JP2013523325A - 超音波撮像の方法および装置 - Google Patents

Abstract

生体組織内にせん断波を生成じさせるために、第１の超音波パルスが生体組織に照射され、集束した超音波パルスが生体組織内に送信され、１つ以上の超音波信号が生体組織から受信され、受信した１つ以上の超音波信号に基づいて、生体組織内でせん断波が検出される。検出されたせん断波に関連付けられた少なくとも１つの伝搬特性が判定され、判定された少なくとも１つの伝搬特性が表示される。

Description

本明細書に記載の装置および方法は、一般に超音波イメージングの分野に関する。より詳細には、以下に記載する実施形態は、組織内におけるせん断波（shear wave）速度を測定するための方法および装置に関する。

関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年４月５日に出願された、「Method and Apparatus for Ultrasound Imaging」という名称の米国仮特許出願第６１／３２１，００５号、２０１０年４月６日に出願された、「Method and Apparatus for Ultrasound Imaging」という名称の米国仮特許出願第６１／３２１，３４１号、および２０１０年６月２日に出願された、「Method and Apparatus for Ultrasound Imaging」という名称の米国仮特許出願第６１／３５０，５８５号の優先権を主張するものであり、あらゆる目的でその内容を本願に引用して援用する。

病理的状態では、正常な状態下で存在するはずのものよりも硬い軟部組織になる可能性がある。したがって、医師は、触診によって身体の中にある硬い組織の位置を突きとめ、それによって病理的状態を特定する。たとえば、乳癌は、健全な乳房組織よりも概して硬いことが知られており、触診によって硬いしこりとして検出されることがある。

せん断波の組織内の伝搬速度は、以下の式の通り、組織の硬さ（ヤング率またはせん断弾性率）に関係している。

式中、ｃは、せん断波の伝搬速度であり、Ｅは、ヤング率であり、ρは、組織密度である。したがって、組織を通過するせん断波の伝搬速度を測定することによって、組織内の癌または他の病理的状態を検出することができる。

せん断波は、強い超音波パルスを組織に照射することによって、組織内に生じさせることができる。超音波パルスは、大きな振幅および長い継続時間（たとえば、１００マイクロ秒の桁の大きさ）を示すことがある。超音波パルスは音響放射力を生み出し、この力は組織を押し、それによって組織の各層を超音波パルスの方向に沿ってスライドさせる。組織のこういったスライドする（滑る）動きは、せん断波とみなすことができ、せん断波は、低周波数（たとえば、１０から５００Ｈｚ）であり、超音波パルスの方向に対して垂直な方向に伝搬し得る。超音波パルスは、組織内を１５４０ｍ／ｓの速度で伝搬することができる。しかしながら、せん断波は、およそ１〜１０ｍ／ｓというはるかに遅い速度で、組織内を伝搬する。

組織の動きは、一般に軸方向（すなわち、超音波パルス方向）なので、せん断波は、従来の超音波ドップラ技術を使用して検出することができる。この点について、超音波ドップラ技術は、軸方向の速度を検出するのに最も適している。別法として、せん断波は、音響放射力による組織変位を測定することによって検出することができる。

せん断波の伝搬速度を正確に測定するために、せん断波は、速い率または毎秒数千フレームの大きいフレームレートでトラッキングする必要がある。フレーム内の画像は、数百の超音波線からなっている事もある。通常の超音波画像の典型的なフレームレートは、約５０フレーム／ｓであり、これはせん断波の伝搬をトラッキングするには遅すぎる。したがって、良好な信号対雑音比および良好な空間分解能を維持しながらフレームレートを上昇させる必要がある。また、組織の硬さの指標を効率的に提供する必要性がある。

方法、媒体および装置が、生体組織内にせん断波を生成させるために、生体組織に第１の超音波パルスを照射し、集束した超音波パルスを生体組織内に送信し、集束した超音波パルスに応答して生成された１つ以上の超音波信号を生体組織から受信し、受信した１つ以上の超音波信号に基づいて、生体組織内のせん断波を検出し、検出したせん断波に関連付けられた少なくとも１つの伝搬特性を判定し、コード化方法を使用して、検出したせん断波に関連付けられた少なくとも１つの伝搬特性を表示することができる。

音響放射力による、せん断波生成の図である。 いくつかの実施形態の超音波画像装置の図である。 従来の超音波画像装置の図である。 複数の超音波送受信ビームの図である。 超音波送信ビームおよび複数の超音波受信ビームの図である。 せん断波の伝搬速度の２乗の色分けである。 せん断波の伝搬速度の２乗の色分けである。 音響放射力によるせん断波の生成およびせん断波の伝搬を示す図である。 せん断波のスライドする動きを示す図である。 せん断波の伝搬を示す図である。 せん断波の伝搬を示す図である。 組織内におけるせん断波の伝搬速度の２乗を色分けした画像の例である。 音響放射力に起因する組織の変位を示す図である。 ＲＧＢ表示で構成される色分けバーによる、せん断波速度の２乗ｃ^２のスケールである。 超音波振動子に対する超音波座標系を示す図である。

各実施形態を、同じ符号が一貫して同じ要素を表す添付の図面を参照して説明する。本発明の各実施形態を詳細に説明する前に、各実施形態は、以下の説明または図面に示した例の細部への適用には限定されないことを理解されたい。他の実施形態が、多様な応用および種々の方法で実施または実行され得る。また、本明細書において使用される術語および用語は、説明のためのものであり、限定するものとみなすべきではないことを理解されたい。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびその変形の使用は、その後に列挙する項目およびその等価物ならびに追加の項目を包含することを意図している。「載置される（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は広く使用され、載置、接続、および結合について、直接的なものも間接的なものも含む。さらに、「接続される」および「結合される」は、物理的なまたは機構的な接続または結合に制限されない。

図１に示したように、強い超音波パルス１２０によって音響放射力が生み出される。超音波パルス１２０は、大きな振幅とともに長い継続時間（たとえば、およそ１００マイクロ秒）を示す。超音波パルス１２０は、超音波振動子アレイ１１０から送信される。超音波パルス１２０は、生体組織１６０内の焦点１３０に集束し、焦点１３０において組織１６０を押す音響放射力となる。超音波パルス１２０は、複数回送信されてもよく、送信された複数の超音波パルスのそれぞれが異なる焦点に集束し得る。

組織１６０は、主に超音波パルス１２０の軸方向に押されて、せん断波（shear wave）１４０、１５０を発生させ、このせん断波は横方向に伝播するか、または軸方向（すなわち、垂直方向）以外の方向に伝搬し得る。せん断波の伝搬速度１４０、１５０は、組織１６０の硬さ（ヤング率またはせん断弾性率）に依存する。式１に示したように、組織の硬さが大きくなると、せん断波の伝搬速度も大きくなる。癌などの病理的状態は、組織の硬さを上昇させ、このため、これらの状態は、伝搬速度を判定することによって診断することができる。たとえば、せん断波の伝搬速度は、組織の状態に応じて１ｍ／ｓから１０ｍ／ｓまで変動し得る。

せん断波は組織の動き（またはモーション）を特徴とし得るので、せん断波は、超音波ドップラ技術によって検出することができる（たとえば、米国特許第４５７３４７７号、米国特許第４６２２９７７号、米国特許第４６４１６６８号、米国特許第４６５１７４２号、米国特許第４６５１７４５号、米国特許第４７５９３７５号、米国特許第４７６６９０５号、米国特許第４７６８５１５号、米国特許第４７７１７８９号、米国特許第４７８０８３７号、米国特許第４７９９４９０号、および米国特許第４９６１４２７号参照）。この組織の動き（モーション）を検出するために、超音波パルスが組織に複数回送られ、超音波が組織内の散乱体により散乱され、受信超音波信号として超音波振動子によって受信される。超音波アレイ振動子から受信した超音波信号は、集束および偏向するために遅延および／または位相回転を適用した後、フィルタリング、増幅、デジタル化、アポダイズ、およびビーム形成（すなわち、加算される）が行われる。これらの処理ステップの順序は入替え可能である。ビーム形成された受信ＲＦ超音波信号は、直交復調（直交検波）を受け、複素ドップラＩ−Ｑ信号になる。カラードップラ技術において、超音波は、パルス繰返し周波数（ＰＲＦにおいて）で送信され、速度は、受信した超音波信号における周波数の偏移（ドップラ偏移周波数）として検出される。受信した超音波は、送信された超音波周波数と同じ周波数の同相（０度）および直角（９０度）の参照信号と混合され、複素Ｉ−Ｑドップラ信号になる。

ドップラ偏移周波数と血流速度が以下の関係にあるので、一般に、複素Ｉ−Ｑ信号は、ドップラ偏移周波数を得るために使用される。

式中、Δｆはドップラ偏移周波数であり、ｆ_ｔは送信周波数であり、ｖは血流速度であり、θは、超音波ビーム方向と速度ベクトルの間の角度であり、ｃ_ｓは音の速さである。したがって、ドップラ偏移周波数は、速度方向と超音波ビーム方向の間の角度に依存し、超音波カラードップラ装置で取得できる測定値である。

カラードップラの場合、標本化信号の数は、数個に限定されている可能性がある。したがって、自己相関技術は、通常、以下のように、Ｉ−Ｑ信号間の位相差を判定し、次いでドップラ偏移周波数および速度を判定するために使用される。カラードップラのＩ−Ｑ信号ｚ（ｍ）＝ｘ（ｍ）＋ｊｙ（ｍ）は、以下の式に示したように、「自己相関」ｒを計算するために使用され、式中、ｚ（ｍ）は複素Ｉ−Ｑドップラ信号であり、ｘ（ｍ）は同相（実）信号であり、ｙ（ｍ）は直角位相（虚）信号であり、ｍは信号番号を示し、ｊは虚数単位であり、＊は複素共役を示す。

ｒの実数の（Ｒｅａｌ（ｒ））部分および虚数の（Ｉｍａｇ（ｒ））部分は、以下の式に示したように、位相φを得るために使用される。

ｔａｎ^−１は、通常は−０．５πから０．５πの値しかとらないので、複素座標における複素数値ｒの位置は、−πからπの範囲におけるφを導出するために使用することもできる。位相（すなわち、カラードップラ位相）φは、次いで、以下の式に示したようにドップラ偏移周波数に関係付けられる。

したがって、受信した複素ベースバンド超音波信号間の自己相関ｒは、組織の速度または動きを検出するために取得する。

組織の動きは、組織領域における横方向の複数の点において（たとえば、図５における５４０、５４５、５５０）、複数の超音波ビームによって、動きを監視するために検出される。この動きは、横方向の複数の点（または複数の超音波ビーム）におけるせん断波の活動を反映する。結果的に、横方向のせん断波の伝搬速度は、検出された組織の動きから判定することができる。

別法として、図１３に示したように、せん断波は、強い超音波パルスによって生じる音響放射力が引き起こす組織変位を測定することによって、検出することができる。組織１３１０は、音響放射線が照射される前は位置１３２０にあり、次いで、音響放射力が照射された後、位置１３３０に移動する。強い超音波パルスによって引き起こされる組織変位を測定するために、超音波パルスは超音波振動子１３０５から組織に送信され、次いで、超音波パルスは組織内の散乱体から散乱され、振動子１３０５に戻り、受信超音波信号として振動子１３０５によって受信される。超音波パルスは、得られる受信超音波信号の信号対雑音比を非集束超音波パルスと比較して高めるために、ある深さに集束される。組織から受信した超音波信号の相関を使用することで、音響放射力による組織１３１０の（位置１３２０から位置１３３０への）変位１３４０を得ることができ、また組織１３１０をその後トラッキングすることができる。それによって、超音波パルスは、せん断波が音響放射力によって生成された後、せん断波をトラッキングすることができる。

音響放射力が照射される前に、第１の超音波パルスから得られ、組織１３１０から受信した超音波信号は、音響放射力が照射された後の第２の超音波パルスから得られる受信超音波信号と、受信超音波信号間の最適なマッチングを求めるために、相互相関される。音響放射力による組織および組織の変位をトラッキングするために、最大相関値を求めて、最適なマッチングを求める。したがって、組織の変位が観測または測定されたとき、せん断波が検出される。変位と組織の速度は、変位が、組織の速度ｖ_Ｓの時間積分値∫ｖ_Ｓｄｔである点で関連し得る。したがって、組織の変位は、カラードップラ速度の時間積分を計算することによって得ることができる。受信超音波信号は、ＲＦ（無線周波数）信号、ＩＦ（中間周波数）信号または復調後のベースバンド信号であり得る。別法として、変位は、組織の歪みを得るためにさらに微分してもよく、これは次いでせん断波の伝搬速度を検出するために使用することができる。

上記各段落における信号の相互相関ＣＣ（ｔ、τ）は、以下のように数式で表すことができる。

式中、ＣＣ（ｔ、τ）：相互相関、Ｓ_１（ｔ’）：第１の超音波送信から受信した信号、Ｓ_２（ｔ’−τ）：第２の超音波送信から受信した超音波信号、Ｗ：窓長、ｔ：時間、ｔ’：時間、τ：時間変位（ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）である。最大の相互相関（または最適なマッチング）をもたらす時間変位値τで、組織の変位は判定される。空間分解能を高めるため、補間関数（たとえば３次スプライン）を使って、信号の補間を相互相関前に実施してもよい。

相互相関は、以下のように、差の絶対値の総和（ＳＡＤ、ｓｕｍ ｏｆ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ）、差の２乗の総和（ＳＳＤ、ｓｕｍ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ）、差の絶対値の３乗の総和（ＳＣＤ、ｓｕｍ ｏｆ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｃｕｂｉｃ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ）、または差の絶対値の累乗の総和（ＳＰＤ、ｓｕｍ ｏｆ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｐｏｗｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ）で置き換えることができる。

Ｓ_１は、変位前に第１の超音波送信から受信した超音波信号であり、Ｓ_２は、変位後に第２の超音波送信から受信した超音波信号である。Ｎ：信号窓内の信号の数。ｋ：信号の数による窓の変位であり、τと等価なもの。ｌ：窓の位置。ｐは実数である。ＳＡＤ、ＳＳＤ、ＳＣＤおよびＳＰＤについて、組織の変位は、ＳＡＤ、ＳＳＤ、ＳＣＤおよびＳＰＤのそれぞれの最小値（または最適なマッチング）をもたらすｋの値に基づいて判定される。

図８および図９は、せん断波生成および検出を詳細に示すために使用される。超音波パルスから得られる音響放射力に起因するせん断波の振幅を大きくするために、強い超音波パルス８２０が、超音波振動子８１０、９１０から組織８６０、９６０に１回以上照射される。せん断波は、組織内で極めて迅速に減衰する、したがって、振幅が大きいほど、伝搬距離は長くなる。１つ以上の超音波パルスが、１つの焦点または異なる焦点に集束され得る。超音波パルスは、組織の層を押す音響放射力を生み出し、これが、図９に示すように、主に軸（垂直）方向の組織の動き８３０、９１０になる。組織の層の動き９１０は、隣接する組織の層の主に軸方向の動き９２０、９２５を生じさせる。次いで、今度は組織の層の動き９２０、９２５が、隣の組織の層の動き９３０、９３５を引き起こし、これは次に、隣接する組織の層の動き９４０、９４５を引き起こす。この連続する組織の動きは、図８に示したように、せん断波８４０、８５０の横（水平の）方向の伝搬を表す。音響放射力に起因する組織の動き（またはモーション）は、主に軸方向なので、軸方向のモーションに対して感度の高いカラードップラ技術によってモーションは検出され得る。

たとえば、カラードップラ技術は、複数の超音波パルスを送受信し、受信超音波信号間の位相差を判定し、上記で論じ、また当技術分野で知られている自己相関技術を使用して、組織または血流の速度を計算する。速度に加えて、カラードップラ信号の分散およびパワーもまた計算され得る。動いている組織または血液の従来の表示と同様に、これらのパラメータのうちの１つが、図１０、１１に示したような、せん断波を表示するために使用され得る。せん断波１０４０（１１４０）、１０５０（１１５０）が、ある時間を表すカラードップラフレーム内で判定され、せん断波１０６０（１１６０）、１０７０（１１７０）が、次の瞬間または次のフレームにおいて判定されることが想定されよう。せん断波をトラッキングし、せん断波の伝搬の動画を作り出すために、せん断波についてより多くの画像フレームを取得してもよい。代替形態において、音響放射力による組織の変位を検出しても良い。

図１０および図１１は、２つの時点におけるせん断波の伝搬を示す。矢印１０８０、１０９０で示すように、局所のせん断波の伝搬速度は、２つの時点におけるせん断波の２つの画像を相関させることによって導出することができる。以下のように、局所のせん断波の伝搬速度またはせん断波の伝搬速度の２乗を２次元画像として提示する目的で、より多くのせん断波の画像フレームを、より多くの画像領域においてせん断波の伝搬をトラッキングするために使用してもよい。

第１のフレーム信号Ｓ^１と第２のフレーム信号Ｓ^２の相関係数（ＣＣＶ）は、以下のように、スペックルトラッキングとして取得され得る。

座標系（ｘ、ｙ、ｚ）は、図１５に示したように、超音波振動子１５１０に相対して示されている。エレベーション軸ｙは、図示のためにわずかに異なって示してあるが、図１５の紙に垂直である。

最大相関係数をもたらす変位Ｘ、Ｚによって、正しいスペックルトラッキングおよび距離、ひいては速度（すなわち、ある時間ごとの距離）が決定される。

１Ｄの場合と同様に、相関係数は、以下のように、差の絶対値の総和（ＳＡＤ）、差の２乗の総和（ＳＳＤ）、差の絶対値の３乗の総和（ＳＣＤ）および差の絶対値の累乗の総和（ＳＰＤ）で置き換えることができる。

ｐは実数であり、ｍおよびｎは整数である。２Ｄスペックルトラッキングは、せん断波の伝搬速度およびせん断波の伝搬速度の２乗を得るために、１Ｄスペックルトラッキングによって近似され得る。数式は、変位測定において使用したものと類似している。

別法として、せん断波の方程式（１６）は、以下のように、せん断波の伝搬速度を導出するために使用することができる。

式中、ｉ＝ｘ、ｙ、ｚであり、ρは組織の密度であり、μはせん断弾性率であり、ｕ_ｉは変位ベクトルであり、図１５に示したように、ｘはラテラル座標であり、ｙはエレベション座標であり、ｚは軸座標である。非圧縮性材料について、ヤング率Ｅおよびせん断弾性率μは、以下の関係を有する。

したがって、せん断波の伝搬速度の２乗は、以下の式のように、密度に対するせん断弾性率の比率として得られる。

式１６における変位成分のうちの１つｕ_ｚが、上記の相互相関によって決定され得る。式１６のｚ成分と式１８を組み合わせることによって、せん断波の伝搬速度の２乗および速度が、以下のように得られる。

したがって、せん断波の伝搬速度は、変位の２次時間微分と変位の２次空間微分の比率の平方根として得られる。同様に、せん断波の伝搬速度の２乗は、変位の２次時間微分と変位の２次空間微分の比率として得られる。変位のエレベーション方向の空間微分は、他の空間微分と比較すると無視できると考えられるので、せん断波の伝搬の速度の２乗および速度は、他の測定値から得ることができる。

せん断波を頻繁に、すなわち、速い率またはフレームレートで監視およびトラッキングすることが望ましい。フレームレートを上げるために、図５に示したように、集束した幅広い超音波パルス５２０を送信し、複数の超音波信号５４０、５４５、５５０を同時に受信してもよい。受信した超音波ビームは、せん断波を検出し、せん断波の伝搬特性（すなわち、速度および速度の２乗）を求めるために、上記のように使用される。集束した送信超音波ビーム５２０は、せん断波の検出の間、得られた受信超音波ビームの良好な信号対雑音比を維持するのに特に適していることがある。

いくつかの実施形態において、フレームレートを上げるために図４に示したように、複数の超音波ビーム（パルス）が、組織領域に対して同時に照射および送信され、送信された超音波パルスごとに複数の超音波ビーム（パルス）が受信される。図４において、超音波パルス４２０、４３０が、超音波振動子アレイ４１０から生体組織４８０に対して同時に送信される。送信されたそれぞれの超音波パルス４２０、４３０について、複数の超音波受信信号４４０、４４５、４６５、４６０、４６５、４７０が同時に受信される。複数の超音波パルスは、同時またはほぼ同時に送信され得る。複数の超音波パルスは、同時に送信され得る。あるいは、第２の超音波パルスは、第１の超音波パルスが送信された後であり、第１の超音波パルスが超音波領域の最深部から超音波振動子に戻ってくる前に送信されてもよい。この送信方法は、フレームレートを上昇させる。

図４は、２つの同時に送信された超音波パルスの例を示すが、３つ以上の送信された超音波パルスもまた使用することができる。いくつかの実施形態において、複数の同時超音波信号をより良く分離するために、コード化超音波波形を送信してもよい。たとえば、チャープ符号（chirp codes）、バーカー符号（Barker codes）、ゴレイ符号（Golay codes）またはアダマール符号（Hadamard codes）が、超音波パルスをより良く分離するために使用され得る。また、受信した信号は、複数の点における組織の動きを判定するために、前記の方法を使用して分析され、せん断波の伝搬特性はそこから導出される。

せん断波の画像は、画像領域の複数点において検出されたモーション（または速度）に基づいて作り出すことができる。続く超音波の送受信シーケンスは、複数の時点におけるせん断波の複数の画像を作り出すことができる。次いで、せん断波の画像間の相関が、上記で論じたように、せん断波の伝搬速度および速度の２乗を取得するために計算される。別法として、音響放射力に起因する組織の変位が判定され、せん断波の伝搬速度が、変位の２次時間微分と変位の２次空間微分の間の比率の平方根として算出される。同様に、せん断波の伝搬速度の２乗が、変位の２次時間微分と変位の２次空間微分の間の比率として算出される。

いくつかの実施形態において、検出されたせん断波の伝搬速度（ｃ）が表示され得る。いくつかの実施形態において、検出されたせん断波の伝搬速度の２乗（ｃ^２）が表示され得る。伝搬速度の２乗（ｃ^２）は、伝搬速度（ｃ）よりも、式１に示したようにヤング率またはせん断弾性率とより密接に関係していて、有利になり得る。したがって、伝搬速度の２乗（ｃ^２）が、実際の硬さの効率的な代わりになり得る。いくつかの実施形態において、伝搬速度の２乗（ｃ^２）は３を乗じた後、表示され得る。組織密度が１ｇ／ｃｍ^３に近い場合、この数字（すなわち、３ｃ^２）は、実際のヤング率に近い可能性がある。いくつかの実施形態において、任意の実数（ｂ）と伝搬速度の２乗（ｃ^２）の積（ｂｃ^２）が表示され得る。組織密度は未知であり、推定しなければならないので、実際の硬さの判定は難しく、また誤りやすい。

色分け技術、グレースケール技術、またはグラフィカルコード化技術は、せん断波の伝搬特性（すなわち、速度ｃまたは速度の２乗ｃ^２）をユーザに提示するために使用することができる。いくつかの実施形態において、組織内のせん断波の伝搬速度の２乗（ｃ^２）は、カラーの２次元画像に表示される。いくつかの実施形態において、グラフィカルコード化および／または２次元画像は、伝搬速度ｃまたは速度の２乗ｃ^２を表すために使用することもあり得る。

せん断波の伝搬速度の２乗ｃ^２の小さい値は、赤色を使用してコード化することができ、一方、ｃ^２の大きい値は、青色を使用してコード化することができる。たとえば、図６は、赤色の組織領域が、小さいｃ^２の値（たとえば、１ｍ^２／ｓ^２）と関連付けられたせん断波を含み、青色の組織領域が、大きいｃ^２の値（たとえば、１００ｍ^２／ｓ^２）と関連付けられたせん断波を含むことを示した凡例を示す。各実施形態は、色に基づいたコード化に限定されない。組織内のせん断波の伝搬特性の画像は、グレースケールまたはグラフィックパターン（たとえば、垂直線、水平線、陰影、異なる密度のドットパターンなど）と色の任意の組合せを使用してコード化することができる。

伝搬速度の２乗（ｃ^２）を判定した後、ｃ^２は、図６に示したように、色波長に対して線形にコード化される。たとえば、組織領域内のｃ^２が、５０ｍ^２／ｓ^２であると判定された場合、組織領域は黄色６３０を使用して表示され得る。

別法として、せん断波の伝搬速度の２乗（ｃ^２）の色分けは、図７に示したように定義してもよい。せん断波の伝搬速度の２乗の小さい値に関連付けられた組織領域は、青色７１０として表示することができ、一方、速度の２乗の大きい値に関連付けられた領域は、赤色７２０として表示することができる。別の色分け方法が、せん断波の伝搬速度の２乗（ｃ^２）または速度ｃを表すために使用されてもよい。たとえば、色分けは、色調、輝度、およびその他の色の特徴に基づくことができる。色分けされたスケールは、図６、７に示したものとは異なるせん断波の伝搬速度の２乗または速度の最大値および最小値を表すことができる。この点については、図６および図７における速度の２乗の最大値１００ｍ^２／ｓ^２および速度の２乗の最小値１ｍ^２／ｓ^２は、例示のためでしかなく、特許請求の範囲の限定はしない。コード化スケールの最大値または最小値は他の値をとることができる。

赤色、緑色および青色（ＲＧＢ）の値に基づいた色分けが、図１４に示したように、せん断波の伝搬速度ｃまたは速度の２乗（ｃ^２）を表すために使用され得る。この例（図１４）において、組織内のせん断波の伝搬速度の２乗（ｃ^２）は、ＲＧＢ値１４２０、１４３０および１４４０に基づいた色分けバー１４１０に従って表される。この例では、せん断波の伝搬速度の２乗は、色分けバー１４１０における２５６色で表されるように、２５６の値をとることが出来る。速度の２乗ｃ^２の最小値（０）１４１２は、Ｒ（０）１４２２、Ｇ（０）１４３２およびＢ（０）１４４２の組合せで構成される色によって表される。速度の２乗ｃ^２の中間値（１２７）１４１５は、Ｒ（１２７）１４２５、Ｇ（１２７）１４３５およびＢ（１２７）１４４５の組合せで構成される色によって表現される。速度の２乗ｃ^２の最大値（２５５）１４１８は、Ｒ（２５５）１４２８、Ｇ（２５５）１４３８およびＢ（２５５）１４４８の組合せで構成される色で表現される。この例では、Ｒ（２５５）は、赤色指標２５５に関連付けられた赤色のみを示し、最も輝度が大きい赤色である赤色値２５５を必ずしも示すわけではない。同様に、Ｇ（２５５）は、緑色指標２５５に関連付けられた緑色を示し、Ｂ（２５５）は、青色指標２５５に関連付けられた青色を示す。

別法として、赤色、緑色、青色および黄色が、色分けバーを定義するために使用され得る。別法として、色調ベースの色分けバーが使用され得る。

図１２は、人体の軟部組織（たとえば乳房）内のせん断波の伝搬速度の２乗ｃ^２を表示する色分けされた画像１２６０の例を表す。色コード１２１０（すなわち赤色を表すが、この白黒文書内では白で表示する）が、せん断波の伝搬速度の２乗の小さい値を表し、色コード１２２０（すなわち青色を表すが、この白黒文書内では斜線で表示する）が、せん断波の伝搬速度の２乗のより大きい値を表す色分けスケール１２５０を示してある。

色分けスケール１２５０に基づくと、色分けされた画像１２６０は、伝搬速度の２乗ｃ^２の大きい値の領域１２８０を含むことが分かる。せん断波の伝搬速度の２乗ｃ^２はヤング率に比例するので、領域１２８０に対応する組織領域は硬いものと見込まれる。腫瘍は一般に硬いので、画像１２６０は、病理的状態を示している可能性がある。

色分け方法は、伝搬速度の２乗の大きな値を有するせん断波を含む領域と、伝搬速度の２乗の小さい値を有するせん断波を含む他の領域との間の効率的な区別をもたらす。したがって、色分け方法は、軟部組織領域内の硬い組織の領域の効率的な識別を可能にする。せん断波の伝搬速度または速度の２乗を表示する画像は、たとえばＢモード画像、またはＢモード画像とカラードップラ画像を組み合わせたもの、および／またはスペクトルドップラ画像といった通常の超音波画像と組み合わせても（たとえば、重畳しても）よい。別法として、せん断波の伝搬速度の２乗または速度は、数値的に表示されてもよい。いくつかの実施形態において、せん断波の伝搬速度の２乗は、グレースケールで表示するか、または色以外のパターンを使用するものなどの、他のグラフィックコード化方法に基づいてもよい。たとえば、グレースケールコード化方法を使用して、小さいせん断波の伝搬速度またはせん断波の伝搬速度の２乗の小さい値は、黒または濃いグレーで表示されてもよく、一方で、大きいせん断波の伝搬速度またはせん断波の伝搬速度の２乗の大きい値は、薄いグレーまたは白で表示されてもよい。

図３は、Ｂモード画像、ドップラスペクトルおよびカラードップラ画像による、従来の超音波診断画像装置の図を示す。装置は、たとえば弾性画像、３Ｄ画像、リアルタイム３Ｄ画像、組織ドップラ画像、組織ハーモニック画像、コントラスト画像などの、その他の画像モードを有していてもよい。超音波信号は、送受信スイッチ３２０を介して送信機／送信ビームフォーマ３１０によって駆動された超音波プローブ３３０から送信される。プローブ３３０は、送信超音波ビームが集束および偏向されるように、送信機／送信ビームフォーマ３１０によって、異なる時間遅延で別々に駆動される超音波振動子素子のアレイからなっていてもよい。受信ビームフォーマ３４０は、スイッチ３２０を介してプローブ３３０からの受信超音波信号を受信し、信号３２５を処理する。受信ビームフォーマ３４０は、遅延および／または位相を信号に加え、得られた信号は、受信した超音波ビームの集束および偏向のために加算される。受信ビームフォーマ３４０は、アポダイゼーション、増幅およびフィルタリングを適用してもよい。

処理された信号３４５は、ドップラスペクトルプロセッサ３５０、カラードップラプロセッサ３６０、およびＢモード画像プロセッサ３７０に結合される。ドップラスペクトルプロセッサ３５０は、ドップラ信号プロセッサおよびスペクトル解析器を備え、ドップラフロー速度信号を処理し、ドップラスペクトル３５５を算出および出力する。カラードップラプロセッサ３６０は、受信した信号３４５を処理し、速度、パワーおよび分散信号３６５を算出および出力する。Ｂモード画像プロセッサ３７０は、受信した信号３４５を処理し、振幅検出により、Ｂモード画像３７５または信号の振幅を算出および出力する。

ドップラスペクトル信号３５５、カラードップラプロセッサ信号（速度、パワー、および分散）３６５およびＢモードプロセッサ信号３７５は、信号をスキャン変換信号に変換するスキャンコンバータ３８０に結合される。スキャンコンバータ３８０の出力は、超音波画像を表示するためのディスプレイモニタ３９０に結合される。

図２は、いくつかの実施形態による、せん断波プロセッサ２９５を備える超音波画像装置の要素の図を示す。図２の超音波装置は、強い超音波パルスを生体組織に送信して、生体組織を押す音響放射力を生み出す。生体組織が押された後、せん断波が生成され、組織内を伝搬する。次いで、せん断波が生体組織内を伝搬する際に、せん断波をトラッキングするために、超音波装置は、超音波パルスを送受信する。受信ビームフォーマ２４０は、複数の受信超音波ビームを同時に形成する事ができる。同様に、送信機／送信ビームフォーマ２１０は、複数の送信超音波ビームを同時に形成する事ができる。受信ビームフォーマ２４０から受信した超音波信号は処理されて、上記のように、組織の変位、ドップラ速度、相関、せん断波の伝搬速度および／またはせん断波の伝搬速度の２乗が得られる。せん断波プロセッサ２９５は、上記のせん断波処理方法を実施することができる。せん断波プロセッサ２９５は、受信ビームフォーマ２４０からの出力２４５を受信する。出力２９７は、せん断波速度データまたは他のせん断波特性を含む。たとえば、せん断波プロセッサ２９５は、伝搬速度またはせん断波の伝搬速度の２乗を、スキャンコンバータ２８０に出力し、せん断波の伝搬速度またはせん断波の伝搬速度の２乗を表現するものが、Ｂモード画像、カラードップラ画像またはスペクトルドップラ画像とともにディスプレイモニタに出力される。

せん断波プロセッサ２９５は、汎用の中央処理装置（ＣＰＵ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）および／または個別の電子デバイスを備えていてもよい。

図２は、いくつかの実施形態による論理構造を表しており、実際の実装は、別のやり方で構成したより多くのまた異なる要素を含み得る。他のトポロジを他の実施形態とともに使用してもよい。さらに、図２の装置の各要素は、任意の数の演算デバイスによって、任意の数の他の公衆および／または私的ネットワークを介して互いに通信して実装されてもよい。そのような演算デバイスの２つ以上が、互いに離れたところに位置していてもよく、（１つ以上の）ネットワークおよび／または専用の接続のうちの任意の知られている方法によって互いに通信してもよい。装置は、本明細書に記載の機能とともに任意の他の機能を提供するのに適切な、任意の数のハードウェアおよび／またはソフトウェア要素を含み得る。たとえば、図２の装置の実装において使用される任意の演算デバイスは、演算デバイスが、本明細書に記載するように動作するようにプログラムコードを実行するためのプロセッサを含み得る。

本明細書で論じたすべての装置および処理は、１つ以上の一時的でないコンピュータ可読媒体に格納されたプログラムコードにおいて実現され得る。そのような媒体には、たとえば、フロッピー(登録商標)ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、Ｂｌｕ−ｒａｙディスク、フラッシュドライブ、磁気テープ、およびソリッドステートのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または読取り専用メモリ（ＲＯＭ）などのストレージユニットが含まれ得る。したがって、各実施形態は、ハードウェアおよびソフトウェアの任意の特定の組合せには限定されない。

１つ以上の実施形態を説明してきた。しかしながら、さまざまな変形が当業者には明白であろう。

Claims (48)

1. 第１の超音波パルスを生体組織に照射して、前記生体組織内にせん断波を生成させるステップと、
   集束した超音波パルスを前記生体組織内に送信するステップと、
   前記集束した超音波パルスに応答して生成される、前記生体組織からの１つ以上の超音波信号を受信するステップと、
   前記受信した１つ以上の超音波信号に基づいて、前記生体組織内の前記せん断波を検出するステップと、
   前記検出したせん断波に関連付けられた少なくとも１つの伝搬特性を判定するステップと、
   コード化方法を使用して、前記検出したせん断波に関連付けられた前記少なくとも１つの伝搬特性を表示するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記少なくとも１つのせん断波の伝搬特性が、
   前記検出したせん断波のうちの１つ以上に関連付けられた伝搬速度、および
   実数（ｂ）と前記せん断波の伝搬速度の２乗（ｃ^２）の積（ｂｃ^２）
   のうちの１つ以上を含むことを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記せん断波を検出するステップが、１つ以上の時点において受信した前記超音波信号間の相関、差の絶対値の総和（ＳＡＤ）、差の２乗の総和（ＳＳＤ）、差の絶対値の３乗の総和（ＳＣＤ）または差の絶対値の累乗の総和（ＳＰＤ）を算出するステップを含むことを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、前記少なくとも１つの伝搬特性を判定するステップが、１つ以上の時点において検出した前記せん断波間の相関、差の絶対値の総和（ＳＡＤ）、差の２乗の総和（ＳＳＤ）、差の絶対値の３乗の総和（ＳＣＤ）または差の絶対値の累乗の総和（ＳＰＤ）を算出するステップを含むことを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、第１の集束した超音波パルスを送信した後であり、前記第１の集束した超音波パルスが超音波領域の最深部から振動子に戻ってくる前に、第２の集束した超音波パルスを前記振動子から送信するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、前記送信された集束した超音波パルスが、コード化された波形信号を含むことを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、前記コード化された波形信号が、チャープ符号、バーカー符号、ゴレイ符号またはアダマール符号のうちの１つを含むことを特徴とする方法。
8. 請求項１に記載の方法であって、前記コード化方法が、色分け、グレースケールコード化または数値表示を含むことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記色分けが、ＲＧＢ（赤、緑、青）値、ＲＧＢＹ（赤、緑、青、黄）値、色調、輝度、波長またはカラーチャートに基づくことを特徴とする方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、前記せん断波を検出するステップが、前記生体組織の変位を判定するステップを含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１に記載の方法であって、前記せん断波を検出するステップが、カラードップラ技術を使用して前記生体組織の速度を判定するステップを含むことを特徴とする方法。
12. 請求項２に記載の方法であって、前記せん断波の伝搬速度が、前記生体組織の変位の２次時間微分と、前記生体組織の変位の２次空間微分との間の比率の平方根に基づいて算出されることを特徴とする方法。
13. 請求項２に記載の方法であって、前記せん断波の伝搬速度の２乗が、前記生体組織の変位の２次時間微分と、前記生体組織の変位の２次空間微分との間の比率に基づいて算出されることを特徴とする方法。
14. 請求項１０に記載の方法であって、前記生体組織の変位を判定するステップが、組織のカラードップラ速度の時間積分値を算出するステップを含むことを特徴とする方法。
15. 請求項１に記載の方法であって、前記第１の超音波パルスを照射するステップが、複数の超音波パルスを前記生体組織に照射して、前記生体組織内にせん断波を生成させるステップを含み、
    前記複数の超音波パルスのそれぞれが、異なる焦点に集束することを特徴とする方法。
16. 請求項１に記載の方法であって、前記集束した超音波パルスを送信するステップが、複数の集束した超音波パルスを、前記生体組織内に２回以上送信するステップを含み、
    前記１つ以上の超音波信号が、１つ以上の時点において前記生体組織から受信されることを特徴とする方法。
17. プロセッサが実行可能なプログラムコードを記憶した一時的でない媒体であって、
    第１の超音波パルスを生体組織に照射して、前記生体組織内にせん断波を生成させること、
    集束した超音波パルスを前記生体組織内に送信すること、
    前記集束した超音波パルスに応答して生成される、前記生体組織からの１つ以上の超音波信号を受信すること、
    前記受信した１つ以上の超音波信号に基づいて、前記生体組織内の前記せん断波を検出すること、
    前記検出したせん断波に関連付けられた少なくとも１つの伝搬特性を判定すること、および
    コード化媒体を使用して、前記検出したせん断波に関連付けられた前記少なくとも１つの伝搬特性を表示すること
    を行うように、前記プログラムコードがデバイスによって実行可能であることを特徴とする媒体。
18. 請求項１７に記載の媒体であって、前記少なくとも１つのせん断波の伝搬特性が、
    前記検出したせん断波のうちの１つ以上に関連付けられた伝搬速度、および
    実数（ｂ）と前記せん断波の伝搬速度の２乗（ｃ^２）の積（ｂｃ^２）
    のうちの１つ以上を含むことを特徴とする媒体。
19. 請求項１７に記載の媒体であって、前記せん断波の検出が、１つ以上の時点において受信した前記超音波信号間の相関、差の絶対値の総和（ＳＡＤ）、差の２乗の総和（ＳＳＤ）、差の絶対値の３乗の総和（ＳＣＤ）または差の絶対値の累乗の総和（ＳＰＤ）の算出を含むことを特徴とする媒体。
20. 請求項１７に記載の媒体であって、前記少なくとも１つの伝搬特性の判定が、１つ以上の時点において検出した前記せん断波間の相関、差の絶対値の総和（ＳＡＤ）、差の２乗の総和（ＳＳＤ）、差の絶対値の３乗の総和（ＳＣＤ）または差の絶対値の累乗の総和（ＳＰＤ）の算出を含むことを特徴とする媒体。
21. 請求項１７に記載の媒体であって、第１の集束した超音波パルスを送信した後であり、前記第１の集束した超音波パルスが超音波領域の最深部から振動子に戻ってくる前に、第２の集束した超音波パルスを前記振動子から送信することをさらに含むことを特徴とする媒体。
22. 請求項１７に記載の媒体であって、前記送信された集束した超音波パルスが、コード化された波形信号を含むことを特徴とする媒体。
23. 請求項２２に記載の媒体であって、前記コード化された波形信号が、チャープ符号、バーカー符号、ゴレイ符号またはアダマール符号のうちの１つを含むことを特徴とする媒体。
24. 請求項１７に記載の媒体であって、前記コード化媒体が、色分け、グレースケールコード化または数値表示を含むことを特徴とする媒体。
25. 請求項２４に記載の媒体であって、前記色分けが、ＲＧＢ（赤、緑、青）値、ＲＧＢＹ（赤、緑、青、黄）値、色調、輝度、波長またはカラーチャートに基づくことを特徴とする媒体。
26. 請求項１７に記載の媒体であって、前記せん断波の検出が、前記生体組織の変位の判定を含むことを特徴とする媒体。
27. 請求項１７に記載の媒体であって、前記せん断波の検出が、カラードップラ技術を使用した前記生体組織の速度の判定を含むことを特徴とする媒体。
28. 請求項１８に記載の媒体であって、前記せん断波の伝搬速度が、前記生体組織の変位の２次時間微分と、前記生体組織の変位の２次空間微分との間の比率の平方根に基づいて算出されることを特徴とする媒体。
29. 請求項１８に記載の媒体であって、前記せん断波の伝搬速度の２乗が、前記生体組織の変位の２次時間微分と、前記生体組織の変位の２次空間微分との間の比率に基づいて算出されることを特徴とする媒体。
30. 請求項２６に記載の媒体であって、前記生体組織の変位の判定が、組織のカラードップラ速度の時間積分値の算出を含むことを特徴とする媒体。
31. 請求項１７に記載の媒体であって、前記第１の超音波パルスを照射することが、複数の超音波パルスを前記生体組織に照射して、前記生体組織内にせん断波を生成させることを含み、
    前記複数の超音波パルスのそれぞれが、異なる焦点に集束することを特徴とする媒体。
32. 請求項１７に記載の媒体であって、前記集束した超音波パルスを送信することが、複数の集束した超音波パルスを、前記生体組織内に２回以上送信することを含み、
    前記１つ以上の超音波信号が、１つ以上の時点において前記生体組織から受信されることを特徴とする媒体。
33. 装置であって、
    プロセッサが実行可能なプログラムコードを記憶したメモリと、
    第１の超音波パルスを生体組織に照射して、前記生体組織内にせん断波を生成させること、
    集束した超音波パルスを前記生体組織内に送信すること、
    前記集束した超音波パルスに応答して生成される、前記生体組織からの１つ以上の超音波信号を受信すること、
    前記受信した１つ以上の超音波信号に基づいて、前記生体組織内の前記せん断波を検出すること、
    前記検出したせん断波に関連付けられた少なくとも１つの伝搬特性を判定すること、および
    コード化装置を使用して、前記検出したせん断波に関連付けられた前記少なくとも１つの伝搬特性を表示すること
    を前記装置に実施させるために、プロセッサが実行可能な前記プログラムコードを実行するためのプロセッサと
    を備えることを特徴とする装置。
34. 請求項３３に記載の装置であって、前記少なくとも１つのせん断波の伝搬特性が、
    前記検出したせん断波のうちの１つ以上に関連付けられた伝搬速度、および
    実数（ｂ）と前記せん断波の伝搬速度の２乗（ｃ^２）の積（ｂｃ^２）
    のうちの１つ以上を含むことを特徴とする装置。
35. 請求項３３に記載の装置であって、前記せん断波の検出が、１つ以上の時点において受信した前記超音波信号間の相関、差の絶対値の総和（ＳＡＤ）、差の２乗の総和（ＳＳＤ）、差の絶対値の３乗の総和（ＳＣＤ）または差の絶対値の累乗の総和（ＳＰＤ）の算出を含むことを特徴とする装置。
36. 請求項３３に記載の装置であって、前記少なくとも１つの伝搬特性の判定が、１つ以上の時点において検出した前記せん断波間の相関、差の絶対値の総和（ＳＡＤ）、差の２乗の総和（ＳＳＤ）、差の絶対値の３乗の総和（ＳＣＤ）または差の絶対値の累乗の総和（ＳＰＤ）の算出を含むことを特徴とする装置。
37. 請求項３３に記載の装置であって、前記プロセッサが、
    第１の集束した超音波パルスを送信した後であり、前記第１の集束した超音波パルスが超音波領域の最深部から振動子に戻ってくる前に、第２の集束した超音波パルスを前記振動子から送信すること
    を前記装置に実施させるために、プロセッサが実行可能な前記プログラムコードをさらに実行することを特徴とする装置。
38. 請求項３３に記載の装置であって、前記送信された集束した超音波パルスが、コード化された波形信号を含むことを特徴とする装置。
39. 請求項３８に記載の装置であって、前記コード化された波形信号が、チャープ符号、バーカー符号、ゴレイ符号またはアダマール符号のうちの１つを含むことを特徴とする装置。
40. 請求項３３に記載の装置であって、前記コード化装置が、色分け、グレースケールコード化または数値表示を含むことを特徴とする装置。
41. 請求項４０に記載の装置であって、前記色分けが、に基づいてＲＧＢ（赤、緑、青）値、ＲＧＢＹ（赤、緑、青、黄）値、色調、輝度、前記波長またはカラーチャートに基づくことを特徴とする装置。
42. 請求項３３に記載の装置であって、前記せん断波の検出が、前記生体組織の変位の判定を含むことを特徴とする装置。
43. 請求項３３に記載の装置であって、前記せん断波の検出が、カラードップラ技術を使用した前記生体組織の速度の判定を含むことを特徴とする装置。
44. 請求項３４に記載の装置であって、前記せん断波の伝搬速度が、前記生体組織の変位の２次時間微分と、前記生体組織の変位の２次空間微分との間の比率の平方根に基づいて算出されることを特徴とする装置。
45. 請求項３４に記載の装置であって、前記せん断波の伝搬速度の２乗が、前記生体組織の変位の２次時間微分と、前記生体組織の変位の２次空間微分との間の比率に基づいて算出されることを特徴とする装置。
46. 請求項４２に記載の装置であって、前記生体組織の変位の判定が、組織のカラードップラ速度の時間積分値の算出を含むことを特徴とする装置。
47. 請求項３３に記載の装置であって、前記第１の超音波パルスを照射することが、複数の超音波パルスを前記生体組織に照射して、前記生体組織内にせん断波を生成させることを含み、
    前記複数の超音波パルスのそれぞれが、異なる焦点に集束することを特徴とする装置。
48. 請求項３３に記載の装置であって、前記集束した超音波パルスを送信することが、複数の集束した超音波パルスを、前記生体組織内に２回以上送信することを含み、
    前記１つ以上の超音波信号が、１つ以上の時点において前記生体組織から受信されることを特徴とする装置。

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