JP2024511870A - 発散レンズアレイ - Google Patents

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Abstract

医療分野で３Ｄ超音波撮像が強力なツールになっている一方で、主な欠点は、主に、変換器の２Ｄアレイの寸法に関する、大きな３Ｄ立体を撮像する難しさである。空間解像度を損なわないため、変換器のアレイを使用する必要があり、変換器のサイズは、超音波の波長を超えない。そのような要件によって、現在の技術では達成可能でない、または費用が高くなり過ぎる大きな３Ｄ体積を撮像するためのアレイの寸法になる。本開示は、より大きな変換器を使用することによって、上の技術的制約を克服し、各変換器が曲がった形状を有する受信面を有し、または、音響レンズに嵌合される。変換器のそのような構成は、脳または心臓のような大きな３Ｄ体積を、高解像度および高感度で撮像するのに好適な変換器の２Ｄアレイをもたらす。

Description

本発明は、超音波撮像技法に関し、具体的には、大きな視野での３Ｄ立体撮像のための技法に関する。
今日では、医療分野で超音波の使用に対して関心があることは、もはや証明する必要がない。
一般的に、超音波は、個別に超音波を生成することが可能な複数の変換器のアレイを備えるプローブから生成することができる。これらの超音波は、応答して後方散乱信号を生成することができる媒体に向けることができ、後方散乱信号は、順に同じ変換器のアレイまたは異なるアレイによって記録することができる。後方散乱信号から、媒体の２Ｄまたは３Ｄ画像を再構築するのを可能とすることができる。超音波撮像分野での最近の進歩によって、アニメーション化した３Ｄ超音波撮像を得ることを可能にする４Ｄ超音波撮像を行う可能性がもたらされている。
医療分野で３Ｄまたは４Ｄ超音波撮像が強力なツールになっている一方で、それらの主な欠点は、大きな３Ｄ立体を撮像する難しさである。実際に、大きな３Ｄ立体を撮像するための容量が、変換器のアレイの寸法に直接関係する。空間解像度を損なわないため、変換器のアレイを使用する必要があり、ここで変換器のサイズは、超音波の波長を超えない。この要件によって、現在の技術では達成可能でない、または費用が高くなり過ぎるアレイの構成になる。たとえば、３Ｄ撮像での良好な解像度および大きな視野を保つ目的で、１０ｃｍ×１０ｃｍの開口（すなわち、１０ｃｍ×１０ｃｍのアレイ）および（６ＭＨｚの中心周波数に対応する）約２５０マイクロメートルの変換器のサイズを有するプローブによって、１６００００個の変換器のアレイとなる。
大きな視野で３Ｄ立体撮像を実施するために、従来技術では、より少ない変換器を有するアレイを使用するためにある粗なマトリックスを使用する。粗なマトリックスが３Ｄ立体撮像を実施するのを可能にするが、より少ない数の変換器によって、３Ｄ撮像の品質に影響がおよぶ。
さらに、古典的アレイまたは粗なアレイの両方は、通常では、骨の背後にあってもよい臓器全体の３Ｄまたは４Ｄ超音波立体撮像を、撮像された臓器における特定の場所（たとえば、疾患）を決定するのに十分な解像度および感度で実施することが可能ではない。実際には、骨が強く吸収するために、従来技術は、通常では、骨における（人工的または自然な）開口を使用して超音波３Ｄ撮像を実施し、大きな視野の撮像および高い横方向解像度で特定の場所を決定する可能性を難しくさせる。
米国特許第６６８９０６３号
Ｊ．Ａ． Ｊｅｎｓｅｎ、Ｓ．Ｉ． Ｎｉｋｏｌｏｖ、Ｋ．Ｌ． Ｇａｍｍｅｌｍａｒｋ、Ｍ．Ｈ． Ｐｅｄｅｒｓｅｎ著、「Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｉｍａｇｉｎｇ」、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ、ｖｏｌ． ４４、ｎｏ．１、ｅ５～ｅ１６頁， ２００６年
したがって、画像品質が損なうことなく、大きな視野で３Ｄ超音波立体撮像を実施する必要があり、特に、ある種の場合には骨の背後に配置される場合がある臓器の３Ｄ超音波立体撮像を実施する必要がある。
このために、本開示は、変換器を有するアレイを備えることができる超音波３Ｄ撮像プローブを提案し、各変換器が、少なくとも、媒体中の撮像する領域から前記媒体における超音波放出に続く後方散乱超音波を取得するように構成することができ、前記後方散乱超音波が前記媒体中で伝播するときのある波長λに対応するある中心周波数を前記後方散乱超音波が有することができ、前記アレイが前記媒体と接触して配置されるように適合されるアレイ表面を形成し、各変換器が少なくとも前記後方散乱超音波を受け取るための受信面を有することができ、
各変換器が、２λよりも大きな直径を有する内接円を規定するアレイ表面に形状を有することができ、各変換器が
－ 前記受信面に垂直な少なくとも１つの平面中に、湾曲を有する受信面の曲がった形状を有することができ、
－ および／または、前記受信面に垂直な少なくとも１つの平面中に、湾曲を有する曲がった形状を有する変換器をエミュレートするように設計された音響レンズと嵌合することができ、
－ および／または、独立に制御されるように適合された変換器要素のマトリックスによって形成される。
したがって、有利なことに、２λよりも大きな直径を有する内接円を規定するアレイ表面に形状を有する変換器を使用すると、超音波撮像で大きな視野を実施するのに必要な大きな表面を有するプローブの使用を妨げる技術的制約を克服することが可能である。さらに、変換器用により大きな受信面を使用することと、曲がった形状または／および受信面用に曲がった変換器をエミュレートするように設計された音響レンズ（たとえば、発散レンズ）を使用することとを組み合わせることによって、通常では、２λよりも大きな直径を有する内接円を規定するアレイ表面に形状を有する変換器の場合であるはずがない、横方向および時間解像度を向上させることが可能となる。
（たとえば、変換器からの）超音波の放出、または超音波（すなわち、媒体からの後方散乱超音波）の受信は、焦点をぼかすことができる。曲がった形状を有する、もしくは曲がった変換器をエミュレートするように設計された音響レンズを有する、または、独立に制御されるように適合された変換器要素のマトリックスによって形成される各変換器は、変換器の開口角を広げる（すなわち、指向性を低下させる）ように構成することができ、すなわち、発散レンズとして働くことができ、したがって、受信または／および放出において、超音波の焦点をぼかすように構成することができる。
２λよりも大きな直径を有する内接円を規定するアレイ表面に形状を有すると共に、曲がった形状を有する、もしくは曲がった変換器をエミュレートするように設計された音響レンズを有する、または、独立に制御されるように適合された変換器要素のマトリックスによって形成される変換器を有する超音波３Ｄ撮像プローブは、２λよりも大きな直径に起因して大きな振幅を有する超音波を送信および／もしくは受信することが可能であってもよく、媒体中で発散する（または、発散）超音波を送信することによって低い指向性を維持することが可能であってもよく、このことによって、視野、解像度、および感度の項目で画像／立体品質を向上させることが可能となることができる。
こうして、そのような性質によって、大きな視野で３Ｄまたは４Ｄ超音波撮像を実施する実現性がもたらされる。
曲がった形状を有する変換器によって、曲がった送信または／および受信面を有する変換器が理解されるべきである。
媒体は、たとえば水のような媒体または／および柔らかい組織であってもよく、それらを含んでもよい。
１つまたは複数の実施形態では、各変換器の受信面が曲がった形状を有してもよく、湾曲は、λと４０λの間に含まれる少なくとも１つの曲率半径を有してもよい。
１つまたは複数の実施形態では、各変換器の受信面が曲がった形状を有してもよく、曲がった形状は凸であってもよい。
１つまたは複数の実施形態では、各変換器の受信面が、曲がった形状を有する変換器をエミュレートするように設計された音響レンズと嵌合することができ、音響レンズが、変換器の前記受信面の反対側に外面を有することができ、前記外面は凸または凹であってもよい。
１つまたは複数の実施形態では、外面は凸であってもよく、前記外面に垂直な少なくとも１つの平面に湾曲を有してもよく、前記湾曲が、λと４０λの間に含まれる少なくとも１つの曲率半径を有してもよい。
１つまたは複数の実施形態では、外面は凹であってもよく、前記外面に垂直な少なくとも１つの平面に湾曲を有してもよく、前記湾曲が、λと４０λの間に含まれる少なくとも１つの曲率半径を有してもよい。
１つまたは複数の実施形態では、音響レンズは、それぞれがいくつかの音速に関連するいくつかの材料を含む複合音響レンズであってもよい。
１つまたは複数の実施形態では、アレイは、１０００λ２よりも大きくてもよい表面積を有することができる。
１つまたは複数の実施形態では、直径は３０マイクロメートルよりも大きくてもよい。
１つまたは複数の実施形態では、直径は１００マイクロメートルと２０００マイクロメートルの間であってもよい。
１つまたは複数の実施形態では、中心周波数は、０．５ＭＨｚと１００ＭＨｚの間、好ましくは、１ＭＨｚと１０ＭＨｚの間に含まれてもよい。
本開示は、超音波３Ｄ撮像デバイスにやはり関し、超音波３Ｄ撮像デバイスは、少なくとも、
－ 本開示にしたがった超音波３Ｄ撮像プローブと、
－ 各送信された超音波に応答して撮像する領域から変換器によって受信された前記後方散乱超音波から信号を取得するために構成される制御ユニットであって、取得した信号に基づいて３Ｄ画像を生成するためさらに構成することができる、制御ユニットと
を備えることができる。
１つまたは複数の実施形態では、制御ユニットは、前記後方散乱超音波を生成するため撮像する領域中に前記変換器に超音波を送信させるようにさらに構成することができる。
したがって、有利なことに、従来型変換器より大きな寸法の変換器を使用することによって、媒体中により多いエネルギーを送信し、受信においてより良好な感度を得ることが可能になる。
１つまたは複数の実施形態では、制御ユニットは、各送信超音波の送信後に得られた取得信号に補正遅延を適用するようにさらに構成することができ、前記補正遅延は、送信面の曲がった形状を考慮に入れる。
１つまたは複数の実施形態では、超音波３Ｄ撮像プローブの各変換器は、独立に制御されるように適合された変換器要素のマトリックスによって形成することができ、制御ユニットは、変換器規模で曲がった形状を有する変換器をエミュレートするため変換器のマトリックスの変換器要素に時間遅延を適用するように構成することができる。
本開示は、撮像する領域中を伝播する後方散乱超音波を取得するための本開示にしたがった超音波３Ｄ撮像プローブを使用するステップを含む超音波撮像方法にやはり関し、後方散乱超音波は波長λを有することができる。
本開示は、各送信超音波に応答して撮像する領域中を伝播する後方散乱超音波からの信号を取得するため、および、取得した信号に基づいて３Ｄ画像を生成するための本開示にしたがった超音波３Ｄ撮像デバイスを使用するステップを含む超音波撮像方法にやはり関し、後方散乱超音波は波長λを有することができる。
１つまたは複数の実施形態では、超音波は、合成開口法にしたがって、撮像する領域中に送信される。
１つまたは複数の実施形態では、超音波３Ｄ撮像デバイスを使用するステップを含む超音波撮像方法は、
－ 補正した取得信号を得るために、各送信超音波の後に得られる取得信号に補正遅延を適用するステップであって、前記補正遅延が、送信面の曲がった形状を考慮に入れるステップと、
－ 動的合焦および３Ｄ画像の生成を実施するために補正した取得信号にビーム形成を適用するステップであって、前記ビーム形成が、各送信波の受信において実施されて、コヒーレントコンパウンディングまたは合成開口撮像を実施することができる、ステップと
をさらに含むことができる。
１つまたは複数の実施形態では、１つの３Ｄ撮像を実施するために、ある数の送信超音波を使用することができ、前記数は、１００未満であってもよい。
１つまたは複数の実施形態では、１つの３Ｄ撮像を実施するため使用される送信超音波の数は、３０未満であってもよい。
１つまたは複数の実施形態では、撮像する媒体中にマイクロバブルが存在する場合があり、スーパーローカリゼーションアルゴリズムを使用して３Ｄ画像中で位置特定および／または追跡することができる。
１つまたは複数の実施形態では、スーパーローカリゼーションアルゴリズムは、
（ａ）以下すなわち、
－ 組織から信号を除去してマイクロバブルだけを保つために、３Ｄ Ｂモード立体にＳＶＤクラッタフィルタを適用するステップと、
－ 各３Ｄ Ｂモード立体中の最大値を検出するステップと、
－ 偽陽性マイクロバブルを除去するためにマイクロバブルの平均エネルギーレベルに基づいたエネルギーレベルしきい値を適用するステップと、
－ 偽陽性マイクロバブルを除去するために３Ｄ点広がり関数（ＰＳＦ）相関に基づいた相関値のしきい値を適用するステップと
を含む、マイクロバブルを検出するステップと、
（ｂ）以下すなわち、
－ 前記マイクロバブルの最大値周辺のボクセルに３Ｄ放物面補間を使用することによりマイクロバブルの正確な中心を検出するステップと、
－ 正確な中心の座標を使用して、フレーム毎にバブルを追跡するステップと、
－ 追跡の位置および速度を回復するステップと
によってマイクロバブルを追跡するステップと、
（ｃ）以下すなわち、
－ グリッド上に超解像立体を再構築するステップであって、超解像立体の密度が、グリッドの各ボクセル中のマイクロバブルの数であり、超解像立体の速度が、グリッドの各ボクセルにおける平均速度である、ステップ
によって、超解像立体を生成するステップと、
（ｄ）超解像立体に基づいて３Ｄ超解像画像を生成するステップと
を含むことができる。
ＳＶＤによって、特異値分解を理解されたい。
１つまたは複数の実施形態では、変換器規模で曲がった形状を有する変換器をエミュレートするため変換器のマトリックスの変換器要素に時間遅延を適用することができる。
他の特徴、詳細、および利点は、以下の詳細な説明および図面に示されることになる。
超音波撮像のための装置の例を図示する図である。 超音波撮像のための装置の例を図示する図である。 合成開口手法における取得および撮像の例を示す図である。 １つまたは複数の実施形態における、変換器の受信面用の曲がった形状の一例を概略的に図示する図である。 １つまたは複数の実施形態における、変換器の受信面用の曲がった形状の一例を概略的に図示する図である。 １つまたは複数の実施形態における、変換器の受信面用の曲がった形状の一例を概略的に図示する図である。 １つまたは複数の実施形態における、変換器の受信面用の曲がった形状の一例を概略的に図示する図である。 変換器の受信面上に配置された音響レンズの一例を概略的に図示する図である。 変換器の受信面上に配置された音響レンズの一例を概略的に図示する図である。 変換器の受信面上に配置された音響レンズの一例を概略的に図示する図である。 １つまたは複数の実施形態中で、音響レンズについて、遅延を補正するための原理を図示する図である。 ３Ｄ超音波撮像のための受信における、２Ｄアレイの変換器の異なる構成のシミュレーションによる比較を図示する図である。 ２Ｄアレイの変換器の受信面が曲がった形状を備えるときの、補正遅延の効果を図示する図である。 １つまたは複数の実施形態における３Ｄ超音波撮像デバイスの用途の第１の例を図示する図である。 １つまたは複数の実施形態において、スーパーローカリゼーションアルゴリズムを使用することにより得られる３Ｄ超解像超音波撮像の例を図示する図である。 媒体中に超音波を送信する発散レンズを有する変換器の実験的な例を図示する図である。 変換器が発散レンズを有するプローブ、およびそのようなプローブを使用することにより得られた、チューブの中を流れるマイクロバブルの画像を図示する図である。
図では、同じ参照記号は、同一または同様の要素を示す。
図１および２は、超音波撮像のための装置の例を図示する。
図１および図２に示される装置は、たとえば、媒体の領域を撮像するため、超高速３Ｄまたは４Ｄ超音波撮像に適合することができる。媒体は、たとえば、人間の患者といった、生物体の体であってもよい。撮像する領域は、生物体の脳もしくは脳の部分であってもよく、生物体の心臓もしくは心臓の部分であってもよい。
装置は、たとえば、少なくとも２Ｄアレイ超音波プローブ２および制御システムを含むことができる。装置は、生物体の脳の一部だけ、または脳全体をカバーすることができる。
２Ｄアレイ超音波プローブ２は、たとえば、１ｍｍよりも狭いピッチで、数百から数千の数Ｎ個の変換器Ｔｉｊを有することができる。２Ｄアレイ超音波プローブの変換器は、ＸＹ平面において異なる形状を呈する場合がある。一実施形態では、変換器の形状は、正方形、長方形、または円形であってもよい。変換器の厚さは、圧電材料に依存して、１０マイクロメートルと１０００マイクロメートルの間に含まれてもよい。
２Ｄアレイ超音波プローブ２は、ＸＹ平面に垂直な軸Ｚに沿って超音波を送信する、２つの垂直な軸Ｘ、Ｙに沿ったマトリックスとして配設されるｎ＊ｎの変換器を有することができる。１つの具体的な例では、２Ｄアレイ超音波プローブ２は、６ｍｍピッチで、２５６個の変換器Ｔｉｊ（１６×１６）を有することができる。
さらに、２Ｄアレイ超音波プローブは、受信器、または放出器、または放出器および受信器として働くように構成することができる。
超音波の周波数（または、中心周波数）は、たとえば０．５ＭＨｚと１００ＭＨｚの間、たとえば１ＭＨｚと１０ＭＨｚの間に含まれてもよい。
さらに、制御システムは、超音波が毎秒１００超音波以上、たとえば毎秒数百から数千の超音波の割合で送信されるようにプログラム（または構成）することができる。
制御システムは、たとえば、制御ユニット３およびコンピュータ４を含むことができる。この例では、制御ユニット３は、２Ｄアレイ超音波プローブ２を制御し、それから信号を取得するために使用される一方で、コンピュータ４は、制御ユニット３を制御し、制御ユニット３によって取得された信号から３Ｄ画像シーケンスを生成し、それから数量化パラメータを決定するために使用される。変形形態では、単一の電子デバイスが、制御ユニット３およびコンピュータ４の全部の機能性を満足させることができる。
図２に示されるように、制御ユニット３は、たとえば以下を含むことができる。
－ ２Ｄアレイ超音波プローブ２のｎ個の変換器Ｔｉｊに個別に接続される、ｎ＊ｎのアナログ／デジタル変換器５（ＡＤｉｊ）
－ ｎ＊ｎのアナログ／デジタル変換器５にそれぞれ接続される、ｎ＊ｎのバッファメモリ６（Ｂｉｊ）
－ バッファメモリ６およびコンピュータ４と通信する中央処理ユニット７（ＣＰＵ）
－ 中央処理ユニット７に接続されるメモリ８（ＭＥＭ）
－ 中央処理ユニット７に接続されるデジタル信号プロセッサ９（ＤＳＰ）
図３は、合成開口手法における取得および撮像の例を示す。
超音波２Ｄアレイプローブ２は、撮像する領域１０（たとえば、脳または脳の部分）に近い媒体の表面１（たとえば、生物体の頭の外面）に接触することができる。制御ユニット３によって制御される超音波２Ｄアレイは、変換器に、媒体中に少なくとも１つの超音波を送信させることができる（この例では、１度に１つの変換器）。超音波の各々の放出後に、Ｎ個の変換器が、媒体中の撮像する領域１０で生成された後方散乱信号を受信するように構成することができる。たとえば、送信される超音波は、球形波であってもよく、撮像する全領域１０をカバーすることが可能であってもよい。したがって、時刻ｔ０において、変換器３０１が媒体１０の中に球形波３０３を送信することができ、発生した後方散乱信号は、Ｎ個すべての変換器３２０によって受信することができる。ｔ１（ｔ０＋Δｔ）において、変換器３０５が媒体中に球形波３０７を送信することができ、発生した後方散乱信号は、Ｎ個すべての変換器３２０によってｔｋ（ｔ０＋ｋ．Δｔ）に受信することができ、変換器Ｎ３０９が媒体１０中に球形波３１１を送信することができ、発生した後方散乱信号は、Ｎ個すべての変換器３２０によって受信することができる、などである。
一実施形態によれば、超音波２Ｄアレイは、放出用に、Ｋ個の変換器毎にただ１つの変換器を使用する場合がある。１つの好ましい実施形態では、Ｋは、２以上であってもよい。たとえば、超音波２Ｄアレイは、放出において、２つの変換器毎（Ｋ＝２）または４つの変換器毎（Ｋ＝４）に使用することができる。１つまたは複数の実施形態では、超音波２Ｄアレイは、放出において、Ｐ個の変換器の少なくとも１つのクラスタが使用することができ、Ｐは、６４と１００００の間の変換器に含まれてもよい。したがって、この実施形態では、媒体中に超音波を送信するため各変換器を順に使用する従来型合成開口手法とは反対に、Ｋ個の変換器毎に発信することによって、合成開口手法でさえ、速い撮像率を保つことが可能になる。
変換器による各々の送信された信号について、送信された信号に応答して媒体で後方散乱信号が発生する場合がある。発生した後方散乱信号は、変換器３０１、３０５、３０９による各々の放出後の、撮像する領域１０中の散乱についての情報を含む。発生した後方散乱信号は、Ｎ個すべての変換器３２０によって受信することができ、次いで、アナログデジタル変換器５によってそれぞれデジタル化されて、ｎ個のバッファメモリ６中に記憶することができる。超音波（たとえば、球形波）の各々の発信後にｎ個のバッファメモリに記憶されるデータは、以降では、生の信号データと呼ばれる場合がある。
次いで、変換器による１回の放出後に得られる生の信号データは、１回の放出後の低解像度画像を形成するため、すべての画像点においてステアリングおよび合焦（すなわち、ビーム形成）することができる。したがって、たとえば、低解像度画像Ｌ－ｉｍｇ＿０１は、変換器３０１によって送信された超音波信号、および、すべての変換器３２０によって受信される発生した後方散乱信号から作ることができる。
変換器３０１、３０５、３０９などによって順に、複数の低解像度画像Ｌ１、Ｌ２、Ｌｊを得ることが可能であり、これらは、完全な高解像度画像
（たとえば、３Ｄ画像）を再構築するため、３５０で加算することができる。
合焦は、変換器によって受信された信号をコヒーレントに加算することによって、画像中の点毎に行うことができる。
超音波２Ｄアレイ中の放出の場所がわかっているため、放出から受信の正確な時間を計算して、受信における合焦で使用することができる。球形波の発生源から画像中の点へ、および受信変換器へと戻る距離は、以下であってもよい。
この式で、
が画像中の点に対応することができ、
が送信変換器の中間の場所であってもよく、
が受信変換器の中間の場所に対応することができる。したがって、単一の放出についての受信における合焦は、同相ですべての変換器からの受信信号ｇ（ｔ，ｉ）を加算することによって実施することができ、
は、ｉ番目の受信変換器の位置であってもよい。したがって、合焦した信号Ｌは、次式となってもよい。
Ｃが音の速度であり、ｉが受信変換器番号であり、Ｎｒが受信している変換器の数である（Ｎｒ≦Ｎ）。これは、低解像度画像をもたらすために、結果として得られる画像中のあらゆる点
について行うことができる。あらゆる点
についての合焦は、前方遅延または後方遅延を考慮して実施することができる。前方遅延は、距離
を媒体中の音の速度Ｃで割ったものに対応することができ、後方遅延は、距離
を媒体中の音の速度Ｃで割ったものに対応することができる。こうして、各低解像度画像は、それぞれの低解像度画像のすべての点に適用される式（２）から得ることができる。
次いで、高解像度画像は、低解像度画像の加算によって得ることができる。したがって、高解像度画像
の１つの点
について、次式にしたがった、すべての放出（または、発信）についての信号を加えることによって、合成合焦を得ることができる。
ここで、Ｎｔは、送信イベントの数であり、
は、高解像度画像が示される。
合成開口手法は、以下の文書にさらに詳細に記載される。
－ ［１］ Ｊ．Ａ． Ｊｅｎｓｅｎ、Ｓ．Ｉ． Ｎｉｋｏｌｏｖ著、米国特許第６６８９０６３号、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ａｃｑｕｉｒｉｎｇ ｉｍａｇｅｓ ｂｙ ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｉｍａｇｅｓ」
－ ［２］ Ｊ．Ａ． Ｊｅｎｓｅｎ、Ｓ．Ｉ． Ｎｉｋｏｌｏｖ、Ｋ．Ｌ． Ｇａｍｍｅｌｍａｒｋ、Ｍ．Ｈ． Ｐｅｄｅｒｓｅｎ著、「Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｉｍａｇｉｎｇ」、Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ、ｖｏｌ． ４４、ｎｏ．１、ｅ５～ｅ１６頁， ２００６年
従来型合成開口撮像における基本的な問題は、画像における不十分な信号対雑音比である。というのは、単一の変換器が放出用に使用されるためである。これによって、従来の撮像で完全な開口を使用することと比較して、はるかに低い放出エネルギーがもたらされ、したがって、透過の深さが制限される。
合成開口撮像におけるそのような制限は、本開示に提案され下で記載されるような変換器の特定の寸法の使用によって克服することができる。
より正確には、各変換器は、２λよりも大きな直径を有する内接円を規定するアレイ表面に形状を有し、波長λは、超音波の周波数（たとえば、中心周波数）に対応する。
水中で（または、人体中で）伝播する１ＭＨｚの周波数を有する超音波では、波長は、１．５４ｍｍに対応する。
１つまたは複数の実施形態では、内接円の直径は、たとえば、２λと１０λの間に含まれてもよい。
１つまたは複数の実施形態では、内接円の直径は、一般的に３０マイクロメートルよりも大きく、たとえば、１００マイクロメートルと２０００マイクロメートルの間であってもよい。
１つまたは複数の実施形態では、内接円の直径よりもむしろ、表面アレイ中の変換器の対角の寸法を使用することが可能であり、対角は、変換器の中心点を通過する。そのような例では、変換器の対角の長さは、波長の２倍よりも大きくてもよい。
別の例によれば、変換器が円形形状を呈する場合に、アレイ表面の円形形状の直径が、内接円の直径に対応する。
こうして、より大きな変換器の（すなわち、より大きな表面積の）使用のおかげで、通常では技術的な視点から費用がかかり困難である、変換器の数を増やすことなく、大きな視野での３Ｄまたは４Ｄ超音波立体撮像を実現するのに必要な大きな表面（たとえば、１０ｃｍ×１０ｃｍよりも大きい）を備えるプローブで、そのような変換器を覆う（または、カバーする）ことを可能にすることができる。加えて、より大きな変換器の使用によって、従来の変換器の寸法（たとえば、０．５×０．５λ、λ＝２５０μｍ）と比較して、変換器の感度を向上させることが可能となり、上述の合成開口の制限を克服することがやはり可能となる。より大きな変換器の使用によって、より高いエネルギーを送信すること、したがって、媒体中の超音波の透過の深さを増やすことがやはり可能になる。
しかし、波長の２倍よりも大きな寸法の使用によって、各変換器の強い指向性がもたらされる可能性がある。たとえば、たとえば水中で１．５４ｍｍの波長λに対応する１ＭＨｚの周波数で、４λ×４λの寸法を有する正方形変換器、すなわち、４λの直径を有する内接円に対応するものについての指向性は、０度と４５度の間に含まれてもよい。
したがって、オフアクシス後方散乱信号を検出することがより困難になる可能性があり、このことによって得られる３Ｄ画像の空間解像度を低下させる場合がある。
したがって、波長の２倍よりも大きな変換器の寸法の使用を補正するため、各変換器は、曲がった形状を有する（たとえば、凸）送信／受信面を呈する場合がある、または／および、曲がった形状を有する変換器をエミュレートするように設計され、（変換器の）送信／受信面上に配置される音響レンズを備える場合がある、または／および、変換器規模で曲がった変換器表面をエミュレートするために、独立に制御されるように適合される、変換器要素のマトリックスの特別配置に細分化する場合がある。
図４ａから図４ｄは、変換器の送信／受信面用の曲がった形状の一例を概略的に図示する。
図４ａは、曲がった形状４０１を有する受信（または、送信／受信）面を備える２Ｄアレイ２の正方形変換器４００の概略斜視図に対応することができる。図４ｂは、図４ａの上面図に対応することができ、２λよりも大きな直径を有する内接円を規定する変換器４００の形状を図示する。図４ｃおよび図４ｄは、図４ａで提示された変換器４００の、平面ＸＺおよびＹＺにおける概略断面図を表すことができる。
図４ａを参照して、変換器４００は、曲がった形状を有する受信面４０１を備えることができる。たとえば、この曲がった形状は、凸形状または凹形状であってもよい。
図４ｂを参照して、以前に説明したように、表面アレイ中の正方形変換器の内接円４０７の直径４０５は２λよりも大きな。正方形変換器の場合に、正方形変換器の寸法４２０、４２５は、内接円４０７の直径と等しくてもよい。
図４ｃを参照して、曲がった形状は、ＸＺ平面における第１の湾曲４１０によって規定することができる。一実施形態では、第１の湾曲４１０の曲率半径は、λと４０λの間に含まれてもよい。好ましい実施形態では、第１の湾曲の曲率半径は、２λと２０λの間に含まれてもよい。
この第１の湾曲に加えて、図４ｄを参照して、送信／受信面の曲がった形状は、平面ＺＹ中に第２の湾曲４１５を備えることができる。一実施形態では、第２の湾曲４１５の曲率半径は、λと４０λの間に含まれてもよい。１つまたは複数の実施形態では、第２の湾曲の曲率半径は、２λと２０λの間に含まれてもよい。１つまたは複数の実施形態では、第２の湾曲の曲率半径は、第１の湾曲の曲率半径と等しくてもよい。
変換器の受信（または、受信／送信）面のそのような性質によって、スネルの法則およびそれぞれの（変換器中および水などの液体中の）超音波速度にしたがって、発散レンズとして働くことにより、変換器の指向性を下げることを可能にすることができる。変換器の焦点、虚焦点を変換器の後に配置することができ、曲がった形状の曲率半径を選択することによって、調整することができる。
そのような性質によって、受信または放出において、焦点をぼかした超音波を得ることを可能にすることができる。
一例によれば、（たとえば、水中で）１．５４ｍｍの波長λに対応する１ＭＨｚの周波数で、４λの直径を有する内接円、２λの２つの曲率半径を（Ｘ軸の周りおよびＹ軸の周りに）有する凸に曲がった形状を規定する表面アレイ中の正方形変換器では、１５０度と１８０度の間に含まれる変換器の指向性を得るのが可能になることができる。
別の例によれば、水中で１．５４ｍｍの波長に対応する１ＭＨｚの周波数で、２λ以上の直径、４λの２つの曲率半径によって規定される凸に曲がった形状を有する受信面を有する円形変換器は、６０度と１２０度の間に含まれる変換器の指向性を得るのが可能になることができる。
図５ａ、図５ｂ、および図５ｃは、１つまたは複数の実施形態において、変換器の受信面上に配置され、曲がった形状を有する変換器をエミュレートするように設計される音響レンズの一例を概略的に図示する。
音響レンズは、たとえば、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）またはエポキシまたは音響レンズとして使用されるのに好適な任意の材料のような、少なくとも１つの材料で作ることができる。１つまたは複数の実施形態では、音響レンズは、複数の層でできてもよく、そのために各層は、それぞれの音速を有するそれぞれの材料でできている。
図５ａは、発散レンズとして働く平凸音響レンズ５００を有する２ｄアレイ２の円形変換器の概略斜視図に対応することができる。以前に説明したように、内接円の直径に対応するアレイ表面における円形変換器５０１の直径５２５は、２λよりも大きくてもよい。図５ｂおよび図５ｃは、図５ａで提示された変換器および音響用平凸音響レンズの平面ＸＺおよびＹＺにおける概略断面図を表すことができる。
図５ｂを参照すると、平凸音響レンズは、平面５０２および凸面５０３によって規定することができる。平凸レンズの平面５０２は、変換器５０１の受信（または送信／受信）面と接触してもよい。音響レンズは、変換器の受信面と完全にまたは部分的に一致する（または嵌合する）ように構成することができる。
一実施形態では、平凸音響レンズの平面は、変換器の形状と同じ形状を有することができる。たとえば、平凸レンズの平面は、長方形（または正方形または円形）形状を有する変換器について、長方形（または正方形または円形）であってもよい。
図５ｂおよび図５ｃを参照して、曲がった形状を有する受信面について前に記載したように、凸面５０３は、１つまたは複数の湾曲５１０、５１５によって規定することができる。
図５ｂを参照して、凸面５０３は、平面ＸＺにおける第１の湾曲５１０によって規定することができる。１つまたは複数の実施形態では、第１の湾曲の曲率半径は、λと４０λの間に含まれてもよい。
この第１の湾曲に加えて、図５ｃを参照して、凸面５０３は、平面ＺＹにおける第２の湾曲５１５を備えることができる。１つまたは複数の実施形態では、第２の湾曲の曲率半径は、λと４０λの間に含まれてもよい。１つまたは複数の実施形態では、凸面５０３の各湾曲のそれぞれの半径が等しくてもよい。
１つまたは複数の実施形態では、凸面５０３の第１の湾曲または／および第２の湾曲の曲率半径は、２λと４０λの間に含まれてもよい。
音響レンズ（たとえば、平凸音響レンズ）のそのような構成によって、２λと４０λの間に含まれる変換器の後に配置される虚焦点を得ることを可能にすること、および、６０度と１５０度の間に含まれる変換器の指向性を得ることを可能にすることができる。
一例によれば、液体（たとえば水）中で１．５４ｍｍの波長λに対応する１ＭＨｚの周波数で、２λよりも大きなアレイ表面における直径を有する円形変換器、および、３λの２つの曲率半径を有するＰＤＭＳ中の音響平凸レンズによって、６０度と１５０度の間に含まれる変換器の指向性を得るのを可能にすることができる。
１つまたは複数の実施形態では、音響レンズは、短い焦点を有する平凹レンズであってもよい。平凹レンズの焦点は、０．１ｍｍと１ｃｍの間に含まれてもよく、または／および、平凹レンズの少なくとも１つの曲率半径は、λと１０λの間に含まれてもよい。短い焦点の使用によって、発散音響レンズのように働く音響レンズを得ることが可能である。というのは、平凹（すなわち、収束レンズ）によって合焦される超音波は、平凹レンズの焦点と交差した後に発散するためである。
そのような性質によって、受信または放出において、焦点をぼかした超音波を得ることを可能にすることができる。
１つまたは複数の実施形態では、独立に制御されるように適合された変換器要素のマトリックスを使用することによって、曲がった形状を有する変換器をエミュレートすることも可能にすることができる。変換器要素のマトリックスの各々の下位の変換器は、２Ｄアレイの変換器と同様の方法で、音信号（たとえば、超音波および／または後方散乱信号）を送信／受信するように構成することができる。変換器規模で曲がった形状を有する変換器、たとえば、曲面（たとえば、受信／送信面）を有する変換器をエミュレートするため、変換器のマトリックスの各変換器要素に、それぞれの電子的な時間遅延を適用することができる。１つまたは複数の実施形態では、変換器要素の表面は、０．１λ２とλ２の間に含まれてもよい。
それによって、図４ａから図４ｄおよび図５ａから図５ｃに提示された実施形態は、変換器の開口角を広げること（すなわち、指向性を低下させること）、したがって、より多くのオフアクシス後方散乱信号を集めることによって、横方向解像度および時間解像度を向上させることを可能にすることができる。より多くのオフアクシス後方散乱信号を集めるということによって、高解像度画像
（たとえば、高３Ｄ解像度画像）の各点について実施される合成合焦を改善することができる。
しかし、曲がった形状を有する変換器の使用または音響レンズ（たとえば、発散レンズ）の使用によって、送信において超音波信号が歪み、受信において合焦したビーム形成を構築するのに困難がもたらされる可能性がある。したがって、各送信後にＮ個の変換器によって受信される各後方散乱信号にそれぞれ遅延を加えることによって、曲がった形状の送信／受信面または音響レンズの使用を補償することが必要な場合がある。
図６は、１つまたは複数の実施形態中で、音響レンズについて、遅延を補正するための原理を図示する。
無補正遅延６０は、撮像する領域と変換器６０１、６０２の中心との間の時間距離に対応してもよい。１つまたは複数の実施形態では、音響レンズについて補正した遅延は、送信変換器６０１から撮像する領域へ、および、撮像する領域から受信変換器６０２への異なる移動時間を考慮に入れることに対応することができる。
音響レンズを使用するときの補正遅延は、上で述べた式（１）を以下の式で置き換えることによって考慮に入れることができる。
この式（４）において、
が画像中の点に対応することができ、
が送信変換器曲率中心の位置であってもよく、
が送信ビーム６０３と音響レンズ６０１が交差する点Ａの標準投影の送信変換器上の位置であってもよく、
が受信変換器曲率中心の位置であってもよく、
が受信ビーム６０４と音響レンズ６０２が交差する点Ｂの標準投影の受信変換器上の位置であってもよい。ｔｌｔが、
からＡへビーム（すなわち、超音波）が音響レンズ６０１中を移動する時間に対応することができ、ｔｔが、Ａから
へビームが媒体中を移動する時間に対応することができ、ｔｒが、
からＢへビームが媒体中を移動する時間に対応することができ、ｔｌｒが、Ｂから
へビームが音響レンズ６０２中を移動する時間に対応することができる。
こうして、単一の発信についての合焦は、すべての変換器からの受信信号ｇ（ｔ，ｉ）を同相で加算することによって実施することができ、
がｉ番目の受信変換器の位置であってもよい。合焦した信号Ｌは、次式となってもよい。
合成合焦は、次いで、上で述べた式（３）にしたがって得ることができる。
１つまたは複数の実施形態では、水中聴音器で遅延を測定することによって、実際の遅延を実験的に評価することもできる。
１つまたは複数の実施形態では、曲がった形状（たとえば、凸形状）を有する変換器について、ｔｌｔおよびｔｌｒは、上の式中で、ゼロと考えることができる。
図７は、３Ｄ超音波撮像のための受信における、２Ｄアレイの変換器の異なる構成のシミュレーションによる比較を図示する。
各画像７０３、７０５、７０７は、正方形形状の変換器についての異なる構成を有する表面アレイ（５×５ｃｍ）の、１６９個の正方形形状の変換器からの５００個の散乱のイメージングシミュレーションの結果であってもよい（３Ｄファントムイメージングとも呼ばれる）。たとえば合成開口による、送信源は、１．０３ｍｍの波長λに対応する１．５ＭＨｚに設定することができ、９個の変換器によって実施することができる。これらの９個の変換器は、受信のために使用される２Ｄアレイからの変換器であってもよく、または、別の２Ｄアレイからの変換器であってもよい。
画像７０３は、正方形形状の変換器の２Ｄ超音波アレイを使用することによって得ることができ、正方形形状の変換器は、波長の４倍に等しい直径を有する内接円を規定することができる。次いで、変換器の寸法は、表面アレイ中で、４λ×４λに対応する。
画像７０５は、変換器の寸法が表面アレイ中で０．５λ×０．５λであってもよい、従来型変換器の２Ｄ超音波アレイを使用することによって、得ることができる。
画像７０７は、本開示の１つまたは複数の実施形態にしたがって、曲がった形状（凸形状）を有する受信面（または、送信／受信面）を備える正方形形状の変換器の２Ｄ超音波アレイを使用することによって得ることができる。より具体的には、正方形形状の変換器が、波長の４倍に等しい直径を有する内接円を規定し、受信面（または、送信／受信面）の曲率半径が３λである。
最終的に、グラフ７１１は、各々の前に述べた構成について、ｘ＝０およびｚ＝３．８センチメートルに配置された散乱から来る後方散乱信号の、Ｘ軸にしたがった振幅を提示する。したがって、曲線７２０が画像７０７を与える変換器の構成に対応し、曲線７３０が画像７０３を与える変換器の構成に対応し、曲線７４０が画像７０５を与える変換器の構成に対応する。
グラフ７１１から、湾曲あり７２０または湾曲なし７３０で、変換器の寸法がより大きなものを使用すると、変換器７４０の従来型の寸法と比較して、感度を改善すること（すなわち、信号対雑音比を向上させること）を可能にすることができることに気づくことができる。
同様に、曲がった形状７０７を有する受信面を備える２Ｄアレイの変換器は、従来型の変換器７０５と比較して、または、同じ寸法だが曲がった形状の受信面を有さない変換器７０３と比較して、感度ならびにコントラストを改善すること（画像７０３、７０５、７０７上の白矢印）も可能にすることができる。
図８は、２Ｄアレイの変換器の受信面が曲がった形状を備えるときの、補正遅延の効果を図示する。
各画像８０３および８０５は、２λよりも大きな直径を有する、すなわち、２λよりも大きな内接円の直径に対応する、１６９個の円形変換器を備える表面アレイ（５×５ｃｍ）の同じ構成についてからの、８００個の散乱のイメージングシミュレーションの結果であってもよい（３Ｄファントムイメージングとも呼ばれる）。合成開口による、送信源は、水中で１．０４ｍｍの波長λに対応する１．５ＭＨｚに設定することができ、９個の凸形円形変換器によって実施することができる。
画像８０３は、変換器で受信した後方散乱信号からもたらされる生の信号データに補正遅延を適用しないことによって得ることができる。画像８０５は、生の信号データに補正遅延を適用することによって得ることができる。一例によれば、曲がった形状（この場合、凸）を考慮に入れる補正遅延は、１マイクロ秒と５０マイクロ秒の間に含まれてもよい。
最後に、グラフィック８０７は、画像８０３、８０５の両方について、ｘ＝０、ｚ＝３．８センチメートルに配置された散乱から来る後方散乱信号の中心振幅を提示する。
グラフ８０７から、生の信号データに補正遅延８１０を適用することによって、補正遅延８１５を適用しない同様の構成の凸形変換器との比較において、感度を改善すること（すなわち、信号対雑音比を向上させること）を可能にできることに気づくことができる。
同様に、画像８０３および８０５で気づくように、変換器の送信／受信面の凸形状を考慮に入れるため補正遅延を適用することによって、補正遅延を適用しない同様の構成の凸形変換器との比較において、感度ならびにコントラストを改善することを可能にできる（画像８０３および８０５上の白矢印）。
用途の例
上で提示された超音波３Ｄ撮像デバイスを有するプローブのそのような性質によって、３Ｄ（または４Ｄ）超音波撮像を実施するのを可能にすることができる。具体的には、たとえば、脳または心臓のように、骨の背後に配置される、または、皮膚表面から深くに配置される場合がある臓器全体の、高解像度での３Ｄ超音波撮像を実施することを可能にすることができる。実際に、それぞれ曲がった形状と組み合わされた大きな変換器の使用によって、高いエネルギー送信ならびに高い受信感度を保証することができる一方で、大きな開口、したがって、撮像する臓器の高解像度および大きな視野を保つことができる。
たとえば、図９は、１つまたは複数の実施形態における３Ｄ超音波撮像デバイスの用途の第１の例を図示する。
本開示にしたがった３Ｄ超音波撮像デバイスのプローブ９０１は、患者の頭部９０２の表面に位置決めすることができる。１つまたは複数の実施形態では、プローブは、手動で配置すること、または、操作者によって制御されるロボットアームによって配置することができる。放出の周波数（または中心周波数）は、０．５ＭＨｚと３ＭＨｚの間に含まれてもよい。頭部の表面とプローブの間での、超音波の送信および受信を有利にするため、液体／ゲルを使用することができる。
そのような性質によって、大きな視野で、患者の脳の３Ｄまたは４Ｄ超音波撮像（または、超音波超高速撮像）を実施することを可能にすることができる。
さらに、プローブの場所を案内するロボットアームを使用して、脳の完全な３Ｄ画像を迅速で効果的な方法で再構築するために、頭部のいくつかの場所で撮像を実施することができる。
一実施形態によれば、プローブは、図８に提示されるように平面であってもよく、または、患者の頭部に配置されるヘルメット中に配置することができる。
一実施形態によれば、プローブは、平面または曲がった形状であってもよい。アレイが曲がった形状である場合、アレイの平面に対する上の言及は、撮像する領域と接触して配置されるように適合されるアレイ表面と理解するべきである。
１つまたは複数の実施形態によれば、超音波２Ｄアレイの表面は、視野の拡大を可能にする１０００λ２よりも大きくてもよい。
１つまたは複数の実施形態では、たとえば、患者の皮膚の表面に、脳の撮像のため頭部上に、または心臓の撮像のため胸部上に位置決めすることができる。
１つまたは複数の実施形態では、プローブは、単に受信器として使用する場合がある。そのような実施形態では、第２のプローブを使用して、媒体中に超音波を発生させることができる。１つまたは複数の実施形態では、超音波は、光音響効果によって生成することができ、たとえば、媒体中で生成される超音波音響波のためレーザを使用することができる。そのような場合、プローブ９０１の変換器の送信／受信面は、後方散乱超音波を受診するためだけに使用することができる。
１つまたは複数の実施形態では、超音波３Ｄ撮像方法は、以下のように実行することができる。
－ 各々の送信された超音波に対応して撮像する領域中を伝播する後方散乱超音波から信号を取得するステップ
－ 取得信号に基づいて３Ｄ画像を生成するステップであって、前記後方散乱超音波が前記波長λを有する、ステップ
－ 補正した取得信号を得るために、各送信された超音波の後に得られる取得信号に補正遅延を適用するステップであって、前記補正遅延が、送信面の曲がった形状を考慮に入れるステップ
－ 動的合焦および３Ｄ画像の生成を実施するために補正した取得信号にビーム形成を適用するステップであって、ビーム形成が、各送信された波の受信において実施されて、コヒーレントコンパウンディングまたは合成開口撮像を実施することができる、ステップ
超音波は、前に記載された合成開口法にしたがって、撮像する領域中に送信することができる。
生成される３Ｄ超音波画像は、たとえば、臓器全体の血管系の３Ｄ画像であってもよい。臓器全体の血管系の３Ｄ画像は、スーパーローカリゼーションアルゴリズム（または超音波ローカリゼーションアルゴリズム）を使用して、たとえば、撮像する臓器の血管系といった、撮像する領域の血流中に注入されたマイクロバブルを位置特定すること、または／および、追跡することによって得ることができる。マイクロバブルでスーパーローカリゼーションアルゴリズムをそのように使用することによって、高い空間解像度を有する血管系マップを生成することができる。実際に、超音波回折限界よりも１桁以上小さな１０マイクロメートルほどの小ささ、および伝統的な周波数で制限される撮像深度よりはるかに大きな深さで、臓器の血管系の解像度を得ることを可能にすることができる。スーパーローカリゼーションアルゴリズムを使用して生成した３Ｄ超音波画像は、３Ｄ超解像超音波画像と呼ぶことができる。
そのようなスーパーローカリゼーションアルゴリズムは、以下のように実行することができる。
（ａ）以下すなわち、
－ 組織から信号を除去してマイクロバブルだけを保つために、３Ｄ Ｂモード立体にＳＶＤクラッタフィルタを適用するステップと、
－ 各３Ｄ Ｂモード立体中の最大値を検出するステップと、
－ 偽陽性マイクロバブルを除去するためにマイクロバブルの平均エネルギーレベルに基づいたエネルギーレベルしきい値を適用するステップと、
－ 偽陽性マイクロバブルを除去するために３Ｄ点広がり関数（ＰＳＦ）相関に基づいた相関値のしきい値を適用するステップと
を含む、マイクロバブルを検出するステップ
（ｂ）以下すなわち、
－ 前記マイクロバブルの最大値周辺のボクセルに３Ｄ放物面補間を使用することによりマイクロバブルの正確な中心を検出するステップと、
－ 正確な中心の座標を使用して、フレーム毎にバブルを追跡するステップと、
－ 追跡の位置および速度を回復するステップと
によってマイクロバブルを追跡するステップ
（ｃ）以下すなわち、
－ グリッド上に超解像立体を再構築するステップであって、超解像立体の密度が、グリッドの各ボクセル中のマイクロバブルの数であり、超解像立体の速度が、グリッドの各ボクセルにおける平均速度である、ステップ
によって、超解像立体を生成するステップ
（ｄ）超解像立体に基づいて３Ｄ超解像画像を生成するステップ
図１０は、１つまたは複数の実施形態において、スーパーローカリゼーションアルゴリズムを使用することにより得られる３Ｄ超解像超音波撮像の例を図示する。
図１０は、０．３λ×０．３λの各変換器用のサイズを有する従来型３Ｄ超音波撮像プローブ（１０ｃｍ×１０ｃｍ）変換器を使用することと、マイクロバブルおよびスーパーローカリゼーションアルゴリズムの使用を組み合わせることによって得られた、分離されて脈動するラットの心臓についての、３Ｄ超音波冠動脈微小循環撮像に対応する。
図１０上で３Ｄを実施するため、高い体積／率で体積全体にわたって３Ｄ画像を再構築するために、平面波が高い繰返し率でマトリックス変換器によって放出された。
図１０上で見ることができるように、心臓の血流中へのマイクロバブルの注入は、次いで位置特定および／または追跡されるが、１０μｍよりも小さな解像度で心臓の血管系の高解像度撮像を得ることを可能にすることができる。高い繰返し率のために、心臓の血管系中の血液循環を追従することを可能にすることができる。
さらに、１０μｍよりも小さな解像度のおかげで、血管系中で高い精度で潜在的な疾患を位置特定することを可能にすることができるが、伝統的な３Ｄ撮像技法で識別されなかった早期の疾患を識別することも可能にすることができる。
図１１は、媒体中に超音波を送信する発散レンズを有する変換器の実験的な例を図示する。
図１１では、たとえば、発散レンズといった、曲がった形状と組み合わされたときの、変換器の指向性への影響が図示される。
図１１の画像Ａは、変換器１１１０が発散レンズ（すなわち、音響レンズ）とは組み合わされずに媒体中に超音波を送信する場合を図示する。画像Ａは、媒体中で、Ｘ軸が横の次元に対応し、Ｚ軸が深さに対応する、ＸＺウィンドウにしたがった媒体における切断面を提示する。
図１１の画像Ｂは、変換器１１２０が発散レンズ（すなわち、音響レンズ）１１２０ａと組み合わされて媒体中に超音波を送信する場合を図示する。画像Ｂは、媒体中で、Ｘ軸が横の次元に対応し、Ｚ軸が深さに対応する、ＸＺウィンドウにしたがった媒体における切断面を提示する。
図１１からの各々の画像ＡおよびＢは、媒体中で送信された超音波に応答して、各空間点で水中聴音器によって記録された、送信された最大圧力信号に基づいて得ることができる。超音波の周波数は１ＭＨｚである。任意単位（ｕ．ａ．）のスケールは、たとえば、デシベルでの超音波の強度を表すことができる。
画像ＡおよびＢから、発散レンズ１１２０の使用によって、変換器の開口角を広げること（すなわち、指向性を低下させること）、すなわち、横方向寸法を広げることを可能にすることができ、したがって、受信または／および放出において、超音波の焦点をぼかすことを可能にすることができることに気づくことができる。
図１２は、発散レンズを有する変換器を有する超音波プローブ、および、チューブの中のバブルを検出および追跡するために超音波ローカリゼーション顕微鏡検査アルゴリズムを使用してそのような超音波プローブを使用することによって得られるチューブの中のマイクロバブルの画像を図示する。
図１２の画像Ａ中に提示される超音波プローブ１２１０は、図１および図２で提示された超音波撮像のための装置で使用するように構成および配置することができる。
超音波プローブ１２１０は、たとえば、１６個の変換器（または、超音波変換器）といった複数の変換器を有するマトリックスアレイを備えることができる。マトリックスアレイの各変換器は、発散レンズ１２２０と組み合わせることができる。超音波プローブは、図１および図２で提示された超音波撮像のための装置に接続することができる。
そのような超音波プローブと組み合わせた超音波撮像のための装置は、１．５ｍｍである音の波長よりも小さなチューブの中に含まれる液体（たとえば、水）の中のマイクロバブルを撮像および追跡するために使用することができる。マイクロバブル追跡後のチューブの画像が、図１２の画像Ｂに提示される。チューブおよびその直径は、血管系の血管を表すことができる。画像Ｂから、音の波長よりも小さなチューブ中のマイクロバブル１２５０を追跡および撮像して高解像度画像を得ることが可能であり、したがって、血管系（または、脈管構造）の血管中で高解像度（典型的には、波長／１０、たとえば、１５０μｍ未満）を得ることを可能にすることができることを示し、したがって、血管系中で高い精度で潜在的な疾患を位置特定することを可能にすることができるが、伝統的な３Ｄ撮像技法で識別されなかった早期の疾患を識別することもできることを理解することができる。方法は、血管中の流速を評価し、微小血管網の機能情報を得るために使用することもできる。
２ ２Ｄアレイ超音波プローブ、超音波３Ｄ撮像プローブ
３ 制御ユニット
４ 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
７ 中央処理ユニット
８ メモリ
９ デジタル信号プロセッサ
１０ 撮像する領域、媒体
３０１ 変換器
３０３ 球形波
３０５ 変換器
３０７ 球形波
３０９ 変換器
３１１ 球形波
３２０ 変換器
４００ 正方形変換器
４０１ 曲がった形状、受信面
４０５ 直径
４０７ 内接円
４１０ 第１の湾曲
４１５ 第２の湾曲
４２０ 寸法
４２５ 寸法
５００ 平凸音響レンズ
５０１ 円形変換器
５０２ 平面
５０３ 凸面、曲がった形状
５１０ 第１の湾曲
５１５ 第２の湾曲
５２５ 直径
６００ 無補正遅延
６０１ 送信変換器、音響レンズ
６０２ 受信変換器、音響レンズ
６０３ 送信ビーム
６０４ 受信ビーム
７０３ 画像、変換器
７０５ 画像、従来型の変換器
７０７ 画像、曲がった形状
７１１ グラフ
７２０ 曲線、湾曲あり
７３０ 曲線、湾曲なし
７４０ 曲線、変換器
８０３ 画像
８０５ 画像
８０７ グラフィック
８１０ 補正遅延
８１５ 補正遅延
９０１ プローブ
９０２ 頭部
１１１０ 変換器
１１２０ 変換器
１１２０ａ 発散レンズ、音響レンズ
１２１０ 超音波プローブ
１２２０ 発散レンズ
１２５０ マイクロバブル

Claims (15)

  1. 変換器を有するアレイを備える超音波３Ｄ撮像プローブ（２）であって、各変換器が、少なくとも、媒体中の撮像する領域（１０）から前記媒体における超音波放出に続く後方散乱超音波を取得するように構成され、前記後方散乱超音波が前記媒体中で伝播したときのある波長λに対応するある中心周波数を前記後方散乱超音波が有し、前記アレイが前記媒体と接触して配置されるように適合されるアレイ表面を形成し、各変換器が少なくとも前記後方散乱超音波を受け取るための受信面を有し、
    各変換器が、２λよりも大きな直径を有する内接円を規定する、前記アレイ表面における形状を有し、各変換器が
    － 前記受信面に垂直な少なくとも１つの平面中に湾曲を有する前記受信面の曲がった形状（４０１）を有し、
    － および／または、前記受信面に垂直な少なくとも１つの平面中に、湾曲を有する曲がった形状（５０３）を有する変換器をエミュレートするように設計された音響レンズと嵌合され、
    － および／または、独立に制御されるように適合された変換器要素のマトリックスによって形成される、超音波３Ｄ撮像プローブ（２）。
  2. 各変換器の前記受信面が曲がった形状を有し、前記湾曲が、λと４０λの間に含まれる少なくとも１つの曲率半径を有し、
    または、各変換器の前記受信面が曲がった形状を有し、前記曲がった形状が凸である、請求項１に記載の超音波３Ｄ撮像プローブ。
  3. 各変換器の前記受信面が曲がった形状を有する変換器をエミュレートするように設計された音響レンズと嵌合され、前記音響レンズが、前記変換器の前記受信面の反対側に外面を有し、前記外面が凸または凹である、請求項１に記載の超音波３Ｄ撮像プローブ。
  4. 前記外面が凸であり、前記外面に垂直な少なくとも１つの平面に湾曲を有し、前記湾曲が、λと４０λの間に含まれる少なくとも１つの曲率半径を有し、
    または、前記外面が凹であり、前記外面に垂直な少なくとも１つの平面に湾曲を有し、前記湾曲が、λと４０λの間に含まれる少なくとも１つの曲率半径を有する、請求項３に記載の超音波３Ｄ撮像プローブ。
  5. 前記音響レンズが、それぞれがいくつかの音速に関連するいくつかの材料を含む複合音響レンズである、請求項１に記載の超音波３Ｄ撮像プローブ。
  6. 前記直径が３０マイクロメートルよりも大きい、請求項１に記載の超音波３Ｄ撮像プローブ。
  7. 少なくとも、
    － 請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波３Ｄ撮像プローブ（２）と、
    － 各送信された超音波に応答して前記撮像する領域（１０）から前記変換器によって受信された前記後方散乱超音波から信号を取得するために構成される制御ユニット（３）であって、取得信号に基づいて３Ｄ画像を生成するためさらに構成される、制御ユニット（３）と
    を備える、超音波３Ｄ撮像デバイス。
  8. 前記制御ユニットが、前記後方散乱超音波を生成するため前記撮像する領域中に前記変換器に超音波を送信させるようにさらに構成される、請求項７に記載の超音波３Ｄ撮像デバイス。
  9. 前記制御ユニットが、各送信された超音波の送信後に得られる前記取得信号に補正遅延（６０３，６０４）を適用するようにさらに構成され、前記補正遅延が、送信面の前記曲がった形状を考慮に入れる、請求項８に記載の超音波３Ｄ撮像デバイス。
  10. 前記超音波３Ｄ撮像プローブの各変換器が、独立に制御されるように適合された変換器要素のマトリックスによって形成され、前記制御ユニットが、変換器規模で曲がった形状を有する変換器をエミュレートするため変換器の前記マトリックスの前記変換器要素に時間遅延を適用するように構成される、請求項７に記載の超音波３Ｄ撮像デバイス。
  11. 撮像する領域中を伝播した後方散乱超音波を取得するための請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波３Ｄ撮像プローブを使用するステップを含む超音波撮像方法であって、前記後方散乱超音波が前記波長λを有する、超音波撮像方法。
  12. 各送信された超音波に応答して撮像する領域中を伝播した後方散乱超音波からの信号を取得するため、および、前記取得信号に基づいて３Ｄ画像を生成するための請求項７に記載の超音波３Ｄ撮像デバイスを使用するステップを含む超音波撮像方法であって、前記後方散乱超音波が前記波長λを有する、超音波撮像方法。
  13. 前記超音波が合成開口法にしたがって前記撮像する領域中に送信される、請求項１２に記載の、超音波３Ｄ撮像デバイスを使用するステップを含む、超音波撮像方法。
  14. － 補正した取得信号を得るために、各送信された超音波の後に得られる前記取得信号に補正遅延を適用するステップであって、前記補正遅延が、前記送信面の前記曲がった形状を考慮に入れる、ステップと、
    － 動的合焦および前記３Ｄ画像の生成を実施するために前記補正した取得信号にビーム形成を適用するステップであって、前記ビーム形成が各送信された波の受信で実施され、コヒーレントコンパウンディングまたは合成開口撮像を実施する、ステップと
    をさらに含む、請求項１２に記載の超音波３Ｄ撮像デバイスを使用するステップを含む、超音波撮像方法。
  15. マイクロバブルが、前記撮像する媒体中に存在し、スーパーローカリゼーションアルゴリズムを使用して前記３Ｄ画像中で位置特定および／または追跡され、
    前記スーパーローカリゼーションアルゴリズムが、
    （ａ）
    － 組織から信号を除去してマイクロバブルだけを保つために、３Ｄ Ｂモード立体にＳＶＤクラッタフィルタを適用するステップ、
    － 各３Ｄ Ｂモード立体中の最大値を検出するステップ、
    － 偽陽性マイクロバブルを除去するためにマイクロバブルの平均エネルギーレベルに基づいたエネルギーレベルしきい値を適用するステップ、および
    － 偽陽性マイクロバブルを除去するために３Ｄ点広がり関数（ＰＳＦ）相関に基づいた相関値のしきい値を適用するステップ
    を含む、前記マイクロバブルを検出するステップと、
    （ｂ）
    － 前記マイクロバブルの最大値周辺のボクセルに３Ｄ放物面補間を使用することによりマイクロバブルの正確な中心を検出するステップ、
    － 正確な中心の座標を使用して、フレーム毎にバブルを追跡するステップ、および
    － 追跡の位置および速度を回復するステップ
    によって前記マイクロバブルを追跡するステップと、
    （ｃ）
    － グリッド上に超解像立体を再構築するステップであって、前記超解像立体の密度が、前記グリッドの各ボクセル中のマイクロバブルの数であり、前記超解像立体の速度が、前記グリッドの各ボクセルにおける平均速度である、ステップ
    によって、超解像立体を生成するステップと、
    （ｄ）前記超解像立体に基づいて３Ｄ超解像画像を生成するステップと、
    を含む、請求項１１に記載の超音波撮像方法。
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