８を介して受信器１６へ別々に印加される。Ｔ／Ｒスイッチ１８は典型的にはダイオードであり、これらのダイオードは、送信用電子回路によって発生された高電圧から受信用電子回路を保護する。送信信号に起因して、ダイオードが受信器への信号を遮断し又は制限する。送信器１４及び受信器１６は操作者（すなわち、ユーザ）による指令に応答してマスター制御器２０の制御の下に作動される。完全な走査が一連のエコーを取得することによって実行され、その際、送信器１４が一時的にオンにゲート駆動されて各々のトランスデューサ素子１２を付勢し、各々のトランスデューサ素子１２によってその後に生成されるエコー信号が受信器１６に印加される。一チャンネルは別のチャンネルが未だ送信し続けている間に受信を開始することができる。受信器１６は各々のトランスデューサからの別々のエコー受信信号を組み合わせて単一のエコー信号を生成し、このエコー信号は表示モニタ１９上の画像内の１本の線を発生するために使用される。

マスター制御器２０の指示の下に、送信器１４はトランスデューサ・アレイ１０を駆動して、超音波エネルギが方向付けた集束ビームとして送信されるようにする。これを達成するには、送信ビーム形成器２６によって複数のパルス発生器２４にそれぞれの時間遅延を与える。マスター制御器２０は、音波パルスを送信する条件を決定する。この情報により、送信ビーム形成器２６は、パルス発生器２４によって発生すべき各々の送信パルスのタイミング及び振幅を決定する。各々の送信パルスの振幅はアポダイゼーション生成回路３６によって生成される。アポダイゼーション生成回路３６は各パルス発生器に対する電源電圧を設定する高電圧制御器であってよい。パルス発生器２４は次いでＴ／Ｒスイッチ１８を介してトランスデューサ・アレイ１０の素子１２の各々へ送信パルスを送る。Ｔ／Ｒスイッチ１８は、トランスデューサ・アレイに存在することのある高電圧から時間利得制御（ＴＧＣ）増幅器２８を保護する。重みがアポダイゼーション生成回路３６内で生成され、アポダイゼーション生成回路３６は、送信ビーム形成器２６から重みデータを受けて、それをパルス発生器２４へ印加する一組のディジタル−アナログ変換器を含むことができる。通常の態様で送信集束時間遅延を適切に調節し、また送信アポダイゼーション重みを適切に調節することによって、超音波ビームは送信ビームを形成するように方向付けし集束させることができる。

各送信ビームに沿った相次ぐ距離に位置する被検体Ｓ内の複数の物体から反射された超音波エネルギ波の各バーストによってエコー信号が生成される。これらのエコー信号は各々のトランスデューサ素子１２によって別々に検知され、特定の時点におけるエコー信号の大きさ（すなわち、振幅）のサンプルが特定の距離において生じる反射量を表す。反射点と各々のトランスデューサ素子１２との間の伝播路の差に起因して、エコー信号は同時に検出されず且つそれらの振幅は等しくない。受信器１６は、各々の受信チャンネル内のそれぞれのＴＧＣ増幅器２８により別々のエコー信号を増幅する。ＴＧＣ増幅器によって与えられる増幅量は、ＴＧＣ回路（図示していない）によって駆動される制御通路（図示していない）を介して制御され、該ＴＧＣ回路はマスター制御器とポテンショメータの手動操作とによって設定される。増幅されたエコー信号は受信ビーム形成器３０に供給される。受信ビーム形成器の各々の受信チャンネルは、それぞれのＴＧＣ増幅器２８によってそれぞれの１つのトランスデューサ素子１２に結合される。

マスター制御器２０の指示の下に、受信ビーム形成器３０は送信されたビームの方向を追跡する。受信ビーム形成器３０は各々の増幅されたエコー信号に対して適切な時間遅延及び受信アポダイゼーション重みを与えて、それらを加算することにより、一超音波ビームに沿った特定の距離に位置する点から反射された全超音波エネルギを正確に表すエコー受信信号を構成する。受信集束時間遅延は、専用のハードウエアを使用して実時間で計算されるか又はルックアップ・テーブルから読み出される。受信チャンネルはまた、受信パルスをフィルタ処理する回路を持っている。システム１は、Ｂモードを含む複数の既知の超音波モードで、多数のコントラスト・イメージング手法（単一ファイヤリング高調波、パルス反転、コード化高調波血管）のいずれかを使用して、又は幾つかのフロー検出手法（カラーフロー、ＰＤＩ又はＢフロー）のいずれかを使用して、走査を行うように構成されている。

システム１はまたパラメトリック画像生成器４６を含んでおり、このパラメトリック画像生成器４６は以下に詳しく説明するようにパラメトリック画像を生成する。画像生成器４６は走査変換器１５とほぼ同時にデータを受け取る。一実施形態では、生成器４６は走査変換器１５に動作上結合される。別の実施形態では、生成器４６は走査変換器１５以外の構成要素、例えば、これに限定されないがビーム加算器４４及び／又はスイッチ１８に結合される。生成器４６は走査データについて並列処理を行ってパラメトリック画像を生成するのに対し、システム１の他の構成要素は当該分野で知られている通常の超音波画像を生成する。

本書で用いる単数で表した要素又はステップは、特に明記しない限り、複数の要素又はステップを排除していないことを理解されたい。更に、本発明の「一実施形態」とは、その列挙した特徴を含んでいる追加の実施形態の存在を排除することを意図したものでもない。

また本書で用いるように、語句「画像を生成する」とは、画像を表すデータを生成するが可視画像は生成しないような本発明の実施形態を排除することを意図したものでもない。しかしながら、多くの実施形態では少なくとも１つの可視画像を生成する（又は生成するように構成されている）。

一実施形態では、画像生成器４６は装置を含んでおり、この装置としては、例えば、フレキシブル・ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ、ＭＯＤ、又はネットワークやインターネットのような他のディジタル・ソースのようなコンピュータ読出し可能な媒体から命令及び／又はデータを読み出すための、フレキシブル・ディスク・ドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＤＶＤドライブ、磁気光学ディスク（ＭＯＤ）装置、又はイーサーネット装置（「イーサネット」は商標）のようなネットワーク接続装置を含む任意のその他のディジタル装置、並びに開発予定のディジタル手段が挙げられる。別の実施形態では、生成器４６はファームウエア（図示していない）に記憶されている命令を実行する。模範的な一実施形態では、生成器４６は本書に述べられている機能を実行するようにプログラムされているコンピュータであり、本書で用いる用語「コンピュータ」とは、当該技術分野でコンピュータと呼ばれている集積回路のみに限定されず、広義にはコンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラム可能な論理制御装置、特定用途向け集積回路、及びその他のプログラム可能な回路を含み、本書ではこれらの用語は交換して使用される。

ユーザはシステム１をＢモードで、又は多数のコントラスト・イメージング手法（単一ファイヤリング高調波、パルス反転、コード化高調波血管）のいずれかで、又は幾つかのフロー検出手法（カラーフロー、ＰＤＩ又はＢフロー）のいずれかを使用して、走査することができる。超音波プローブ（例えば、トランスデューサ素子１２群）を走査対象の解剖学的構造上に位置決めし、造影剤の注入の前に、ユーザによりシステム１に対してパラメトリック・イメージング・シーケンスを開始するように指示する。一旦動作が開始されると、ユーザにより造影剤が注入されて、システム１はどんなモードが以前に選択されたとしても通常のように走査を行って、公知の画像（すなわち、コントラスト画像）を生成するが、システム１はまた１つ又は複数の次に続くプロセスを使用してパラメトリック画像を構築する。

パラメトリック画像内の全ての画素の各々について、現在の走査されているフレームの画素のデータが現在のパラメトリック画像のデータよりも大きい場合、「ピーク」画像アルゴリズムに従って、生成器４６は現在の走査されているフレームの画素からのデータを、ピーク・コントラスト・パラメトリック画像の画素に、以前の値と置き換えて入れる。換言すると、第１（最初）のフレームはパラメトリック画像になり、その後のフレームは現在のパラメトリック画像と画素毎に比較され、現在のフレームの画素についての画素値が現在のパラメトリック画像の画素についての対応する画素値よりも大きいときは常に、パラメトリック画像の画素値が現在のフレームの画素値まで増大させられる。別の言い方をすると、パラメトリック画像の各画素は全てのフレームにわたるその画素の値のうちの最大値に等しい値を持つ。

代替態様として、「ピーク到達時間(time-to-peak)」画像アルゴリズムによれば、現在の走査されているフレームの画素のデータが以前の全てのフレームのデータよりも大きい場合、生成器４６は、ユーザが定めた開始時からのフレームを計数した値であるフレーム番号、又は何らかの他のタイミング変数のようなこのフレーム番号に基づいた数を、ピーク到達時間コントラスト・パラメトリック画像の画素に入れる。これらのプロセスは、時間的に相次ぐフレームを対毎に比較しながら、ユーザがフリーズ（すなわち、停止指示）を行うまで継続することができる。

同様に、到着時間(time-of-arrival) 画像アルゴリズムが下記のように具現化される。パラメトリック画像内の全ての画素の各々について、最初に走査されたフレームのデータを現在の走査されているフレームの画素のデータから減算して、画素毎に差分を生成する。到着時間画像は、この差分が所定の閾値より大きい場合に（パラメトリック・シリーズの第１のフレームから計数した）フレーム番号を第１のフレームについての画素値に入れることによって、フレーム毎に生成され且つ更新される。

一実施形態では、上記プロセスに対する唯一の例外はカラーフローで走査しているときであり、その場合、意志決定プロセスのために速度値よりもＲ０（カラー・パワー）が用いられる。他のイメージング・モードでは、画像表示のために使用されているデータが使用される。

走査プロセス中の画像表示は幾つかのモードのうちの１つであってよい。一モードでは、システム１はユーザにより選択されたモードで走査を行い、ユーザが停止指示を行った後、ユーザによって選択された幾つかの異なるパラメトリック画像のうちの１つが表示される。或いは、形成された２つ以上のパラメトリック画像が分割画面で又は多画像フォーマットで自動的に表示される。代替態様として、ユーザは、パラメトリック画像の１つ又は複数（分割画面／多画像フォーマットで）が走査プロセス中に実時間で形成されるのを観察することができる。更に、一実施形態では、パラメトリック画像は通常の超音波画像の上にグレースケールか又はカラーのいずれかで重畳される。更に別の実施形態では、ユーザは分割画面で走査を行って、一方の画面上に実時間で表示される伝統的な超音波画像を見ることができ、また他方の画面上には１つのパラメトリック画像が実時間で形成されるのを見ることができる。パラメトリック画像の形成を監視することにより、ユーザは停止指示ボタンを押してその結果得られる最終的なパラメトリック画像を観察するための時点をより良く選択することができるようになる。

また、パラメトリック・イメージング・シーケンスの開始とユーザによる停止指示との間の複数の原画像をシネ・メモリに記憶させる模範的な一実施形態では、様々な後処理を採用することができる。例えば、一実施形態では、半ピーク到達時間及び平均移動時間画像のような、処理の前にコントラスト・イメージング・シーケンスを完了することを必要とする代替のパラメトリック画像を算出し表示して、更なる情報を得ることができる。

また、体動が、フレーム毎の差に起因してコントラストについて誤った印象を与えることによってパラメトリック画像を劣化させることがある。パラメトリック画像を生成するために使用される一連のフレームを記憶しておくことにより、ユーザは、走査後に後戻りして、手動操作か、又は共通の解剖学的目印を整合させる自動的手法のいずれかを用いて、画像を再整合させることができるようになる。

従って、本書で述べた方法及び装置は、従来の超音波イメージング・システムで見ることができる画像と比べて、時間の関数として造影剤の動態及び分布について付加的な情報をユーザに提供するのに役立つパラメトリック画像を生成する。更に、本書で述べた方法及び装置は、コスト効率がよく且つ非常に効果的な態様で上記の付加的な情報を提供する。

本発明を様々な特定の実施形態について説明したが、当業者には、本発明が特許請求の範囲に記載の精神および範囲内での変更を行って実施できることが認められよう。

模範的な超音波イメージング・システムの構成図である。

符号の説明

Ｓ 被検体
１ 超音波イメージング・システム
１０ トランスデューサ・アレイ
１２ トランスデューサ素子
１４ 送信器
１６ 受信器
２６ 送信ビーム形成器
２８ 時間利得制御増幅器
３０ 受信ビーム形成器

Claims (7)

1. 時間強度曲線を生成するシステム（１）であって、
   トランスデューサ（１０）と、
   モニタ（１９）と、
   前記トランスデューサ及び前記モニタに動作上結合されているコンピュータとを有し、
   前記コンピュータが、
   超音波造影剤を注入した患者の超音波走査に関するデータを受け取り、
   前記受け取ったデータに基づいて一連の超音波画像を生成し、次いで
   少なくとも２つの超音波画像に基づいて少なくとも１つのパラメトリック画像を生成するように構成されていること
   を特徴とするシステム（１）。
2. 前記コンピュータは更に、最も新しい超音波画像と該最も新しい超音波画像を使用して生成されたパラメトリック画像とをほぼ同時に表示するように構成されている、請求項１記載のシステム（１）。
3. 前記コンピュータは更に、ユーザから停止指示を受け取るように構成されていると共に、ユーザから前記停止指示を受け取るまでは、最も新しい超音波画像と該最も新しい超音波画像を使用して生成されたパラメトリック画像とをほぼ同時に連続的に表示するように構成されている、請求項１記載のシステム（１）。
4. 前記コンピュータは更に、ユーザから停止指示を受け取るように構成されていると共に、ユーザから前記停止指示を受け取るまでは、到着時間アルゴリズム、ピーク到達時間アルゴリズム及びピーク値アルゴリズムのうちの少なくとも２つによって生成された少なくとも２つのパラメトリック画像をほぼ同時に連続的に表示するように構成されている、請求項１記載のシステム（１）。
5. 前記システム（１）は更に、前記コンピュータに動作上結合されたメモリを含んでおり、
   前記コンピュータは更に、前記メモリに一連の画像を記憶させ、次いで、モーション・アーティファクトを低減するために少なくとも１つの記憶された画像を再整合させるように構成されている、請求項１記載のシステム（１）。
6. 時間強度曲線情報を生成する方法であって、
   造影剤を注入した患者の走査に関するデータを受け取るステップと、
   前記受け取ったデータに基づいて一連のコントラスト画像を生成するステップと、
   少なくともとも２つのコントラスト画像に基づいて少なくとも１つのパラメトリック画像を生成するステップと
   を含んでいる方法。
7. 更に、最も新しい超音波画像と該最も新しい超音波画像を使用して生成されたパラメトリック画像とをほぼ同時に表示するステップを含んでいる請求項６記載の方法。

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