JP2018535789A - イメージング方法、前記方法を実施する装置、コンピュータプログラム、およびコンピュータ可読記憶媒体 - Google Patents

イメージング方法、前記方法を実施する装置、コンピュータプログラム、およびコンピュータ可読記憶媒体 Download PDF

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Abstract

変換器のアレイ(2)によって媒体の内部の領域の画像を生成し、媒体の内部の複数の波の送信ステップ(201)と、一連のデータを獲得する受信ステップ(202)と、様々な送信重み付けベクトルに応答して、複数のビーム形成されたピクセル値を提供するビーム形成ステップ(203)と、ビーム形成されたピクセル値を結合して、画像の各ピクセルのピクセル値とする結合ステップ(204)とを含む、イメージング方法。送信重み付けベクトル(WTn)は互いに異なり、また互いに直交する。

Description

本発明は、特に医用画像診断向けの、イメージング方法および前記方法を実施する装置に関する。
本発明は、より正確には、媒体の内部の領域の画像を生成するイメージング方法、またより正確には超音波イメージング方法に関する。
方法は、前記媒体と関連する変換器のアレイに接続された処理装置によって実施される。
入射波に応答して反射波によって生成されるこの種の画像は、多くの場合、関心領域からの反射波にある不規則な変動に対応するスペックルノイズを含む。このスペックルノイズによって画像の解析が困難になる。
画像はそれぞれ複数の画像のうち別の画像とは異なるスペックルノイズを有するので、複数の画像を平均化することによってスペックルノイズを低減させることができる。
最終的に、異なる角度から領域を観察することによって(空間合成)、または信号周波数を変化させることによって(周波数合成)、平均化のための画像を得ることができる。
最終的に、平均化画像が得られるように、複数の異なる受信重み付けベクトル(receive weighting vectors)を受信ビーム形成に適用することができる。
しかしながら、これらの方法は全て、行うべき獲得の数を増加させ、フレーム率を低減させ、場合によっては生成される画像の解像度を低減させる。
米国特許第6,551,246号 米国特許出願公開第2009/0234230号
「The van Cittert-Zernike theorem in pulse echo measurements」、Raoul Mallart and Mathias Fink、J. Acoust. Soc. Am. 90(5)、November 1991 J. A. Jensen、S. I. Nikolov、K. L. Gammelmark、M. H. Pedersen、「Synthetic Aperture Ultrasound Imaging」、Ultrasonics 44、e5-e15、2006 J. Kortbek、J. A. Jensen、K. L. Gammelmark、「Synthetic Aperture Sequential Beamforming」、IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings、p.p. 966-969、2008 M. Couade、M. Pernot、M. Tanter、E. Messas、A. Bel、M. Ba、A.-A. Hagege、M. Fink、「Ultrafast Imaging of the Heart Using Circular Wave Synthetic Imaging with Phased Arrays」、IEEE Ultrason. Symposium、pp. 515-518、2009
本発明の1つの目的は、スペックルノイズが低減され、従来技術の方法の欠点を有さない、媒体の内部の領域の画像を生成する、別のイメージング方法を提供することである。
この目的のため、方法は、
(a)第1の複数の波が変換器によって媒体の内部で送信される送信ステップ、
(b)波に応答して前記変換器によって一連のデータが獲得される受信ステップ、
(c)画像の少なくとも一部分のビーム形成されたピクセル値を提供する、第2の複数のビーム形成プロセスによって一連のデータが処理されるビーム形成ステップであって、ならびに、各ビーム形成プロセスが、送信重み付けベクトルを用いて発生させた波に対応する一連のデータを使用するか、またはビーム形成されたピクセル値の計算において送信重み付けベクトルを使用する、ステップ、ならびに
(d)前記第2の複数におけるビーム形成されたピクセル値が結合されて、画像内部のピクセルのピクセル値を提供する結合ステップを含み、
送信重み付けベクトルは互いに異なり、また互いに直交する。
これらの特徴のおかげで、各送信重み付けベクトルは相関のないスペックルノイズを発生させ、重み付けられたデータの結合によって、スペックルノイズが低減した領域の画像を算出することが可能になる。
イメージング方法の様々な実施形態では、以下の特徴の1つまたは複数が任意に組み込まれてもよい。
方法の一態様によれば、
送信ステップ(a)の間、各送信重み付けベクトルが波を発生させるのに使用され、
ビーム形成ステップ(c)の間、ビーム形成プロセスは、ビーム形成されたピクセル値が次式によって計算される従来のビーム形成である。
Figure 2018535789
式中、
DS(k, l, m)は一連のデータの行列、
WRは受信重み付けベクトル、
τ(x, z, l)はビーム形成プロセスに適合された遅延関数、
lはラインをビーム形成する開口l1およびl2の間に含まれる、アレイ2の変換器の指数、
x, zは画像内部のピクセルの座標である。
方法の一態様によれば、送信重み付けベクトルはビーム形成ステップ(c)の間に適用され、
ビーム形成ステップ(c)の間、ビーム形成プロセスは、ビーム形成されたピクセル値が次式によって計算される合成ビーム形成である。
Figure 2018535789
式中、
DS(k, l, m)は一連のデータの行列、
WRは受信重み付けベクトル、
τ(x, z, l)はビーム形成プロセスに適合された遅延関数、
lはラインをビーム形成する開口l1およびl2の間に含まれる、アレイ2の変換器の指数、
mは1およびMの間に含まれる指数(Mは媒体の内部で送信された波の数である第1の複数)、
WTnは送信重み付けベクトル、
x, zは画像内部のピクセルの座標である。
方法の一態様によれば、合成ビーム形成プロセスは、合成開口法(SAFT)ビーム形成プロセス、仮想変換器SAFTビーム形成プロセス、空間符号化SAFTビーム形成プロセス、円形波合成ビーム形成プロセス、平面波合成ビーム形成プロセスを含むリストで選ばれる。
方法の一態様によれば、画像のピクセル値は、次式によって結合ステップ(d)の間に計算される。
Figure 2018535789
式中、
iは単位複素数の虚数、
nはlおよびNの間に含まれる指数(Nは送信重み付けベクトルの数である第2の複数)、
|X|はXの係数、
HT{X}はXのヒルベルト変換、
Un(x, z)は前記第2の複数のビーム形成されたピクセル値である。
方法の一態様によれば、送信重み付けベクトルは、リーデル-シドレンコ関数(Riedel-Sidorenko function)、離散的な扁長楕円体球関数、およびアダマール関数を含むリストで選ばれる直交関数で決定される。
方法の一態様によれば、変換器は超音波を送信または受信する超音波変換器であり、方法は媒体の内部の領域の超音波画像を生成する。
方法の一態様によれば、更に、
領域の第1の画像が前記処理装置およびアレイによって決定される最初のイメージングステップ、
第1の画像のピクセルに対して測定値が決定される評価ステップ、
測定値が第1の範囲に含まれる場合、画像のピクセル値が、送信重み付きベクトルを使用せずに算出され、測定値が第1の範囲とは異なる第2の範囲に含まれる場合、画像のピクセル値が送信重み付けベクトルを使用して算出され、前記送信重み付けベクトルが互いに異なり互いに直交する、イメージングステップを含む。
方法の一態様によれば、測定値は、有意の反射信号に対応する第1の画像のピクセルを、非有意のスペックル信号に対応する第1の画像のピクセルと区別するために決定される。
方法の一態様によれば、測定値は自己相関関数の計算によって決定される。
方法の一態様によれば、測定値は、10度〜30度の間に含まれる遅れに対する自己相関関数の平均値である。
本発明の別の目的は、前記イメージング方法を実施する装置を提供することである。媒体の内部の領域の画像を生成する前記装置は、前記媒体と関連する変換器のアレイに接続された処理装置を備え、
アレイおよび処理装置は、
(a)第1の複数(M)の波が変換器によって媒体の内部で送信される送信ステップ、
(b)波に応答して前記変換器によって一連のデータが獲得される受信ステップを実施し、
処理装置は、
(c)画像の少なくとも一部分のビーム形成されたピクセル値を提供する、第2の複数のビーム形成プロセスによって一連のデータが処理されるビーム形成ステップであって、各ビーム形成プロセスが、送信重み付けベクトルを用いて発生させた波に対応する一連のデータを使用するか、またはビーム形成されたピクセル値の計算において送信重み付けベクトルを使用する、ステップ、ならびに
(d)前記第2の複数におけるビーム形成されたピクセル値が互いに結合されて、画像の各ピクセルのピクセル値を提供する結合ステップを実施し、
送信重み付けベクトルは互いに異なり、また互いに直交する。
装置の様々な実施形態では、以下の特徴の1つまたは複数が任意に組み込まれてもよい。
装置の一態様によれば、送信重み付けベクトルはビーム形成ステップ(c)の間に適用され、
ビーム形成ステップ(c)の間、ビーム形成プロセスは、ビーム形成されたピクセル値が次式によって計算される合成ビーム形成である。
Figure 2018535789
式中、
DS(k, l, m)は一連のデータの行列、
WRは受信重み付けベクトル、
τ(x, z, l)はビーム形成プロセスに適合された遅延関数、
lはラインをビーム形成する開口l1およびl2の間に含まれる、アレイ2の変換器の指数、
mはlおよびMの間に含まれる指数(Mは媒体の内部で送信された波の数である第1の複数)、
WTnは送信重み付けベクトル、
x, zは画像内部のピクセルの座標である。
装置の一態様によれば、合成ビーム形成プロセスは、合成開口法(SAFT)ビーム形成プロセス、仮想変換器のSAFTビーム形成プロセス、空間符号化SAFTビーム形成プロセス、円形波の合成ビーム形成プロセス、平面波の合成ビーム形成プロセスを含むリストで選ばれる。
装置の一態様によれば、更に、
領域の第1の画像が前記処理装置およびアレイによって決定される最初のイメージングステップ、
第1の画像のピクセルに対して測定値が決定される評価ステップ、
測定値が第1の範囲に含まれる場合、画像のピクセル値が、送信重み付きベクトルを使用せずに算出され、測定値が前記第1の範囲とは異なる第2の範囲に含まれる場合、画像のピクセル値が送信重み付けベクトルを使用して算出され、前記送信重み付けベクトルが互いに異なり互いに直交する、イメージングステップを実施する。
本発明の別の目的は、プログラムがコンピュータによって実行されると上述のイメージング方法のステップを実行する命令を含む、コンピュータプログラムを提供することである。
本発明の別の目的は、プログラムがコンピュータによって実行されると上述のイメージング方法のステップを実行する命令を含む、コンピュータプログラムが格納された、コンピュータ可読媒体を提供することである。
本発明の他の特徴および利点は、非限定例として与えられるその実施形態のうち2つの以下の詳細な説明を、添付図面を参照して読むことによって明白となるであろう。
本発明の一実施形態による超音波イメージング装置を示す概略図である。 図1の装置の一部を示すブロック図である。 図1の装置で実施される、本発明によるイメージング方法の第1の例を示す図である。 図1の装置で実施される、本発明によるイメージング方法の第2の例を示す図である。 リーデル-シドレンコ関数に対応する、互いに直交する3つの送信重み付けベクトルの第1の例を示す図である。 リーデル-シドレンコ関数に対応する、互いに直交する3つの送信重み付けベクトルの第1の例を示す図である。 リーデル-シドレンコ関数に対応する、互いに直交する3つの送信重み付けベクトルの第1の例を示す図である。 離散的な扁長楕円体球関数に対応する、互いに直交する3つの送信重み付けベクトルの第2の例を示す図である。 離散的な扁長楕円体球関数に対応する、互いに直交する3つの送信重み付けベクトルの第2の例を示す図である。 離散的な扁長楕円体球関数に対応する、互いに直交する3つの送信重み付けベクトルの第2の例を示す図である。 アダマール関数に対応する、互いに直交する3つの送信重み付けベクトルの第3の例を示す図である。 アダマール関数に対応する、互いに直交する3つの送信重み付けベクトルの第3の例を示す図である。 アダマール関数に対応する、互いに直交する3つの送信重み付けベクトルの第3の例を示す図である。 適応的方法である本発明によるイメージング方法の第3の例を示す図である。 サンプルに対して算出され、図8の方法における測定評価決定に対応する決定画像の一例を示す図である。 図9と同じサンプルに対して算出される画像の一例を示す図である。 図8のイメージング方法の第3の例で使用される自己相関関数の一例を示す図である。
図面中、同じ参照符号は同一または類似の要素を表す。
図1に示される装置は、領域1、例えば生体組織、特に患者のヒト組織のイメージング用に適合されている。装置は、例えば、
変換器アレイ2、例えば、一般的に、通常のプローブで既に知られているように、軸線X(水平もしくはアレイ方向X)に沿って並置された数十個(例えば100〜300個)の変換器を含むリニアアレイ(そのため、アレイ2は、領域1の二次元(2D)イメージングを実施するように適合されるが、アレイ2は、領域1の3Dイメージングを実施するように適合された二次元アレイであることもできる)と、
変換器アレイを制御し、そこから信号を獲得する電子ベイ3と、
電子ベイ3を制御し、電子ベイから得た画像を見るマイクロコンピュータ4(変形例では、単一の電子デバイスが電子ベイ3およびマイクロコンピュータ4の機能性を全て満たすことができる)とを含んでもよい。
図1の軸線Zは、軸線Xに垂直な軸線であり、これは通常、アレイの変換器によって発生する超音波ビームの方向である。この方向は、本明細書では、垂直方向または軸線方向として指定される。
変換器アレイ2はまた、曲線に沿って整列された複数の変換器を含む凸状のアレイであってもよい。
図2に示されるように、電子ベイ3は、例えば、
変換器アレイ2のL個の変換器(T1〜TL)に個々に接続されたL個のアナログ/デジタル変換器5(A/D1〜A/DL)と、
n個のアナログ/デジタル変換器5にそれぞれ接続されたL個のバッファメモリ6(B1〜Bn)と、
バッファメモリ6およびマイクロコンピュータ4と通信する中央処理装置8(CPU)と、
中央処理装置8に接続されたメモリ9(MEM)と、
中央処理装置8に接続されたデジタル信号プロセッサ10(DSP)とを含んでもよい。
本明細書に開示する装置は超音波イメージング用のデバイスであり、変換器は超音波変換器であり、実施される方法は領域1の超音波画像を生成するものである。
しかしながら、装置は、超音波以外の波(超音波波長とは異なる波長を有する波)を使用する任意のイメージングデバイスであってもよく、変換器および電子ベイ構成要素は前記波に適合される。
図3および4は、図1および2の装置を用いて方法を実施する2つの例を示している。方法ステップは、主に中央処理装置8によって制御されるが、最終的にはデジタル信号プロセッサ10または他の任意の手段を利用する。
方法は以下の主なステップを含む。
(a)第1の複数の波が媒体の領域内部の変換器によって送信される、送信ステップ(101; 201)、
(b)波に応答して前記変換器によって一連のデータが獲得される、受信ステップ(102; 202)、
(c)受信ステップの間に獲得された一連のデータが、第2の複数のビーム形成プロセスによって処理されて、画像の少なくとも一部分に対して第2の複数のビーム形成されたピクセル値Un(x, z)を提供する、ビーム形成ステップ(103; 203)、ならびに
(d)N個のビーム形成されたピクセル値が結合されて、画像の各ピクセルのピクセル値を提供する、結合ステップ(104; 204)。
第1の複数は、画像を処理するために媒体の領域の内部で送信される波の数である。これは、変換器が前記波を発生させる連続発射の数である。
第2の複数は、方法で使用される送信重み付けベクトルWTnの数である。
本発明による方法は、互いに異なる第2の複数の送信重み付けベクトルWTn(数N)を使用する。
更に、方法で使用される送信重み付けベクトルWTnは互いに直交しており、即ち、
l...Nに属する任意の指数i, jの場合、
指数iは指数jの微分であり、
WTi.WTj=0である。すなわち、
Figure 2018535789
送信重み付けベクトルWTnはL個の成分を含むベクトルであり、各成分は、通常は送信ステップ(a)の間にアレイ2の変換器に送られる、信号に適用される増幅係数に対応する。送信重み付けベクトルWTnの成分は、1以下の値であると定義することができる。
l=1〜Lの場合、WTn(l)≦1
図3に示される第1の変形例によれば、送信重み付けベクトルは、送信ステップa) (101)の間に送信された波に適用されて、複数の送信重み付けベクトルに対応するデータを含む一連のデータを提供する。
次に、この一連のデータをビーム形成ステップc)の間に使用するが、このステップの各ビーム形成プロセスは、特定の送信重み付けベクトル(特定の送信波)に対応するデータを使用する。
この第1の変形例では、各送信重み付けベクトルの重み付け効果により、媒体中を送信される振幅波は小さくてもよく、したがって、受信した一連のデータの信号対雑音比は小さくてもよい。それに加えて、この第1の変形例は、M×N回の波の送信および獲得を要し、したがって、それによってイメージングフレーム率も低下する。更に、ビーム焦点深度にのみ適合されるので、走査される領域全体に最適ではないスペックルノイズを有する画像が発生する。
図4に示される第2の変形例によれば、送信重み付けベクトルは、ビーム形成ステップ(c)(203)の間の各ビーム形成プロセスの計算内で(重み付けされていない)一連のデータに対して適用される。
その場合、第1の変形例の重み付け効果は、ビーム形成ステップ(c)(203)の間の適切な計算(合算)によって得られ、前記計算は、各ビーム形成プロセスに対して送受信ビーム形成の式を使用する。
この第2の変形例では、波は単位増幅係数を用いて媒体の内部で送信される(ウィンドウ処理または開口に関する係数は除外)。送信重み付け係数は、受信ステップ(b)の間に獲得される一連のデータに対する計算によってのみ適用される。
この送受信ビーム形成プロセスのおかげで、媒体の内部で実際に送信される波の振幅は減少せず、一連のデータへとデジタル化された受信信号の信号対雑音比(SNR)が保存される。
方法の全ての変形例において、変換器アレイ2はイメージングされる媒体(例えば、患者の身体)と接触させられる。
送信される波の数は、例えば2〜100から成ってもよい。超音波の周波数は、例えば0.5〜100Mhz、例えば1〜10MHzから成ってもよい。
送信重み付けベクトルWTnの数Nは、例えば少数であり、例えば2〜10から成り、例えばN=3である。かかる送信重み付けベクトルWTnを決定するのに使用することができる、多くの直交関数がある。
図5a〜5cは、3つの送信重み付けベクトルWTnの第1の例を示している。これらの図では、横軸は変換器指数であり、縦軸は各ベクトルにおける成分の値である。
これらの送信重み付けベクトルWT1-3は、互いに直交するリーデル-シドレンコ関数のベクトルである。
図6a〜6cは、やはり互いに直交する離散的な扁長楕円体球関数を使用する3つの送信重み付けベクトルWTnの第2の例を示している。
図7a〜7cは、やはり互いに直交するアダマール関数を使用する3つの送信重み付けベクトルWTnの第3の例を示している。
送信重み付けベクトルの数Nは、好ましくは、媒体内に送信される波の数(第1の複数)以下である。
本発明の効果に関する実証
直交する送信重み付けベクトルを使用するおかげで、各送信ベクトルが相関のないスペックルを発生させることにより、画像のスペックルノイズが平滑化される。
これは数学的に証明することができる。この項では、文献「The van Cittert-Zernike theorem in pulse echo measurements」、Raoul Mallart and Mathias Fink、J. Acoust. Soc. Am. 90(5)、November 1991で使用されている形式および表記法を使用する。
地点X1、周波数fにおける入射圧力場は、次式によって与えられる。
Figure 2018535789
式中、
O(X)は集束開口の送信開口関数、ならびに
X=(x, y, 0)であり、x, yは画像中の座標である。
この項の目標は、直交送信開口Ok(X)およびOl(X)が相関のないスペックルパターンを生成するのを示すことである。地点X1に位置する個々の散乱体によって散乱させられる圧力場は球面波である。
地点X0における受信圧力場は次式のように表される。
Figure 2018535789
式中、r01=|X0-X1|である。
散乱媒体は非干渉性であり、即ちその構造は不規則であり、イメージングシステムによって使用される最小波長よりも小さいものと仮定される。媒体は未分解であり、その散乱関数RMの自己相関は次式の形態である。
RM(X1-X2,f)=χ(X,f)δ(X1-X2)
式中、χは点座標(x, z)の近傍における局所散乱係数である。
地点X0で感知されたディラックパルスに応答して媒体全体から後方散乱する圧力場は、次式によって与えられる。
Figure 2018535789
圧力場Pk(X0,f)およびPl(X0,f)の相互相関Rkl(X0,f)は、次式によって与えられる。
Pkl(X0,f)=E{Pk(X0,f)Pl(X0,f)}
式中、
E{ . }は数学的期待値を表す。
上述の式を用いた積Pk(X0,f).Pl(X0,f)は次式のように表すことができる。
Figure 2018535789
上述の式を用いて、以下を導き出すことができる。
Figure 2018535789
したがって、圧力場Pk(X0,f)およびPl(X0,f)の相互相関は次式によって与えられる。
Figure 2018535789
上記に挙げたMallart et al.の文献から、地点X1における入射圧力場はおよそ次式の通りである。
Figure 2018535789
式中、φkは位相項である。
深度zで集束する開口の場合、開口関数O(x)は位相項
Figure 2018535789
を含み、したがって
Figure 2018535789
は実数値である。
Figure 2018535789
として、入射場の積は次式のように表される。
Figure 2018535789
また、前のものに最後の式を導入して、次式を導き出すことができる。
Figure 2018535789
上記式は、直交する開口、即ち
Figure 2018535789
であり、したがって
Figure 2018535789
が、相関のない獲得データ、即ちRkl(X0,f)=0となることを示している。
したがって、圧力場の相互相関はヌルであり、スペックルノイズは相関がない。
結果的に、本発明の方法は、従来技術の方法と比べてスペックルノイズの低減につながる。実際、この方法によるスペックルノイズは最小である。
本発明の方法は、任意の超音波イメージング方法に適用されてもよい。以下の記載ではそのいくつかについて説明する。
従来のイメージング
通常は従来の集束開口または従来のBモードイメージングと呼ばれる、従来のイメージング方法に対応する第1の実施例について説明する。
送信ステップ(a)の間、多数のM個の波が変換器によって領域内に連続して送信される。これらの波は、アレイ方向(X)に実質的に垂直な垂直方向(Z)にしたがって媒体の内部で送信され、変換器アレイ2からある焦点距離(または焦点深度)で集束される集束ビームである。
M個の連続する集束ビームは、アレイ方向(X)に対応する横方向にしたがって次々に横断方向で移動され、それによって領域を走査する。
本発明によれば、各集束ビームはまた、N回繰り返され、即ち指数nの送信重み付けベクトルWTnごとに1つの集束ビームがある。送信重み付けベクトルWTnは変換器に直接適用される。送信重み付けベクトルの指数lの各成分は、アレイ2の指数lの変換器に送られる信号を増幅または低減するのに使用される。
この第1の実施例では、したがって、第1の複数(媒体の内部に送信される波の数)はM×Nに等しい。
各波は領域内部で伝播し、その場合、超音波の反射である拡散粒子と相互作用する。波は次に、(エコーを含む)反射波として変換器アレイ2に向かって後方散乱する。
受信ステップ(b)の間、各反射波は、変換器によって受信され、獲得されるかまたはアナログ-デジタル変換器によってデータに変換され、メモリに格納される。次に、全ての反射波は、一連のデータまたはデータ群としてメモリに全て格納される。
獲得された波からの一連のデータは、行列DS(k, l, m)として組織化することができ、式中、
kは時間に伴うサンプルの指数、
lはアレイ内の変換器の指数、
mはM×N個の発射または送信された波(数は第1の複数に対応)のうち送信波の指数である。
ビーム形成ステップ(c)の間、画像の1つまたは複数のライン(垂直ラインもしくは軸線方向ライン)がビーム形成プロセスによって計算される。これらのラインは、垂直方向または軸線方向z(集束ビームの方向)に対して平行であり、集束ビームの内部に含まれる。
N個の送信重み付けベクトルWTnのそれぞれ1つについて、ライン内部のピクセルのビーム形成されたピクセル値Un(x, z)を、受信ビーム形成に対応する次のビーム形成式によって計算することができる。
Figure 2018535789
式中、
DS(k, l, m)は一連のデータ全てを保存する行列、
WRは受信重み付けベクトル、
τ(x, z, l)はビーム形成プロセスの、即ちここでの従来のビーム形成プロセスに対応する遅延関数、
lはラインをビーム形成する開口l1およびl2の間に含まれる、アレイ2の変換器の指数、
mは指数nの固有のまたは決定された送信重み付けベクトルWTnを指し、媒体の内部の座標(x, z)を有する地点付近で集束されたビームに対応する指数、
x, zは画像内部のピクセルの座標である。
結合ステップ(d)の間、各送信重み付けベクトルに対して、N個(第2の複数)のビーム形成されたピクセル値Un(x, z)が算出され、結合されて画像内部の各ピクセルのピクセル値l(x, z)を提供する。
次いで、次の加算式によってピクセル値l(x, z)を計算することができる。
Figure 2018535789
式中、
iは単位複素数の虚数、
nは1とNの間に含まれる指数(Nは第2の複数における送信重み付けベクトルの数)、
|X|はXの係数、
HT{X}はXのヒルベルト変換、
Un(x, z)は指数nに対するビーム形成されたピクセル値である。
残念ながら、上述の方法は、
M×N回の波の送信および獲得を要し、したがってステップa)およびb)に時間が掛かることがあり、
ビーム焦点深度にのみ適合されるので、走査される領域全体に最適ではないスペックルノイズを有する画像が発生する。
合成イメージング
次に、合成イメージング方法に対応する第2の実施例について説明する。
合成イメージング方法としては、合成方法として知られる任意の方法、および少なくとも以下のリストの任意の方法と理解されるべきである。
1)開口合成法(SAFT)、
2)仮想変換器SAFT方法、
3)空間符号SAFT方法、
4)円形波合成方法、および
5)平面波合成方法。
1)SAFT方法は、例えば、J. A. Jensen、S. I. Nikolov、K. L. Gammelmark、M. H. Pedersen、「Synthetic Aperture Ultrasound Imaging」、Ultrasonics 44、e5-e15、2006に詳述されている。
この方法は、次のステップを実施する。
アレイ2の各変換器に対して波の少なくとも1つの送信が行われる(発射される)、送信ステップ(a)。アレイ2の各変換器は次々に励起される。また、
全ての変換器信号が獲得され、一連のデータとしてメモリに記録(格納)される、受信ステップ(b)。
一連のデータはまた、通常は「フルデータセット」と呼ばれる、行列DS(k, l, m)として組織化することができる。式中、
kは時間に伴うサンプルの指数、
lはアレイ内の変換器の指数、
mは発射された波の数(数は第1の複数に対応)のうち送信波の指数である。
したがって、発射された波の数Mは通常、アレイ2の変換器の数Lに等しい。しかしながら、この数は、アレイの全ての変換器を使用しない場合は、この変換器の数Lよりも少数であることができ、一部に対して平均化を行う場合は、変換器の数Lよりも多数であることができる。
そのため、ビーム形成ステップ(c)および結合ステップ(d)は既知のSAFT方法とは異なり、それを以下に説明する。
ビーム形成ステップ(c)の間、二重和(指数lを有する使用された変換器の数に対するものと、指数mを有する送信された波の数に対するもの)を含む次のビーム形成式によって、ビーム形成されたピクセル値Un(x, z)を計算することができる。
Figure 2018535789
式中、
DS(k, l, m)は一連のデータの行列、
WRは受信重み付けベクトル、
τ(x, z, l)はビーム形成プロセスに対する、即ち本発明のSAFTビーム形成プロセスに対応する遅延関数、
lはラインをビーム形成する指数l1およびl2の間に含まれる、アレイ2の変換器の指数、
mは1およびMの間に含まれる指数(Mは媒体の内部で送信された波の数である第1の複数)、
WTnは指数nの送信重み付けベクトル、
x, zは画像内部のピクセルの座標である。
結合ステップ(d)の間、送信重み付けベクトルの数N(第2の複数)全てに対して計算されるビーム形成されたピクセル値Un(x, z)も結合して、画像内部の各ピクセルのピクセル値I(x, z)が提供される。
次に、やはりピクセル値I(x, z)を上記に開示したのと同じ加算式によって計算することができる。
Figure 2018535789
送信重み付けベクトルWTがビーム形成ステップ(c)の間に計算によって適用されるので、この方法は追加の発射(媒体内への波の送信)を必要としない。
SAFT方法を用いて生成される画像は、通常、走査される領域全体の内部で高品質のものであり、解像度が高くコントラストが良好である。各発射はアレイの1つの変換器のみを使用し、発射エネルギーは他の方法と比べて低いので、信号対雑音比(SNR)は最適ではない。
直交する送信重み付けベクトルWTnのおかげで、上記の修正したSAFT方法は画像スペックルノイズを低減することができる。
2)仮想変換器SAFT方法は、信号対雑音比に関してSAFT方法を改善する。この方法は、例えば、J. Kortbek、J. A. Jensen、K. L. Gammelmark、「Synthetic Aperture Sequential Beamforming」、IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings、p.p. 966-969、2008に開示されている。
以前のSAFT方法と比較して、送信波はアレイの1つのみの変換器によってではなく、アレイの複数の変換器によって発生するので、送信波は領域内部の所定の集束域に集束した集束ビームである。
そのため、この仮想変換器SAFT方法では、
送信ステップ(a)の間、領域内部の集束域への集束ビームにそれぞれ対応する複数の送信波は、複数の変換器によって送信され、
受信ステップ(b)の間、一連のデータが複数の集束域に対して獲得され、一連のデータは、SAFT方法の1つと等価である「フルデータセット」と通常呼ばれる、行列DS(k, l, m)として組織化することができる。
そのため、本発明のビーム形成ステップ(c)および結合ステップ(d)は、仮想変換器SAFT方法に適用され、上述の修正されたSAFT方法に適用されるものと同一または同様である。
この修正された仮想変換器SAFT方法のおかげで、第2の複数の送信重み付けベクトルWTnを使用して、生成される画像のスペックルノイズが低減される。
3)空間符号化SAFT方法もまた、信号対雑音比に関してSAFT方法を改善する。
この方法では、
送信ステップ(a)の間、送信行列TMをSAFT方法の変換器信号に適用することによって、波が発射される。M個の送信波(第1の複数)のそれぞれ1つに対して、変換器への信号が、可逆行列である送信行列TMによって乗算される。
受信ステップ(b)の間、送信波に応答して獲得された一連のデータは受信行列RM(k, l, m)に格納され、次の反転公式によって受信行列RMおよび送信行列TMを使用することによって、一連のデータの行列DS(k, l, m)を得ることができる。
DS(k, l, m)|k=constant=TM-1・RM(k, l, m)|k=constant'
k=1〜Kの場合。
そのため、一連のデータの行列DSは、SAFT方法において上記した同じものと等価である。
そのため、本発明のビーム形成ステップ(c)および結合ステップ(d)は、空間符号化SAFT方法に適用され、上述の修正されたSAFT方法に適用されるものと同様である。
この修正された空間符号化SAFT方法のおかげで、第2の複数の送信重み付けベクトルWTnを使用して、生成される画像のスペックルノイズが低減される。
4)円形波合成方法もまた、信号対雑音比に関してSAFT方法を改善する。これも仮想変換器SAFT方法と同様であるが、集束ビームがアレイの後方に集束されることによって、円形波が媒体の内部で送信される点が異なる。
この方法の詳細については、M. Couade、M. Pernot、M. Tanter、E. Messas、A. Bel、M. Ba、A.-A. Hagege、M. Fink、「Ultrafast Imaging of the Heart Using Circular Wave Synthetic Imaging with Phased Arrays」、IEEE Ultrason. Symposium、pp. 515-518、2009に見出すことができる。
そのため、この円形波合成方法に適用される本発明のビーム形成ステップ(c)および結合ステップ(d)は、上述の修正されたSAFT方法に適用されるものと同一または同様である。
この修正された円形波合成方法のおかげで、第2の複数の送信重み付けベクトルWTnを使用して、生成される画像のスペックルノイズが低減される。
5)平面波合成方法もまた、信号対雑音比に関してSAFT方法を改善する。
この方法の詳細については、米国特許第6,551,246号または米国特許出願公開第2009/0234230号に見出すことができる。
この方法では、
送信ステップ(a)の間、第1の複数(M)の平面波が媒体内へと発射され、
受信ステップ(b)の間、変換器信号が獲得され、一連のデータの行列DS(k, l, m)としてメモリに記録(格納)される(mは媒体内へと送信される平面波の指数)。
したがって、方法は、M個の平面波が媒体の内部で送信(放射、発射)されるという点で、SAFT方法と異なる。
そのため、本発明のビーム形成ステップ(c)および結合ステップ(d)は、この平面波合成方法に適用され、上述の修正されたSAFT方法に適用されるものと同一または同様である。
ビーム形成ステップ(c)の間、ビーム形成されたピクセル値Un(x, z)を以下のビーム形成式によって計算することができる。
Figure 2018535789
平面波合成方法では、各平面波は異なる送信重み付けベクトルWTnによって重み付けられる。
上述のビーム形成プロセス全てにおいて、遅延関数r(x, z, l, m)は、ビーム形成プロセスの各タイプおよびプローブの各タイプ(形状、寸法)に応じて決まる、良く知られている関数である。
図8に示されるイメージング方法の第3の変形例によれば、イメージング方法は、画像の全てのピクセルに対して複数の送信重み付けベクトルを使用していない。この特徴のおかげで、これらのピクセルに関して横方向解像度は低減されず(送信重み付けベクトルを混合しない)、画像の他のピクセルに対してスペックルノイズは低減される(送信重み付けベクトルを混合する)。
この第3の変形例では、イメージング方法は次のステップを更に含む。
領域の第1の画像が前記処理装置およびアレイによって決定される最初のイメージングステップ(301)、
第1の画像内部のピクセルに対して測定値が決定される評価ステップ(302)、
測定値が第1の範囲に含まれる場合、画像のピクセル値が、複数の送信重み付きベクトルを使用せずに直接算出され、測定値が第1の範囲とは異なる第2の範囲に含まれる場合、画像のピクセル値が複数(第2の複数N)の送信重み付けベクトルを使用して算出され、前記送信重み付けベクトルが(第2の)複数において互いに異なり互いに直交する、イメージングステップ(303、304、305)。
次に、イメージング方法は、イメージングステップ(303、304、305)で算出したピクセルを結合することによって、最終画像307を構築することができる。最終画像のピクセル値は、上記に説明した方法の1つにしたがって、ステップ304で送信重み付けベクトルを使用せずに、またはステップ305で送信重み付けベクトルを使用して計算される。
有利には、測定値は、有意の反射信号に対応する第1の画像のピクセルを、非有意のスペックル信号に対応する第1の画像のピクセルと区別するために決定される。第1の画像のピクセルからの有意の反射信号は、通常、強反射体要素を有する媒体の内部の位置に対応するピクセルである。その場合、イメージング方法は、横方向解像度を低減する送信重み付けベクトルを使用しない。第1の画像のピクセルからの非有意のスペックル信号は、通常、強反射体要素を有さない媒体の内部の位置に対応するピクセルである。この位置は、画像中のスペックルノイズ位置に対応する。その場合、イメージング方法は、ユーザにとって満足ではなく有意でもない、前記スペックルノイズを低減する送信重み付けベクトルを使用することができる。
図9および10は、イメージング方法の第3の変形例によって発生する画像の一例である。図9は、黒色ピクセルが送信重み付けを有さないピクセル(方法のステップ304)であり、白色ピクセルが送信重み付けを有するピクセル(方法のステップ305)である、バイナリ画像303である。図10は、第3の変形例のイメージング方法300によって提供される最終画像である。
上述した混合の適応的方法のおかげで、この画像307は、スペックルノイズが低減され、横方向解像度が良好な画像である。
測定値は、自己相関関数R(θ, x, z)によって決定することができる。
例えば、自己相関関数は時式によって決定されてもよい。
R(θ, x, z)=E{Im1(x, z).Im2(x, z)}
式中、E{ }は数学的期待値であり、
Im(x, z)=|Vm(x, z)+iHT{Vm(x, z)}|2
Figure 2018535789
DS(k, l, m)は一連のデータの行列、
kは時間に伴う指数、
lはアレイ内の変換器の指数、
mは合成ビーム形成の場合の送信波(例えば、平面波)の指数、
WRは受信重み付けベクトル、
τ(x, z, l, m)は、例えば平面波ビーム形成プロセスに対応する、ビーム形成プロセスの遅延関数である。
遅れθは、指数m1の第1の発射に対応する第1の角度と、指数m2の第2の発射に対応する第2の角度との差である角度である。第1および第2の発射は平面波発射であり、第1および第2の角度は、変換器のアレイに対する前記平面波の角度である。
図11は、強反射体に対応する媒体の内部の位置で確立された第1の自己相関関数曲線401と、スペックルノイズに対応する媒体の内部の位置で確立された第2の自己相関関数402との、かかる自己相関関数の2つの例を示している。
2つの自己相関関数401、402は、10度〜30度の間に含まれる遅れの範囲が異なる。この差は、第1の画像における2つのタイプのピクセルを区別し、イメージング方法の最終画像のピクセルを算出または計算するのに、送信重み付けベクトルを使用するかしないか(ステップ304、305)を選ぶ(ステップ303)のに使用されてもよい。
1 領域
2 変換器アレイ
3 電子ベイ
4 マイクロコンピュータ
5 アナログ/デジタル変換器
6 バッファメモリ
8 中央処理装置
9 メモリ
10 デジタル信号プロセッサ

Claims (17)

  1. 媒体と関連する変換器のアレイ(2)に接続された処理装置(8)によって実施される、媒体の内部の領域の画像を生成するイメージング方法であって、
    (a)第1の複数(M)の波が前記変換器によって前記媒体の内部で送信される、送信ステップ(101; 201)と、
    (b)前記波に応答して前記変換器によって一連のデータが獲得される、受信ステップ(102; 202)と、
    (c)前記画像の少なくとも一部分のビーム形成されたピクセル値(Un(x, z))を提供する、第2の複数のビーム形成プロセスによって前記一連のデータが処理されるビーム形成ステップ(103; 203)であって、各ビーム形成プロセスが、送信重み付けベクトル(WTn)を用いて発生させた波に対応する一連のデータを使用するか、または前記ビーム形成されたピクセル値の計算において送信重み付けベクトル(WTn)を使用する、ステップと、
    (d)前記第2の複数における前記ビーム形成されたピクセル値が互いに結合されて、前記画像内部のピクセルのピクセル値(I(x, z))を提供する、結合ステップ(104; 204)とを含み、
    前記送信重み付けベクトル(WTn)が互いに異なり、また互いに直交する、方法。
  2. 前記送信ステップ(a)の間、各送信重み付けベクトル(WTn)が波を発生させるのに使用され、
    前記ビーム形成ステップ(c)の間、前記ビーム形成プロセスが、前記ビーム形成されたピクセル値(Un(x, z))が次式によって計算される従来のビーム形成であり、
    Figure 2018535789
     式中、
    DS(k, l, m)は一連のデータの行列であり、
    WRは受信重み付けベクトルであり、
    τ(x, z, l)はビーム形成プロセスに適合された遅延関数であり、
    lはラインをビーム形成する開口l1およびl2の間に含まれる、アレイ2の変換器の指数であり、
    x, zは画像内部のピクセルの座標である、請求項1に記載の方法。
  3. 前記ビーム形成ステップ(c)の間、前記送信重み付けベクトル(WTn)が適用され、
    前記ビーム形成ステップ(c)の間、前記ビーム形成プロセスが、前記ビーム形成されたピクセル値(Un(x, z))が次式によって計算される合成ビーム形成であり、
    Figure 2018535789
     式中、
    DS(k, l, m)は一連のデータの行列であり、
    WRは受信重み付けベクトルであり、
    τ(x, z, l)はビーム形成プロセスに適合された遅延関数であり、
    lはラインをビーム形成する開口l1およびl2の間に含まれる、アレイ2の変換器の指数であり、
    mは1およびMの間に含まれる指数であり、Mは媒体の内部で送信された波の数である第1の複数であり、
    WTnは送信重み付けベクトルであり、
    x, zは画像内部のピクセルの座標である、請求項1に記載の方法。
  4. 合成ビーム形成プロセスが、合成開口法(SAFT)ビーム形成プロセス、仮想変換器のSAFTビーム形成プロセス、空間符号化SAFTビーム形成プロセス、円形波の合成ビーム形成プロセス、平面波の合成ビーム形成プロセスを含むリストで選ばれる、請求項3に記載の方法。
  5. 前記画像の前記ピクセル値(I(x, z))が、次式によって前記結合ステップ(d)の間に計算され、
    Figure 2018535789
     式中、
    iは単位複素数の虚数であり、
    nは1およびNの間に含まれる指数であり、Nは送信重み付けベクトルの数である第2の複数であり、
    |X|はXの係数であり、
    HT{X}はXのヒルベルト変換であり、
    Un(x, z)は前記第2の複数のビーム形成されたピクセル値である、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記送信重み付けベクトル(WTn)が、リーデル-シドレンコ関数、離散的な扁長楕円体球関数、およびアダマール関数を含むリストで選ばれる直交関数によって決定される、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記変換器が超音波を送信または受信する超音波変換器であり、前記方法が前記媒体の内部の前記領域の超音波画像を生成する、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記領域の第1の画像が前記処理装置およびアレイによって決定される、最初のイメージングステップ(301)と、
    前記第1の画像のピクセルに対して測定値が決定される、評価ステップ(302)と、
    前記測定値が第1の範囲に含まれる場合で、前記画像のピクセル値が、送信重み付きベクトルを使用せずに算出され、前記測定値が前記第1の範囲とは異なる第2の範囲に含まれる場合、前記画像のピクセル値が送信重み付けベクトルを使用して算出され、前記送信重み付けベクトルが互いに異なり互いに直交する、イメージングステップ(303, 304, 305)とを更に含む、請求項3から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記測定値が、有意の反射信号に対応する前記第1の画像のピクセルを、非有意のスペックル信号に対応する前記第1の画像のピクセルと区別するために決定される、請求項8に記載の方法。
  10. 前記測定値が自己相関関数の計算によって決定される、請求項8または9に記載の方法。
  11. 前記測定値が、10度から30度の間に含まれる遅れに対する前記自己相関関数の平均値である、請求項10に記載の方法。
  12. 媒体と関連する変換器のアレイ(2)に接続された処理装置(8)を備える、媒体の内部の領域の画像を生成する装置であって、
    前記アレイおよび前記処理装置が、
    (a)第1の複数(M)の波が前記変換器によって前記媒体の内部で送信される、送信ステップ(101; 201)と、
    (b)前記波に応答して前記変換器によって一連のデータが獲得される、受信ステップ(102; 202)とを実施し、
    前記処理装置が、
    (c)前記画像の少なくとも一部分のビーム形成されたピクセル値(Un(x, z))を提供する、第2の複数のビーム形成プロセスによって前記一連のデータが処理されるビーム形成ステップ(103; 203)であって、各ビーム形成プロセスが、送信重み付けベクトル(WTn)を用いて発生させた波に対応する一連のデータを使用するか、または前記ビーム形成されたピクセル値の計算において送信重み付けベクトル(WTn)を使用する、ステップと、
    (d)前記第2の複数における前記ビーム形成されたピクセル値が互いに結合されて、前記画像の各ピクセルのピクセル値(I(x, z))を提供する結合ステップ(104; 204)とを実施し、
    前記送信重み付けベクトル(WTn)が互いに異なり、また互いに直交する、装置。
  13. 前記ビーム形成ステップ(c)の間、前記送信重み付けベクトル(WTn)が適用され、
    前記ビーム形成ステップ(c)の間、前記ビーム形成プロセスが、前記ビーム形成されたピクセル値(Un(x, z))が次式によって計算される合成ビーム形成であり、
    Figure 2018535789
     式中、
    DS(k, l, m)は一連のデータの行列、
    WRは受信重み付けベクトル、
    τ(x, z, l)はビーム形成プロセスに適合された遅延関数であり、
    lはラインをビーム形成する開口l1およびl2の間に含まれる、アレイ2の変換器の指数であり、
    mは1およびMの間に含まれる指数であり、Mは媒体の内部で送信された波の数である第1の複数であり、
    WTnは送信重み付けベクトルであり、
    x, zは画像内部のピクセルの座標である、請求項12に記載の装置。
  14. 合成ビーム形成プロセスが、合成開口法(SAFT)ビーム形成プロセス、仮想変換器のSAFTビーム形成プロセス、空間符号化SAFTビーム形成プロセス、円形波の合成ビーム形成プロセス、平面波の合成ビーム形成プロセスを含むリストで選ばれる、請求項13に記載の装置。
  15. 前記領域の第1の画像が前記処理装置およびアレイによって決定される、最初のイメージングステップ(301)と、
    前記第1の画像のピクセルに対して測定値が決定される、評価ステップ(302)と、
    前記測定値が第1の範囲に含まれる場合、前記画像のピクセル値が、送信重み付きベクトルを使用せずに算出され、前記測定値が前記第1の範囲とは異なる第2の範囲に含まれる場合、前記画像のピクセル値が送信重み付けベクトルを使用して算出され、前記送信重み付けベクトルが互いに異なり互いに直交する、イメージングステップ(303, 304, 305)とを更に実施する、請求項12から14のいずれか一項に記載の装置。
  16. プログラムがコンピュータによって実行されると請求項1から15のいずれか一項に記載の方法のステップを実行する命令を含む、コンピュータプログラム。
  17. プログラムがコンピュータによって実行されると請求項1から15のいずれか一項に記載の方法のステップを実行する命令を含む、コンピュータプログラムが格納された、コンピュータ可読媒体。
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