JP4717978B2

JP4717978B2 - セグメント化およびフロー・ダイナミクスを強化するためのカラー・フロー撮像

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Publication number: JP4717978B2
Application number: JP33954599A
Authority: JP
Inventors: スティーブン・シイ・ミラー; アン・リンゼイ・ホール
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-12-31
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: JP2000308642A; DE69930598T2; EP1016878A2; DE69930598D1; US6123672A; EP1016878B1; EP1016878A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響撮像に関し、さらに詳しくは超音波信号のドップラーシフトに基づくカラー・フロー画像の生成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
すべての既知のカラー・フロー超音波撮像システムは現在、液体流（血流など）から壁の動きを分ける能力と、急速な流れのダイナミクスを視覚化する能力とを妥協させている。このような分離は、動脈流のダイナミクスが視覚化できない点までフレーム・レートを低減させる、大きなパケット・サイズを必要とする。超音波変換器の２回または３回の発射（firing）など非常に小さなパケット・サイズを使用すると、流れのダイナミクスはよく視覚化されるが、壁フラッシュを抑制する能力はかなり犠牲にされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、既知のシステムに必要な妥協を解消し、急速な流れのダイナミクスの視覚化するとともに、流れ領域の画像を壁あるいは組織領域の画像から分けることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、振動エネルギ変換器を刺激して超音波ビームを生成し、そのビームを所定の角度位置に向けて研究対象を貫通させる能力のある超音波システムにおいて有用である。好ましい実施態様は、対象の組織内の、血液流など液体流の１つあるいは複数の特性のカラー表示を提供するための改良された技術を含む。その技術は、所定の第１の刺激繰返し率でビーム位置ごとに、変換器の刺激が所定の第１の数だけ生成されたことに応答して対象内で所定の距離の範囲から後方散乱された超音波に対応する第１の受信器信号を生成する。第２の受信器信号もまた、所定の第２の刺激繰返し率でビーム位置ごとに、変換器の刺激が所定の第２の数だけ生成されたことに応答して、対象から後方散乱された超音波に対応して生成される。好ましくは、受信器信号は超音波受信器によって生成される。第１のカラー・フロー信号が生成され、第１の受信器信号に応答して液体流の第１の特性を示す。第２のカラー・フロー信号も生成され、その信号に応答して液体流の第２の特性を示す。好ましくは、第１と第２のカラー・フロー信号はカラー・フロー・プロセッサで生成される。好ましくは、プロセッサなどの論理装置によって第１と第２のカラー・フロー信号の組合せが選択される。
【０００５】
前述の技術を使用することによって、流れのダイナミクスは最小の壁動きフラッシュで最適に表示される。たとえば、画像フレームを異なる処理パラメータと組み合わせるようなことによって次のような結果が達成される。すなわち、ビーム位置（パケット・サイズ）ごとにより多い数の発射および／またはより小さいパルス繰返周波数（ＰＲＦ）を伴うセグメント化フレームを使用して、表示された画像内の壁／組織領域から流れ領域を分けることができる。より高いＰＲＦとより小さいパケット・サイズを伴う流れダイナミック・フレームを使用すると、急速に更新し、表示された画像内でよりよい流れのダイナミクスを視覚化できる。ダイナミック・フローは、分けられた領域内だけで、対応するセグメント化フレーム中で流れとして表示される。その対応は、時間的にもっとも近いフレーム、あるいはＥＣＧトリガを使用することによって心臓サイクル内の同じポイントにもっとも近いフレームに従う。
【０００６】
前述の技術は低いパケット・サイズを伴う高いフレーム・レートにおける急速なフローのダイナミクスの視覚化を可能にすると同時に、壁フラッシュを抑制する能力を保持する。たとえば、数個のフレーム（あるいは心臓のサイクル）ごとに１フレームの間、セグメント化フレーム（複数可）が発射される。これらのフレームからの画像データは格納される。後続の急速なダイナミック・フロー・フレームが発射され、これらのデータは、フローが対応するセグメント化フレーム内で壁として決定された領域に表示されないような形で、セグメント化フレームと融合される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、振動エネルギ撮像システムは、送信器１３によって生成された刺激パルス波形によって励起された時に超音波エネルギのバーストをそれぞれ生成する、複数の個別に駆動される要素１２を含む変換器アレイ１１を含む。研究対象から変換器アレイ１１に反射して戻った超音波エネルギは、各変換器要素１２によって電気信号に変換され、１組の送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１５を通じて個別に受信器１４に加えられる。送信器１３、受信器１４、スイッチ１５は、ディジタル制御装置１６の制御下で人間のオペレータのコマンドに応答して動作する。完全な走査は、一連のエコーを得ることによって実行され、そのエコー中でスイッチ１５はその送信位置に送られ、送信器１３は各変換器要素１２を励起するように時間的にゲートされ、スイッチ１５は次に受信位置にセットされ、各変換器要素１２によって生成された後続のエコー信号が受信器１４に加えられる。各変換器要素１２からの個別のエコー信号は受信器１４内で組み合わされ、表示システム１７上の画像に線を生成するために使用される１つのエコー信号を生成する。
【０００８】
送信器１３は、超音波エネルギなどの生成された振動エネルギがビーム内に向けられる、すなわち操向（steer ）されるように変換器アレイ１１を駆動する。したがってＢ走査は、物理的に変換器アレイ１１を移動させるのではなく、ポイントからポイントへ１組の角度位置を通してこのビームを移動することによって実行できる。これを達成するために、送信器１３は、連続的な変換器要素１２に加えられる各パルス波形２０へ時間遅延（Ｔ_i）を割り当てる。時間遅延がゼロの時（Ｔ_i＝０）、すべての変換器要素１２は同時に励起され、結果として生じた超音波ビームは、変換器面に垂直で変換器アレイ１１の中央から発する軸２１に沿った方向に向けられる。図１に示すように、時間遅延（Ｔ_i）が増大すると、超音波ビームは角度θだけ中央軸２１から下方に向けられる。
【０００９】
変換器アレイ（ｉ＝１）の一端から他端（ｉ＝ｎ）へのｉ番目ごとの信号に適用される時間遅延Ｔ_iの間の関係は、以下の関係式によって与えられる。
【数１】

上式で、ｘ＝変換器アレイの中心から変換器要素１２の中心までの距離
θ＝送信ビーム角度
ｃ＝研究対象内の音速
Ｒ_T＝送信ビームが集束される範囲
【００１０】
方程式（１）内の時間遅延Ｔ_iは、ビームを所望の角度θに向け、固定された範囲Ｒ_Tで集束される効果を有する。扇形走査は、連続的な励起で時間遅延Ｔ_iを累進的に変化させることによって実行される。角度θは、送信されたビームを連続的な方向に向けるために増分的に変化される。ビームの方向が中央軸２１より上になった時、パルス２０のタイミングが反転されるが、方程式（１）の公式はそのまま適用される。
【００１１】
さらに図１を参照すると、超音波エネルギの各バーストごとに生成されたエコー信号は、超音波ビームに沿って連続した位置（Ｒ）にある反射する対象から放射する。これらは変換器アレイ１１の各セグメント１２によって個別に感知され、特定の時点におけるエコー信号の強さのサンプルは特定の範囲（Ｒ）において発生する反射の量を示す。ただし、反射ポイントＰと各変換器要素１２の間の伝播経路の差により、これらのエコー信号は同時には発生せず、その振幅は等しくはならない。受信器１４の機能は、これらの個別のエコー信号を増幅し復調し、それぞれに適正な時間遅延と移相を割り当て、それらを合計して、角度θに向けられた超音波ビームに沿ってＲに位置するポイントＰから反射される合計超音波エネルギを正確に示す１つのエコー信号を提供することである。
【００１２】
各変換器要素１２からのエコーによって生成された電気信号を同時に合計するために、受信器１４の各個別の変換器要素チャネルに時間遅延と移相が導入される。受信のためのビーム時間遅延は、上記の送信遅延と同じ遅延（Ｔ_i）である。しかし、ダイナミックに集束させるために、各受信器チャネルの時間遅延と移相はエコーの受信の間連続的に変化し、エコー信号がそこから放射する範囲Ｒにおいて受信されたビームのダイナミックの集束を与える。各変換器要素によって受信された信号に加えられる時間遅延Ｔ_dについての最適な方程式は次の通りである。
【数２】

上式で
ｔ＝変換器アレイの中央から音が送信された後の経過時間（すなわち、ＳＴＡＲＴ）
ｃ＝研究対象内の音速
θ＝ビーム角度
ｘ＝変換器アレイの中心から要素の中心までの距離
【００１３】
同じ計算から、適切にスケーリングすれば、正しい移相も得られる。
【００１４】
ディジタル制御装置１６の支持のみで、受信器１４は走査の間、受信器１４の操向が送信器１３によって操向されたビームの方向θを追跡し、範囲Ｒの連続においてエコー信号をサンプルし、ビームに沿ってポイントＰにおいてダイナミックに集束させるために正しい遅延と移相を提供するような形で遅延を行う。このようにして、超音波パルス波形の各発射は、超音波ビームに沿った位置にある対応する一連のポイントＰから反射された音の量を表す一連のデータ・ポイントを取得する。
【００１５】
表示システム１７は受信器１４によって生成された一連のデータ・ポイントを受信し、所望の画像を生成する形にデータを変換する。たとえば、Ａ走査が望ましい場合、一連のデータ・ポイントの強さは時間の関数としてだけグラフ化される。Ｂ走査が望ましい場合、シリーズ内の各データ・ポイントを使用して画像内のピクセルの輝度を制御し、連続した操向角（θ）における一連の測定からなる走査が実行され、表示に必要なデータを提供する。
【００１６】
図１と共に図２を参照すると、送信器１３はメモリ５０として集合的に示されている１組のチャネル・パルス符号メモリを含む。好ましい実施形態では１２８の個別の変換器要素１２があるので、１２８の個別のチャネル・パルス符号メモリ５０がある。各パルス符号メモリ５０は典型的には１ビット×５１２ビット・メモリであり、生成される超音波パルス５２の周波数を決定するビット・パターン５１を格納する。好ましい実施形態では、このビット・パターンは４０ＭＨｚマスタ・クロックによって各パルス符号メモリ５０から読み取られ、信号を駆動変換器１１に適切なパワー・レベルに増幅するドライバ５３に印加される。図２Ｂに示す例では、ビット・パターンは、４つの「０」ビットと互いに配置された４つの「１」ビットのシーケンスであり、５ＭＨｚの超音波パルス５２を生成する。しかし、２．５ＭＨｚ、３．７５ＭＨｚ、６．２５ＭＨｚ、７．５ＭＨｚ、８．７５ＭＨｚ、１０ＭＨｚなど他の搬送波周波数（Ｆ₀）も好ましい実施形態で採用できる。これらの超音波パルス５２が印加される変換器要素１２は、超音波エネルギを生成することによって応答する。すべての５１２ビットが使用されている場合、搬送波周波数（すなわちこの例では５ＭＨｚ）を中心とした４０ｋＨｚという狭い帯域幅のパルスが放出される。
【００１７】
上記に示したように、超音波エネルギの送信されたビームを所望の方向（θ）に向けるために、図２Ｃに示すように各ｎチャネルについてパルス５２が適正な量だけ遅延されなければならない。これらの遅延は、ディジタル制御装置１６（図１）から４つの制御信号（ＳＴＡＲＴ、ＭＡＳＴＥＲＣＬＯＣＫ、Ｒ_T、θ）を受信する送信制御５４によって行われる。入力制御信号θ、固定された送信焦点Ｒ_T、上記の方程式（１）を使用して、送信制御５４は連続的な送信チャネルの間で要求される遅延増分Ｔ_iを計算する。ＳＴＡＲＴ制御信号が受信されると、送信制御５４は４０ＭＨｚＭＡＳＴＥＲＣＬＯＣＫ信号の４つの可能な位相のうち１つを第１の送信チャネル５０を通じてゲートする。その後各連続的な遅延時間間隔（Ｔ_i）において、４０ＭＨｚＭＡＳＴＥＲＣＬＯＣＫ信号は、すべてのｎ＝１２８チャネルがその超音波パルス５２を生成するまで、次のチャネル・パルス符号メモリ５０を通じてゲートされる。各送信チャネル５０は全ビット・パターン５１が送信された後にリセットされ、送信器１３は、ディジタル制御装置１６から次のθと次のＳＴＡＲＴ制御信号を待つ。上記に示したように本発明の好ましい実施形態では、完全なＢ走査は、変換器１１の中央軸２１（図１）を中心にして９０°の扇形を通じて０．７０°ずつのΔθ増分で方向づけられる１２８の超音波パルスから構成される。
【００１８】
送信器１３を詳細に説明するために、１９９１年５月１４日に発行され本願の譲受人に譲渡された「ＣｏｄｅｄＥｘｃｉｔａｔｉｏｎｆｏｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＤｙｎａｍｉｃＦｏｃｕｓｉｎｇｏｆＶｉｂｒａｔｏｒｙＥｎｅｒｇｙＢｅａｍ」という名称の米国特許第５，０１４，７１２号を参照する。前記特許は参照により本明細書に組み込まれる。
【００１９】
特に図３を参照すると、受信器１４は、時間ゲイン制御セクション１００、受信ビーム形成セクション１０１、中間プロセッサ１０２の３つのセクションから構成される。時間ゲイン制御（ＴＧＣ）セクション１００は、ｎ＝１２８の受信器チャネルごとに１つの増幅器１０５と、時間ゲイン制御回路１０６を含む。各増幅器１０５の入力はそれぞれ１つの変換器要素１２に接続され、それが受信するエコー信号を受信し増幅する。増幅器１０５によって提供される増幅の量は、ＴＧＣ回路１０６によって駆動される制御線１０７を通じて制御される。当技術分野において周知のように、エコー信号の範囲が増大するとその振幅は減少する。その結果、さらに遠い反射器から発射されたエコー信号が近い反射器からのエコー信号より大きく増幅されない限り、画像の輝度は範囲（Ｒ）の関数として急速に減少する。この増幅は、８つの（典型的な場合）ＴＧＣ直線電位差計１０８を手動で設定するオペレータによりセクション走査の全範囲にわたって比較的均一な輝度を与える値に制御される。エコー信号が取得される時間間隔から、それが放出される元の範囲が決定され、この時間間隔はＴＧＣ回路１０６によって８つの部分に分けられる。８つの電位差計の設定は、エコー信号がエコー信号取得時間間隔にわたって連続的に増大する量で増幅されるような形で、８つの各時間間隔の間に増幅器１０５のゲインを設定するために用いられる。
【００２０】
受信器１４の受信ビーム形成セクション１０１は、ｎ＝２８の個別の受信器チャネル１１０を含む。以下にさらに詳細に説明されるように、各受信器チャネル１１０は入力１１１において増幅器１０５の１つからアナログ・エコー信号を受信し、Ｉバス１１２とＱバス１１３上でディジタル化された出力値のストリームを生成する。これらの各Ｉ値とＱ値は、特定の範囲（Ｒ）においてエコー信号エンベロープの復調サンプルを表す。これらのサンプルは、それが合計ポイント１１４と１１５において他の受信器チャネル１１０それぞれからのＩサンプルとＱサンプルと合計されるように遅延され移相されており、方向づけられたビーム（θ）上で範囲Ｒの位置にあるポイントＰから反映されたエコー信号の強さと位相を示す。好ましい実施形態では、各エコー信号は走査線の全範囲にわたって約５１２ポイントにおいてサンプルされる（典型的には４０ミリメートルから２００ミリメートル）。
【００２１】
受信器１４のさらに詳細な記述については、１９９１年１月８日に発行され本願の譲受人に譲渡された「ＭｅｔｈｏｄＡｎｄＡｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒＤｉｇｉｔａｌＰｈａｓｅＡｒｒａｙＩｍａｇｉｎｇ」という名称の、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第４，９８３，９７０号を参照されたい。
【００２２】
さらに図３を参照すると、中間プロセッサ・セクション１０２は合計ポイント１１４と１１５からビーム・サンプルを受信する。各ビーム・サンプルのＩ値とＱ値はポイント（Ｒ、θ）から反射された音響の強さの同相直交成分要素を表すディジタル値である。中間プロセッサ１０２はこれらのビーム・サンプルに対してさまざまな計算を実行でき、選択は再構築される画像のタイプによって決まる。たとえば通常の強さの画像が生成される場合、検出プロセッサ１２０（図３）が実装され、その中では次式に従ってディジタル強さＭが各受信ビーム・サンプルから計算され、反射ポイントのＲ、θ座標と共に出力１２１において生成される。
【数３】

【００２３】
検出プロセッサ１２０はまた、１９８９年５月３０日に「ＡｄａｐｔｉｖｅＣｏｈｅｒｅｎｔＥｎｅｒｇｙＢｅａｍＦｏｒｍａｔｉｏｎＵｓｉｎｇＰｈａｓｅＣｏｎｊｕｎｇａｔｉｏｎ」という名称で発行された、米国特許４，８３５，６８９に開示されたような修正方法を実装することもできる。このような修正方法は、受信されたビーム・サンプルを検査し、送信器１３と受信器１４による後続の測定に使用できる修正値を計算し、ビームの集束および操向を向上する。このような修正はたとえば、走査の間各変換器要素からの音響が伝わる媒体の非均質性を補償するために必要である。
【００２４】
本発明は特に、中間プロセッサ１０２に位置するカラー・フロー・プロセッサ１２３に関する。図５に関してさらに詳細に下に記述されるカラー・フロー・プロセッサ１２３は、復調され集束された各エコー信号サンプルのＩ値とＱ値を合計ポイント１１４と１１５から受信し、中間プロセッサ出力１２１において１２ビットのフロー値を生成する。このフロー信号は赤、緑、青の各表示色を制御し、同じポイントについて強さＭと共に表示システム１７に印加される。次にさらに詳細を説明するように、このフロー値によって示された色は、カラー・フロー・プロセッサ１２３によって測定されたフローの結果生じたドップラ信号のパワーの関数である。
【００２５】
特に図１と図４に関しては、受信器１４は出力バス１２１に８ビットのディジタル番号のストリームを生成する。このストリームは表示システム１７の入力に印加される。各出力は８ビットの組織の強さと１２ビットのフロー値を含む。これらの「走査データ」はメモリ１５０内にアレイとして格納され、取得された各ビーム角（θ）に対応する走査データ・アレイ１５０の行と、各ビームに沿ってサンプルが取得された各範囲（Ｒ）に対応する走査データ・アレイ１５０の列を伴う。受信器１４からのＲ制御信号１５１およびθ制御信号１５２は、各入力値がアレイ１５０内のどこに格納されるかを示し、メモリ制御回路１５３はその値をアレイ１５０内の適切なメモリ位置に書き込む。走査は連続的に繰り返され、受信器１４からの値のフローは連続的に走査データ・アレイ１５０を更新する。
【００２６】
さらに図４を参照すると、アレイ１５０内の走査データはディジタル走査変換器１５４によって読み出され、所望の画像を生成する形に変換される。たとえば通常のＢ走査画像が生成される場合、走査データ・アレイ１５０内に格納されている組織の強さと流れの値Ｍ（Ｒ、θ）は画像内のピクセル位置（ｘ、ｙ）において灰色の色調（組織について）と色（流れについて）を示す値Ｍ（ｘ、ｙ）に変換される。超音波画像データの極座標からデカルト座標への変換は、たとえば、１９８３年１０月のＨｅｗｌｅｔｔ−ＰａｃｋａｒｄＪｏｕｒｎａｌの３０ページ〜３３ページに掲載された、ＳｔｅｖｅｎＣ．Ｌｅａｖｉｔｔらの論文「ＡＳｃａｎＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＤｉｓｐｌａｙｉｎｇＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＩｍａｇｅｓ」に記載されている。
【００２７】
ディジタル走査変換器１５４によってどんな変換が行われるかに関わらず、結果として生じた画像データは、変換された走査データの二次元のアレイを格納するメモリ１５５に書き込まれる。メモリ制御１５６は、表示プロセッサ１５７が更新されたデータを読み取る間に、ディジタル走査変換器１５４は、その中にある値を連続的に新しいデータで更新することができるような形で、メモリ１５５にデュアル・ポート・アクセスを行う。表示プロセッサ１５７は、制御パネル１５８から受信されたオペレータのコマンドに応答して、メモリ１５５内の変換された走査データについて通常の画像処理機能を実行する。たとえば、メモリ１５５内の変換された走査データによって示された輝度レベルの範囲が、表示装置１６０の輝度の範囲をはるかに超えることがある。確かに、メモリ１５５内の変換された走査データの輝度の解像度は、人間の目の輝度の解像度をはるかに超えることがあり、典型的には手動で操作可能な制御が行われ、オペレータは最大の画像対比が達成されるような輝度の値の窓を選択することができる。表示プロセッサはメモリ１５５から変換された走査データを読み取り、所望の画像強化を行い、強化された値を表示メモリ１６１に書き込む。
【００２８】
表示メモリ１６１は、メモリ制御回路１６３を通じて表示制御装置回路１６２と共有され、その中の値は、表示１６０内の対応するピクセルの制御輝度と色にマッピングされる。表示制御装置１６２は、使用される特定のタイプのディスプレイ１６０を操作するように設計された市販の集積回路である。たとえばディスプレイ１６０はＣＲＴ（陰極線管）とすることができ、この場合は表示制御装置１６２は、水平掃引回路と垂直掃引回路について必要とされる同期パルスを提供し、掃引の間適切な時間に表示データをＣＲＴにマッピングするＣＲＴ制御装置チップである。
【００２９】
表示システム１７は特定の超音波システムの能力と融通性に応じて多くの形のうちの１つをとることができることは当業者には明らかであろう。上記の好ましい実施形態では、プログラムされたマイクロプロセッサを使用して、ディジタル操作変換装置と表示プロセッサ機能を実装するので、結果として得られる表示システムは非常に融通性がありパワフルである。
【００３０】
特に図５を参照すると、図３のカラー・フロー・プロセッサ１２３は市販の集積回路から構成される。プロセッサ１２３は受信装置のビーム形成セクションによって生成される復調されたエコー信号のＩサンプルとＱサンプルを格納し、Ｎ出力とＤ出力を速度推定回路３０１Ｂに渡す自己相関および正規化回路３０１ＡのＩ入力とＱ入力にこれらを印加するバッファ・メモリ３００を含む。メモリ３００からのＩ出力とＱ出力は遅延ＦＩＦＯ３０２にも渡される。回路３０１Ａと３０１Ｂはたとえば、１９８５年５月のＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＳｏｎｉｃｓａｎｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＶＯＬ．ＳＵ−３２，Ｎｏ．３所載のＣ．Ｋａｓａｉらの論文「Ｒｅａｌ−ＴｉｍｅＴｗｏ−ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＢｌｏｏｄＦｌｏｗＩｍａｇｉｎｇＵｓｉｎｇＡｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅ」に記載されるように、複合共役乗算器、１対の遅延と１対の積分器から構成することもでき、上述の論文は参照により本明細書に組み込まれる。回路３０１Ｂはその入力に加えられるｎ個のサンプルの周波数の中間値を表わす出力信号２を生成する。反射体の動きがない場合は、エコー・サンプルの周波数にドップラ変化はなく、この出力信号はゼロである。一方向に動きがあれば、出力信号２は正の値を有し、動きが反対方向であれば、出力信号２は負の値を有する。
【００３１】
中間値出力信号２はＩＩＲフィルタ３０５を通じて複合ミキサ回路３０３の参照入力に印加される。同時に、信号２を生成するために使用される同じ復調されたエコー信号サンプルの遅延されたＩ値とＱ値は、複合ミキサ３０３の入力に印加される。周波数偏移出力信号Ｉ’とＱ’は、複合ミキサ３０３による次の方程式に従って生成される。
Ｉ’＝Ｉｃｏｓθ＋Ｑｓｉｎθ （４）
Ｑ^l＝Ｉｓｉｎθ−Ｑｃｏｓθ （５）
【００３２】
中間周波数２を伴うこの複合ミキシングの効果は、すべての復調されたエコー信号周波数を値−２だけ偏移することである。ほとんどの場合、フィルタ壁信号成分がエコー信号より優勢なので、壁信号成分の測定された中間周波数と、複合ミキサ３０３による周波数の偏移は本質において、壁信号周波数ゼロ、あるいはＤ．Ｃ．の中間値を偏移する。壁信号を偏移することについてのより詳細は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，３４９，５２４号を参照されたい。大きな壁信号成分は周波数偏移され、ほぼＤ．Ｃ．を中心としている。
【００３３】
さらに図５を参照すれば、偏移されたエコー信号値Ｉ’とＱ’は、高域ＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタ３１０の入力に印加される。ＦＩＲフィルタ３１０は、Ｄ．Ｃ．を中心としたストップ域を有するＰｌｅｓｓｅｙＰＤＳＰ１６２５６Ａなどの市販の集積回路である。
【００３４】
回路３０１Ａと３０１Ｂは、濾波されないベースバンド・エコー信号の分散を計算できる出力Ｒ（Ｏ）とＲ（Ｔ）を有する。この計算は次の方程式に従って乱れ推定回路３１５によって実行される。
σ₂＝（１−｜Ｒ（Ｔ）｜／Ｒ（Ｏ））／Ｔ² （６）
上式においてＴは超音波パルスの発射間隔である。この分散σは、壁信号成分の幅の指標であり、図５に示すように、適応的選択回路３０６へ入力させる低域ＩＩＲフィルタ３０４に送られる。その結果、ＦＩＲフィルタ３１０の出力信号は、主に流れ信号成分から構成される濾波されたエコー信号となる。
【００３５】
図５に示した、ＦＩＲフィルタ３１０によって生成される濾波されたエコー信号成分Ｉ”とＱ”は、第２の自己相関および正規化回路３１８Ａに供給され、回路３１８Ａは第２の速度推定回路３１８Ｂに出力を提供する。回路３１８Ａは回路３０１Ａと同一であり、回路３１８Ｂは回路３０１Ｂと同一である。速度推定回路３１８Ｂは出力３２８に、偏移された流れ信号成分周波数の中間値の推定値である中間値信号θ’を生成する。すなわちθ’は、流れている反射体の中間ドップラーシフトの推定値であり、その中間速度に比例する。信号θ’はカラー・フロー・プロセッサ１２３によって生成されるフロー信号の１成分を形成する。
【００３６】
流れる散乱体の性質を示すために乱流計算器３２６が回路３１８Ｂに結合されている。乱流計算器３２６は上記の乱流計算器３１５と同一であり、ベースバンド・エコー信号の流れ信号成分の周波数分散を示す出力信号σ’を生成する。層流が非常に狭い範囲の速度を有している一方、乱流は多くの速度の混合であるため、この値は流れの乱れを示す。４ビット乱流値σ’は、流れ信号の別の成分として乱流計算器３２６から導体３３０上に供給される。
【００３７】
回路３１８Ａはまた、ベースバンド・エコー信号の流れ信号成分のパワーの推定値であるパワー信号Ｒ（Ｏ）’を導体３３２上で生成する。
【００３８】
ポスト・プロセッサ３３４は導体３２８上でθ’信号を受信し、導体３３０上でσ’信号を受信し、導体３３２上で（Ｒ）（Ｏ）’信号を受信する。ポスト・プロセッサ３３４は、自己相関および正規化回路３０１Ａから導体３３６上でパワー信号（Ｒ）（Ｏ）を受信する。パワー値Ｒ（Ｏ）は、導体３２８と３３０上の速度と分散推定信号の閾値を指定するために使用される。推定値は次にシステムのオペレータによって決定された方法で、選択された表示モードに基づいて８ビットの１つの主出力３３８と４ビットの１つの副出力３４０に結合される。
【００３９】
主出力と副出力は、長フレーム・バッファ３４２と短フレーム・バッファ３４４に送られる。長フレーム・バッファ３４２はビーム位置（パケット・サイズ）ごとに比較的多数の発射を伴うセグメント化フレームを表わす値を格納し、かつ／または、表示システム１７内の壁領域と組織領域から流れ領域を分けるために使用される比較的低いパルス繰返し周波数または刺激周波数（ＰＲＦ）を格納する。
【００４０】
短フレーム・バッファ３４４は比較的高いＰＲＦを伴うフロー・ダイナミック・フレームに対応する値と、フロー・ダイナミクスの画像を提供するために使用される比較的小さいパケット・サイズから得られる値を格納する。すなわち、短フレーム・バッファ３４４に格納される値は、よりよくフロー・ダイナミックを視覚化させるように急速に更新するために使用される。
【００４１】
バッファ３４４内のデータに基づくダイナミック・フローは、長フレーム・バッファ３４２内に格納された値による流れとして分けた領域だけに表示される。
【００４２】
要約すると、フレーム・バッファ３４２内に格納された値は、フレーム・バッファ３４４に格納された値よりも多い数の、ビーム位置ごとの変換器１１の発射または刺激の数に基づいている。同様に、バッファ３４２に格納された値は、フレーム・バッファ３４４内に格納された値を生じる刺激繰返し率またはパルス繰返し率より小さい刺激繰返し率またはパルス繰返し率から生じる。
【００４３】
導体３３６上で生成されたパワー信号の値は、所定の閾値と比較される。値が閾値よりも大きい場合、ポスト・プロセッサ３３４からの信号は出力モード選択ブロック（図示せず）を介して出力される。値が閾値より小さい場合、すべての出力はゼロ値となる。出力モード選択ブロックでは、ポスト・プロセッサ３３４からの出力を決定し、最終的にそれがオペレータによって決定される走査変換器へ送られる。この選択ブロックからの出力は１つの８ビット数と１つの４ビット数である。可能性のあるモードを次の表に示す。
【表１】

【００４４】
変換器１１は、数回の心臓サイクルごとに長フレーム・バッファ３４２に値を生成するために、すでに記述された方法で刺激される。変換器１１は、短フレーム・バッファ３４４に格納される値を生成するためにより急速に刺激される。このようにして、短フレーム・バッファ３４４は心臓サイクルごとに何回もリフレッシュされる。
【００４５】
短フレーム・バッファ３４４の各リフレッシュの後に、ポスト・プロセッサ３３４はさらに処理するために、長フレーム・バッファ３４２と短フレーム・バッファ３４４からカラー・フロー信号の組合せを選択する。好ましい実施形態によれば、プロセッサ３３４は長フレーム・バッファ３４２内の各メモリ位置をアドレス指定し、その値を決定する。値がゼロか所定の閾値以下の場合、血流はわずかであるかあるいはまったくないことを示し、アドレス指定された長フレーム・バッファ３４２値からのデータはバス１２１に送信される。バッファ３４２でアドレス指定された位置における値が閾値を超えたゼロ以外の値である場合、短フレーム・バッファ３４４内の対応するアドレスがアクセスされ、バッファ３４４内のそのアドレス指定された位置からのデータがバス１２１に送信され、長フレーム・バッファ３４２からの同じアドレスにある対応するデータと置き換えられる。
【００４６】
長フレーム・バッファ３４２と短フレーム・バッファ３４４内に値を格納するために、ポスト・プロセッサ３３４は、前に記述された方法で走査データ・メモリ１５０のアドレスを指定するために使用されるビーム角θと各範囲Ｒを使用してバッファをアドレス指定する。ビーム角と範囲の値は、図５に示すようにプロセッサ３３４に入力される。
【００４７】
ポスト・プロセッサ３３４の前述の動作の結果、長フレーム・バッファ３４２と短フレーム・バッファ３４４からの値は、壁組織であると決定された領域内で表示システム１７によって血流が表示されないような組合せで選択される。しかしながら、血流情報は短フレーム・バッファ３４４から急速に読み取られるため、血流の速度の急速な変化は表示システム１７内ですぐに視覚化される。
【００４８】
図６は、ポスト・プロセッサ３３４が上記の説明と同じ方法で動作する代替の実施形態を図示したものであるが、長フレーム・バッファ３４２と短フレーム・バッファ３４４からの値がバス１２１に出力されない点が異なる。その代わりに、ディジタル走査変換器１５４（図４と図６）は、バッファ３４２と３４４内の値を定期的に対応するＸＹ座標に変換し、図に示すように、変換された値を長フレーム・バッファ３５０と短フレーム・バッファ３５２に格納するために、メモリ制御回路１５６Ａと１５６Ｂ（図６）を動作させる。走査変換は、走査データ・メモリ１５０に関して図４に関連して前に記述したのと同じ方法で動作する。
【００４９】
表示プロセッサ１５７（図４と図６）は、長フレーム・バッファ３４２と短フレーム・バッファ３４４に関して上記に記述された方法で長フレーム・バッファ３５０と短フレーム・バッファ３５２からデータを選択し組み合わせて、選択された値の組合せをメモリ制御回路１６３（図４と図６）に送信する。この動作の結果、長フレーム・バッファ３５０と短フレーム・バッファ３５２から選択され組み合わされた値は表示データ・メモリ１６１に書き込まれ、上記に記述された方法で表示制御装置１６２によって処理される。
【００５０】
長フレーム・バッファ３５０と短フレーム・バッファ３５２からの値が表示プロセッサ１５７によって選択され組み合わされ、表示データ・メモリ１６１内に書き込まれた後、結果として生じたメモリ１６１内の値が、目的のカラー・フロー領域内の表示１６０の各ピクセルの色を決定する。目的の領域内の各ピクセルについて、８ビットは赤の強さを制御し、８ビットは緑の強さを制御し、８ビットは青の強さを制御する。これらのビット・パターンは、信号θ’によって表わされた流れの速度が方向あるいは強さを変えた時に、表示位置Ｘ、Ｙにおけるピクセルの色が変わるように、あらかじめ選択されている。たとえば、変換器へ向かう流れが赤と示されると、変換器から離れる流れは青と示される。流れが早いほど、色は明るくなる。
【００５１】
他の例としては、プロセッサ１５７は導体３３０上の乱れ測定値に基づいてピクセル内に表示された緑の量を選択する（図５）。その結果、表示された画像内の特定のポイントＸ、Ｙにおける中間の流れの速度は赤と青の量で示され、乱れの程度は緑の量で示される。
【００５２】
表示の強さあるいはルーメンは、導体３３２上のパワー信号の値に従って変化する。
【００５３】
本明細書では、本発明の所定の好ましい機能だけを図示し記述したが、当業者であれば多くの変更や変化を考えつくであろう。たとえば、ＥＣＧトリガリングを使用して心臓サイクルとほぼ同じ時間に対応するセグメント化フレームを選択することができる。あるいは、もっとも最近のセグメント化フレームを使用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲はこのようなすべての変更および変化を、本発明の真の精神の範囲内としてカバーすることを目的としていることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態を採用した超音波撮像システムの構成図である。
【図２】図１のシステムの一部を形成する送信器の構成図（Ａ）、送信器５０の任意のチャネル内の信号を示す図（Ｂ）、送信器５０の任意のチャネル内の信号を示す図（Ｃ）である。
【図３】図１のシステムの一部を構成する受信器の構成図である。
【図４】図１のシステムの一部を構成する表示システムの構成図である。
【図５】図３に図示された中間プロセッサ１０２の一形態の図である。
【図６】図５に図示された中間プロセッサ１０２の別の形態の図である。
【符号の説明】
１１変換器アレイ
１２要素
１３送信器
１４受信器
１５送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ
１６ディジタル制御装置
１７表示システム
２０パルス波形
２１軸
１２１出力

Claims

振動エネルギ変換器を刺激して超音波ビームを生成し、そのビームを所定の角度位置に向けて研究対象を貫通させる能力のある超音波システムにおいて、対象の組織内の液体流の１つあるいは複数の特性についてカラー表示を行う装置であって、
所定の第１の刺激繰返し率でビーム位置ごとに所定の第１の数だけ、前記変換器を刺激して、第１の超音波を生成し、所定の第２の刺激繰返し率でビーム位置ごとに所定の第２の数だけ、前記変換器を刺激して、第２の超音波を生成し、前記第１の数が前記第２の数をよりも大きく、前記第１の刺激繰返し率が前記第２の刺激繰返し率よりも小さい、制御装置と、前記第１の超音波に応答して前記対象内の所定の距離の範囲から後方散乱された超音波に対応する第１の受信器信号を生成し、前記第２の超音波に応答して前記対象内の所定の距離の範囲から後方散乱された超音波に対応する第２の受信器信号を生成する受信器と、
第１の受信器信号に応答して液体流の第１の特性を示す第１のカラー・フロー信号を生成し、第２の受信器信号に応答して液体流の第２の特性を示す第２のカラー・フロー信号を生成するように接続されたカラー・フロー・プロセッサと、
第１と第２のカラー・フロー信号の組合せを選択するように接続された論理装置と、
他の組織からの液体流の液体流ダイナミクスおよびセグメント化をより簡単に視覚化できるように組み合わされた第１のカラー・フロー信号と第２のカラー・フロー信号に応答して画像を表示するように接続されたディスプレイとを有し、
第１のカラー・フロー信号の値が所定の閾値よりも高い液体流を示した場合に、第１のカラー・フロー信号を第２のカラー・フロー信号で置き換えるように論理装置が接続されていることを特徴とする装置。
振動エネルギ変換器を刺激して超音波ビームを生成し、そのビームを所定の角度位置に向けて研究対象を貫通させる能力のある超音波システムにおいて、対象の組織内の液体流の１つあるいは複数の特性についてカラー表示を行う装置であって、
所定の第１の刺激繰返し率でビーム位置ごとに所定の第１の数だけ、前記変換器を刺激して、第１の超音波を生成し、所定の第２の刺激繰返し率でビーム位置ごとに所定の第２の数だけ、前記変換器を刺激して、第２の超音波を生成し、前記第１の数が前記第２の数をよりも大きく、前記第１の刺激繰返し率が前記第２の刺激繰返し率よりも小さい、制御装置と、前記第１の超音波に応答して前記対象内の所定の距離の範囲から後方散乱された超音波に対応する第１の受信器信号を生成し、前記第２の超音波に応答して前記対象内の所定の距離の範囲から後方散乱された超音波に対応する第２の受信器信号を生成する受信器と、
第１の受信器信号に応答して液体流の第１の特性を示す第１のカラー・フロー信号を生成し、第２の受信器信号に応答して液体流の第２の特性を示す第２のカラー・フロー信号を生成するように接続されたカラー・フロー・プロセッサと、
第１と第２のカラー・フロー信号の組合せを選択するように接続された論理装置と、
他の組織からの液体流の液体流ダイナミクスおよびセグメント化をより簡単に視覚化できるように組み合わされた第１のカラー・フロー信号と第２のカラー・フロー信号に応答して画像を表示するように接続されたディスプレイとを有し、
第１のカラー・フロー信号の値が所定の閾値よりも高い液体流を示した場合に、第２のカラー・フロー信号を第１のカラー・フロー信号と組み合わせるように論理装置が接続されていることを特徴とするの装置。
第１の特性が液体流に隣接した組織からの液体流の部分を含む請求項１または２に記載の装置。
第２の特性が液体流の速度のダイナミックの変化を含む請求項１または２に記載の装置。
少なくとも第１のカラー・フロー信号に応答して第１のメモリ信号を格納するための第１のメモリをさらに含む請求項１乃至4のいずれかに記載の装置。
第２のカラー・フロー信号に応答して第２のメモリ信号を格納するようにメモリが接続されている請求項５に記載の装置。
所定の角度位置と所定の範囲に応答してメモリがアドレス指定される請求項５または６に記載の装置。
表示の座標軸に従ってメモリがアドレス指定される請求項６または７に記載の装置。
振動エネルギ変換器を刺激して超音波ビームを生成し、そのビームを所定の角度位置に向けて研究対象を貫通させる能力のある超音波システムにおける、対象の組織内の液体流の１つあるいは複数の特性のカラー表示を行う方法において、
所定の第１の刺激繰返し率でビーム位置ごとに所定の第１の数だけ、前記変換器を刺激して、第１の超音波を生成し、所定の第２の刺激繰返し率でビーム位置ごとに所定の第２の数だけ、前記変換器を刺激して、第２の超音波を生成するステップであって、前記第１の数が前記第２の数よりも大きく、前記第１の刺激繰返し率が第２の刺激繰返し率よりも小さいところの、前記生成するステップと、前記第１の超音波に応答して前記対象内の所定の距離の範囲から後方散乱された超音波に対応する第１の受信器信号を生成するステップと、
前記第２の超音波に応答して前記対象内の所定の距離の範囲から後方散乱された超音波に対応する第２の受信器信号を生成するステップと、第１の受信器信号に応答して液体流の第１の特性を示す第１のカラー・フロー信号を生成するステップと、第２の受信器信号に応答して液体流の第２の特性を示す第２のカラー・フロー信号を生成するステップと、第１と第２のカラー・フロー信号の組合せを選択するステップと、
液体流ダイナミクスと他の組織から分離した液体流とをより簡単に視覚化できるように、組み合わされた第１のカラー・フロー信号と第２のカラー・フロー信号に応答して画像を表示するステップとを備え、
選択ステップが、第１のカラー・フロー信号の値が所定の閾値よりも高い液体流を示した場合に、第１のカラー・フロー信号を第２のカラー・フロー信号で置き換えるステップを含むことを特徴とするの方法。
振動エネルギ変換器を刺激して超音波ビームを生成し、そのビームを所定の角度位置に向けて研究対象を貫通させる能力のある超音波システムにおける、対象の組織内の液体流の１つあるいは複数の特性のカラー表示を行う方法において、
所定の第１の刺激繰返し率でビーム位置ごとに所定の第１の数だけ、前記変換器を刺激して、第１の超音波を生成し、所定の第２の刺激繰返し率でビーム位置ごとに所定の第２の数だけ、前記変換器を刺激して、第２の超音波を生成するステップであって、前記第１の数が前記第２の数よりも大きく、前記第１の刺激繰返し率が第２の刺激繰返し率よりも小さいところの、前記生成するステップと、前記第１の超音波に応答して前記対象内の所定の距離の範囲から後方散乱された超音波に対応する第１の受信器信号を生成するステップと、
前記第２の超音波に応答して前記対象内の所定の距離の範囲から後方散乱された超音波に対応する第２の受信器信号を生成するステップと、第１の受信器信号に応答して液体流の第１の特性を示す第１のカラー・フロー信号を生成するステップと、第２の受信器信号に応答して液体流の第２の特性を示す第２のカラー・フロー信号を生成するステップと、第１と第２のカラー・フロー信号の組合せを選択するステップと、
液体流ダイナミクスと他の組織から分離した液体流とをより簡単に視覚化できるように、組み合わされた第１のカラー・フロー信号と第２のカラー・フロー信号に応答して画像を表示するステップとを備え、
選択ステップが、第１のカラー・フロー信号の値が所定の閾値よりも高い液体流を示した場合に、第２のカラー・フロー信号を第１のカラー・フロー信号と組み合わせるステップを含むことを特徴とする方法。
第１の特性が液体流に隣接した組織からの液体流のセグメント化を含む請求項９または１０に記載の方法。
第２の特性が液体流の速度のダイナミックの変化を含む請求項９または１０に記載の方法。