JP2005512651A - 超音波トランスデューサプローブにおける位置センサ - Google Patents

Abstract

対象領域（Ａ）に超音波を供給するため、前記対象領域から反射する超音波を受信するため及び第１電気信号に前記反射する超音波を変換するためのトランスデューサプローブ（２）と、動作中に前記対象領域（Ａ）に関連して前記トランスデューサプローブ（２）に関する位置情報を検出するため及び前記検出された位置情報に対応する第２電気信号を生成するために前記トランスデューサプローブ（２）に備えられた少なくとも１つの位置センサ（３）と、前記トランスデューサプローブ（２）を制御するため及び前記第１電気信号と前記第２信号とを画像に処理するための処理ユニット（４１）とを有する超音波イメージングシステム（１）。位置センサ（３）は、動作中に前記対象領域（Ａ）の表面の画像を光学的に取得するため、前記画像からの情報を取得するため、及び前記対象領域（Ａ）に関連して前記トランスデューサプローブ（２）に関する位置情報に前記情報を処理するためのユニット（２３）を有する。より正確な位置検索を提供する、改善された超音波イメージングシステムを提供する。

Description

本発明は、対象領域に超音波を供給するため、対象領域から反射する超音波を受信するため且つ第１該反射する超音波を電気信号に変換するためのトランスデューサプローブと、動作中に対象領域に関連するトランスデューサプローブにおいて位置情報を検出するため且つ検出された位置に対応する第２電気信号を生成するための、トランスデューサに備えられた少なくとも１つの位置センサと、トランスデューサプローブを制御するため且つ第１及び第２電気信号を画像に処理するための処理ユニットと、を有する超音波イメージングシステムに関連する。

超音波イメージングシステムは、患者の身体の内部の特徴の二次元診断画像を生成するために、一般に用いられる。動作中に、トランスデューサは患者の身体の対象領域の表面に位置を合わされ、超音波を放射する。超音波は対象領域内に伝搬し、内部構造により吸収され、分散され、屈折され及び反射される。反射超音波は、トランスデューサプローブにより再び受信され、診断目的のために用いられることができる二次元画像にシステムにより処理される電子信号に変換される。

二次元画像の次に、近年、三次元超音波イメージング可能であるシステムが開発されてきた。三次元イメージングは、検査される器官のよりよいビューを可能にし、例えば、未熟児の可視化及び腫瘍の早期検出に対して特に適する。そのような三次元超音波画像を得るためには、二次元平面の代わりにボリュームを走査することが必要である。ボリュームを認識するための１つの方法は、スライスを取得する間に、位置センサにより対象領域に関する、トランスデューサにおける位置情報を検出しながら、上記のような対象領域についての二次元スライスを連続的に取得することである。スライスの取得の間に、トランスデューサの変化する位置に関すること情報は、次いで、二次元スライスを三次元画像に結合するために、各々のスライスが他のスライスに関連する位置に関する情報に、システムにより処理される。冒頭のパラグラフで述べた超音波診断イメージングシステムは、売国特許第５，１２７，４０９号明細書に開示されている。このシステムにおいて、位置センサは、動作中に、対象領域の表面に接触するトランスデューサプローブの一部に供給されるドップラ波信号を得るための多くの超音波トランスデューサを有する。超音波トランスデューサにより得られたドップラ波信号は、トランスデューサプローブの速度の推定に、システムにより処理される。それ故、ある期間に亘って速度を積分することにより、対象領域に関するトランスデューサプローブの位置の併進特性及び回転特性が推定される。

従来のシステムの欠点は、位置センサは、原理的に、速度を測定する。トランスデューサプローブに関する位置情報を得るために、速度信号はある時間に亘って積分される必要がある。トランスデューサプローブが移動してドップラ波信号が得られた期間に生じる如何なるノイズもまた積分され、容易に予測され且つ補正されることができない大きいオフセットエラーをもたらす。このことは、トランスデューサに関する位置情報の正確さ、それ故、三次元画像に二次元スライスの正確な合成を損なわせる。

本発明の目的は、より正確な位置の検出を提供する、改善された超音波イメージングシステムを提供することである。

この目的を実現するために、本発明に従った超音波イメージングシステムは、動作中に対象領域の表面の画像を光学的に取得するための、前記画像から情報を得るための、及び対象領域に関連してトランスデューサプローブに関する位置情報に前期情報を処理するためのユニットを有する。患者の皮膚表面にある対象領域の表面の画像を光学的に取得すること、それ故、対象領域に関連してトランスデューサプローブの位置に関する情報を取得することにより、位置情報の取得はトランスデューサプローブの運動中に生じるノイズにあまり感度がよくない。走査される皮膚表面とトランスデューサプローブにおけるユニットとの間のオプティカルパスは比較的短く、容易に乱されない。このことは、トランスデューサプローブの検出された位置の正確度を、それ故、前記位置情報に基づいて二次元スライスの構成から得られる三次元超音波画像の品質をエンハンスする。

本発明に従った超音波イメージングシステムの実施形態は、第１画像における確認可能要素の決定と、第１画像における前記要素の位置の決定と、さらに連続して取り出された画像における前記要素の位置の相互比較とを有する。連続して取られた画像に亘る要素の位置の変化に関する情報はノイズに敏感ではなく、それ故、対象領域に関連してトランスデューサに関する正確な位置情報に処理されるために有利に使用されることができる。

ユニットにより提供されるトランスデューサプローブに関する位置情報が並進情報および回転情報を有するとき、本発明に従った超音波イメージングシステムの実施形態は有利である。並進情報は、トランスデューサプローブの方向及び速度を決定するためにシステムにより使用される。トランスデューサプローブの方向が既知のとき、システムは、正確な三次元画像を得るために、互いに関連して入ってくる二次元スライスをどのように定めるかに関する入力を有する。この方法において、誤った反転は回避される。トランスデューサプローブの速度が既知のとき、システムは、この速度が大き過ぎないかどうかをチェックすることができる。トランスデューサプローブが対象領域に亘って速く動き過ぎるとき、一部のスライスは、正確な三次元画像の生成を乱すように不正確に走査される傾向にある。回転情報は、いずれの順番のトランスデューサプローブが二次元スライスに基づいて三次元超音波画像を構成する間に考慮される必要があるかどうかを決定するために、システムにより使用される。

本発明に従った超音波イメージングシステムの実施形態は、ユニットが照明要素、レンズシステム、イメージセンサおよびデジタル信号処理器を有することを特徴とする。照明要素は対象領域の表面に光を供給し、その光は対象領域の表面構造により散乱され、この散乱光はレンズシステムによりフォーカシングされる。イメージセンサは、対象領域の表面から散乱される光のパターンの繰り返し画像を取り出す。連続的に取り出された画像を比較し、これらの画像における散乱パターンと同一領域の位置を決定することにより、ユニットは、二次元超音波スライスを走査する間に、対象領域に関連してトランスデューサプローブの位置変化を決定する。対象領域に関連してトランスデューサプローブの変化する位置についてのこの情報は、次いで、スライスの二次元画像に基づいて三次元超音波画像を構成するためにシステムにより使用される。このユニットは、比較的低コストで製造することができ、比較的安価な方法でトランスデューサプローブに備えられることができる。このことは、全体的なシステムのコストパフォーマンスのために役立つ。

本発明に従った超音波イメージングシステムの実施形態は、少なくとも２つの位置センサを備えることを特徴とする。２つの位置センサを備える場合、これら２つのセンサの並進の測定結果は、対象領域に関連してトランスデューサプローブの回転のさらに正確な決定のために処理されることができる。

本発明に従った超音波イメージングシステムの他の実施形態は、処理ユニットが位置情報に依存して警告信号を提供するために配置されていることを特徴とする。このように、システムは、大き過ぎる走査速度又はトランスデューサプローブの好ましくない程度の回転運動のような、正確な三次元画像の取得に悪影響を与えることとなるいずれの操作に対するトランスデューサプローブの操作の間に、オペレータに警告することができる。

図１は、本発明に従った超音波イメージングシステムの第１実施形態のブロック図を示している。前記システムは、対象領域に超音波を供給するため及び対象領域から反射する超音波を受信するため、並びに反射する超音波を第１電気信号に変換するためにトランスデューサプローブを有する。トランスデューサプローブ２は、動作中に対象領域に関連してトランスデューサプローブ２に関する位置情報を検出するため、及び位置情報に依存する第２電気信号を生成するために位置センサ３を更に有する。位置センサ３は、動作中に対象領域Ａの表面の画像を光学的に取得するため、前記画像から情報を取得するため、及び対象領域Ａに関連してトランスデューサプローブ２に関する位置情報に取得された画像から前記情報を処理するためにトランスデューサプローブ２を備えるユニット２３を有する。この実施形態におけるトランスデューサプローブ２と位置センサ３との構成については、図２に基づいて下に更に説明する。

システム１は、トランスデューサプローブ２を制御するため、及び第１電気信号と第２電気信号とを画像に処理するために処理ユニット４１を更に有する。この実施形態において、処理ユニット４１は、トランスデューサプローブ２により所望の伝送周波数帯域を送信するために送信送周波数制御器１２を指令するための中央制御器１１を有する。送信周波数帯域ｆ_ｔｒのパラメータは、トランスデューサプローブ２が基本周波数帯域における超音波を送信するようにする送信周波数制御器１２に結合される。勿論、トランスデューサ及び超音波システムの感度及び好ましいぺネトレーション（ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）の深さに依存していずれの超音波周波数が用いられることが可能であることは理解されるであろう。この実施形態において、トランスデューサプローブ２は、圧電結晶を有するディスクリート素子のアレイ３２を有する。しかしながら、ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−ｓｙｓｍｔｅｎ：マイクロ電気機械システム）のような他のタイプのトランスデューサを使用することが可能である。

トランスデューサ２は対象領域に超音波を供給し、対象領域から反射する超音波を受信し、反射する超音波を電気信号に変換する。制御器１１は、中央制御器１１に指令を伝送するために、インタフェースプログラム及びマウス、キーボード、又は他の入力装置を有するユーザシステムインタフェース１３により入力するオペレータによる指令に応答する。トランスデューサプローブ２から受信される第１電気信号は、アナログ／デジタル変換器５によりデジタル化され、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ４に供給される。Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周波数ｆ_ｓは中央制御器１１により制御される。サンプリング理論により決定される所望のサンプリングレートは、受信されたエコーの最も大きい周波数の少なくとも２倍である。最小要求より大きいサンプリングレートがまた、使用されることができる。信号サンプルは遅延され、コヒーレントエコー信号を生成するためにビームフォーマ６により合計される。コヒーレントエコー信号は、次いで、所望の通過帯域にデジタルフィルタ７によりフィルタリングされる。デジタルフィルタ７はまた、基本帯域周波数領域またはそれより小さい領域に周波数帯域をシフトさせることができる。

デジタルフィルタ７の特性は、乗数重み付け（Ｗｔｓ）と間引き制御（Ｄｅｃ．）を有するフィルタを備える中央制御器１１により制御される。デジタルフィルタ７からフィルタリングされた信号は、Ｂモード処理器８、コントラスト信号検出器９またはドップラ処理器１０により検出され且つ処理される。ドップラ処理器１０は、ドップラ信号にパワー（Ｐｗｒ）を与えて速度（Ｖｅｌ）を生成するためにエコー信号に従来のドップラ処理を適用する。処理装置８及び１０とコントラスト信号検出器９との出力は、表示装置１８における二次元超音波画像としての出力を表示する映像プロセッサ１７に結合される。

２つの処理器８及び１０とコントラスト信号検出器９との出力はまた、三次元走査変換器１４に結合される。この走査変換器１４は、位置センサ３により生成された対象領域に関連してトランスデューサプローブの検出された位置に対応する第２電気信号と組み合わせて、３Ｄ画像メモリ１５に記憶される三次元超音波ボリュームデータの集合を生成する。３Ｄ画像レンダリング処理器１６は、二次元スライス画像を表示することができるように、映像処理器１７に供給される、ボリュームのボリュームレンダリング三次元視野またはボリュームの二次元スライス画像に三次元ボリュームデータを処理する。三次元レンダリングは、種々の従来の技術を使用して実行することが可能である。

この実施形態において、オペレータは、超音波画像の二次元または三次元表示のために、コントラスト信号検出器９と処理器８及び１０との出力の間で選択されることができる。更に、この実施形態において、処理ユニット４１は、ユニット２３の位置情報に依存する警告信号を与えるために配置される。中央制御器１１は、ユニット２３の位置情報に基づいて、トランスデューサプローブ２の動作の速度及び方向が正確な超音波ボリュームデータを取得し且つ集めるために適切であるかどうかをモニタする。その速度が大きすぎるかまたは対象領域に関してトランスデューサプローブ２の不所望の回転が生じるとき、三次元画像の正しい構成に影響を与える一部のスライスは、適切に走査されない傾向がある。

中央制御器が不正確な速度または回転を検出するとき、中央制御器は、例えば音響信号を用いて、シグナリングユニット５１によりオペレータに警告する。光信号、表示アイコンまたは警告信号の組み合わせのような他の警告信号を使用することができることを理解する必要がある。このように、オペレータは、超音波画像の取得の間に、トランスデューサプローブ２の操作を訂正することができる。上記のような実施形態の次に、処理ユニット４１は、従来のタイプの構成を有することが可能であることに言及する。

図２ａ及び２ｂは、本発明に従った超音波イメージングシステムの第１実勢形態のトランスデューサプローブ２を詳細に示している。トランスデューサプローブ２は、位置センサ３と、超音波を送信し且つ対象領域Ａから反射する超音波を受信するディスクリート素子のアレイ３２とを有する。この実施形態において、圧電結晶のアレイ３２は、トランスデューサプローブがシステム１と接続されるトランスデューサプローブケーブル４４を用いて、アレイ信号線３３により接続される。位置センサ３は、動作中に対象領域Ａの表面の画像を光学的に取得するため、前記画像から情報を取得するため、及び対象領域Ａに関連してトランスデューサプローブ２に関する位置情報に取得された画像からの前記情報を処理するために、ユニット２３を有する。

図２ａに示すように、表面領域Ａの表面の画像を光学的に取得する前記ユニット２３の素子は、動作中に対象領域Ａの表面に接するトランスデューサプローブの一部に提供される。このように、走査される皮膚表面とこれら素子との間のオプティカルパスは非常に短く、容易には乱されない。

図３は、図２ａ及び２ｂのトランスデューサプローブにおけるユニット２３についてより詳細に示している。この実施形態において、ユニット２３は、ここでは発光ダイオード（ＬＥＤ）により構成される照明素子３４と、プリズム及びレンズにより構成されるレンズシステム３７と、ここではＣＣＤかめらにより構成されるイメージセンサ３５と、デジタル信号処理器３６とを有する。このユニットは、比較的安価な方法でトランスデューサプローブ２に組み込まれることができるユニット２３のコストパフォーマンスのよい構成である。動作中、トランスデューサプローブ２はライ賞領域の表面に亘って動かされる。ＬＥＤから生じる光は、プリズムにより図３における矢印により示される光路を辿り、対象領域の前記表面を照明する。光は対象領域の表面構造により散乱され、この散乱光はレンズによりフォーカシングされる。次いで、デジタルカメラ３５は、デジタル信号処理器３６により画像が処理される対象領域の表面から散乱される光のパターンの顕微鏡画像を取得する。これらの画像は、対象領域に亘り、トランスデューサプローブ２の動きの簡易連続的に取得される。前記画像からの位置情報の取得は、この実施形態において光の散乱パターンの認識可能領域を有する第１画像における認識可能素子の決定を有する。デジタル信号処理器３６は画像の前記素子の位置を決定し、次いで、更に連続的に取り出される画像における前記素子の位置を相互に比較する。

連続的に取り出される画像を比較し且つこれら画像における散乱パターンの同一領域の位置を決定することにより、デジタル信号処理器３６は、二次元超音波スライスの取得の間に、対象領域に関連してトランスデューサプローブ２の位置変化を決定する。対象領域に関連してトランスデューサプローブ２の変化する位置に関する情報に基づいて、デジタル信号処理器３６は、位置信号線４５により二次元のスライスの集合の取得の間に、トランスデューサプローブ２の位置に関する情報を三次元走査変換器１４に供給する。トランスデューサプローブ２の変化する位置に関するこの情報は、次いで、二次元スライスの範囲外の三次元画像を構成するために三次元走査変換器１４により用いられる。連続的に取り出される画像に亘る素子の位置の変化に関する情報は、ノイズに対する感度が比較的小さく、それ故、対象領域に関連してトランスデューサプローブに関する正確な位置情報に処理されるために有利に使用されることができる。

ただ１つの位置センサの代わりに、２つ又は更にそれ以上の位置センサを備えることが可能である。２つの位置センサを用いる場合、これらのセンサの並進の測定結果は、対象領域に関連してトランスデューサプローブの回転をより正確に決定するように処理されることができる。このことについては、図４ａ及び４ｂに示している。図４ａ及び４ｂは、図２ｂにおける視野に類似して、Ｘ方向からの視野における、本発明に従った超音波イメージングシステムの他の実施形態のトランスデューサプローブ２´の詳細について示している。図４ａにおいては、本発明に従った２つの位置センサ３Ａ及び３Ｂが距離Ｌだけ離れている。トランスデューサプローブ２は、図４ａにおいて誇張して描いているように、小さい角度θだけ回転される。位置センサ３Ａは（ｄｘ１，ｄｙ１）だけ並進し、位置センサ３Ｂは（ｄｘ２，ｄｙ２）だけ並進する。トランスデューサプローブは剛体であり、｜３Ａ３Ｂ｜＝｜３Ａ´３Ｂ´｜である。回転中心Ｃは、センサ３Ｂから距離Ｘの位置にある。ΔＣＡ３Ａ´□ΔＣＢ３Ｂ´という事実に基づいて、距離Ｘは、Ｘ−ｄｘ２／Ｌ＋Ｘ−ｄｘ１＝ｄｙ２／ｄｙ１及び回転角θ＝Ｔａｎ^−１（ｄｙ２／Ｘ−ｄｘ２）から計算されることができる。回転中心はまた、図４ｂに示すように、２つのセンサ間にある。この場合、距離Ｘは、Ｘ−ｄｘ２／Ｌ−Ｘ−ｄｘ１＝ｄｙ２／ｄｙ１及び回転角θ＝Ｔａｎ^−１（ｄｙ２／Ｘ−ｄｘ２）から計算されることができる。

患者の皮膚表面の画像を光学的に取得すること、それ故、対象領域に関連してトランスデューサプローブの位置に関する情報を取得することにより、患者自身は位置情報に対する基準システムになる。それ故、正確な位置データは皮膚の表面において直接取得され且つトランスデューサプローブ２は患者のいずれの動きと同調して動かされるため、患者のいずれの動きは、ユニット２３によるトランスデューサプローブ２に関する正確な位置データの取得を乱すことはない。患者が動き且つトランスデューサプローブ２が同調して動かない場合、ユニット２３は皮膚表面の取得画像において偏差を検出し、このような動きに対して位置情報を補正する。更に、走査皮膚表面とユニット２３との間のオプティカル
パスは容易に乱されない。オペレータは、このようにして、トランスデューサプローブ２を自由に動かすことができ、患者は走査中に快適な身体方向に位置付けされることができる。

更に、走査される対象領域の表面がトランスデューサプローブ２と走査される対象領域とを音響結合するゲルとを備えることは一般的に行われている。ユニット２３は、動作が
このようなゲルにより影響を受けないため、ゲルとの組み合わせを容易に使用することができる。

位置情報それ自身に依存する警告信号を与えるために配置された処理ユニットは、上記のように、他の超音波オイメージングシステムにおいて有利に使用可能であって、動作中に対象領域Ａの表面の画像を光学的に取得するため、前記画像から情報を取得するため、及び対象領域Ａに関連してトランスデューサプローブ２に関する位置情報に取得画像からの前記情報を処理するために、トランスデューサプローブ２に備えられるユニット２３を有する少なくとも１つの位置センサ３は提供されない。それ故、位置情報はまた、他のタイプの位置センサにより取得されることが可能である。

本発明に従った超音波イメージングシステムの第１実施形態を構成するブロック図である。 本発明に従った超音波イメージングシステムの第１実施形態のトランスジューサプローブの透視図である。 本発明に従った超音波イメージングシステムの第１実施形態のトランスジューサプローブＸ方向からの図である。 図２のトランスデューサプローブにおける位置センサの詳細を示す図である 。 本発明に従った超音波イメージングシステムの他の実施形態のトランスジューサプローブの詳細を示す図であって、図２ｂのＸ方向からの図である。 本発明に従った超音波イメージングシステムの他の実施形態のトランスジューサプローブの詳細を示す図であって、図２ｂのＸ方向からの図である。

Claims (6)

1. 対象領域に超音波を供給するため、前記対象領域から反射する超音波を受信するため及び前記反射する超音波を第１電気信号に変換するためのトランスデューサプローブ；
   動作中に前記対象領域に関連して前記トランスデューサプローブに関する位置情報を検出するため及び前記検出された位置情報に対応する第２電気信号を生成するために前記トランスデューサプローブに備えられた少なくとも１つの位置センサ；
   前記トランスデューサプローブを制御するため及び前記第１電気信号と前記第２信号とを画像に処理するための処理ユニット；
   を有する超音波イメージングシステムであって、
   前記位置センサは、動作中に前記対象領域の表面の画像を光学的に取得するため、前記画像からの情報を取得するため、及び前記対象領域に関連して前記トランスデューサプローブに関する位置情報に前記情報を処理するためのユニットを有する；
   ことを特徴とする超音波イメージングシステム。
2. 請求項１に記載の超音波イメージングシステムであって、前記画像からの情報の前記取得は、第１画像における確認可能素子の決定と、前記画像における前記確認可能素子の前記位置の決定と、更に連続的に取り出される画像における前記確認可能素子の前記位置の相互比較とを有する、ことを特徴とする超音波イメージングシステム。
3. 請求項１に記載の超音波イメージングシステムであって、前記トランスデューサプローブに関する前記位置情報は並進情報と回転情報とを有する、ことを特徴とする超音波イメージングシステム。
4. 請求項１に記載の超音波イメージングシステムであって、前記ユニットは、照明素子と、レンズシステムと、画像センサとデジタル信号処理器とを有する、ことを特徴とする超音波イメージングシステム。
5. 請求項１に記載の超音波イメージングシステムであって、少なくとも２つの位置センサが備えられる、ことを特徴とする超音波イメージングシステム。
6. 請求項１に記載の超音波イメージングシステムであって、前記処理ユニットは、前記位置情報に依存する警告信号を提供するために配置される、ことを特徴とする超音波イメージングシステム。
   
   
   
   

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