JP2005312961A - イメージング・システムにおけるフィルタ処理のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信号フィルタ処理のためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】信号フィルタ（３０６）は、線形回帰フィルタ成分（３０８）と有限インパルス応答フィルタ成分（３１０）とを含む。受信した信号は、先ず線形回帰フィルタ成分（３０８）によってフィルタ処理され、次いで有限インパルス応答フィルタ成分（３１０）によってフィルタ処理される。本発明の一実施形態では、体内流体（例えば、血液）を運ぶ血管壁によって反射された低周波数の組織動揺信号に対するフィルタ処理、特に医用イメージング中に身体部位から反射された低周波数信号などの信号をフィルタ処理するためのシステム及び方法が提供される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、全般的には信号をフィルタ処理するためのシステムに関し、さらに詳細には、特に医用イメージング・システムで受信された信号をフィルタ処理するためのシステムに関する。

超音波イメージングは、例えば産科学、婦人科学、心臓学及び腫瘍学を含む多種多様な臨床分野で使用されている。超音波イメージングは、解剖学的構造を検査すること、組織内の異常を検出すること、並びに身体内の血流を計測することのために広範に使用されている。超音波イメージング・システムでは、超音波装置のトランスジューサ探触子が、音響波を発生させて送信し、さらに例えば身体やその一部分によって反射されたエコーを受信している。

人体を通過する（例えば、人体内の心臓、主要動脈、及び主要静脈を通過する）血流速度を計測するには、ドプラ効果に基づくドプラ超音波が利用される。動いている物体から反射されたエコーの周波数は、ドプラ効果によって送信波の周波数と異なってくる。その物体が探触子に向かって移動している場合はエコーの周波数が送信波の周波数と比べてより高くなり、またこの逆の場合はより低くなる。

ドプラ超音波では、エコーの周波数の変化を計測し、血液などの体内流体のフロー速度を計算している。例えば、血液を運ぶ血管を通る際に、この血液の速度はフロー領域全体で同じではない。典型的には、この速度は、血管の中心位置において最大速度でありかつ血管の壁面に向かって低下しているような放物線断面に従っている。血管壁などの静止した組織やゆっくりと動いている組織から発せされた信号では、有するドプラ周波数シフトがより小さくなる。血管壁信号は、血液からの信号と比べて４０〜１００ｄｂだけ強度がより大きいのが典型的である。壁面信号の排除が十分でないと、低速の血流は計測や検出することができない。

超音波システムは高域通過フィルタ（血管壁フィルタと呼ばれることもある）を使用し、血流速度評価において低周波数の組織動揺信号を除去している。スペクトル・ドプラ・イメージング及びカラーフロー・イメージングを含むＢモード画像とフロー画像の両方を有効にしている場合、超音波システムは、フロー・イメージング向けとＢモード・イメージング向けに交互に音響波を送信する。血管壁フィルタは各フロー・セグメントごとに起動させている。各ドプラ・セグメントの開始点における急激な起動のために過渡ノイズ（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｎｏｉｓｅ）が導入されることがある。この過渡ノイズは、血流からの低振幅のドプラ信号を不明瞭にさせており、これにより速度計測値に基づく幾つかの診断を困難とさせる可能性がある。この過渡ノイズはさらに、カラーフロー・イメージングの平均速度評価を損なわせることがある。壁面フィルタによってドプラ周波数評価に過渡ノイズを導入することなく低周波数の組織動揺信号を効率よく除去することが非常に重要である。

目下のところ、これら低周波数の信号の除去には、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタ及び有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタが使用される。ＩＩＲフィルタは、より少ないサンプル点を用いてカットオフ周波数においてより先鋭なロールオフを提供することができる。しかし、これらのＩＩＲフィルタによって、大きな過渡アーチファクトが導入されることがある。この疑似信号（ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｓｉｇｎａｌ）は、カットオフがより高いほどより高い周波数へシフトする。さらに、ＦＩＲフィルタは先鋭なロールオフを達成するために長いフィルタ長を必要とする。しかし、ＦＩＲフィルタの場合はそのサンプル点によって実際のフィルタ長が制限される。ロールオフが低速であるため、より低カットオフのフィルタでは、さらに強力な低速度の組織動揺信号を除去するにはその減衰が適切でないことがある。さらに、より高カットオフのフィルタでは、血流信号を多く除去しすぎることがある。ＦＩＲフィルタによっても、過渡ノイズが導入されることがあり、この過渡ノイズは基線からより高い周波数まで拡がる複数の狭い周波数帯域として観察されることがある。これらの過渡ノイズは、組織壁面信号がより強力であるほどより強力になる。したがって、過渡信号及び組織壁面信号は、実際の低周波数フロー信号を不明瞭にさせ（または、該信号と干渉し）、フロー信号を検出不可能にさせることがある。このためさらに、平均速度評価が不正確となることがある。
米国特許第５９１０１１８号

したがって、周知の超音波フィルタは低周波数の組織動揺信号の効率のよい除去を提供できないことがあり、何らかの過渡ノイズを生じさせることがある。これらのフィルタはさらに、ドプラ・スペクトル波形とカラーフロー・イメージングの両方において低速度のフローの検出を不明瞭にしたり、低速度フローの検出と干渉することがある。

一実施形態では、信号フィルタを提供する。この信号フィルタは、線形回帰フィルタ成分と有限インパルス応答フィルタ成分とを含んでおり、受信信号は先ず線形回帰フィルタ成分によってフィルタ処理され、次いで有限インパルス応答フィルタ成分によってフィルタ処理される。

別の実施形態では、医用イメージング・システムからの信号をフィルタ処理するための方法を提供する。本方法は、医用イメージング・システムからの信号を受信する工程と、受信した信号を線形回帰フィルタを用いてフィルタ処理する工程と、線形回帰フィルタによるフィルタ処理済み信号を有限インパルス応答フィルタを用いてフィルタ処理する工程と、を含む。

本発明の様々な実施形態は、体内流体（例えば、血液）を運ぶ血管壁によって反射された低周波数の組織動揺信号に対するフィルタ処理を含む、特に医用イメージング中に身体部位から反射された低周波数信号などの信号をフィルタ処理するためのシステム及び方法を提供する。

図１は、無限インパルス応答（ＩＩＲ）及び有限インパルス応答（ＦＩＲ）の高域通過フィルタを様々なカットオフ周波数としたフローのドプラ・スペクトル波形を表している。ＩＩＲ及びＦＩＲフィルタからのこれらの波形は、ナイキスト周波数の５％、１０％及び１５％としたカットオフ周波数を有している。ＩＩＲフィルタは、カットオフ周波数においてより少ないサンプル点によってより先鋭なロールオフを提供することができる。しかし、ＩＩＲフィルタは、大きな過渡アーチファクトを導入することがある。カットオフが１０％のＩＩＲフィルタからのスペクトルで分かるように、これらのアーチファクトは図において基線の上と下にある低周波数帯域ノイズとして表している。この疑似信号は、カットオフがより高いほどより高い周波数へシフトする。

ＦＩＲフィルタでは、先鋭なロールオフを達成するために長いフィルタ長を必要とする。しかし、このフィルタ長はサンプル点によって制限を受ける。図１では、そのＦＩＲフィルタ長は３１タップ（１タップは周知のようにフィルタの１つの係数／遅延対）である。ロールオフが低速であるため、カットオフが５％のＦＩＲフィルタからのスペクトルで分かるように、ＤＣ（基線）の周りの減衰は、より低カットオフのフィルタに関しては、かなり強力な低速度の組織動揺信号を除去するのに適切でないことがある。さらに、より高いカットオフのフィルタほど血流信号を多く除去しすぎることがある。カットオフが５％のＦＩＲフィルタによるＤＣの周りの周波数帯域は、ＦＩＲフィルタ処理後に残された組織動揺信号となる。ＦＩＲフィルタによるスペクトルによってもさらに、カットオフが１５％のＦＩＲフィルタのスペクトルで分かるように、基線からより高い周波数まで拡がる複数の狭い周波数帯域として何らかの過渡ノイズが示される。組織壁面信号がより強力なほどこれらの過渡ノイズはより強力となる。これら過渡信号及び組織壁面信号は、実際の低周波数フロー信号を不明瞭にしたりこれと干渉することがあり、さらにこれらの信号を検出不可能とさせることがある。これらの過渡信号はさらに、平均速度評価を不正確にさせることがある。

図２は、ドプラ超音波イメージングの間に検査対象から反射された、フィルタ処理実行前の様々なタイプの信号を表した信号図である。ドプラ信号２０２は、波形をプロットするために使用するための所望の信号である。血管壁信号２０４は、フィルタ処理を必要とする大振幅で低周波数の信号である。ノイズ２０６はバックグラウンド・ノイズである。

図３は、本発明の例示的な一実施形態による画像フィルタ処理システムを表したブロック図である。具体的には、例えば音響波を発生させてこれを検査を受ける身体３０４の内部に送信するために超音波装置またはスキャナなどの医用イメージング・システム３０２が使用される。これらの音響波は、検査を受ける身体３０４の内部の物体によって反射される。この反射されたエコーは医用イメージング・システム３０２によって受信される。解析の際に、これらの信号は例えば、検査を受けている臓器、組織または体内流体に対応する動いている画像に変換されることがある。これらの信号は、本明細書に記載したような望ましくない低周波数の壁面信号を含むことがある。これら望ましくない信号または信号成分は線形回帰（ＬＲ）フィルタ成分３０８及び有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ成分３１０を有する信号フィルタ３０６によって除去される。一実施形態では、ＬＲフィルタ成分３０８とＦＩＲフィルタ成分３１０の両方が共に高域通過フィルタである。これらのフィルタ成分は、必要に応じまたは所望により任意のタイプのフィルタまたはフィルタ処理成分として製作または提供されることがあることに留意すべきである。例えば、ＦＩＲフィルタ長及びカットオフ周波数を変更することによってそのフィルタ成分を構成させることができる。

図４は、本発明の例示的な一実施形態によるフィルタ処理過程を表した流れ図である。４０２では、イメージング・システム３０２は、例えば人体の内部に音響波を送信する。音響波は、対象、障害物またはその他の境界面（２種類の組織が隣接している箇所とすることがある）に当たるまで身体組織を通過して伝播する。この境界面によって音波の一部が反射されて戻されており、一方残りの部分は伝播を続けて次の組織にまで至る。エコーはイメージング・システム３０２によって受信され、電気パルスに変換される。次いで、この電気パルスは、信号処理の後でコンピュータ／ディスプレイに提供され、例えば、検査対象の臓器または組織に関する動いている画像が形成される。これら受信した信号はまた、血管壁及び低速で動いている組織に起因する低周波数信号を含んでいる。

様々な実施形態では、この信号は４０４においてＬＲフィルタ成分３０８によってフィルタ処理を受け、これら低周波数信号が除去される。これらの信号は、線形カーブに対して最適当てはめされ、また次いでこの線形カーブがその信号から差し引かれ、例えば医用イメージング用途では血管壁信号が除去される。これを「第１次ＬＲフィルタ処理（ｆｉｒｓｔ ｏｒｄｅｒ ＬＲ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）」と呼んでいる。例えば、信号が大血管の中心位置で検出されているために壁面信号があまり強力でないような本発明の別の実施形態では、信号の平均値をその信号から差し引いて壁面信号を除去している。これを「第ゼロ次ＬＲフィルタ処理（ｚｅｒｏ ｏｒｄｅｒ ＬＲ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）」と呼んでいる。ＬＲフィルタ成分３０８は、基線の周りの壁面信号をフィルタ処理して除去している。

ＬＲフィルタ成分３０８によるフィルタ処理済みの信号はさらに、追加のフィルタ処理を希望する場合、４０６においてＦＩＲフィルタ成分３１０によってフィルタ処理される。ＦＩＲフィルタ成分３１０に対してカットオフ周波数が指定されることがあり、また指定したこのカットオフ未満のすべての信号はＦＩＲフィルタ成分３１０によって受信信号から除去される。このカットオフ周波数は、ナイキスト周波数に対する百分率としており、また周知のようにＦＩＲフィルタ成分３１０のフィルタ処理レベルを調整することによってこれを変更することができる。このカットオフの値は、フィルタ処理しようとする信号の性質やタイプ、あるいは具体的な用途に応じて様々となる。例えば、高周波数のフローを解析しようとする場合、あるいは組織信号が強力である場合は、より大きなカットオフ百分率値が与えられる。基線を横切る流体フローからの信号を解析しようとする場合は、低百分率のカットオフが与えられる。

様々な実施形態では、ＬＲフィルタ成分３０８及びＦＩＲフィルタ成分３１０は人体３０４の内部の物体から受信した信号をフィルタ処理するように構成されている。例えば、フィルタ３０８及び３１０は、血管壁からの大振幅で低速度の信号を除去するように、あるいは低速で動いている組織からの信号は除去しかつ動いている流体からの信号は通過できるように構成されることがある。信号フィルタ３０６は、様々なイメージング・システムと接続して動作させるように構成可能である。本明細書に記載したフィルタの構成は本質的に単なる例示であって、いかなる意味においても様々な実施形態の範囲を限定することを意図しておらず、別のフィルタ構成や異なるタイプのフィルタを用いて実現することができることに留意すべきである。

さらに、ＦＩＲフィルタ成分３１０の構成は、例えば撮像対象の人体内部の物体、撮像対象の血管、及び実施しようとする撮像手順など多くの要因に基づくことがある。このフィルタ構成は、例えば、各フロー送信セグメント内の信号長に応じて変更されることがある。

図５は、本発明の様々な実施形態により信号の第ゼロ次ＬＲフィルタ処理を用いて生成される例示的なスペクトル・ドプラ波形を表している。第ゼロ次ＬＲフィルタ処理は、例えば、その壁面信号が弱い場合に有効である。本図に示すように、基線の周りでは、壁面信号が強力であるため第ゼロ次ＬＲフィルタ処理の後であっても低周波数信号が存在している。こうした場合では、第１次ＬＲフィルタ処理を使用することができる。

図６は、本発明の様々な実施形態により信号の第１次ＬＲフィルタ処理を用いて生成される例示的なスペクトル・ドプラ波形を表している。本図に示すように、低周波数信号のフィルタ処理に関しては、第ゼロ次ＬＲフィルタ処理と比べて第１次ＬＲフィルタ処理の方がより有効である。第１次ＬＲフィルタ処理の後に信号内に残る低周波数成分は、図６の基線周辺で示すように弱くなっている。

図７は、本発明の様々な実施形態によるカットオフが５％のＬＲ及びＦＩＲの合成フィルタ処理を用いて生成される例示的なスペクトル・ドプラ波形を表している。低周波数信号または追加的な低周波数信号は、本明細書に記載したように、ＬＲフィルタ処理後にＦＩＲフィルタ処理によってフィルタ処理される。

図８は、本発明の様々な実施形態によるカットオフが１０％のＬＲ及びＦＩＲの合成フィルタ処理を用いて生成される例示的なスペクトル・ドプラ波形を表している。図７と比較すると、より大きなカットオフ値ではより多くの低周波数信号が除去される。図８に示すように、基線の下側の低速度フローはクリアになる。低周波数信号の大部分はこのフィルタ処理段階後にフィルタ処理を受ける。基線の周りの低周波数信号の帯域はこの段階以降は無視することができる。

本発明の様々な実施形態は、低周波数の組織動揺信号をフィルタ処理するためのＬＲとＦＩＲフィルタ成分の組み合わせを提供している。このフィルタの組み合わせによってさらに、所望のフィルタ処理を提供しながら過渡ノイズが最小限となる。このフィルタ処理によって、カラーフロー・イメージングにおける正確な平均速度評価が可能となる。さらに、このフィルタ処理によって、ドプラ・スペクトル波形とカラーフロー・イメージングの両方に関して低速度フローの検出が改善される。フロー速度の計測が正確であるため、フロー速度関連の診断が正確となる。

本発明の様々な実施形態は、コンピュータ・システムの形態で実現すなわち具現化できることに留意すべきである。コンピュータ・システムの例には、本発明の様々な実施形態を実現することが可能な、汎用のコンピュータ、プログラム式マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、周辺集積回路素子、及び別のデバイスやデバイス機構が含まれる。

コンピュータ・システムには例えば、コンピュータ、入力デバイス、表示ユニット、及び例えばインターネットにアクセスするためのインタフェースが含まれることがある。このコンピュータはマイクロプロセッサを含むことがある。このマイクロプロセッサは通信バスに接続されることがある。このコンピュータはさらにメモリを含むことがある。このメモリは、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）及び読出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含むことがある。このコンピュータ・システムはさらに、記憶デバイスを含むことがあり、この記憶デバイスは、ハードディスク・ドライブ、あるいはフレキシブルディスク・ドライブ、光ディスク・ドライブ、その他などの取外し可能記憶ドライブとすることができる。この記憶デバイスはさらに、コンピュータ・プログラムその他の命令をコンピュータ・システム内にロードするための同様の別の手段とすることができる。

このコンピュータ・システムは、入力データを処理するために、１つまたは複数の記憶素子内に保存されている命令の組を実行する。この記憶素子はさらに、所望によりデータやその他の情報を保持することがある。この記憶素子は、処理装置の内部にある情報ソースや物理的なメモリ素子の形態とすることがある。

この命令組は、本発明の様々な実施形態の方法などの具体的なタスクを実行するように処理装置に指令する様々なコマンドを含むことがある。この命令組は、ソフトウェア・プログラムの形態とすることがある。このソフトウェアは、例えば、システム・ソフトウェアまたはアプリケーション・ソフトウェアなどの様々な形態とすることがある。さらに、このソフトウェアは個別プログラム、より大きなプログラムの内部のプログラム・モジュール、あるいはプログラム・モジュールの一部分からなる集合体の形態とすることがある。このソフトウェアはさらに、オブジェクト指向プログラミングの形態をしたモジュール型プログラミングを含むことがある。処理装置による入力データの処理は、ユーザ・コマンドに応答すること、直前の処理結果に応答すること、あるいは別の処理装置が発した要求に応答することがある。

具体的な様々な実施形態に関して本発明を記載してきたが、本発明が本特許請求の範囲の精神及び趣旨の域内にある修正を伴って実施できることは当業者であれば理解されよう。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

ＩＩＲ及びＦＩＲ高域通過フィルタを用いた従来技術によるフローのドプラ・スペクトル波形の図である。 ドプラ超音波イメージングの間に検査対象から反射される様々なタイプの信号、並びにフィルタ処理の間に導入されるノイズ成分を表した信号図である。 本発明の例示的な一実施形態による画像フィルタ処理システムを表したブロック図である。 本発明の例示的な一実施形態によるフィルタ処理過程を表した流れ図である。 本発明の例示的な一実施形態により信号の第ゼロ次ＬＲフィルタ処理を用いて生成される例示的なスペクトル・ドプラ波形の図である。 本発明の例示的な一実施形態により信号の第１次ＬＲフィルタ処理を用いて生成される例示的なスペクトル・ドプラ波形の図である。 本発明の例示的な一実施形態によるカットオフが５％のＬＲ及びＦＩＲの合成フィルタ処理を用いて生成される例示的なスペクトル・ドプラ波形の図である。 本発明の例示的な一実施形態によるカットオフが１０％のＬＲ及びＦＩＲの合成フィルタ処理を用いて生成される例示的なスペクトル・ドプラ波形の図である。

符号の説明

２０２ ドプラ信号
２０４ 血管壁信号
２０６ ノイズ
３０２ 医用イメージング・システム
３０４ 身体
３０６ 信号フィルタ
３０８ 線形回帰（ＬＲ）フィルタ成分
３１０ 有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ成分

Claims (10)

1. 線形回帰フィルタ成分（３０８）と、
   有限インパルス応答フィルタ成分（３１０）と、
   を備えた信号フィルタ（３０６）であって、受信信号は、前記線形回帰フィルタ成分（３０８）によって先ずフィルタ処理され、次いで前記有限インパルス応答フィルタ成分（３１０）によってフィルタ処理されている信号フィルタ（３０６）。
2. 前記成分は人体（３０４）内の組織動揺信号をフィルタ処理するように構成されている請求項１に記載の信号フィルタ（３０６）。
3. 前記線形回帰フィルタ成分（３０８）は第ゼロ次線形回帰フィルタを備えている請求項１に記載の信号フィルタ（３０６）。
4. 前記線形回帰フィルタ成分（３０８）は第１次線形回帰フィルタを備えている請求項１に記載の信号フィルタ（３０６）。
5. 前記有限インパルス応答フィルタ成分（３１０）は調節可能な周波数カットオフ・レベルを提供するように構成されている請求項１に記載の信号フィルタ（３０６）。
6. 前記有限インパルス応答フィルタ成分（３１０）は、前記受信信号を提供する医用イメージング・システム（３０２）によって撮像される対象に応じて異なる周波数カットオフ・レベルでフィルタ処理を提供するように構成されている請求項１に記載の信号フィルタ（３０６）。
7. 前記成分は、医用イメージング・システム（３０２）と連携して動作し、かつ所望の動揺信号以外の動揺信号をフィルタ処理するように構成されている請求項１に記載の信号フィルタ（３０６）。
8. 医用イメージング・システム（３０２）からの信号をフィルタ処理するための方法であって、
   医用イメージング・システム（３０２）から信号を受信する工程（４０２）と、
   線形回帰フィルタ（３０８）を用いて前記受信信号をフィルタ処理する工程（４０４）と、
   前記線形回帰フィルタ（３０８）によってフィルタ処理された信号を有限インパルス応答フィルタ（３１０）を用いてフィルタ処理する工程（４０６）と、
   を含む方法。
9. 線形回帰フィルタ（３０８）を用いた前記フィルタ処理の工程（４０４）は第ゼロ次線形回帰フィルタ処理と第１次線形回帰フィルタ処理のうちの一方を含む請求項８に記載の方法。
10. 有限インパルス応答フィルタ（３１０）を用いた前記フィルタ処理の工程（４０６）はカットオフ百分率値に基づいてフィルタ処理レベルを調整する工程を含む請求項８に記載の方法。