JP2008526291A - 超音波画像化システムのクラッター抑制本出願は、2004年12月30日に出願された米国仮特許出願No.60/640,368に基づき優先権の利益を主張する。本出願は、2004年1月7日に出願した米国仮特許出願No.60/534,390に関連し、明細はここに参照のため組み込まれている。 - Google Patents
超音波画像化システムのクラッター抑制本出願は、2004年12月30日に出願された米国仮特許出願No.60/640,368に基づき優先権の利益を主張する。本出願は、2004年1月7日に出願した米国仮特許出願No.60/534,390に関連し、明細はここに参照のため組み込まれている。 Download PDFInfo
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Abstract
Description
それぞれ異なる主要なビームパターンと補助のビームパターンとを有する主要な反射信号と補助の反射信号を定義するように、対象物に対して超音波放射線を発し、該対象物の一部から反射された超音波放射線を受け取り、
前記主要な反射信号と比較してクラッターの削減レベルを含む出力信号を発生するように、前記主要な反射信号と前記補助の反射信号との間の差を取ることを含んでいる。
前記反射信号に応じた複合重量を計算し、
該複合重量を前記補助の受信信号に乗じて結果を得、
前記出力信号を生成するため前記主要な反射信号から前記結果を減じる、
ことを含んでいる。
前記主要な反射信号と比較してクラッターの削減レベルを含む出力信号を発生するように、前記主要な反射信号と前記補助の反射信号との間の差を取るように設けられたスキャナーと、を備えた超音波画像化装置を提供する。
開示された実施の形態では、補助の受信チャンネルに適用されるアポダイゼイションは共通のクラッター方向に基づいて決定される。発明者はクラッターの大部分が関心領域から比較的遠くにある対象物から生じることを見出した。このふるまいは人間の胴の基本的な解剖及び超音波心臓検査の測定のプローブの通常の位置による。(通常、プローブは肋骨の間又はそれらのそばに配置される。プローブが肋骨の頂部に直接配置された場合、心筋から関連性のある返信信号はない。)
したがって、補助の受信チャンネルのアポダイゼイションは広いメインローブを有するビームパターンを生成するように設定される。変換器のアレイの有効幅(孔)はそのメインローブの角度幅に反比例するため、この要求は狭いアポダイゼイションの窓を使用することと同等である。以下の方法が使用されてもよい(図3に示される典型的なビームパターンを参照)。
・補助のチャンネルのビームパターンの利得は主要なチャンネルのビームパターンのメインローブに対応するすべての角度の主要なチャンネルのビームパターンの利得より低く設定される。
・補助のチャンネルのビームパターンの利得は主要なチャンネルのビームパターンの主要なサイドローブに対応するすべての角度の主要なチャンネルのビームパターンの利得より高く設定されている。
クラッター抑制方法
図4は、本発明の実施の形態による、クラッターの影響を抑制刷るための方法を概略的に示したフローチャートである。
反射信号の特性に関して以下の仮定がなされる。
1.超音波クラッターは、通常、必ずしも尖端状でない非常に反射するエレメントから発生する(例えば、胸郭の部分)。したがって、クラッターの寄与はすべての不適切な角度(及び範囲)上の全体であり、各角度は受信チャンネルのビームパターンにより位相及び大きさを与える。それにも拘らず、ほとんどの実際のケースでは、クラッターは単一の主要な反射器としてまだ表される。
2.クラッターは、通常、所望な信号のレベルと比べて強い。
3.クラッターの反射器の時間変化は、通常、画像化システムのフレームの回復割合と比べて遅い。換言すれば、クラッターの自己相関時間は比較的長い。よって、少数の連続的なフレームを考えると、クラッターは任意より一定であると考えられてもよい。
4.心臓のような動く構造物が画像化されると、関心領域から反射した所望な信号は、例えば、急速な心臓の壁の動きにより比較的短い自己相関時間を有している。この影響は、僅かな動きでさえかなりの信号変化を引き起こす超音波画像の特徴である「スペックルノイズ」により強められる。
2つの反射信号を平均化すると、スキャナー22は重量計算ステップ46において、それぞれ与えられた範囲/角度の設定のための複合重量Wを計算する。Wは、
W= ̄VM/ ̄VA
により与えられる。
その後、スキャナー22は出力信号Zをユーザに対して表示装置24により表示される画像に変換する。その変換は、通常、信号の大きさを灰色レベルの強度に変換する輝度変換機能(BTF)を使用する。BTFは、他の適切なBTFが使用されたとしても、通常、対数関数である。
1.y軸に沿って少なくとも3つのセルとx軸に沿った少なくとも3つのセルにより定義される少なくとも1つの二次元ブロックを決定する。
2.少なくとも1つの二次元ブロックのそれぞれ内で中央のセルを決定する。
3.少なくとも1つのブロックの中央の大きさを決定し、少なくとも1つのブロックの中央の大きさと中央のセルの大きさの間の割合を計算する。
1.x,y及びz軸のそれぞれに沿って少なくとも3つのセルにより定義される少なくとも1つの三次元ブロックを決定する。
2.少なくとも1つの二次元ブロックのそれぞれ内で中央のセルを決定する。
3.少なくとも1つの三次元ブロックの中央の大きさと主要な反射信号アレイの大きさのための中央のセルの大きさと出力信号アレイの大きさと間の割合を決定する。
補遺
システムシミュレーション
上述した方法はその可能性及び性能を証明するため発明者によりシミュレートされた。例示的なシミュレーションの結果は以下に説明されている。シミュレーションは、商業上の超音波技術を評価するための標準ツールである超音波システムのためのフィールド−IIシミュレーターに基づいている。シミュレーションは以下の構成を仮定している。
・64×26エレメントからなる二次元変換器
・各変換器のエレメントの高さ及び幅が0.452mmで、(両軸の)隣接エレメント間の距離が2.5μm。変換器の全体の幅が2.9cmで、その全体の高さが1.18cm。
・伝送周波数が1.7MHz。
・送信のビームパターンは、変換器の中心から6cmの距離で画像化平面に配置された単一の焦点を利用する。受信のビームパターンは動的で、現在の範囲に焦点を一致する。
・送信又は受信のいずれもアポダイゼイションが使用されない。
・目に見える図の目的のため、クラッター抑制方法は合成器官に適用され、その超音波画像はクラッターにより影響される。クラッターの二つのタイプが考えられる。
・胸郭の影響をシミュレートする強く局在化されたクラッター
・クラッターの残留物を定量化するため、その方法の出力は2つのタイプの構成のため計算される。
目に見える図−分配されたクラッター
このシミュレーションの設定では、我々の方法は合成器官に適用され、その超音波画像は分配されたクラッターにより影響を受ける。走査された対象物は長円形状を成し、それは左室の粗い近似値である。
・x−z平面(y=0)に配置された(図7において黒点で示されている)5000の目標の散乱。
・y=−0.75cmとy=0.75cmの間で目標の上方に任意に配置された(図7において灰色の丸で示されている)3000の斑点状の散乱。
・y∈[−2.5,−1]cmとy∈[1,2.5]cmの領域に任意に配置された(図7において灰色の×印で示されている)5000のクラッターの散乱。
目に見える図−強く局在化されたクラッター
このシミュレーションの設定は、異なるクラッター源が存在する同一の合成器官を使用し、それは、超音波心臓検査画像での一つの肋骨の影響を示している。
・x−z平面(y=0)に配置された(図11において黒点で示されている)5000の目標の散乱。
・y=−0.75cmとy=0.75cmの間で目標の上方に任意に配置された(図11において灰色の丸で示されている)1000の斑点状の散乱。
・半径が0.125cmの61のリングに配置された(図11において灰色の×印で示されている)5490のクラッターの散乱。各リングは等角度位置に配置された90の反射器を含んでいる。リングの中央はx=0、y=1.125cmで配置され、zは2cmと8cmの間を変化する(zは0.1cm単位で変化する)。
クラッター抑制の定量化−単一のクラッター源
このシミュレーションのグループでは、クラッター抑制を適用する前後に推定された信号が、1セットの2つの反射器のために計算される。一方は関心領域の中央にあり、他方(クラッター)は同一範囲であるが、△θ(△θ∈[10°,34°])の角度差にある。第1の反射器は点状であり、第2の反射器は幅が変化する(0.1°と5°を0.1°単位で変化する)。第1の反射器の反射係数は第1の反射器より約105倍大きい。
クラッター抑制の定量化−2つのクラッター源
これらのシミュレーションでは、クラッター抑制を適用する前後に推定された信号が、1セットの3つの反射器のために計算される。一方は関心領域の中央にあり、他方(クラッター)は同一範囲であるが、2つの異なる角度(角度差はそれぞれ△θ1と△θ2である。すべての反射器は点状であるが、異なる反射係数を有している(2つのクラッター反射器の反射係数はそれぞれ第1の反射器より104〜105倍大きい)。図19は、クラッター抑制前に実際の信号の大きさにより除された推定の信号の大きさを示している。図20は、クラッター抑制後に実際の信号の大きさにより除された推定の信号の大きさを示している。図19〜20の結果は強いクラッター反射器(△θ2)と弱いクラッター反射器(△θ1)の角度位置の関数として示されている。各灰色レベルに対応する値は画像の右側に配置されるカラーバーに現れる。
補遺−超音波クラッター抑制の理論
以下に記載する通常の方法は1個の主要な受信チャンネルとN個の補助の受信チャンネルを備えたプローブを考える。クラッターはVMで示される主要なチャンネルにより受信された複合信号と、Vで示されるN個の補助のチャンネルから受信された信号との線形組合せを計算することにより抑制され、V=(V1,V2,...,VN)Tである。
Z=VM−WTVであり、Wは複合重量のベクトル、Zは出力信号、演算子Tはマトリックスの転位である。重量ベクトルWは最大抑制を与えるように計算され、主要な受信チャンネルのメインローブから受信された所望な信号で最小の影響を有する。クラッターは一定時間の自己相関関数を有する確率過程のサンプルと考えられる。
E(・)は統計的な予想を示す。最適化問題に対する解決策は、W=cM−1Rにより与えられる。ここで、cは不定数、M−1はサンプルVのセットのN次元の共分数マトリックスの逆関数で、RはVMとVの間の関係を示すN次元の共分数ベクトルであり、
M=E(V*VT)
R=E(VMV*)
である。(アステリスク*は複合結合を示す。)
例えば、一つの補助ビームと一つのクラッター信号の簡単なケースでは、
Z=VM−WTV
W=E(VMVA *)/E(|VA|2)
となる。ここで、VAは補助のチャンネルから受信した信号である。
Claims (40)
- それぞれ異なる主要なビームパターンと補助のビームパターンとを有する主要な反射信号と補助の反射信号を定義するように、対象物に対して超音波放射線を発し、該対象物の一部から反射された超音波放射線を受け取り、
前記主要な反射信号と比較してクラッターの減少レベルを含む出力信号を発生するように、前記主要な反射信号と前記補助の反射信号との間の差を取ることを含んでいることを特徴とする超音波画像化方法。 - 前記超音波放射線を受け取ることは、変換器のアレイを使用して前記反射した超音波放射線を受け取り、前記主要な反射信号と補助の反射信号を定義するため、前記主要なビームパターン及び補助のビームパターンに従って、各第1及び第2の複数のアポダイゼイション係数を前記変換器の出力に乗じることを含んでいる請求項1に記載の超音波画像化方法。
- 前記超音波放射線を受け取ることは、複数の補助の反射信号を定義することを含んでいる請求項1に記載の超音波画像化方法。
- 前記主要なビームパターンは前記補助のビームパターンより狭い請求項1に記載の超音波画像化方法。
- 前記差は、
前記反射信号に応じた複合重量を計算し、
該複合重量を前記補助の受信信号に乗じて結果を得、
前記出力信号を生成するため前記主要な反射信号から前記結果を減じる、
ことを含んでいる請求項1に記載の超音波画像化方法。 - 前記複合重量を計算することは、多数の画像フレーム上で前記反射信号を平均化し、前記平均化された反射信号に基づき前記複合重量を決定することを含んでいる請求項5に記載の超音波画像化方法。
- 前記復号化重量を計算することは、多数の画像フレーム上で前記反射信号の最小値を取り、該最小値に基づき前記複合重量を決定することを含んでいる請求項5に記載の超音波画像化方法。
- 前記複合重量を前記補助の受信信号に乗じ、前記結果を減じることは、前記複合重量と前記主要なビームパターン及び補助のビームパターンに応じて結合ビームパターンを決定し、前記主要な反射信号に前記結合ビームパターンを適用することを含んでいる請求項5に記載の超音波画像化方法。
- 前記超音波放射線を受け取ることは、範囲及び角度の多数の異なる設定の各画像フレームで前記反射した超音波放射線を集めることを含み、前記複合重量を計算することは、前記範囲及び角度の異なるそれぞれの設定用の各複合重量を計算することを含んでいる請求項5に記載の超音波画像化方法。
- 前記差を取ることは、前記主要な反射信号と前記補助の反射信号との間の位相差を計算し、前記出力信号による有効なビームパターンの位相差に応じた角度で強制的にゼロにすることを含んでいる請求項1に記載の超音波画像化方法。
- 前記強制的にゼロにすることは、前記角度が所定の範囲内にある場合にのみ強制的にゼロにすることを含んでいる請求項10に記載の超音波画像化方法。
- 前記出力信号に応じて改善した画像を生成し、ユーザに対して前記改善した画像を表示する請求項1に記載の超音波画像化方法。
- 前記出力信号は前記主要な反射信号に対して削減した動的範囲を有している請求項1に記載の超音波画像化方法。
- 前記主要な反射信号の大きさを前記出力信号の大きさに正規化し、
前記主要な反射信号の大きさと前記出力信号の大きさとの間でセル毎の最小値を取る、
請求項1に記載の超音波画像化方法。 - 前記主要な反射信号と出力信号のそれぞれの大きさを二次元アレイにまとめ、
セルの範囲のy軸とセルの角度のx軸を確立し、
前記y軸に沿った少なくとも3つのセルと前記x軸に沿った少なくとも3つのセルにより定義された少なくとも1つの二次元ブロックを決定し、
前記少なくとも1つの二次元ブロックのそれぞれ内で中央のセルを定義し、
前記少なくとも1つのブロックの中間の大きさを決定し、前記主要な反射信号アレイの大きさと前記出力信号アレイの大きさのそれぞれのため前記少なくとも1つのブロックの中間の大きさと前記中央のセルの大きさとの間の割合を計算する、
ことを含んでいる請求項1に記載の超音波画像化方法。 - 前記出力信号アレイの大きさの割合を前記主要な反射信号アレイの大きさの割合で除し、前記出力信号の割合と前記主要な反射信号の割合との割合の閾値と前記除された割合を比較することを含んでいる請求項15に記載の超音波画像化方法。
- 前記除した割合が前記閾値を超えた場合、前記出力信号の大きさを前記中央のセルための前記主要な反射信号の大きさと交換することを含んでいる請求項16に記載の超音波画像化方法。
- 前記主要な反射信号及び出力信号のそれぞれの大きさを二次元アレイにまとめ、
セルの範囲のy軸とセルの横の範囲のx軸を確立し、
前記y軸に沿った少なくとも3つのセルと前記x軸に沿った少なくとも3つのセルにより定義された少なくとも1つの二次元ブロックを決定し、
前記少なくとも1つの二次元ブロックのそれぞれ内で中央のセルを定義し、
前記少なくとも1つのブロックの中間の大きさを決定し、前記主要な反射信号アレイの大きさと前記出力信号アレイの大きさのそれぞれのため前記少なくとも1つのブロックの中間の大きさと前記中央のセルの大きさとの間の割合を計算する、
ことを含んでいる請求項1に記載の超音波画像化方法。 - 前記出力信号アレイの大きさの割合を前記主要な反射信号アレイの大きさの割合で除し、前記出力信号の割合と前記主要な反射信号の割合との割合の閾値と前記除された割合を比較することを含んでいる請求項18に記載の超音波画像化方法。
- 前記除した割合が前記閾値を超えた場合、前記出力信号の大きさを前記中央のセルための前記主要な反射信号の大きさと交換することを含んでいる請求項19に記載の超音波画像化方法。
- 前記主要な反射信号と出力信号のそれぞれの大きさを三次元アレイにまとめ、
セルの範囲のy軸とセルの方位角のx軸とセルの仰角のz軸とを確立し、
前記x,y及びz軸に沿った少なくとも3つのセルにより定義された少なくとも1つの三次元ブロックを決定し、
前記少なくとも1つの三次元ブロックのそれぞれ内で中央のセルを定義し、
前記少なくとも1つの三次元ブロックの中間の大きさを決定し、前記主要な反射信号アレイの大きさと前記出力信号アレイの大きさのそれぞれのため前記少なくとも1つの三次元ブロックの中間の大きさと前記中央のセルの大きさとの間の割合を計算する、
ことを含んでいる請求項1に記載の超音波画像化方法。 - 前記出力信号アレイの大きさの割合を前記主要な反射信号アレイの大きさの割合で除し、前記出力信号の割合と前記主要な反射信号の割合との割合の閾値と前記除された割合を比較することを含んでいる請求項21に記載の超音波画像化方法。
- 前記除した割合が前記閾値を超えた場合、前記出力信号の大きさを前記中央のセルための前記主要な反射信号の大きさと交換することを含んでいる請求項22に記載の超音波画像化方法。
- 前記主要な反射信号及び出力信号のそれぞれの大きさを三次元アレイにまとめ、
セルの範囲のy軸とセルの横の方位角のx軸と横のセルの高さのz軸とを確立し、
前記x,y及びz軸に沿った少なくとも3つのセルにより定義された少なくとも1つの三次元ブロックを決定し、
前記少なくとも1つの三次元ブロックのそれぞれ内で中央のセルを定義し、
前記少なくとも1つの三次元ブロックの中間の大きさを決定し、前記主要な反射信号アレイの大きさと前記出力信号アレイの大きさのそれぞれのため前記少なくとも1つの三次元ブロックの中間の大きさと前記中央のセルの大きさとの間の割合を計算する、
ことを含んでいる請求項1に記載の超音波画像化方法。 - 前記出力信号アレイの大きさの割合を前記主要な反射信号アレイの大きさの割合で除し、前記出力信号の割合と前記主要な反射信号の割合との割合の閾値と前記除された割合を比較することを含んでいる請求項25に記載の超音波画像化方法。
- 前記除した割合が前記閾値を超えた場合、前記出力信号の大きさを前記中央のセルための前記主要な反射信号の大きさと交換することを含んでいる請求項25に記載の超音波画像化方法。
- それぞれ異なる主要なビームパターンと補助のビームパターンとを有する主要な反射信号と補助の反射信号を定義するように、対象物に対して超音波放射線を発し、該対象物の一部から反射された超音波放射線を受け取るように設けられたプローブと、
前記主要な反射信号と比較してクラッターの削減レベルを含む出力信号を発生するように、前記主要な反射信号と前記補助の反射信号との間の差を取るように設けられたスキャナーと、
を備えていることを特徴とする超音波画像化装置。 - 前記プローブは超音波変換器のアレイを備え、前記スキャナーは、前記主要な反射信号と補助の反射信号を定義するため、前記主要なビームパターン及び補助のビームパターンに従って、各第1及び第2の複数のアポダイゼイション係数を前記変換器の出力に乗じるように設けられている請求項27に記載の超音波画像化装置。
- 前記スキャナーは、複数の補助の反射信号を定義するように設けられている請求項27に記載の超音波画像化装置。
- 前記主要なビームパターンは前記補助のビームパターンより狭い請求項27に記載の超音波画像化装置。
- 前記スキャナーは、前記反射信号に応じた複合重量を計算し、該複合重量を前記補助の受信信号に乗じて結果を得、前記出力信号を生成するため前記主要な反射信号から前記結果を減じるように設けられている請求項1に記載の超音波画像化装置。
- 前記スキャナーは、多数の画像フレーム上で前記反射信号を平均化し、前記平均化された反射信号に基づき前記複合重量を決定するように設けられている請求項31に記載の超音波画像化装置。
- 前記スキャナーは、多数の画像フレーム上で前記反射信号の最小値を取り、該最小値に基づき前記複合重量を決定するように設けられている請求項31に記載の超音波画像化装置。
- 前記スキャナーは、前記主要な反射信号に結合ビームパターンを適用するように設けられ、前記結合ビームパターンは、前記複合重量と前記主要なビームパターン及び補助のビームパターンに応じて決定される請求項31に記載の超音波画像化装置。
- 前記スキャナーは、範囲及び角度の多数の異なる設定の各画像フレームで前記反射した超音波放射線を集め、前記範囲及び角度の異なるそれぞれの設定用の各複合重量を計算するように設けられている請求項31に記載の超音波画像化装置。
- 前記スキャナーは、前記主要な反射信号と前記補助の反射信号との間の位相差を計算し、前記出力信号による有効なビームパターンの位相差に応じた角度で強制的にゼロにするように設けられている請求項27に記載の超音波画像化装置。
- 前記スキャナーは、前記角度が所定の範囲内にある場合にのみ強制的にゼロにするように設けられている請求項36に記載の超音波画像化装置。
- 前記スキャナーは前記出力信号に応じて改善した画像を生成するように設けられ、ユーザに対して前記改善した画像を表示するように設けられた表示装置を備えている請求項27に記載の超音波画像化装置。
- 前記出力信号は前記主要な反射信号に対して削減した動的範囲を有している請求項27に記載の超音波画像化装置。
- 対象物に対して超音波放射線を発し、該対象物の一部から反射された超音波放射線に応じて信号を生成するプローブに関連して使用するためのコンピュータソフトウェアであって、
プログラムの命令が格納されるコンピュータ読み取り可能媒体を備え、コンピュータにより読み出された時に、命令は、それぞれ異なる主要なビームパターンと補助のビームパターンとを有する主要な反射信号と補助の反射信号を定義すると共に、前記主要な反射信号と比較してクラッターの削減レベルを含む出力信号を発生するように前記主要な反射信号と前記補助の反射信号との間の差を取るよう前記コンピュータに信号を処理させることを特徴とするコンピュータソフトウェア。
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