JP4445255B2 - 組織で発生される高調波との広帯域周波数合成を用いた超音波スペックル低減の方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波撮像に関し、さらに具体的には、スペックルを低減することにより超音波画像の画質を高める方法及び装置に関する。

超音波撮像は、非侵襲的性質であること、比較的低コストであること、及び放射線照射を行なわないことから、多くの診断手順について興味深いモダリティとなっている。医療超音波画像は典型的には、走査線またはベクトルとして知られている既知の方向に走行する超音波を発生して、体内の異なる密度の領域の間の境界で音波が散乱する又は反跳する際に発生するエコーを観測することにより形成される。超音波ビームの任意の所与の方向について、エコーの振幅に比例する輝度を有する点を、測定されている走査線の方向に短い超音波パルスを送波してからの時間の関数となっている位置の座標にプロットすることにより、画像ピクセルが生成される。

コヒーレント放射によって画像を形成する場合に、画像エネルギの所望の分布は望ましくないランダム変調を被る。このランダムなエネルギ分布は「スペックル」として知られており、画像全体に分布するランダムな強度及びランダムな寸法の斑点として視覚画像に現われる。スペックルは、コヒーレント照射された対象によって散乱されたコヒーレント音場のランダムな位相相殺及び位相加算による協調型干渉及び背反型干渉から生ずる。スペックルのパワー・スペクトルは、コヒーレント信号搬送波のスペクトル、音場における散乱体のテクスチャ又は空間分布、照射対象の空間の寸法、並びに受波及び撮像システムの伝達関数に依存する。

ランダムな組織散乱によって超音波画像に発生されるスペックルは、微細な組織構造を不明瞭にして画像コントラストを低下させる場合がある。周波数合成は、スペックルを低減し、延いてはコントラスト分解能を高める周知の方法である。周波数合成においては、異なる周波数特性を有する画像をインコヒーレント加算する。本発明者等の経験によれば、スペックル低減のための既存の周波数合成法では、検出された狭帯域信号の加算に起因する分解能低下が生ずる。これらの狭帯域信号は典型的には、受波時の狭帯域濾波によって得られる。従って、高分解能合成の方法及び装置が必要とされている。

一般的には、本発明の目的は、改良された超音波撮像方法及び装置を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、微細な構造を不明瞭にして画像コントラストを低下させるスペックルの量を減少させつつ組織の識別を可能にする改良された超音波撮像方法及び装置を提供することにある。本発明のさらにもう一つの目的は、組織で発生される高調波との広帯域周波数合成を用いたかかる方法及び装置を提供することにある。本発明の以上の目的及びその他の目的は、当業者には以下の発明の詳細な説明及び添付図面から明らかとなろう。

本発明は、超音波画像においてスペックル・パターンを平滑化し、且つコントラスト分解能を高める方法及び装置である。他の周波数合成手法と比較すると、広帯域高調波周波数合成は、分解能を犠牲にせずにスペックル雑音を低減する。空間合成と比較すると、広帯域高調波周波数合成は、合成のために連続フレームではなく連続ベクトルを加算するため、組織の運動に対する堅牢性が高い。本発明の方法及び装置は、２以上の発射（ファイアリング、firing）を送波し、これらの発射の２以上をコヒーレント結合して組織で発生される高調波成分を抽出し、コヒーレント和の出力を検出すると共にコヒーレント和の前の１以上の発射を検出して、最後に、検出した全ての出力を結合して合成画像を形成することにより具現化される。

本発明の方法及び装置は、広帯域基本波画像と広帯域高調波画像とを検出後に加算して合成画像を形成する。他の周波数合成法と異なり、送波信号及び受波信号は共に広帯域であり、狭帯域フィルタは不要である。２以上の異なる送波波形での多重発射が各々の焦点ゾーンへ送波される。

一般的には、超音波ビームは、トランスデューサのアレイを用いて該アレイに関して所与の方向に送波ビームを形成することにより発生される。超音波パルスは、所定の周波数にある振幅変調パルスであり、包絡線関数によって指定される振幅を有する。このパルスによって発生するエコーは、同じ又は異なるトランスデューサのアレイによって検出され、このアレイを用いて送波ビームに対応する受波ビームを形成する。マイクロホンすなわち超音波プローブの感度は指向性を有するので、音響パルスの多重反射によって発生されるエコーは減少する。

超音波撮像は一般的には、幾つかの本質的な構成要素を用いたシステムによって達成される。図１は、本発明の方法による超音波イメージング・システムのブロック図であり、超音波イメージング・システムが参照番号１０として全体的に示されている。システム１０は、超音波プローブ１２、ビームフォーマ１４、コヒーレント・ベクトル加算手段１６、検出手段１８、インコヒーレント・ベクトル加算手段２０、後処理手段２２、並びにスキャン・コンバータ及び表示手段２４を含んでいる。一般的には、超音波プローブ１２を走査対象に位置合わせして、操作者がスキャン・コンバータ及び表示手段２４を用いて、プローブ１２によって検出される走査結果を視覚化して観察する。

本発明は、広帯域基本波画像と広帯域高調波画像とを検出後に加算して合成画像を形成する。他の周波数合成法と異なり、送波信号及び受波信号は共に広帯域であり、狭帯域フィルタは不要である。２以上の異なる送波波形での多重発射が各々の焦点ゾーンへ送波される。

本発明の方法及び装置は、異なるスペックル・パターンを有する複数の広帯域画像を合成して、分解能の損失なしにスペックルを抑制することを教示する。このことは、図２及び図３に示すように、２以上の発射を送波し、これらの発射の２以上をコヒーレント結合して組織で発生される高調波成分を抽出し、コヒーレント加算の出力を検出すると共にコヒーレント和の前の１以上の発射を検出して、最後に、検出した全ての出力を結合して合成画像を形成することにより具現化される。

図２〜図５を参照すると、ビームフォーマ３６、３８及び８８によってそれぞれ発生される送波波形６２、６４及び１１０は、基本周波数ｆ０の近くのピーク・パワー・レベルによって特徴付けられることが分かる。ビームフォーマ９０及び９２によってそれぞれ発生される送波波形１１２及び１１４は、もう一つの基本周波数ｆ１の近くのピーク・パワー・レベルによって特徴付けられる。ビームフォーマによって発生される超音波エコー情報には、基本周波数における情報と、高調波周波数において非線形的に生成される情報とが含まれる。ビームフォーマによって受波されるエコー情報は、送波周波数における情報を実質的に除去することにより高調波周波数情報を分離する他の従来の方法のような濾波は施されていない。一実施形態では、２ｆ０での広帯域高調波画像をｆ０及び２ｆ０での広帯域基本波画像とインコヒーレント加算して、最終合成画像を形成する。各々の焦点ゾーンに２回又は３回の発射を行なってよい。

図２及び図４には、参照番号３０として全体的に示す２回発射構成が概略図示されている。２回発射構成３０では、周波数ｆ０での２回の発射３２及び３４の広帯域送波波形６２及び６４は同じ振幅であるが反対の位相を有する。換言すると、この状態はｃ（ｔ）＝−ｂ（ｔ）によって表わされる。一方の発射６２の受波信号６６が検出され（ブロック４８）、やはりｆ０にある広帯域基本波ベクトルを形成する。２回発射３２及び３４の受波信号６６及び６８は等しい加重すなわちＧａｉｎ２＝Ｇａｉｎ３（参照番号４２及び４４）を施されて加算され（ブロック４６）、検出されて（ブロック５０）、２ｆ０にある広帯域高調波ベクトル７０を形成する。次いで、２つのベクトル６６及び７０が加算されて（ブロック５２）、合成画像７２を形成する。加重Ｇａｉｎ１（参照番号４０）は、基本波画像及び高調波画像のスペックルが近似的に同じ輝度を有するような何らかの値に設定される。

また、図３及び図５に示すように、参照番号８０として全体的に示す３回発射構成では、送波波形ａ（ｔ）１１０での１回目の発射８２を用いて広帯域基本波ベクトル１１６を形成する。同じ振幅及び反対の位相を有する送波波形ｂ（ｔ）１１２及びｃ（ｔ）１１４での残り２回の発射８４及び８６を結合して（ブロック１００）、広帯域高調波ベクトル１２２を形成する。送波波形ａ（ｔ）１１０は、ｂ（ｔ）１１２及びｃ（ｔ）１１４と異なっている。次いで、２つのベクトル１１６及び１２２を加算して（ブロック１０６）、合成画像１２４を形成する。この構成８０におけるゲイン設定９４、９６及び９８は、２回発射３０の場合と同じである。２回発射構成３０は相対的に高いフレーム・レートを与え、３回発射構成８０は、基本波画像及び高調波画像の両方について最適化された品質を保証する。

他の実施形態では、同じ位相であるが異なる振幅を有する２つの広帯域波形を発射することにより広帯域高調波画像を得る。次いで、２回の発射をＧａｉｎ３＝−Ｇａｉｎ２／βでコヒーレント加算して、基本波成分を相殺すると共に高調波成分を抽出する。上述と同様の２回発射設定又は３回発射設定をこの実施形態でも利用することができる。

さらに他の実施形態では、基本波ベクトルと高調波ベクトルとの加算に先立って、検出及び対数圧縮を実行する。この実施形態は、検出されたベクトル同士を合成のために乗算することと等価である。

尚、以上の実施形態は、他の多重発射と広帯域合成との組み合わせに拡張し得ることも理解されたい。このことを一般的に表現すると、先ず、２回以上の超音波発射を行なう。これらの発射を幾つかのグループに分割する。これにより、各々のグループが他のグループと発射を共有することができる。発射が１回よりも多いグループでは、発射をコヒーレント結合して組織で発生される高調波成分を形成する。高調波成分には、低調波、超高調波、二次高調波又は高次高調波が含まれ得る。発射が１回よりも多いグループの数は１以上であってよい。発射が１回のグループの数も１以上であってよい。各々のグループについて、２回以上の発射の場合はコヒーレント和の出力が検出され、１回の発射の場合は発射が直接的に検出される。検出された全ての出力を結合して、前述のような合成画像を形成する。

従って、本発明は、超音波画像のスペックル・パターンを平滑化し、且つコントラスト分解能を高める方法及び装置であることが理解されよう。他の周波数合成手法と比較すると、広帯域高調波周波数合成は、分解能を犠牲にせずにスペックル雑音を低減する。空間合成と比較すると、広帯域高調波周波数合成は、合成のために連続フレームではなく連続ベクトルを加算するため、組織の運動に対する堅牢性が高い。本発明の方法及び装置は、２回以上の発射を送波し、これらの発射の２以上をコヒーレント結合して組織で発生される高調波成分を抽出し、コヒーレント和の出力を検出すると共にコヒーレント和の前の１以上の発射を検出して、最後に、検出した全ての出力を結合して合成画像を形成することにより具現化される。

本発明の方法及び装置は、広帯域基本波画像と広帯域高調波画像とを検出後に加算して合成画像を形成する。他の周波数合成法と異なり、送波信号及び受波信号は共に広帯域であり、狭帯域フィルタは不要である。２以上の異なる送波波形での多重発射が各々の焦点ゾーンへ送波される。以上の記載は、本発明の方法を限定するのではなく例示するものとする。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって定義されるものとする。

本発明による超音波イメージング・システムのブロック図である。 本発明の方法における２回発射構成を示す模式図である。 本発明の方法における３回発射構成を示す模式図である。 ２回発射構成下での加算を示すスペクトル図である。 図３に示す３回発射構成下での加算を示すスペクトル図である。

符号の説明

１０ 超音波イメージング・システム
３０ ２回発射構成
６２、６４ ２回発射の送波波形
６６、６８ 受波信号
７０、１２２ 広帯域高調波ベクトル
７２、１２４ 合成画像
８０ ３回発射構成
１１０、１１２、１１４ ３回発射の送波波形
１１６、１１８、１２０ 受波信号

Claims (6)

1. コヒーレント・ベクトル加算手段（１６）と、インコヒーレント加算手段（２０）とを備える超音波イメージング・システムが超音波画像を形成する方法であって、
   （ａ）前記コヒーレント・ベクトル加算手段（１６）が基本周波数にある第１の波形を含んでいる第１の超音波発射に対する第１の受波信号（６６）と、基本周波数にある第２の波形を含んでいる第２の超音波発射に対する第２の受波信号（６８）とをコヒーレント・ベクトル加算して、高調波ベクトル（７０）を形成する工程と、
   （ｂ）前記インコヒーレント加算手段（２０）が前記第１の受波信号（６６）と、前記高調波ベクトル（７０）とを周波数合成法を使用したインコヒーレント加算して、合成画像（７２）を形成する工程と、
   を備えた方法。
2. コヒーレント・ベクトル加算手段（１６）と、インコヒーレント加算手段（２０）とを備える超音波イメージング・システムが超音波画像を形成する方法であって、
   （ａ）前記コヒーレント・ベクトル加算手段（１６）が基本周波数にある第１の波形を含んでいる第１の超音波発射に対する第１の受波信号（１１８）と、第１の超音波と同じ振幅及び反対の位相を有する第２の超音波発射に対する第２の受波信号（１２０）とをコヒーレント・ベクトル加算して、高調波ベクトル（１２２）を形成する工程と、
   （ｂ）前記インコヒーレント加算手段（２０）が基本周波数にある第２の波形を含んでいる第３の超音波発射に対する第３の受波信号（１１６）と、前記高調波ベクトル（１２２）とを周波数合成法を使用したインコヒーレント加算して、合成画像（１２４）を形成する工程と、
   を備えた方法。
3. 前記第１及び第２の受波信号は、等しいゲインで加算され、前記第１の受波信号は、前記高調波ベクトルとインコヒーレント加算されるときに、両者のスペックルが近似的に同じ輝度を有するように加重付きゲインを付与される、請求項１に記載の方法。
4. 前記高調波ベクトルの高調波成分は、超高調波、二次高調波又は高次高調波であり得る、請求項１又は２に記載の方法。
5. 超音波撮像装置であって、
   （ａ）超音波プローブと、
   （ｂ）基本周波数にある第１の波形を含んでいる第１の超音波発射と、基本周波数にある第２の波形を含んでいる第２の超音波発射を行うビームフォーマと、
   （ｃ）前記第１の超音波発射に対する第１の受波信号（６６）と、前記第２の超音波発射に対する第２の受波信号（６８）とをコヒーレント・ベクトル加算して、高調波ベクトル（７０）を形成する手段と
   （ｄ）前記第１の受波信号（６６）と、前記高調波ベクトル（７０）とを周波数合成法を使用したインコヒーレント加算して、合成画像（７２）を形成する手段と、
   （ｅ）後処理手段と、
   （ｆ）スペックルが抑制された画像を表示するスキャン・コンバータ及び表示手段と、
   を備えた超音波撮像装置。
6. 超音波撮像装置であって、
   （ａ）超音波プローブと、
   （ｂ）基本周波数にある第１の波形を含んでいる第１の超音波発射と、第１の超音波と同じ振幅及び反対の位相を有する第２の超音波発射と、基本周波数にある第２の波形を含んでいる第３の超音波発射とを行うビームフォーマと、
   （ｃ）前記第１の超音波発射に対する第１の受波信号（１１８）と、前記第２の超音波発射に対する第２の受波信号（１２０）とをコヒーレント・ベクトル加算して、高調波ベクトル（１２２）を形成する手段と、
   （ｄ）前記第３の超音波発射に対する第３の受波信号（１１６）と、前記高調波ベクトル（１２２）とを周波数合成法を使用したインコヒーレント加算して、合成画像（７２）を形成する手段と、
   （ｅ）後処理手段と、
   （ｆ）スペックルが抑制された画像を表示するスキャン・コンバータ及び表示手段と、
   を備えた超音波撮像装置。
   

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