JP2023552642A - 選択可能な仰角焦点をもつ超音波機械式3d撮像プローブ - Google Patents
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Abstract
超音波画像診断システムは、機械式プローブを用いて対象ボリュームを走査することによって3D画像を生成し、その機械式プローブは、仰角方向における対象ボリュームを通るアレイトランスデューサの走査平面を掃引することによって対象ボリュームを走査する。アレイトランスデューサは、2つの選択可能な焦点深度を有し、画像データの複数の走査平面がファーフィールド焦点とともに収集され、画像データの複数の走査平面がニアフィールド焦点とともに収集される。ファーフィールド焦点とともに収集される走査平面は、ファーフィールドにおける空間サンプリング基準を満たす距離だけ仰角方向において分離され、ニアフィールド焦点とともに収集される走査平面は、ニアフィールドにおける空間サンプリング基準を満たす距離だけ仰角方向において分離され、その結果、ニアフィールド焦点をもつ走査平面収集は、ファーフィールド焦点をもつ走査平面収集の数よりも少なくなり、したがって、表示のボリュームレートが改善される。
Description
本発明は、3D医療用超音波プローブに関し、特に、トランスデューサアレイが3D画像フィールドにわたって機械的に掃引され、そのトランスデューサアレイが選択可能な仰角焦点(elevation focus)を有する、3D撮像プローブに関する。
リアルタイム超音波撮像は、いくつかのタイプの撮像プローブの開発とともに何年も前に可能になった。機械式セクタ走査プローブは、扇形画像フィールドを走査するためにトランスデューサ要素を前後に振動させるために電動機構を使用した。フェーズドアレイプローブは、扇形像面を走査するために線形アレイトランスデューサの要素のフェーズド作動を使用した。線形アレイプローブは、矩形像面を走査するためにアレイに沿ってトランスデューサ要素の連続グループを作動させた。機械式プローブはシステムの複雑さを電動機構の信頼性問題とトレードオフしたが、フェーズドアレイプローブは電動機構をシステムビームフォーマの複雑さとトレードオフした。線形アレイプローブは中間型であり、電動機構はないが、より単純なビームフォーミング及び要素スイッチングを必要とした。
超音波システムの撮像性能が改善するにつれて、開発者は、3次元(3D)撮像を実行するためにこれらのプローブタイプをどのように改変することができるかを考え始めた。最終的に、3D撮像プローブへの2つの手法が広く受け入れられるようになった。一方の手法は、トランスデューサ要素の2次元(2D)アレイがフェーズド送信及び受信によって走査され、それにより、ボリュメトリック対象領域にわたって3次元におけるビームステアリング及びフォーカシングを可能にする、フェーズドアレイ手法の進化型であった。そのようなマトリックスアレイプローブのための実現技術は、ビーム送信及び受信の制御がプローブ内部の半導体デバイスによって与えられる、マイクロビームフォーマであった。定着した他方の手法は、アレイトランスデューサが、対象ボリュームを通るそれの走査平面を掃引するために前後に掃引させられる、機械式走査の進化型であった。機械式掃引中に収集される像面からの画像データは、次いで、掃引されたボリュームの3D画像を生成するために一緒に処理される。
しかしながら、機械式3D撮像プローブの機械的に掃引されたアレイの像面データは、2D画像面のための従来のビームフォーマを使用すると、像面内のみにフォーカシングされる。像面間の仰角次元におけるフォーカシングはない。そのような仰角フォーカシングを与えるためには、ビームフォーマに2Dアレイ機能の複雑さを追加する、仰角次元におけるトランスデューサ要素を追加することが必要であり、さもなければ機械式プローブ実装形態中にもともと備わっていたビームフォーマの単純さの利点は失われ、プローブの機械的な複雑さは残る。したがって、単純なビームフォーマ実装形態を利用するが、依然として仰角次元におけるビームフォーカシングを与える、機械式3Dプローブ設計を実現することが望ましい。さらに、このことを、表示の高いボリュームフレームレートを与えながら行うことが望ましい。
本発明の原理によれば、ニアフィールド仰角焦点をもつ平面の1つのセットと、ファーフィールド仰角焦点をもつ平面の別のインターリーブされたセットとを走査することによって、ニアフィールドとファーフィールドの両方における静的な仰角フォーカシングを与える、機械式3D撮像プローブが提供される。ファーフィールドフォーカシングされたセットの走査される平面は、ファーフィールドにおける所望の空間サンプリング基準を満たす距離だけ離間され、ニアフィールドフォーカシングされたセットの走査される平面は、ニアフィールドにおける所望の空間サンプリング基準を満たす距離だけ離間される。好ましくは、走査平面間隔は走査平面の各セット内で均一である。本発明の構築された一実装形態は、それによって、ニアフィールドフォーカシングとファーフィールドフォーカシングの両方をもつニアフィールドとファーフィールドの両方において対象ボリュームを適切に空間的にサンプリングし、必要とされない走査平面収集を低減することによって表示の高いボリュームレートを与える。
最初に図1を参照すると、線形走査される1Dアレイトランスデューサ30を揺動することによる3D対象ボリューム10の機械式走査が示されている。1Dアレイトランスデューサ30は、矢印42によって示されているように、ボリューム10を通る弓形経路中のアレイの2次元走査平面32を掃引するために前後に揺動される。弓形動き経路中の指定された点において、像面を走査し、画像データを収集するためにアレイトランスデューサが作動させられる。走査平面が弓形仰角次元(EL)において前後に揺動される際に、各走査平面位置の走査が方位角次元(AZ)において電子的に実行される。走査線は、アレイが仰角で掃引される際に、方位角方向において連続的に収集され、得られた平面は機械的な動きによりわずかに屈曲又は傾斜しており、各走査線の空間的ロケーションが知られている限り、ボリューム画像は正確に再構成される。くさび形ボリューム10全体にわたって画像データの走査平面が収集された後に、ボリューム10の3D画像を生成するために、すべての収集された像面の画像データが処理される。
図2は、図1の例と実質的に同じ走査技法を示しているが、この場合は、各走査平面32が、線形走査されないが、扇形走査平面32にわたるビームのフェーズドステアリングによって走査されることを除く。走査平面のすべての送信ビーム及び受信ビームは、逆ピラミッド形ボリューム10の頂点である、アレイ30の表面上の同じ点から発する。図面の下部にある矢印によって示されているように、トランスデューサアレイ30が前後に揺動される際に、仰角次元におけるボリューム10の弓形スパンにわたって画像データの連続走査平面32が収集される。ピラミッド形ボリューム10の3D画像を生成するために、すべての収集された像面の画像データが処理される。
図3は、この例では1×Dアレイトランスデューサであるアレイトランスデューサ30の走査平面32による、くさび形ボリューム10の線形走査を示している。「D」という表記法は、異なる動作特性をもつ異なるトランスデューサアレイ構成の業界全体の呼称である。例えば、「2D」という呼称は、方位角(AZ)と仰角(EL)の両方において電子的にステアリング及びフォーカシングされ得る、2つの次元において延びる要素をもつアレイトランスデューサを示す。1.75Dアレイトランスデューサは、方位角においてステアリング及びフォーカシングされ、仰角において最小限にステアリング及びフォーカシングされ得る。1.5Dアレイトランスデューサは、方位角においてステアリング及びフォーカシングされ得、仰角ステアリングなしの動的な仰角フォーカシングを有する。2Dを下回る呼称は、一般に、仰角次元における要素が方位角次元よりも少ないこと、又はトランスデューサ要素を独立して動作させることができないこと、例えば、要素が互いに電気的に接続され、一斉に動作させられることを特徴とする。1Dアレイは、方位角次元のみにおいて複数の要素を有し、仰角次元において電子的なステアリング又はフォーカシングを有しない。1×Dという呼称における「×」は、アレイが、仰角次元において極めて少ない要素を有すること、一般に、方位角次元における要素の数の25%以下を有することを示す。これにより、仰角フォーカシングを与える小さいが顕著な能力が得られる。図3の走査構成は図1の走査構成と同様であるが、収集された像面が1×Dトランスデューサアレイ30の使用により仰角次元においてある程度のフォーカシングを呈することを除く。図4は図2の構成と同じ様式で動作するが、各走査平面が1×Dトランスデューサアレイによって仰角において最小限にフォーカシングされ得ることを除く。
図5は、本発明の原理に従って動作するように構成された1×Dトランスデューサアレイ30を示している。この断面図は、この例では、端部要素30a及び30dと、それらの間の2つの内側要素とをもつ、幅が4つのトランスデューサ要素である、仰角次元におけるアレイの範囲を示している。アレイの発光面は、小さい角度の固定された仰角焦点を与えるレンズ38で覆われている。方位角次元におけるそのような4要素列の数は、例えば、128又は196など、より大きい数になる。2つの外側要素30a及び30bが一斉に動作させられるように、それらの2つの外側要素は、互いに電気的に接続され、端子34に電気的に接続される。2つの内側要素は、同じく互いに電気的に接続され、端子36に電気的に接続される。内側要素端子36だけが動作において使用されるときには、2つの要素の内側仰角開口のみがアクティブである。内側開口は、点線22によって示されるように、送信及び受信ビームプロファイルを呈する。ビームプロファイル線22が互いに最も接近している箇所にある円は、内側開口の最大焦点の点を示している。両方の端子34及び36を一緒に結合するか、又は端子36の直前に端子34にパルスを流し、4つの要素すべてを用いて受信することなどによって、両方の端子34及び36が一緒に動作させられるときに、4つの要素の全仰角開口がアクティブになる。全開口は、この例では、一点鎖線24によって示されているようにビームプロファイルを呈し、この場合も、プロファイル線24の最も接近している箇所にある円によって最大焦点が示されている。内側開口及び全開口の連続的な使用により、したがって、画像データの2つの走査線が、1つの走査線はニアフィールド焦点とともに、別の走査線はファーフィールド焦点とともに収集される。図3中の曲線28は、ボリューム10を走査する各平面32の半分の深さを示しており、図5のビームプロファイルは、その深さの浅い半分における1つの焦点と、より深い半分における別の焦点との位置を特定する。図5の2つの走査線は、ニアフィールド焦点プロパティとファーフィールド焦点プロパティとの両方をもつ画像データの走査線を生成するために、データを合成するか、又は浅いゾーンと深いゾーンとを使用することなどによって、組み合わせられ得る。3D撮像の場合、このことは、ファーフィールド焦点をもつ画像データを収集するために全アレイを用いて走査し、次いで、ニアフィールド焦点をもつ走査平面データを収集するために内側開口を用いて走査することによって行うことができ、それにより、ニアフィールド焦点プロパティとファーフィールド焦点プロパティの両方をもつ画像データの2つの走査平面が生成され、単一の焦点深度のみをもつ画像の収集よりも改善される。深度次元における2つの開口の中心から延びる点線は、トランスデューサアレイによって送信及び受信されるビームの中心、したがって、方位角次元において走査平面を走査するために全トランスデューサアレイが使用されるときの像面の中心を示している。
像面を走査するために、方位角において互いに隣接する連続的な走査線が収集されるか、又は3Dボリュームを走査するために、仰角において互いに隣接する像面が収集されるときに、走査線又は平面は、画像フィールドが空間的にアンダーサンプリングされないように、十分に接近していることが重要である。走査線又は平面間の間隙が大きい場合、アンダーサンプリングされた領域から戻るエコー信号エネルギーがなくなるか又は無視できるほどになり、画像中にアンダーサンプリングアーティファクトが現れることがある。一般に、これらのアーティファクトは、得られた画像の中を走るかすかな線である、「ジェイルバー(jailbar)」アーティファクトとして出現する。これらのアーティファクトの出現、及びそれらが不快であるか否かは、やや主観的であり、多数の要因による。他のシステム画像処理及びフィルタ処理はアーティファクトレベルを低減することができ、ある閲覧者にとって不快であるアーティファクトは別の閲覧者にとっては不快でないことがある。アーティファクトを最小にするための一般的な手法は、空間サンプリングアーティファクトを不快なレベルを下回るまで低減する、ビームプロファイルの隣接又は重複によって示される、ビーム又は平面間隔を設定することである。これはもちろん設計選択の問題である。図6は、超音波システム設計者が、ビーム又は平面を音響エネルギーロールオフ(roll off)の-3dBレベルにおいて直接隣接するように選定した、ビーム又は平面間隔の一例を与えている。他の設計者は、例えば、-2dBレベル又は-4dBレベルを選定し得る。図6の例では、ビーム又は像面は図面シートに対して垂直であり、エネルギープロファイルのピークはビーム又は平面中心のロケーションを示している。プロファイルの裾の交点を示す一点鎖線が示しているように、ビーム又は平面は-3dBレベルにおいて互いに直接隣接している。
図7は、深度次元におけるビーム又は平面エネルギープロファイル間隔の縦断面図を示している。この例では、アレイトランスデューサ30は、機械的に走査される1×Dアレイトランスデューサ30の場合における3つの異なるアレイ位置から、それぞれのエネルギープロファイル14-14’、16-16’、及び18-18’をもつ3つの隣接するビーム又は平面を走査した。中間深度にある円は3つのプロファイルの最大焦点を示している。図面に見られるように、エネルギープロファイルは焦点深度において互いにちょうど接触している。エネルギープロファイルが-3dBプロファイルである場合、ビーム又は平面は、所望の程度の空間サンプリング及びアーティファクト低減を与えるように、最大焦点の深度における-3dBレベルにおいて互いに直接隣接している。
図5とともに説明したように、1×Dアレイは、ニアフィールド中に1つ、ファーフィールド中に1つの、2つの焦点領域をもつ全被写界深度にわたって画像データを与えるために動作させることができる。その結果、より良くフォーカシングされた画像が得られるが、各ビーム又は走査平面について、1つのサイクルは、ニアフィールドフォーカシングのための内側開口を用いて動作するトランスデューサアレイとともに、別のサイクルは、ファーフィールドフォーカシングのための全開口を用いて動作するトランスデューサアレイとともに、2つの送信受信サイクルが使用されなければならないことが欠点である。3Dボリューム走査の場合、このことは、完全なボリューム画像のための画像データを収集するために必要とされる時間が、単一の焦点と比較して2倍になり、それにより表示のボリュームレートが1/2になることを意味する。もちろん、より良くフォーカシングされた画像を、ただし表示レートの半減なしで生成することが望ましい。本発明の原理によれば、このことは、図8、図9、及び図10に示されているように達成される。これらの例では、方位角(長手)次元において屈曲した、屈曲した1×Dトランスデューサアレイが左から右に機械的に走査される。これらの図面は、仰角方向におけるアレイの掃引と、アレイが屈曲しており、図面の平面に対して垂直である、アレイの方位角次元とを示している。トランスデューサアレイは、各図面の下部にある暗い扇形26の上部における弓形経路中を進行し、そのような弓形経路は、構築された一実装形態では、それの進行円弧を通してトランスデューサアレイを搬送するアレイマウントアセンブリである。屈曲したアレイトランスデューサは、それの屈曲によって与えられるより広い視界を走査することができ、それにより、過大なビームステアリング要件によりビームフォーマに負担をかける必要なしに視界を機械的に広げるので、屈曲したアレイトランスデューサが使用される。屈曲したアレイトランスデューサは、図5に示されているように、2つの異なる焦点深度のうちの1つにおいてフォーカシングするように設定されるように構成される。
そのような構成をもつボリュームフィールドを走査するための従来の方法が図8に示されている。この図面では、各矢印は、この例では130°である進行円弧に沿った像面中心のロケーションを表す。仮想頂点48から、暗い扇形26の上部にある進行円弧までの屈曲半径は、この例では20mmである。像面がそこでアレイトランスデューサによって収集される、130°進行円弧に沿ったロケーションが矢印によって示されており、より暗い矢印32nはニアフィールド焦点像面を示しており、より明るい矢印32fはファーフィールド焦点像面を示している。この例では、ニアフィールドフォーカシングされた平面32nの焦点深度は20mmの深さにあり、ファーフィールドフォーカシングされた平面32fの焦点深度は40mmである。トランスデューサアレイ進行の弓形経路により、収集される像面はニアフィールドにおいてよりもファーフィールドにおいて広く分離される。これにより、適切な空間サンプリングの決定にとってファーフィールドがより重要になる。この例では、システム設計者は、上記で説明したように、所望の程度の空間サンプリングアーティファクト低減を与えるファーフィールドフォーカシングされた平面間の間隔を計算し、25個の均等に離間した像面が画像領域のファーフィールドを適切に空間的にサンプリングすることを決定し、像面収集間の間隔は5.2°である。これにより、25個のニアフィールドフォーカシングされた像面がそこで収集される、対象ボリューム中の位置が設定され、図8中のニアフィールド矢印とファーフィールド矢印との整合によって示されているように、ニアフィールドフォーカシングされた像面32nはファーフィールドのフォーカシングされた像面32fと整合させられる。
しかしながら、図8中の平面間間隔が、ファーフィールドにおいて、空間サンプリングアーティファクトの所望の低減を与えるのに十分である場合、同じ角位置におけるニアフィールド平面は、ニアフィールドを空間的にオーバーサンプリングしている。表示のボリュームレートを改善するために、設計者は、ニアフィールドにおける適切な空間サンプリングのための第2の計算を実行するべきである。ファーフィールドのために使用されたものと同じ空間サンプリング基準(例えば-3dB)がニアフィールド計算のために使用されるとき、ニアフィールドを適切にサンプリングするために必要とされる像面の数は、この例では16個である。ニアフィールド像面収集32nは、図9に示されているように、130°進行円弧に沿って均一に分散されるべきであり、この例では、8%の進行円弧によって分離されている。このことは、必然的に、ニアフィールド走査平面とファーフィールド走査平面とがもはや空間的に整合させられていないことを意味しており、以下で説明するように、走査変換中の表示点補間によって適切に処理され得る状況であることがわかる。この例では、平面間間隔の別個の決定の結果として、ボリューム画像のための走査平面収集の数が50個の平面から41個の平面に低減したことがわかる。これは、18%の走査平面収集時間の低減であり、リアルタイムボリューム撮像にとって重要な、表示のボリュームレートの改善に直接つながる節減である。
本発明者らは、本発明の一実装形態についてのボリュームフレームレート改善の程度は、屈曲したアレイトランスデューサの屈曲の程度に関係しており、アレイの屈曲半径が急に屈曲しているほど、表示レートの改善の程度が大きくなることを決定した。図1及び図2に示されているアレイなど、平面(平坦な)アレイの場合、屈曲半径は無限大であり、別個の空間サンプリング計算による改善はない。図10の例によって示されているように、屈曲半径が小さくなるほど、大きい表示レート改善が得られる。図8及び図9の例では、屈曲したアレイは、仮想頂点48から暗い扇形26の上部までの距離によって示される20mmの屈曲半径を呈している。図10の例では、トランスデューサアレイは10mmの屈曲半径を呈している。空間サンプリング計算において、図8及び図9について使用されたものと同じ空間サンプリング基準を適用し、同じニアフィールド焦点深度及びファーフィールド焦点深度を用いると、図10における平面間間隔のための計算から、ファーフィールドを適切に空間的にサンプリングするために必要とされる走査平面は17個であり、ニアフィールドのための走査平面は10個であることが決定される。各焦点深度について同じ数の走査平面を使用することと比較すると、7つの走査平面収集が節減され、画像データ収集時間が20%超改善されている。
図11は、3D撮像のための走査円弧において、屈曲したアレイトランスデューサを機械的に振動させるために好適な3D機械式プローブ40の走査機構の断面等角図である。プローブ40は、トランスデューサアセンブリ30と位置センサー44とに機械的に結合された位置アクチュエータ42を含む。トランスデューサアセンブリ30’、位置アクチュエータ42及び位置センサー44は支持構造46内に配置される。位置アクチュエータ42は、プローブ40の縦軸に沿って位置センサー44から上方に延びるドライブシャフト48’を含む。ドライブシャフト48’は、ドライブシャフト48’のそれぞれの端部の近くに配置されたベアリング50によってプローブ40の支持構造46内に回転可能に支持される。位置アクチュエータ42はまた、支持構造46に対して固定されているアーマチュア構造52と、ドライブシャフト48’に結合された永久磁石フィールド構造54とを含む。アーマチュア構造52が選択的に通電されると、ドライブシャフト48’及びフィールド構造54が1つの駆動部材を形成するように、ドライブシャフト48’を所望の回転方向に回転させるトルクが生じる。アーマチュア構造52はまた、ドライブシャフト48の回転中に、全回転よりも小さい増分で、及び異なる回転速度でドライブシャフト48を回転させるために選択的に通電される。
位置アクチュエータ42は、ドライブシャフト48’に結合されたクランク部材56をさらに含み、クランク部材56は接続部材58の下部円柱形部分に回転可能に結合する。支持構造46に対するクランク部材56の相対位置によりトランスデューサアレイアセンブリ30’の機械式掃引範囲の調整が可能になる。接続部材58の上側端部は、一対のベアリング62によって構造46上で軸方向に支持されるピボット部材60にヒンジ結合される。ピボット部材60は、さらに、トランスデューサアセンブリ30’を保持するクレードル64を支持する。図11に示されていないが、クレードル64は、上記で前に説明したように、屈曲したアレイトランスデューサ30の個々の要素が超音波信号を送信及び受信するように、電気接点をも含み得る。それらの接点は、さらに、図12に示されているように、ビームフォーマ80に結合されたフレックス回路など、導電性アセンブリに結合される。動作中に、ドライブシャフト48’によってクランク部材56に与えられる回転運動によりピボット部材60中に振動運動が生じ、それにより、トランスデューサアセンブリ30’及びトランスデューサアレイ30が、選択された走査角にわたって移動させられることが可能になる。図11の走査機構のさらなる詳細は米国特許公開第2004/0254466号(Bonerら)において見つけられる。
位置センサー44は、支持構造46に対して固定されているカウンタ66と、符号化ディスク68とを含み、符号化ディスク68は、符号化ディスク68とドライブシャフト48’とが一斉に回転するように、ドライブシャフト48’に固定式に結合されている。符号化ディスク68は、符号化ディスク68がカウンタ66中の間隙を通って回転する際にカウンタ66が検出する、複数の放射状に配置された対象物を含み、それによりシャフト48’のための位置信号を生成する。トランスデューサアレイ30の角度位置はシャフト48’の回転位置と相関させられるので、符号化ディスク68とカウンタ66とは、したがって、トランスデューサアレイ30角度方位を示すことが可能なセンサーを協働的に形成する。特定の一実装形態では、符号化ディスク68及びカウンタ66は、光学的手段によってドライブシャフト48’の回転位置を検出するように構成される。ディスク68及びカウンタ66はまた、磁気的手段によってドライブシャフト48’の回転位置を検出するように構成され得、ドライブシャフト48’の回転位置を検出するためのさらに他の手段も使用され得る。
まだ図11を参照すると、プローブ40は、支持構造46に結合されたカバー70をさらに含む。カバー70は、超音波周波数において音響的に透過的である材料から形成される。カバー70は、さらに、好適な音響インピーダンス整合を与えることによってトランスデューサアセンブリ30とカバー70との間で超音波信号が交わされることを可能にする音響結合流体(図示せず)を密封可能に保持する内部ボリューム72を部分的に画定する。一態様では、ボリューム72内に配置された機械要素に潤滑をも与えるシリコーンベースの流体が使用される。シャフトシール74は、音響結合流体をボリューム72内に実質的に保持するために、ドライブシャフト48’を囲む支持構造46内に配置される。内部ボリューム72は、クランク部材56の下に配置された膨張可能なブラダー76をさらに含み、それにより、ボリューム72内に保持されている流体が加熱されるか又は低圧にさらされた際に、その流体が膨張することが可能になり、それにより、プローブ40内に生じた過大な流体圧力から生じ得るボリューム72からの流体の漏出が防止される。
図12を参照すると、本発明の原理に従って構築された超音波画像診断システムがブロック図形式で示されている。屈曲した1×Dトランスデューサアレイ30を用いて走査する図11に示されたものなど、3D機械式トランスデューサ走査機構が、超音波を送信し、エコー情報を受信するための超音波プローブ40中に与えられる。トランスデューサアレイ30からの超音波ビームの送信は、プローブに結合されたビームフォーマ80によって指向される。ビームフォーマによって制御される送信特性としては、回数、間隔、振幅、位相、周波数、極性、及び送信波形のダイバーシティがある。また、プローブモーターコントローラ78が3D機械式プローブ40に結合される。プローブモーターコントローラは、モーター作動の方向、速度、及び増分ステップを制御するためにプローブのアーマチュア構造52に結合される。プローブモーターコントローラはまた、カウンタ66からの位置信号をビームフォーマ80に与えることによる、トランスデューサアレイの動きと走査作動との協調のためにビームフォーマに結合される。ビームフォーマは、それによって、トランスデューサアレイが走査平面データ収集のための適切な向きにあるたびに、画像データの走査平面を収集するためにトランスデューサアレイを作動させることができる。トランスデューサアレイ30の要素によって受信されたエコー信号は、それらを適切に遅延させ、次いでそれらを組み合わせることによってビームフォーミングされる。
ビームフォーマ80によって生成されたコヒーレントエコー信号は、デジタルフィルタによるフィルタ処理、及び空間又は周波数合成などによるノイズ又はスペックル低減を含む、信号プロセッサ82による信号処理を受ける。信号プロセッサ82のデジタルフィルタは、例えば、米国特許第5,833,613号(Averkiоuら)に記載されているタイプのフィルタであり得る。
ビームフォーミングされ、処理されたコヒーレントエコー信号は検出器84に結合される。検出器は、組織など、身体中の構造のBモード画像についての振幅(エンベロープ)検出を実行する。Bモードプロセッサは、(I2+Q2)1/2の形態のエコー信号振幅を計算することによって、直交復調されたI信号成分及びQ信号成分の振幅検出を実行する。直交エコー信号成分はまた、ドップラー血流又は動き検出のために使用され得る。ドップラー処理の場合、検出器84は、画像フィールド中の離散点からのエコー信号のアンサンブルを記憶し、エコー信号のアンサンブルは、次いで、高速フーリエ変換(FFT)プロセッサを用いて画像中の点におけるドップラーシフトを推定するために使用される。アンサンブルが収集されるレートは、システムが画像中で正確に測定及び描写することができる動きの速度範囲を決定する。ドップラーシフトは、画像フィールド中の点における動き、例えば、血流及び組織の動きに比例する。カラードップラー画像の場合、血管中の各点における推定されたドップラー血流値は、ウォールフィルタ処理され、ルックアップテーブルを使用してカラー値に変換される。ウォールフィルタは調整可能なカットオフ周波数を有し、カットオフ周波数を上回るか又は下回ると、流れている血液を撮像するときの血管壁の低周波数動きなどの動きが除かれる。Bモード信号及びドップラー信号は、これらの信号が収集された対象ボリューム中の空間座標に関連して画像データメモリ86に記憶される。
メモリに記憶されたBモード画像信号及びドップラー血流値又は動き値は走査変換器88に結合され、走査変換器88は、Bモードサンプル及びドップラーサンプルを、これらサンプルが収集された動径座標(radial coordinate)から、所望の表示フォーマット、例えば、直線ボリューム表示フォーマット又は扇形若しくはピラミッド形表示フォーマットで表示するためのデカルト(x,y,z)座標に変換する。Bモード画像又はドップラー画像のいずれかが単独で表示されるか、又は、カラードップラー表示値が画像中の組織及び血管中の血流を示す解剖学的レジストレーションにおいて、その2つが一緒に示されることがある。現在x、y、zデカルト座標に関連付けられている走査変換されたボリューム画像データが画像データメモリ86に戻されて結合され、画像データメモリ86において、ボリューム画像データは、画像値が収集された空間ロケーションに従ってアドレス指定可能なメモリロケーションに記憶される。3D走査からの画像データは、次いで、ボリュームレンダラー90によってアクセスされ、ボリュームレンダラー90は、米国特許第6,530,885号(Entrekinら)に記載されているように、3Dデータセットのエコー信号を、所与の参照点から見た投影3D画像に変換する。ボリュームレンダラー90によって生成された3D画像は、さらなるエンハンスメント、グラフィックオーバーレイ、バッファリング、及び画像ディスプレイ94上に表示するための一時的記憶のためにディスプレイプロセッサ92に結合される。
走査変換器88の動作は図13及び図14に示されている。図13は、グリッド100のデカルト座標中の表示値の最終再構成画像線110の近傍において収集された、2つの収集された走査線102及び104上の円として示されているピクセル値又はボクセル値を示している。1つの広く使用されている画像再構成技法は、図13に示されているように、ボクセル中心から所定の距離内のすべてのピクセルを平均化することであり、図13では、2つのピクセル間の線10上の106を中心とするボクセルの値を決定するために、ピクセル112の値がピクセル114の値と平均化される。例えば、ビーム102が、ニアフィールド焦点をもつ走査平面内で収集され、ビーム104が、異なる時間において、ファーフィールド焦点をもつ異なる走査平面内で収集された、画像データのわずかに異なる収集時間による動きアーティファクトを低減するために、ボクセル中心からの収集された画像ピクセルデータの距離に従って、再構成されたボクセル中心の周りのピクセルについての異なる重みをもたらすために、より複雑な補間/再構成を使用することができる。例えば、線110上のボクセル中心のより近くにあるピクセル114には、ボクセル中心からより遠くにあるピクセル112の値よりも大きい重みを付けることができる。この方法は非線形のピクセル値重みを与えることができるので、この方法により3D画像中のぶれ効果が低減される。
より一層洗練された補間/再構成技法が図14に示されている。この例では、事前定義されたボリュメトリック領域Ikが、ボクセル中心106など、各再構成されたボクセルロケーションの中心の周りに配置される。この例では、ボリュメトリック領域Ik内には、ディスプレイボクセル値に寄与するために重み付けされた6つのピクセルがあり、3つはボリュメトリック領域内の走査線102上にあり、3つはボリュメトリック領域内の走査線104上にある。各表示ボクセル強度値を計算するために使用され得る式は
であり、ここで、Inewは、再構成されたボクセル強度であり、nは、事前定義された領域内に入るピクセルの数を指し、Wkは、k番目のピクセルから、再構成されたボクセル中心までの距離に応じた、k番目のピクセルのための相対重みである。
本発明の一実装形態において使用するために好適な超音波システム、特に、図12の超音波システムの構成要素構造は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組合せにおいて実装され得ることに留意されたい。また、超音波システムの様々な実施例及び/若しくは構成要素、又はそれの中の構成要素及びコントローラは1つ又は複数のコンピュータ又はマイクロプロセッサの一部として実装され得る。コンピュータ又はプロセッサは、計算デバイス、入力デバイス、ディスプレイユニット、及び、例えば、インターネットにアクセスするためのインターフェースを含む。コンピュータ又はプロセッサはマイクロプロセッサを含む。マイクロプロセッサは、例えば、トレーニング画像をインポートし、臨床試験の結果を記憶するためのPACSシステム又はデータネットワークにアクセスするために、通信バスに接続される。コンピュータ又はプロセッサはメモリをも含む。画像データメモリなど、メモリデバイスはランダムアクセスメモリ(RAM)及び読取り専用メモリ(ROM)を含む。コンピュータ又はプロセッサは、ハードディスクドライブ、又は、フロッピーディスクドライブ、光ディスクドライブ、ソリッドステートサムドライブなど、リムーバブルストレージドライブであり得る、ストレージデバイスをさらに含む。ストレージデバイスはまた、ボリューム画像のための走査平面が収集されるべき機械式掃引の適切な時間若しくは角度、又は走査変換器による画像再構成のために使用されるべき式を選択するためのコンピュータプログラム又は命令をロードするための他の同様の手段であり得る。
本明細書で使用する際、「コンピュータ」、「モジュール」、「プロセッサ」又は「ワークステーション」という用語は、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ(RISC)、ASIC、論理回路、及び本明細書で説明した機能を実行することが可能な任意の他の回路又はプロセッサを使用するシステムを含む、任意のプロセッサベース又はマイクロプロセッサベースのシステムを含む。上記の例は例示にすぎず、したがって、これらの用語の定義及び/又は意味をいかなる形でも限定するものではない。
コンピュータ又はプロセッサは、入力データを処理するために1つ又は複数の記憶要素に記憶される命令のセットを実行する。記憶要素はまた、望まれる又は必要とされる際にデータ又は他の情報を記憶する。記憶要素は処理機械内の情報ソース又は物理メモリ要素の形態であり得る。上記で説明した走査平面収集及び表示ボリューム再構成のための超音波画像及び命令の、収集、処理、及び表示を制御する命令を含む、超音波システムの命令のセットは、上記で説明した画像データ収集の方法及びプロセスなど、特定の動作を実行するように処理機械としてのコンピュータ又はプロセッサに命令する様々なコマンドを含む。命令のセットはソフトウェアプログラムの形態であり得る。ソフトウェアは、有形の非一時的コンピュータ可読媒体として実施され得るシステムソフトウェア又はアプリケーションソフトウェアなど、様々な形態であり得る。走査変換器補間及び再構成のための上記で与えられた式は、一般に、ソフトウェアルーチンによって、又はソフトウェアルーチンの指示の下で計算される。さらに、ソフトウェアは、別個のプログラムの集合、又はより大きいプログラム内のモジュール、又はプログラムモジュールの一部分の形態であり得る。ソフトウェアはまた、オブジェクト指向プログラミングの形態のモジュラープログラミングを含む。処理機械による入力データの処理は、制御パネルから発行されたオペレータコマンドに応答して、又は前処理の結果に応答して、又は別の処理機械によって行われた要求に応答して行われ得る。
さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれたものではなく、そのような特許請求の範囲の限定が、「ための手段」というフレーズと、それに続く、さらなる構造のない機能の記述とを明示的に使用していない限り、米国特許法第112条第6項に基づいて解釈されるものではない。
Claims (19)
- 機械式超音波プローブを用いた3次元(3D)撮像のための超音波画像診断システムであって、前記超音波画像診断システムは、
アレイトランスデューサを仰角方向において移動経路中で移動させるための機械式超音波プローブと、
前記移動経路に沿って異なる時間及びロケーションにおける画像データの走査平面を収集するためのビームフォーマと、
3D画像中に表示するためのボクセル値を生成するために前記画像データを処理するための走査変換器と、
前記3D画像を表示するためのディスプレイと
を備え、
前記ビームフォーマが、さらに、ニアフィールド焦点をもつ画像データの複数の走査平面と、ファーフィールド焦点をもつ画像データの複数の走査平面とを収集し、
前記ニアフィールド焦点をもつ前記走査平面が、均一に、前記ニアフィールドにおける選択された空間サンプリング基準を満たして、前記仰角方向で分離して収集され、
前記ファーフィールド焦点をもつ前記走査平面が、均一に、前記ファーフィールドにおける選択された空間サンプリング基準を満して、前記仰角方向で分離して収集される、超音波画像診断システム。 - 前記アレイトランスデューサが、屈曲したアレイトランスデューサをさらに備える、請求項1に記載の超音波画像診断システム。
- 前記アレイトランスデューサが、1×Dアレイトランスデューサをさらに備える、請求項2に記載の超音波画像診断システム。
- 前記1×Dアレイトランスデューサが2つの選択可能な開口を有する、請求項3に記載の超音波画像診断システム。
- ニアフィールド焦点をもつ画像データの複数の走査平面を収集するための前記ビームフォーマが、さらに、前記選択可能な開口のうちの一方を用いて前記複数の走査平面を収集する、請求項4に記載の超音波画像診断システム。
- ファーフィールド焦点をもつ画像データの複数の走査平面を収集するための前記ビームフォーマが、さらに、前記選択可能な開口のうちの他方を用いて前記複数の走査平面を収集する、請求項5に記載の超音波画像診断システム。
- ニアフィールド焦点とともに収集された画像データの前記複数の走査平面が、ファーフィールド焦点とともに収集された画像データの走査平面の数よりも少ない走査平面を有する、請求項1に記載の超音波画像診断システム。
- 前記走査変換器が、さらに、表示のためのボクセル値を生成するために、受信されたピクセル値を補間することによって前記画像データを処理する、請求項1に記載の超音波画像診断システム。
- ボクセル値中心から所定の距離内にあるピクセル値がまとめて平均化される、請求項8に記載の超音波画像診断システム。
- ボクセル値中心から所定の距離内にあるピクセル値が加重平均でまとめて平均化され、加重が、前記ボクセル値中心からのピクセルの距離の関数である、請求項8に記載の超音波画像診断システム。
- まとめて平均化された前記ピクセル値が、ボクセル値中心を中心とする所定のボリューム内に位置する、請求項10に記載の超音波画像診断システム。
- 前記機械式超音波プローブが、さらに、仰角進行経路に沿った前記アレイトランスデューサの前記ロケーションの測度を前記ビームフォーマに与える、請求項1に記載の超音波画像診断システム。
- 前記ビームフォーマが、仰角進行経路に沿った前記アレイトランスデューサの前記ロケーションの前記測度に応答して、前記仰角進行経路中の事前決定されたロケーションにおける像面を走査するように前記アレイトランスデューサを作動させる、請求項12に記載の超音波画像診断システム。
- 前記仰角進行経路が弓形経路を有し、
前記弓形進行経路に沿ったニアフィールド焦点をもつ画像データの走査平面の収集の前記ロケーションの間隔が均等に離間しており、
前記弓形進行経路に沿ったファーフィールド焦点をもつ画像データの走査平面の収集の前記ロケーションの間隔が均等に離間しており、
3Dボリューム画像のためのいくつかの走査平面を収集するために必要とされる時間中の、ファーフィールド焦点をもつ画像データの走査平面の収集の数が、ニアフィールド焦点をもつ画像データの走査平面の収集の数を超える、請求項13に記載の超音波画像診断システム。 - ニアフィールド焦点とともに収集された走査平面の数と、ファーフィールド焦点とともに収集された走査平面の数との間の差異が、前記屈曲したアレイトランスデューサの屈曲半径の関数である、請求項2に記載の超音波画像診断システム。
- アレイトランスデューサを仰角方向において移動経路中で移動させるための機械式超音波プローブと、前記移動経路に沿って異なる時間及びロケーションにおける画像データの走査平面を収集するためのビームフォーマと、3D画像中に表示するためのボクセル値を生成するために前記画像データを処理するための走査変換器と、前記3D画像を表示するためのディスプレイとを用いた、3D超音波撮像の方法であって、前記方法は、
前記ビームフォーマによって、ニアフィールド焦点をもつ画像データの複数の走査平面を収集するステップであって、ニアフィールドフォーカシングされた走査平面が、ニアフィールドにおける選択された空間サンプリング基準を満たす前記仰角方向における分離を呈する、ニアフィールド焦点をもつ画像データの複数の走査平面を収集するステップと、
前記ビームフォーマによって、ファーフィールド焦点をもつ画像データの複数の走査平面を収集するステップであって、ファーフィールドフォーカシングされた走査平面が、ファーフィールドにおける選択された空間サンプリング基準を満たす前記仰角方向における分離を呈する、ファーフィールド焦点をもつ画像データの複数の走査平面を収集するステップと
を有する、方法。 - 前記ニアフィールドフォーカシングされた走査平面を収集するステップが、前記仰角方向において均一に分離された複数の走査平面を収集するステップをさらに有し、
前記ファーフィールドフォーカシングされた走査平面を収集するステップが、前記仰角方向において均一に分離された複数の走査平面を収集するステップをさらに有する、請求項16に記載の方法。 - 前記ニアフィールドフォーカシングされた走査平面を収集するステップが、前記ファーフィールド焦点とともに収集された走査平面の数よりも少ない、前記ニアフィールド焦点をもつ走査平面の数を収集するステップをさらに有する、請求項17に記載の方法。
- 前記アレイトランスデューサが、屈曲したアレイトランスデューサをさらに備える、請求項16に記載の方法。
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