JP2005537075A - 仰角バイプレーン画像を備える超音波診断システム - Google Patents

Abstract

異なる仰角平面における体積領域の２つの平面がリアルタイムで走査される、超音波診断システムが詳述される。１つの実施例では、２つの平面は、共通の頂点を備えたセクタ形式において走査され、２つの画像の対応する奥行きは、仰角の同じ距離によって分離される。他の実施例においては、１つの画像平面が撮像プローブに対して一定の向きを有し、他方の画像平面がユーザによって調整されうる。

Description

本願は、２０００年８月１７日出願の米国特許出願第０９／６４１，３０６号且つ現在は米国特許第６，４４３，８９６号明細書の一部継続出願である、２００２年８月２９日出願の米国特許出願第１０／２３１，７０４号の一部継続出願である、２００３年５月１２日出願の米国特許出願第１０／４３７，８３４号の一部継続出願である。

本発明は、医療超音波診断に係り、より詳細には、身体の体積領域の２つ又はそれ以上の面における動きを同時に撮像する超音波診断システム及び方法に係る。

米国特許［出願第１０／２３１，７０４号］は、リアルタイム且つ同時に身体の体積領域の２つの平面を超音波で走査する、二次元アレイ・プローブの使用について詳述する。二次元アレイは、アレイ・トランスデューサに対向する体積領域を通るいかなる方向にでも、ビームが電気的に送信及び集束されることを可能とする。これが意味するのは、その領域における２つ又はそれ以上の画像平面が、全ての画像平面の同時でリアルタイムな画像を生成するのに十分に速く走査されることが可能であることである。この動作のモードは、「バイプレーン（ｂｉｐｌａｎｅ）」モードと称される。バイプレーン・モードは、真の三次元画像を解釈するのが難しいと思われる場合に、身体の３Ｄ領域を撮像する効果的な方法である。平面（二次元）画像には多くの診断医がより慣れており、２つの画像平面によって、同時に複数の異なる視点から内臓を撮像することが可能である。それは、関心となる生体構造を調査する際、臨床医が２つの画像平面の相対位置を調整することができる場合に、大変有益である。本特許［出願］において論じられるバイプレーン・モードでは、従来の一次元アレイの画像平面が２次元撮像に使用されていたのと同じように、画像平面のうち１つは常にアレイ・プローブの中央に対して垂直である。この面は、基準平面と称される。他の画像平面は、複数の異なる方法によって臨床医が操作することが可能である。１つは、第２の画像平面を、基準平面に対して回転させることである。回転モードでは、２つの画像は共通の中央線を共有し、第２の画像はこの中央線を中心に回転させられることが可能であり、これは第２の画像平面は基準画像と同一平面上にありえ、基準画像に対して９０度に方向付けられるか、０度乃至９０度のいかなる角度にも方向付けられることが可能であることを意味する。本特許［出願］において論じられる他のバイプレーン・モードは、チルト・モードである。チルト・モードでは、第２の画像の中央線は、基準画像の走査線のうちの１つと共通している。共通線は変化しうるため、第２の画像は、基準画像の中央や、基準画像のもっとも横方向の走査線のうちのいずれか、又は間にある走査線のいずれか、を交差する可能性がある。
米国特許出願第１０／４３７，８３４号 米国特許出願第１０／２３１，７０４号 米国特許出願第０９／６４１，３０６号 米国特許第６，４４３，８９６号明細書

しかしながら、回転及び横方向チルトのバイプレーン・モードのものを除く、他の平面の方向付けもまた、特定の臨床状況において有益であり、臨床医が診断に必要とする画像を提供するほうがよい。これらの方向付けは、Ｂモードにおける撮像及びドプラ撮像において有益である。

本発明の原理により、体積領域における２つもしくはそれ以上の画像平面の相対配向は、仰角次元において様々に変えられることが可能である。１つの実施例では、基準画像の位置はプローブに対して静止されており、第２の画像は基準画像に対して仰角的に変化する。二つの画像は、同一平面上にあってもよいし、仰角的に別個の画像平面に位置してもよい。他の実施例では、２つの平面が、共通の頂点を保持し、第２の画像が基準面に対して仰角的に傾けられるため、共通の奥行きが、他の平面から共通の距離においたところにある。更に他の実施例においては、２つの画像のどちらもが、画像に対する夫々の同じ座標にて、カラー・ボックスを有する。一つのコントロールは、２つの画像における２つカラー・ボックスの寸法又は位置を、同一の方法で調整するために使用されうる。

最初に、図１を参照するに、本発明の原理によって構成された超音波診断システムを、ブロック図形式で示したものである。プローブは、二次元アレイ・トランスデューサ５００と、マイクロビームフォーマ５０２と含む。マイクロビームフォーマは、アレイ・トランスデューサ５００の要素（“パッチ”）の群に適用される信号を制御する回路を有し、各群の要素により受信したエコー信号に対してなんらかの処理を行なう。プローブにおけるマイクロビーム形成は、プローブと超音波システムとの間のケーブル５０３において、導線の数を有利に減少させ、また、米国特許第５，９９７，４７９号明細書（Ｓａｖｏｒｄ 外）及び米国特許第６，４３６，０４８号明細書（Ｐｅｓｑｕｅ）に詳述されている。

プローブは、超音波システムのスキャナ３１０に結合される。スキャナは、ユーザ制御部２００に応答し、マイクロビームフォーマ５０２にコントロール信号を与え、プローブに送信ビームのタイミング、周波数、方向、集束に関して指示をするビームフォーム・コントローラ３１２を含む。ビームフォーマ・コントローラはまた、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）・コンバータ３１６及びビームフォーマ１１６との結合によって、受信したエコー信号のビーム形成を制御する。プローブによって受信されたエコー信号は、スキャナ内のプリアンプ及びＴＧＣ（タイム・ゲイン・コントロール）回路３１４によって増幅され、続いてＡ／Ｄコンバータ３１６によってデジタル化される。次に、デジタル化されたエコー信号は、ビームフォーマ１１６によってビームに形成される。続いて、エコー信号は、デジタル・フィルタリング、Ｂモード検出、及びドップラー処理を実行する画像プロセッサ３１８によって処理され、ハーモニック分離、周波数複合を通じたスペックル低減等の他の信号処理、及び、他の所望の画像処理を行なうことができる。

スキャナ３１０によって生成されたエコー信号は、所望の画像形式での表示用のエコー信号を処理するデジタル・ディスプレイ・サブシステム３２０に結合される。エコー信号は、画像線プロセッサ３２２によって処理され、それによって、エコー信号のサンプリングや、ビームのセグメントの完全なライン信号へのスライシング、及び信号対雑音比の改善又は電流の持続のためのライン信号の平均化が可能になる。画像線は、当技術分野で周知のＲシータ変換を実行するスキャン・コンバータ３２４によって、所望の画像形式に走査変換される。画像は、その後、画像メモリ３２８に格納され、そこからディスプレイ１５０上に表示されうる。メモリ内の画像に、また、画像と共に表示されるグラフィックが重ねられる。グラフィックは、ユーザ制御部に応答するグラフィック生成器３３０によって生成される。個別の画像又は画像シーケンスは、画像ループの記録中に、シネ・メモリ３２６に格納されうる。

リアルタイムの体積撮像のため、ディスプレイ・サブシステム３２０は、また、ディスプレイ１５０上に表示されるリアルタイムの三次元画像のレンダリングのため、画像線プロセッサ３２２から画像線を受信する３Ｄ画像レンダリング・プロセッサ（図示せず）を含む。

本発明の原理により、バイプレーン画像と称される２つの画像が、リアルタイムにてプローブより取得され、並置表示形式で表示される。２Ｄアレイ５００は、送信及び受信されたビームを、アレイの前でいかなる方向にも、また、いかなる角度にでも方向付ける能力を有するため、バイプレーン画像の平面は、アレイに対して及び互いに対して、いかなる向きをも有することができる。一つの実施例では、図２Ａにおける平面Ｌ及びＲの斜視図によって示すように、２つの像平面は、仰角次元に分けられている。図２Ｂでは、同じ平面Ｌ及びＲが「エッジ方向」から示されている。いずれの場合においても、二次元アレイ・トランスデューサ５００は、像平面の上方に位置して示されている。これらの例においては、画像形式は、トランスデューサ５００にある、又はその近くにある共通の頂点から放射される画像線を伴った、セクタ画像形式である。しかしながら、リニア走査、又は、ステアード・リニア走査形式もまた、以下に示すように採用されてもよい。

他の実施例においては、仰角バイプレーン画像Ｌ及びＲは夫々、動きが表示されている領域を含む。これは、動きが表示されるべき領域から受信した信号を処理し、また、Ｂモード画像のカラー（速度）ドプラ又はパワードプラのオーバーレイを伴う領域を表示する、ドプラによって実行されうる。あるいは、関連する一時的エコー情報や移動標的インジケータのような代替案を使用してもよい。例として、米国特許第４，９２８，６９８号明細書及び米国特許第５，７１８，２２９号明細書を参照のこと。血流又は組織の動き等の動きが表示されるべき領域は、図２Ａに示すとおり、カラー・ボックス１０２，１０４によって輪郭が描かれていてもよい。使い易さのために、２つの像平面上のカラー・ボックス１０２，１０４は、２つの平面における範囲（奥行き）及び方位で整列されてもよく、また、一組のユーザ制御部によって並行して制御された操作及び調整で整列されてもよい。これにより、走査されている体積の関心領域（ＲＯＩ）を、仰角方向に分かれた２つの平面によって見られるようにすることが可能となる。これは例えば、体積のある特定の側におけるＲＯＩを検査する際に有用である。また、仰角方向における心臓弁からの噴流の及ぶ範囲を測定する際にも有用である。基準平面は、例えば、弁からの最大検出範囲における噴流を遮るよう移動された弁及び調節可能な平面に近接する噴流を遮るよう、弁の近くに置かれうる。ユーザ制御部が、弁の近くの噴流を遮るようカラー・ボックス１０２を配置するよう操作されている場合、第二の平面のカラー・ボックス１０４は、自動的にカラー・ボックス１０２と一直線上に置かれる。

図１の実施例では、超音波システム・コントロール・パネル２００上の、トラックボール２０２と２つのキー２０４及び２０６とは、仰角平面Ｌ及びＲにおいて、カラー・ボックス１０２，１０４を操作及び調整するよう使用されうる。超音波システムが、仰角バイプレーン・モードにあり、ポジション・キー２０４が下げられている場合、トラックボール２０２を動かすことで、２つの画像Ｌ及びＲにおいて、カラー・ボックスはそろって動く。トラックボールはいかなる方向にも回転できるため、カラー・ボックスは、トラックボールのコントロールと共に、いかなる方向にも位置を変えることができる。カラー・ボックスの寸法は、トラックボールの動きの方向に従ってサイズ・キー２０６を下げることによって変更でき、トラックボールの動きが、カラー・ボックスの幅や高さを拡大もしくは縮小させる。例えば、トラックボールを左に転がすと、カラー・ボックスの幅は拡大し、右に転がすとカラー・ボックスの幅は縮小する。二つのキー２０４及び２０６とトラックボール２０２とを使用することにより、カラー・ボックスは、特定の臨床検査のニーズに合うよう、共に寸法及び位置が決められうる。

図１の超音波システムが、カラー・ボックスを備えた異なった平面を走査する方法は、図１を参照した図３に示される。ユーザは、第２の平面Ｒを基準平面Ｌに対して望ましい方向に位置づけるトラックボール等の、コントロール・パネル２００上のユーザ制御部を操作する。これは“IMAGE ORIENTATION DISPLAY FOR A THREE DIMENSIONAL ULTRASONIC IMAGING
SYSTEM”なる名称の米国特許［出願第（ＡＴＬ−３２６）号］に詳述されているように、２つの仰角平面を夫々の位置を図示するアイコンを参照して、タイミングよく行なわれてもよい。ビームフォーマ・コントローラは、ビームフォーマ１１６又はマイクロビームフォーマ５０２によって送信される走査線のシーケンスを、フレーム・テーブルにおいてプログラムすることによって、画像平面のユーザ選択に応答する。ビームフォーマ・コントローラは、送信及び受信のビーム形成のための集束係数の適切なシーケンスを再計算又は選択することにより、両画像用のフレーム・テーブルを再度プログラムする。送信ビームは、マイクロビームフォーマ又はビームフォーマにおける送信ビームフォーマの制御のもとに、トランスデューサ・アレイ５００の前の体積を通って望ましい方向に送信及び集束される。

図３は、走査線２０乃至３０で寸法及び位置が決められたカラー・ボックス１０２及び１０４と共に、１００の走査線の画像の走査線シーケンスを示す。その場合では、各画像Ｌ及びＲは、各走査線１−１９に沿った個別のＢモード線を送信することによって取得される。線２０から３０に対して、ドプラ・パルス集合は、構造画像のためのＢモード・パルスと共に、各走査線に沿って送信される。ドプラ・パルス集合は、望ましい解像度及び動きの検知速度によって、通常は長さにして６から１６パルスである。必要に応じて、米国特許第６，１３９，５０１号明細書に詳述されている通り、１つのパルスは、Ｂモード・パルス及び、ドプラー・パルス集合のいずれかのために使用されうる。パルス集合は、必要に応じて、異なる走査線及びＢモード・パルスの間で、タイム・インタリーブされうる。これらの線のエコーが取得された後に、Ｂモード・パルスは、残存する走査線３１−１００に沿って送信される。画像によって方向を導くビームのみが異なっていれば、この送信及びエコーの受信のシーケンスは、ビームフォーマ・コントローラが同じ周波数を２度使用することを可能とさせ、Ｌ及びＲの両画像に使用されうる。また、米国特許［出願第１０／２３１，７０４］に詳述されている通り、２つの画像の送信ビームをタイム・インタリーブすることも可能である。

Ｂモードのエコーは、画像プロセッサ３１８における振幅検出によって処理され、ドプラ・エコー集合は、流れ又は組織の動きを描写するディスプレイ信号の生成のために、画像プロセッサにおいてドプラ処理される。処理されたＢモード及びドプラ信号は、続いて、ディスプレイ用のディスプレイ・サブシステム３２０に結合される。

望ましい画像平面の選択はまた、ディスプレイ・サブシステム３２０に結合され、そこでスキャン・コンバータ３２４及びグラフィック生成器３３０は、画像の設計に関する情報を与えられる。これによって、スキャン・コンバータが、ドプラ情報を予想し、また、特定されたカラー・ボックス領域１０２及び１０４の走査線２０−３０に沿って、ドプラ情報を正確に位置付けることが可能であり、また、グラフィック生成器が必要に応じてカラー・ボックスの輪郭を描く又はハイライトすることが可能である。

また、図４の画面ディスプレイによって示されるとおり、画像を横方向に掃引することにより、アレイ・トランスデューサの前の体積を調べることも可能である。図４の実施例において、Ｌ及びＲ画像夫々を形成するようＢモードのビームを走査線６０−９０に沿って送信することによって、比較的狭いセクタ画像が形成される。コントロールパネル上のサイズ・キー２０６を選択してから、セクタ画像を狭めるようトラックボール２０２を使用することによって、そのセクタは狭められうる。ポジション・キー２０４を選択することによって、トラックボールは、トランスデューサ・プローブを動かさずに、同時に２つのセクタ画像を横方向に動かすよう使用される。例えば、矢印で示されている通り、Ｌ及びＲ画像は、Ｌ’及びＲ’の位置に、同時に再度位置づけされることも可能であり、各画像の走査線１０−４０に沿ってビームを送信することによって走査される。これにより、例えば、臨床医師は、心臓弁の一側での噴流から心臓弁の他側の噴流まで、プローブをまったく動かさずに、２つの仰角セクタを動かすことができる。以前の例では、カラー・ボックスは各セクタ画像に置かれることが可能であり、若しくは、全セクタはカラー・セクタとして送信及び受信されることが可能である。

図５Ａ及び５Ｂは、異なる仰角の向きを有する２つの直線的なバイプレーン画像Ｌ及びＲの走査を示す。各画像に関して、ビームフォーマ・コントローラ３１２は、走査線１−１９に沿ったＢモードのビームと、走査線２０−３０に沿ったＢモードのビーム及びドプラ集合と、走査線３１−１００に沿ったＢモードのビームとの、送信及び受信を導くフレーム・テーブルを使用する。他の実施例においては、直交直線の画像よりむしろ方向付けられた直線（平行四辺形）の画像が送信されうる。図５Ｂの実施例では、第２の画像Ｒは、基準画像Ｌからは仰角方向に離されており、また、回転されているため、２つの画像は、アレイ・トランスデューサの上から見た斜視図に示されている通り、走査された体積内で交差する。走査線２０及び３０によって境界されたカラー・ボックス１０２，１０４はいずれも、本実施例にて撮像された体積の左側に見られる。

図６は、互いに対し傾斜した２つの画像平面を示す画像向きアイコン６００を備えた、仰角バイプレーンディスプレイを示す。この表示モードは、ここでは「仰角チルト（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｔｉｌｔ）」モードと称する。少なくともいずれか一方の平面において傾斜角を変更することによって、画像平面は互いに対して傾けられる。画像は、平面が、平面を通って延びる変動の弧に対して垂直である選択可能な位置を動く。概念上は、Ｌ及びＲの二つのセクタ画像が、頂点において蝶番で動いているかのようであり、また、２つの平面がいかなる共通の奥行きにおいても常に同じ距離だけ離されている弧状で、揺れることも可能であるかのようである。この動きは、図７においてＬ及びＲ平面の真横から見た図によって示されている。図中、Ｌ平面及びＲ平面は共通の頂点６０２を有し、画像Ｌは２Ｄトランスデューサ・アレイ（図示せず）の平面に対して垂直であり、また、画像Ｒは画像Ｌの平面から３０度の角度で傾けられている。向きアイコン６００は、トランスデューサ・アレイの視点から、両方の画像平面を示しており、上からエッジ方向からみているため、基準画像Ｌは直線６１２として見られている。画像平面Ｒは、Ｒ画像平面がＬ画像平面のいずれかの側に傾いているため、Ｌ画像の線６１２の上及び下で動く、扇形アイコン部分６１０によって示されている。この例では、Ｌ画像平面は、トランスデューサ・アレイの平面に対して常に９０度になるよう方向性が確定されている。アイコン６００の二つの部分はまた、方向性を示す左右のドットを、トランスデューサ・プローブの相当するよう印をつけられた側で示される。アイコン６００の更なる詳細は、親出願である特許出願第１０／４３７，８３４号に見つけられうる。

本発明の原理によって構成された超音波診断システムを、ブロック図で示す図である。 カラー・ボックスを備えた仰角的に異なる２つの画像平面を示した図である。 カラー・ボックスを備えた仰角的に異なる２つの画像平面を示した図である。 本発明の原理による、仰角バイプレーン・モードにおける２つの画像平面のシステム・ディスプレイを示した図である。 ２つの仰角バイプレーン画像における２つのカラー・ボックスの同時再配置を示した図である。 直角に走査した画像における２つのカラー・ボックスを示した図である。 図５Ａの２つの画像の可能な方向付けの１つを示した図である。 「仰角チルト」モードにおけるオペレーションのための、バイプレーンディスプレイ及び画像方向付けアイコンを示した図である。 図６に示す２つの画像平面の真横から見た図を示した図である。

Claims (11)

1. 体積領域において異なる方向にビームを送信する二次元アレイ・トランスデューサと、
   前記二次元アレイ・トランスデューサに結合されたビームフォーマと、
   前記ビームフォーマに結合され、前記アレイ・トランスデューサに互いに対して異なる仰角面に置かれた２つの画像平面を走査させる、ビームフォーマ・コントローラと、
   前記ビームフォーマに結合され、前記２つの画像平面のリアルタイム画像を生成する、スキャン・コンバータと、
   前記スキャン・コンバータに結合され、前記２つのリアルタイム画像を表示するディスプレイと、
   を有する、超音波診断システム。
2. 前記画像のうち少なくとも一方の前記仰角面を選択するユーザ・インターフェイスを更に有する、請求項１記載の超音波診断システム。
3. 前記画像平面のうち一方は、前記二次元アレイ・トランスデューサの前面に対して垂直に向けられ、他方の画像平面の前記仰角面は、前記ユーザ・インターフェイスによって選択可能である、請求項２記載の超音波診断システム。
4. 前記画像平面のうち一方は、前記二次元アレイ・トランスデューサの前面に対して垂直に向けられる、請求項１記載の超音波診断システム。
5. 前記仰角面は、平行な画像平面を含む、請求項１記載の超音波診断システム。
6. 前記仰角面は、所定の角度だけて離された、放射方向に離された画像平面を含む、請求項１記載の超音波診断システム。
7. 前記画像は、セクタ画像を有する、請求項６記載の超音波診断システム。
8. 前記ユーザ・インタフェイスは、両画像の位置又は寸法の少なくとも一方を同時に調整する手段を更に有する、請求項２記載の超音波診断システム。
9. 前記ユーザ・インタフェイスは、トラックボールを有する、請求項８記載の超音波診断システム。
10. 前記ユーザ・インタフェイスは、サイズ・キー及びポジション・キーを更に有する、請求項９記載の超音波診断システム。
11. 前記ディスプレイは、前記２つの画像平面の相対的な空間的な向きを示すアイコンを表示するための手段を更に有する、請求項１記載の超音波診断システム。

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