JP4755186B2 - ソフトウェアツールを用いた、hifu治療中の無干渉超音波イメージング - Google Patents

ソフトウェアツールを用いた、hifu治療中の無干渉超音波イメージング Download PDF

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Description

本発明は一般に、超音波イメージングに関し、より詳細には、合成無干渉超音波画像を得ることができる超音波イメージングに関する。
音波治療としては、衝撃波砕石術(SWL)、高密度焦点式超音波療法(HIFU)、および超音波強化ドラッグデリバリー(ultrasound-enhanced drug delivery)がある。HIFUは、止血、腫瘍治療、および組織壊死を含む多くの治療用途に使用される。これらの処置は、エネルギーを生成する音波治療用トランスデューサと治療容積との間に配置される組織に悪影響を与えることなく、身体内深くに配置される治療容積に、比較的大量の治療用エネルギー(1000W/cm2程度)を選択的に適用するような音波治療技術の固有の能力によって可能になる。特に、HIFUは、大きな可能性のある強力な医療技法であり、現在、米国でもその他の国でも、腫瘍を治療するために使用されている。しかし、非侵襲的なHIFUベースの経皮的音波手術を安全に実施するためには、内部治療部位にターゲティングし、治療プロセスを監視するために、医療イメージングモダリティを使用して、その内部治療部位を視覚化しなければならない。超音波イメージングは、次の理由で、魅力的なモダリティである。(a)画像がリアルタイムで得られる。(b)持ち運びできるイメージャ(imager)が市販されている。(c)ドップラーベースのイメージングモダリティを使用して、出血を検出することができる。(d)超音波イメージングは、医療施設で一般に利用可能な、比較的普及している医療技術である。(e)超音波イメージングは、磁気共鳴映像法(MRI)など、他の医療イメージングシステムに比べて、比較的安価である。
HIFU治療を超音波イメージングと組み合わせる場合の問題は、その高エネルギー治療波が、治療部位を監視するために使用される超音波イメージング信号に著しい量のノイズをもたらし、イメージングと治療とを同時に行うことを困難にすることである。確かに、HIFU波の高エネルギーは、従来の超音波イメージングシステムを完全に圧倒し得る。この問題をはっきりさせるのに役に立ち得る1つの例えは、光の相対的強度に関するものである。夕空の星から来る光が、ターゲット区域からイメージングトランスデューサに向かって反射される低パワーのイメージング超音波であると考えると、それに対して、太陽からの光は、治療用トランスデューサによって生成されるHIFU波であると考えられる。太陽が出ているときは、星からの光は太陽からの光によって完全に圧倒され、太陽からの明るい光が星から来るかすかな光を完全にマスクするので、空を見る人には星は見えない。同様に、治療用トランスデューサによって放出されるHIFU波は、イメージングトランスデューサによって生成される、より低エネルギーのイメージング超音波を完全に圧倒し、生成されるどんな超音波画像も、治療用トランスデューサからのHIFU波によって生じるノイズで飽和する。
図1Aは、先行技術の超音波画像10を概略的に示す。図1Aでは、スキャンフィールド12が、超音波イメージングパルス(すなわち、超音波イメージング波)とHIFU波(どちらも図示せず)とを同時に動作させることによって生じるノイズ14によって、完全に不明瞭なっている。超音波画像10では、臨床医が、HIFU波を治療部位18に集束させようとしているかもしれない。しかし、ノイズ14がスキャンフィールド12を完全に飽和させているので、HIFU波を治療部位18に正確に集束させるのは不可能である。治療用トランスデューサが完全に電源を切断された場合、スキャンフィールド12からノイズ14がなくなる。しかし、こうした条件下では、HIFU波の焦点が見えなくなり、HIFU波を治療部位18に正確に集束させることはできない。HIFU波がアクティブでなくなった後でも、HIFU焦点におけるエコー輝度の何らかの変化はしばらく続き得るが、治療用トランスデューサが再通電されるまで、治療用トランスデューサ(または治療部位18)の位置の変化は何も示されない。したがって、HIFU波をリアルタイムで集束させることができない。
先行技術のシステムには、特定のHIFUトランスデューサの既知の焦点がスキャン画像中のどこに位置することになるかを示すために、超音波画像にターゲティングアイコンを含めたものがある。このアイコンは、スキャン超音波画像に対する、HIFUトランスデューサの焦点領域の位置を確定するのに役立ち得るが、そのようなアイコンベースの技法では、臨床医が結果をリアルタイムで観察することはできない。HIFU治療用トランスデューサが通電された後は、スキャン超音波画像が完全にノイズで飽和され、臨床医は、HIFU治療用トランスデューサの電源を再び切断しない限り、治療の進行を監視することができない。さらに、治療中は、屈折の変化、組織の温度、ターゲット区域内またはその付近の気泡の存在、および(呼吸に関連する動きを含めた)患者の動きのために、そのようなアイコンベースのターゲティングシステムの正確さは一般に、低下することに留意されたい。
図1Bは、HIFU治療中に超音波画像を乱すノイズの量を低減させるための、開示されている先行技術の技法(たとえば、特許文献1参照。その開示、明細書、および図面を、ここに明確に、参照により本明細書に組み込む)を概略的に示す。図1Bでは、治療用トランスデューサによって生成されるHIFU波が、パルス発振されている。この技法は、超音波画像20を生成し、その超音波画像では、スキャンフィールド22内のノイズ24の場所は、治療用トランスデューサによって生成されるパルス発振HIFU波と、スキャンするトランスデューサによって生成される超音波イメージングパルスとの間の干渉の関数である。図1Bでは、ノイズ24は、治療部位28をほぼマスクする。観察者にとって、HIFU波とイメージングパルスとの間の干渉が変わるにつれて、ノイズ24がスキャンフィールド22の全体にわたって移動することになるので、この結果はすべてのケースで生じるわけではない。したがって、HIFU波単独のパルス発振では、ノイズ24が治療部位から離れてスキャンフィールド22の異なる部分にランダムにシフトされたときにのみ、臨床医が治療部位のノイズのない画像を閲覧することが可能になることになる。しかし、そのような単独のパルス発振は、臨床医を極めて混乱させる画像を生成する。ノイズ24がスキャンフィールド22の全体にわたってちらつき、集中するのを困難にし、かつ、治療部位に対してHIFU波の焦点がどこにあるのかを、リアルタイムで一貫して確定するのを困難にするからである。
図1Cは、HIFU治療中に超音波画像を乱すノイズの量を同様に低減させるための、開示されている別の先行技術の技法(たとえば、特許文献1参照。以下、’867特許と呼ぶ)を概略的に示す。超音波画像30では、治療用トランスデューサからのHIFU波は、確実にノイズ34が治療部位38をわからなくさせないようにするために、パルス発振され、かつイメージングトランスデューサからの超音波イメージングパルスに対して同期されている。超音波画像30では、ノイズ34は、パルス発振とHIFU波との同期をどちらも選択的に調整することによって、治療部位38から離隔したスキャンフィールド32内の場所にシフトされている。好ましくは、ノイズ34は治療部位38から完全に離れてシフトされ、治療部位に対するHIFU波の焦点の場所をはっきりと示す、治療部位38のノイズのない安定した画像が臨床医に提供される。したがって、HIFU波は、治療部位38にリアルタイムで集束させることができる。各イメージングフレーム内のHIFUバーストを同期させることによって、干渉を、超音波画像の周辺など画像のいくつかの部分に追放し、超音波画像の他の部分を、監視および誘導に有用なまま残すことができる。イメージングプロセスおよびHIFUバーストが同期されない場合、干渉は、全体的に図1Bの例に示されているように、治療部位をランダムにわからなくさせる。
図2は、リアルタイムでイメージングと治療を同時に行うのに必要な、超音波画像とHIFU波とを同期させるシステムを概略的に示す、’867特許からのブロック図である。従来のイメージングプローブ44が、ケーブル42を介して超音波イメージングマシン40に接続される。イメージングプローブ44は、ターゲット区域に伝播し、体内の構造および組織から反射され、イメージングプローブによって受け取られる超音波イメージングパルスを生成する。反射された超音波イメージング波に応答してイメージングプローブによって生成される信号は、ケーブル42を介して超音波イメージングマシンに通信され、処理されて、超音波イメージングパルスを反射した構造および組織の視覚的表現をもたらす。イメージングプローブ44からのイメージングビームセクタ46が、この図では破線によって識別される。’867特許に記載されるシステムはまた、治療用トランスデューサ60も含む。励起されたとき、この治療用トランスデューサは、特定の対象点、すなわち患者の体内の治療部位に集束されるHIFU波を生成する。図2では、(治療用トランスデューサ60の右側の実線によって示される)HIFUビーム62の経路が、焦点64にて狭まっている。
同期出力信号48が同期遅延50に供給され、これにより、ユーザが、超音波画像を形成するために生成される超音波イメージングパルスの各シーケンスに対する各HIFU波の開始を選択的に変えることを可能にする。図1Cを参照すると、遅延50は、ユーザがスキャンフィールド32内のノイズ34の位置を変えることを可能にし、そのノイズは、治療部位38から離れてスキャンフィールド32の異なる部分へと移される。HIFU持続時間回路52を使用して、HIFU波の持続時間を制御する。HIFU波の持続時間が長いほど、より多くのエネルギーを治療部位に印加することになる。HIFU波の持続時間が長すぎると、超音波画像30に示されているようなノイズ34の持続時間が増大することになり、次の超音波イメージングパルスに延びて治療部位38をわからなくさせる可能性があり、または超音波画像30を完全にわからなくさせ、図1Aの超音波画像10と同様の表示が生成され得る。したがって、ユーザは、許容可能な時間内に所望の治療効果を得るために、十分なレベルのエネルギーを治療部位に提供しながら、治療部位38のノイズのない画像を得るために、選択的に(すなわち、手動で)HIFU持続時間回路52を調整する必要が生じる。HIFU励起周波数発生器56は、HIFU波用の所望の周波数を生成するために使用され、電力増幅器58は、HIFU励起周波数発生器によって生成される信号を増幅して、HIFU波の所望のエネルギーレベルを得るために使用される。したがって電力増幅器58は、HIFU波用の所望のエネルギーレベルを得られるように調整可能である。
重要なことに、’867特許に開示されているシステムでは、従来の超音波イメージングマシンを改変して、同期出力信号48を提供することのできる、改変された超音波イメージングマシン40を得る必要がある。’867特許では、そのような同期出力信号は、先行技術の従来の超音波イメージングマシンでは通常、提供されないと述べている。’867特許では、同期出力信号を提供できる超音波イメージングマシンが入手可能でない場合、ケーブル42によって伝達される超音波イメージング信号から同期出力信号を導出することができることを示唆している。’867特許はまた、超音波イメージングマシン40からの同期出力信号48を使用する代わりに、任意選択の安定同期信号発生器66を使用して、HIFU波をイメージング超音波に同期させることができることも示唆している。安定同期信号発生器66を使用して、HIFU波を開始するための安定した同期パルスを提供することができ、この安定した同期パルスのタイミングを、治療部位のノイズのない画像が得られるまで、手動で変えることができる。
基本的に、’867特許は、干渉が安定し、画像の周辺に配置されるように、干渉を同期させることによって、超音波イメージングのHIFU干渉に対処する。その結果、画像中の対象領域が、(図1Cに概略的に示されている状態のように)わからなくならない。この機能は、イメージングサイクルのフレームレートおよび位相の知識を必要とし、それらはどちらも、ユーザ制御設定の変更(具体的には、深度およびbモードからドップラーへのモダリティ切換え)とともに変わる。フレームレートおよび位相がわかった後、HIFUをイメージングサイクルと同期してゲート制御することができ、生じる干渉を画像の周辺に移すことができる。遺憾ながら、そのような情報を提供するように設計されていない(すなわち、同期出力信号48を提供するように改変されていない)スタンドアロンの市販のイメージャの、フレームレートおよび位相を確定する簡単な方法は存在しない。
’867特許に示されているように、超音波イメージングシステムは、同期出力信号を組み込むように設計することができる。しかし、超音波イメージングシステムはMRIイメージングシステムよりも大幅に安価であるが、ハイエンドの超音波イメージングシステムはまだ$150,000超もかかり得るので、同期出力信号を提供しない超音波イメージングシステム(販売される超音波イメージングシステムの過半数は、’867特許に記載の同期出力信号に対応する信号を何も提供しない)と互換の同期技法を提供することが望ましいであろう。’867特許はまた、同期信号(位相情報なしのフレームレート)を、超音波イメージングプローブを超音波イメージングマシンに結合するケーブルから得ることもできることも示唆している。これは理論的には、ケーブル中の電流を検出することによって得ることもできる。しかし、そのようなケーブルは、様々な異なる電流を伝導する多くの電線を含み、こうしたケーブルは、安全性および無線周波干渉標準を満たすために、よくシールドされている。したがって、シールドされたケーブルから同期に必要な信号を得るのは一般に、難しい作業である。ケーブルを改変して、同期信号の抽出を容易にすることもできる。しかし、そのような改変が、超音波イメージングマシンの製造業者によってサポートされる可能性は低く、医療機材の作業者が、特に、潜在的責任および保証喪失の問題の故に、製造業者によって許可されない改変を推進する可能性は低い。さらに、同期信号発生器66と同期出力信号48とをどちらも使用しても、HIFU波によって生成される干渉が、超音波画像の一部分から別の部分に単にシフトされるだけである。このシフトによって、画像中の対象領域を無干渉にすることが可能ではあるが、ユーザに表示される画像の他の部分に、干渉はまだ存在する。
米国特許第6,425,867号明細書
したがって、HIFUなどの非イメージング超音波の存在下で無干渉超音波画像を得るための技法を提供することが望ましいであろう。同期信号を提供するように従来の超音波イメージングマシンを改変せずに、そのような無干渉超音波画像を得られることが、さらに望ましいであろう。
本明細書に開示されるのは、HIFU治療用トランスデューサなど、非超音波イメージングの超音波源によって生成されるノイズを除去するために、画像処理ソフトウェアを使用して、超音波イメージングシステムから得られるデータを操作するための技法である。この画像処理技法は、超音波イメージングシステムの改変を必要とせず、治療用超音波トランスデューサがより長時間通電されるのを可能にし、それによって、必要な全体的治療時間が低減される。超音波イメージングシステムから得られる同期信号を使用して治療用超音波トランスデューサを制御するのではなく、治療用超音波トランスデューサを単に、確実に治療波の周波数がイメージング波の周波数と異なるように制御する。この周波数の差を使用して、図1Bに関して先に論じたような画像を得、その画像では、干渉が、時間の経過により超音波画像の全体にわたって移動する。しかし、ここに開示されるように、以前の手法とは異なり、図1Bにおけるように画像の全体にわたってちらつく干渉がユーザに表示される画像からなくなるように、超音波画像がユーザに表示される前に、超音波画像がさらに処理される。
この新しい手法では、超音波イメージングシステムによってキャプチャされる超音波画像フレームが、ユーザに表示される前に、プロセッサに送られる。プロセッサは、各フレームを分析してそのフレームの無干渉部分を識別するように構成される。フレームの無干渉部分は、保存され、合成無干渉超音波画像をユーザに表示することができるようになるまで、他のフレームの他の無干渉部分と組み合わされる。この方法は、ユーザに表示できるフレームレートを減らす影響を有することになる。しかし、実験的試験では、様々な動作条件下で、許容可能なフレームレートで、有用な無干渉超音波画像を得ることができることが示された。
一実施形態では、超音波イメージングシステムと治療用超音波トランスデューサはどちらも、共通外部トリガ(共通外部トリガは好ましくは、関数発生器および1組のパルス発生器を用いて実施される)からトリガされる。外部トリガは、治療用超音波トランスデューサからの干渉が、先に論じたように、全体的に図1Bに示されているように、超音波イメージングフレームの全体にわたって掃引するように、制御することができる。
別の実施形態では、超音波イメージングシステムは、独立にトリガされ、全体的に図1Bに示されているように、HIFUからの干渉が超音波イメージングフレームの全体にわたって掃引するまで、HIFUデューティサイクルを誘導するために使用される方形波の周波数が変えられる。
プロセッサは、フレームを複数のスライスに分離することによって、各超音波画像フレームを分析する。各スライスごとに、さらなる分析のために、そのスライスから対象領域が選択される。好ましくは、さらなる分析のためにスライスの約10%が選択され、より好ましくは、選択される対象領域は、干渉が発生する可能性が最も高い、スライスの下部から来る。対象領域に対して、ピクセル強度に対する統計値が計算される。それらの統計値に基づいて、対象領域が干渉を含むか、それとも無干渉であるかが確定される。干渉でのピクセル強度値は、干渉に伴う相対的に一様に高いピクセル強度値であるので、干渉のない通常の画像のピクセル強度値から容易に区別することができることに留意されたい。この分析に基づいて、無干渉スライスが保存され、干渉を含むスライスが破棄される。合成無干渉超音波画像を得ることができるまで、複数のフレームが処理される。
好ましくは、スライスが保存された後、プロセッサは、無干渉画像全体が得られるまで、同じ領域に対応するスライスがあればそれを破棄する。アルゴリズムは次に、また最初から始まり、別の合成無干渉超音波画像を生成する。これにより、同じスライスが合成画像に何度も導入され、それによって不正確に明るいピクセルが生成されることが回避される。実施形態によっては、超音波イメージングシステムはスライスが保存された領域をもう問い合わせないようにする信号が、超音波イメージングシステムに送られる。
この課題を解決するための手段は、以下で発明を実施するための最良の形態においてさらに詳述されるいくつかの概念を、簡略化された形で紹介するために提供されている。しかし、この課題を解決するための手段は、特許請求の範囲に記載されている主題の重要なまたは不可欠な特徴を識別するものではなく、また、特許請求の範囲に記載されている主題の範囲を確定する際の補助として使用されるものでもない。
1つまたは複数の例示的な諸実施形態およびそれに対する改変の様々な側面および付随的利点は、以下の詳細な説明を参照し添付の図面と併せ読めばよりよく理解されるようになるので、より容易に理解されることになるであろう。
諸図および開示される諸実施形態は、本発明を限定するものではない
例示的な諸実施形態が、参照される図面の諸図に示されている。ここに開示される実施形態および図面は、制限的ではなく、例示的なものとしてみなされるべきものである。
「治療用トランスデューサ」、「HIFUトランスデューサ」、および「高密度トランスデューサ(high intensity transducer)」という用語は、本明細書および請求項ではすべて、通電して、イメージングトランスデューサによって生成される超音波よりもはるかに高エネルギーな超音波を生成することのできるトランスデューサを指す。そうした超音波は、ターゲット区域内の治療部位など個別の場所に集束または向けることができる。「HIFUビーム」という用語は、HIFUトランスデューサから放出されるHIFU波の特徴的パターンを指すものと理解されるべきである。超音波は波に基づく現象である。しかし、光は波と粒子の両方の側面を示すにもかかわらず、光学科学において光をビームと呼ぶのとほぼ同様に、当業者はしばしば、HIFU波を「ビーム」と呼ぶ。この二重性は特にHIFU波に関して当てはまる。HIFU波は、光を集束させることができるのとほぼ同様に、集束させることができるからである(すなわち、レンズまたはフェーズドアレイの焦点がHIFU波に関連し、その焦点は、最大量の音波エネルギーを送達することが可能なようにHIFU波が集束される領域に対応する)。
先に説明したように、HIFU治療のリアルタイムの超音波誘導および監視における大きな課題は、HIFU信号のイメージングシステムとの干渉である。以前より、(図1A、1B、1C、および2に関して先に論じたように)イメージングシステムからのトリガを使用して、治療信号のバーストをイメージング信号に同期させて、干渉領域を治療部位の外部の画像区域に限定することによって、イメージングと治療が同時に行われている。そのような手法の欠点は、イメージング視野が限定されており(すなわち、干渉を特に重要な対象領域から離れてシフトさせることができるにもかかわらず、画像の少なくとも一部が干渉によってわからなくなる)、また、この治療が(50〜70%の典型的なデューティサイクルでは)断続的であるので、そのような同期のない場合にかかるであろう時間よりも全体的治療時間が長いことである。先に論じたさらなる欠点は、同期トリガを得るために、イメージングシステムハードウェアの改変が一般に必要とされることである。本明細書に開示される方法は、画像処理を使って複数の超音波画像からの多数の無干渉領域を組み合わせることによって、HIFU(またはその他の非イメージング超音波)の存在下で無干渉超音波画像を得るための、ソフトウェアベースの技法であり、治療部位のイメージングのための視野の拡大をもたらす。視野の拡大により、治療部位から離れた、たとえば骨または空気の境界面の存在による、望ましくない治療の影響を監視することが、潜在的に可能になり得る。先に詳細に論じた同期技法では、画像の少なくとも一部がわからないので、先行技術の同期技法を使用すると、そのような望ましくない影響が気付かれないままになり得る(すなわち、そのような望ましくない影響の証拠が、干渉によってわからなくなり得る)ことに留意されたい。本明細書に開示される技法はまた、所期の治療部位の外部への病変移動を、リアルタイムでよりよく監視することも可能にする。本技術によってもたらされるさらなる利点は、この治療とイメージングシステムの間のハードワイヤードの同期の必要が、回避されることである。本技術のさらに別の利点は、治療部位の視野を犠牲にせずにHIFUデューティサイクルを増大させ、特に大きな治療容積での全体的治療時間を低減させることができることである。
図3Aは、(HIFUなどの)非イメージング超音波が存在するときに合成無干渉超音波画像を生成するための例示的な技法の高レベルの流れ図である。ステップ70で、HIFU治療、または他の何らかの形の非イメージング超音波と同時に、超音波画像データが得られる。本明細書に開示される技法は、超音波イメージングとHIFU治療を同時に行うことに特によく適しているが、この技法を使用して、部位の視界と普通なら少なくとも一部干渉することになるであろう他のタイプの非イメージング超音波の存在下で、無干渉合成画像を得ることもできることを理解されたい。ステップ72で、生の超音波画像(すなわち、複数の超音波画像フレーム)を処理して、無干渉合成画像を得る。このステップでは、複数の画像フレームから無干渉部分が選択され、それらが組み合わされて、合成画像が得られる。ステップ74で、無干渉合成画像が表示される。
図3Bは、無干渉部分と干渉部分の双方を含む3つの超音波画像をどのように処理して、単一の合成無干渉超音波画像を得ることができるかを、グラフィックで示す。超音波画像フレーム76aは、無干渉部分77aを含む。超音波画像フレーム76bは、無干渉部分77bを含む。超音波画像フレーム76cは、無干渉部分77cおよび77dを含む。画像処理技法を使用して、無干渉部分77a〜77dを組み合わせて、合成無干渉画像78を得ることができる。HIFU信号の繰返し時間が各イメージングフレームの持続時間にマッチし、かつ「HIFUオン時間」がHIFUオフ時間の整数倍(k)である場合、整数個(k)のスキャンウィンドウをオーバラップさせることによってイメージング視野全体を再構築することができることに留意されたい。合成画像78を図1Cと比較すると、図1Cの視野の一部分は不明瞭だが、’867特許に記載の同期にもかかわらず、合成画像78での視野全体ははっきりと視認可能であることが明らかになるであろう。
図4A(先行技術)は、HIFU治療を超音波イメージングと同期する(すなわち、’867特許に記載されるような)旧システムが、HIFUによる干渉84aが各超音波画像フレーム内の同じ位置に一貫して現れるように、HIFU信号82aと超音波イメージング信号80aとをどのように同期したかを概略的に示す。
図4Bは、本明細書に記載の技法が、HIFUによる干渉80bが各超音波画像フレーム内の同じ位置に現れないように、どのように確実にHIFU信号82bと超音波イメージング信号80bとがオフセットされるようにしているかを概略的に示す。周波数オフセットの結果、HIFUによって誘導される干渉の帯域が、超音波の周波数とHIFU波の周波数の差に対応するレートで、超音波画像の全体にわたって掃引することになる。このオフセットは、いくつかの異なる方法で実現することができる。一実施形態では、超音波イメージングシステムと治療用超音波トランスデューサはどちらも、共通外部トリガ(共通外部トリガ(common external trigger)は好ましくは、関数発生器(function generator)および1組のパルス発生器(pulse generator)を使って実施される)からトリガされる。外部トリガは、治療用超音波トランスデューサからの干渉が、全体的に上記の図1Bに示されているように、超音波イメージングフレームの全体にわたって掃引するように制御することができる。別の実施形態では、超音波イメージングシステムは独立にトリガされ、全体的に上記の図1Bに示されているように、HIFUデューティサイクルを誘導するのに使用される方形波の周波数が、HIFUからの干渉が超音波イメージングフレームの全体にわたって掃引するまで変えられる。
本技術により、ユーザに最終的に表示される超音波画像のフレームレートが減少することになることに留意されたい。フレームレートが減少するのは、通常ならユーザに即座に表示され得る複数のフレームを組み合わせて、単一の無干渉合成フレームを得るからである。たとえば、干渉のある3つのフレームを組み合わせて1つの無干渉合成フレームを生成しなければならない場合、実効フレームレートは、フレームが生成される実際のレートの約1/3となる。したがってこの手法は本質的に、ユーザに表示される合成画像のフレームレートを減らすことになる。重要なことに、実験的研究の示すところによれば、HIFU治療の合成無干渉Bモード超音波画像は、市販のイメージングシステムを使って83%のデューティサイクルを用いてHIFU治療システムを通電させて、毎秒11フレームの全体的フレームレートで5つの画像フレームを組み合わせて全視野内のHIFU干渉を取り除くことによって得ることができる。毎秒11フレームのフレームレートは、特にそれらのフレームが無干渉の場合、まったく許容可能である。実験的研究では、この治療システムは、電気整合回路を介して線形増幅器によって駆動される、3.23MHzのHIFUトランスデューサ(Sonic Concepts社、ワシントン州、Woodinville)を含んだ。イメージングシステムは、7.5MHz線形トランスデューサをもつ、EUB 6000超音波スキャナ(Hitachi Medical Systems America社、オハイオ州、Twinsburg)であった。イメージングシステムと治療システムは、関数発生器および1組のパルス発生器を使って生成される外部トリガで同期された。EUB 6000からBモード画像が順次得られ、次いでそれらが、ソフトウェアプログラムMATLAB(Mathworks社、マサチューセッツ州、Natick)を使ってオフラインで処理された。この研究ではそれらの画像がオフラインで処理されたが、その結果は、リアルタイムで実行される処理が、前述の毎秒11フレームのフレームレートをサポートすることになることを示している。
前述の研究では、スキャンウィンドウがイメージングフレームの全体にわたって掃引されて(すなわち、図4Bに示されているように)、毎秒54フレームのフレームレートで順次超音波画像が得られた。5つのオーバラップするイメージングフレームを組み合わせることによって、図3Bに示されているのとほぼ同様の合成画像が作成された。合成画像中のHIFU干渉は無視でき、HIFU焦点における高エコースポットの全体が、合成画像中ではっきりと視認可能であった。毎秒54フレームの初期イメージングフレームレート、および5フレームを組み合わせて無干渉合成画像を得ることに基づき、全体的フレームレートは毎秒11フレームに減少する。
先に論じたように、本技術の1つの利点は、HIFU治療のデューティサイクルを、’867特許に開示されている同期技法を使用して得られるものよりも増大させることができることである。前述の実験的研究ではまた、デューティサイクルの増大の潜在的な利益も検討した。平均で、デューティサイクルが50%から95%に増やされたとき、HIFUによって生成される病変長は79%増大し、病変幅は47%増大し、病変容積は342%増大した。明らかに、デューティサイクルの増大は有益である。この研究はさらに、90%のデューティサイクルでHIFU持続時間が3秒から7秒に増やされたとき、病変容積を160%増大させることができる実験的証拠ももたらした。したがって、本明細書に記載の技法は、以前のリアルタイム画像誘導HIFU治療技法に比べて、より高速なリアルタイム画像誘導HIFU治療が実現されることを可能にする。
実験的研究はさらに、HIFUデューティサイクルが異なれば、表現する病変形状が異なることを示している。HIFU病変は、比較的低いデューティサイクルでは通常「オタマジャクシ形」であり、比較的高いデューティサイクルでは形状がより不規則であった。このような違いは、より高いデューティサイクルでは空洞形成の影響(cavitational effect)の可能性がより高いことによるものであり得る。空洞形成に基づく機械的組織損傷を示す視認可能な「ピット」が、90%のデューティサイクルを用いて生成される病変の中心近くで観察された。
重要なことに、実験的研究は、デューティサイクルが大きいほど、より多くの干渉が超音波画像に導入され、より多くの生の超音波画像を組み合わせて、単一の無干渉合成画像を得る必要があることを示している。必然的に、合成画像の全体的フレームレートは、合成画像を作成するために使用されるオーバラップ数の増加に比例して減少する。たとえば、91%のデューティサイクルで10個のオーバラップを用いると、有効フレームレートは10分の1に減少する。合成画像フレームレートは、図4Cに示されているように、全フレーム内のスライディングウィンドウを対象領域(ROI:region of interest)に制限することによって増やすことができる。複数の超音波画像フレーム86が、イメージングが狭いROI88に制限されるように収集される。したがって、無干渉部分90は各フレームの狭いROIに制限される。この技法を用いると、フレームレートが5分の1になるだけで、5つのオーバラップおよび50%のROIを用いて91%のデューティサイクルを得ることができる。
図5Aは、干渉部分と無干渉部分の双方を含む複数の超音波画像から、合成無干渉超音波画像を生成するシステム92を示すブロック図である。システム92は、HIFUトランスデューサ94、HIFU駆動システム104、超音波イメージングプローブ98、超音波イメージングシステム100、プロセッサ102、ディスプレイ106、ターゲット96、任意選択の外部トリガ108を含む。HIFUトランスデューサ94およびHIFU駆動システム104は、当技術分野で一般に知られている従来型であり、さらに詳細に説明される必要はない。重要なことは、超音波イメージングプローブ98および超音波イメージングシステム100は、改変する必要がなく、従来の市販の機材を使って実施することができることである。ターゲット96は一般に、(最も多くは、患者体内の部位における)生物学的組織であるが、本明細書に記載の技法を使用して、従来の超音波イメージングを使って映像化することができるどんなターゲットからも、合成無干渉超音波画像を生成することができることを理解されたい。ディスプレイ106は、従来のディスプレイを用いて実施することができ、より詳細に説明される必要はない。プロセッサ102は好ましくは、パーソナルコンピュータなどのコンピューティング装置を用いて実現される。カスタマイズされたプロセッサ、または特定用途向け集積回路(ASIC)を用いてプロセッサ102を実施することが可能であろうことを理解されたい。しかし、図3Aのステップを実行するために一般的なプロセッサ計算機命令(たとえば、従来のパーソナルコンピュータ上で稼動するソフトウェア)を用いてプロセッサ102を実施することは、特に有用な実施形態を表す。好ましいコンピューティング装置の詳細については、以下に示されている。
前述のように、一実施形態では、超音波イメージングシステムと治療用超音波トランスデューサはどちらも、外部トリガ108(外部トリガは好ましくは、関数発生器と1組のパルス発生器を使って実施される)を使ってトリガされる。外部トリガは、全体的に上記の図1Bおよび図4Bに示されているように、治療用超音波トランスデューサからの干渉が、超音波イメージングフレームの全体にわたって掃引するように制御することができる。別の実施形態では、超音波イメージングシステムは独立にトリガされ、先に論じたように、全体的に図1Bおよび図4Bに示されているように、HIFUからの干渉が超音波イメージングフレームの全体にわたって掃引するまで、HIFUデューティサイクルを誘導するために使用される方形波の周波数が変えられる。
図5Bは、図3Aの方法の実施に使用するのに(すなわち、この方法のステップを実行するのに)適した例示的なコンピューティングシステム150を概略的に示す。例示的なコンピューティングシステム150は、入力装置152、および出力装置162、たとえばディスプレイ(ディスプレイ106でよいが、コンピューティングシステム用のどんなディスプレイでもよい)に機能的に結合される処理ユニット154を含む。処理ユニット154は、複数の超音波画像を処理してそれらの画像の無干渉部分を組み合わせる信号処理プログラムを実行するための機械語命令を実行する中央処理装置(CPU158)を備え、合成無干渉超音波画像を生成する。機械語命令は、図3Aに関する前述の機能、ならびに図6に関する後述の機能と、一般に一貫性のある機能を実施する。当業者によく知られているように、この目的に適切なCPUは、たとえば、Intel社、AMD社、モトローラ社、および他の業者から入手可能である。
また、ランダムアクセスメモリ(RAM)156および読取り専用メモリ(ROM)が含まれてもよく、ハードドライブ、光ドライブなど、任意の形の記憶装置が含まれてもよい不揮発性メモリ160も、処理ユニット154に含まれる。これらのメモリ装置は、CPU158に双方向的に結合される。このような記憶装置は、当技術分野でよく知られている。機械語命令およびデータは、不揮発性メモリ160からRAM156に、一時的にロードされる。また、オペレーティングシステムソフトウェアおよび補助的ソフトウェアも、このメモリに記憶される。別個に図示されてはいないが、コンピューティングシステム150を通電するのに適切な電圧および電流レベルで電力を供給するために、一般に従来の電源が含まれることになることが理解されよう。
入力装置152は、それだけには限らないが、1つまたは複数のマウス、その他のポインティング装置、キーボード、マイクロホン、モデム、ならびにその他の入力装置を含む、動作環境へのユーザ入力を容易にする任意の装置または機構とすることができる。一般に、入力装置を使用して、所望の処理を実現するように(すなわち、複数の超音波画像を処理して、それらの画像の無干渉部分を組み合わせて合成無干渉超音波画像を生成するように)、コンピューティングシステム150を最初に構成することになる。図5Bには具体的には示されていないが、コンピューティングシステム150は、超音波イメージングシステム100、HIFU駆動システム104、ディスプレイ106、および外部トリガ108(実施される場合)に論理的に結合されていることを理解されたい。所望の処理を実現するためのコンピューティングシステム150の構成は、適切な処理ソフトウェアを不揮発性メモリ160にロードし、処理アプリケーションが直ちに使用されるように、処理アプリケーションを起動する(すなわち、処理ソフトウェアをRAM156にロードする)ステップを含む。出力装置162は一般に、出力情報を生成するどんな装置でもよいが、最も典型的には、出力を人間が知覚するように設計されたモニタまたはコンピュータディスプレイを備えることになるであろう。入力装置152に従来のコンピュータキーボードを使用し、出力装置162にコンピュータディスプレイを使用することは、本開示の範囲を限定するものではなく、例示的なものとしてみなされるべきである。
図6は、(HIFUなどの)非イメージング超音波が存在するときに合成無干渉超音波画像を生成するための、図3Aの技法のより詳細な流れ図110である。ステップ112で、HIFUサイクルは、図4Bに関して全体的に前述したように、イメージングサイクルからオフセットされるように調整される。ステップ114で、HIFU治療中に、超音波イメージングシステムを使用して、複数の超音波画像フレームを得る。ステップ116で、無干渉部分と干渉部分の双方を含む生の超音波画像を生成するために使用される信号が、処理用のプロセッサに入力される。実用的プロトタイプでは、たとえば、VideoOCX(商標)ビデオキャプチャソフトウェア(Marvelsoft社、ドイツ、ベルリン)のVideo for Windows(登録商標)機能を使って、超音波画像が得られる。VideoOCX(商標)は、ユーザが入力ビデオ供給(video feed)からフレームを取り込むことを可能にするActiveXコントロールを提供する。多くの異なる画像処理ソフトウェアアプリケーションを使用して、ビデオ供給をキャプチャすることができるので、VideoOCX(商標)の使用は、限定するものではなく、例示的なものであることを、当業者なら理解するであろう。
実用的プロトタイプでは、キャプチャされたビデオフレームは、Labview(商標)(National Instruments社、テキサス州、Austin)の命令を使って、一時に1フレームごとに、クリップボードにコピーされる。HIFUが印加されない場合、画像は、クリップボードから貼り付けられ、画像上に描かれる必要のある形状(突き出た病変場所を示すだ円形など)があればそれを追加して、改変された画像を生成し、その改変された画像が、モニタまたはディスプレイの画面上に表示される。しかし、HIFUトランスデューサがオンにされたときは、超音波画像中に広い帯域の干渉が現れる。ターゲット場所を視覚化すると同時に治療を加えるために、デューティサイクルがHIFU信号に適用され、そのHIFU信号は、干渉のない超音波画像上にウィンドウを生成する。方形波を使用して、HIFUデューティサイクルを誘導する。方形波の周波数が、超音波プローブのエレメントが問い合わされるレートに等しい場合、干渉ウィンドウはそのままとなる(図4B参照)。先に論じたように、本技術では、方形波の周波数を、超音波イメージング周波数に対して意図的にオフセットすることができ、したがって、ウィンドウは、超音波画像の全体にわたって掃引する。プロセッサは、キャプチャされるビデオの各フレームから、干渉のない部分を得る。プロセッサは、完全な画像フレームを生成するために十分な干渉のない部分を得た後、それらを1つの無干渉超音波画像に組み合わせる。
図6を再び参照して、次に、キャプチャされる超音波画像の処理について述べる。ステップ118で、各生の超音波画像(すなわち、各フレーム)が、全体的に図7に示されているように、スライスに分割される。重要なことに、干渉帯域は、超音波画像の下部から始まり、上部に進むにつれて消える傾向がある。判断ステップ120で、各スライスを分析して、そのスライスが干渉を含むか、それともそのスライスが無干渉であるかを確定する。このプロセスは、スライスの下部およそ1/10をカバーする事前定義ピクセル領域を調べることによって、そのスライスが無干渉であるかどうかを確定する。黒の対象領域内のものを除き、すべてのピクセルを変えるマスクがその画像に適用される。スライスへの、そして次に事前定義領域への入力画像の進行が図7に示されており、マスクは、図を複写しやすくするために、この図では白で表されている。
事前定義領域内のピクセル強度に対して、統計値が計算される。次に、それらの値を使用して、スライスが干渉帯域を含むかどうかを判断する。重要なことに、干渉に対応するピクセルは、超音波画像の無干渉部分に対応するピクセルから容易に区別することができる。干渉に対応するピクセルは、比較的高いピクセル強度を有することを特徴とし、それは、事前定義領域の全体にわたって比較的一貫している。対照的に、超音波画像の無干渉部分に対応するピクセルは一般に、より低い強度を有し、事前定義領域の全体にわたって、より多くのばらつきを示すことになる。
スライスが無干渉であるということをこのプロセスが判断した場合、そのスライスは、ステップ122に示されているように、一時的に記憶される。スライスが記憶された後、同じ部分を表す他のスライスはもう、記憶されなくなる。一実施形態では、超音波イメージングシステムは、ステップ124に示されているように、無干渉画像全体が得られるまで、記憶されたスライスに対応する領域を問い合わせるのを中止し、このアルゴリズムは、また最初から始まり、次の合成無干渉超音波画像を生成する。この手法により、同じスライスが合成超音波画像に何度も組み込まれ、それによって不正確に明るいピクセルが生成されることが回避される。
判断ステップ126で、このプロセスは、無干渉合成画像を生成するために追加のスライスが必要かどうかを判断する。必要とされる場合、別のスライスが選択され、このロジックは、判断ステップ120にループして戻って、次のスライスを処理する。判断ステップ120で、スライスが無干渉ではないと判断された場合、このロジックは、判断ステップ126にループして戻って、合成画像を完成するために追加のスライスが必要かどうかを判断する。無干渉合成画像は、完成した後、ステップ128に示されているように、表示される。合成画像が完成した後、追加のステップを実行して、オーバレイ形状を合成画像に組み込む必要があるかどうかを判断することができる。合成画像を作成するために使用されるスライス間の何らかのオーバラップに留意してもよい。単一の合成画像フレームに対する画像合成中、オーバラップ部分は破棄される。
前述のように、図7は、図6のスライスステップをどのように実施することができるかを概略的に示す。生の超音波画像フレーム130は、例示的なスライス132によって示されるように、選択され、複数のスライスに分解される。スライスが無干渉かどうかを判断するために、スライスの小部分134のピクセル強度が調べられる。
図8は、図3Aの方法を実施するために使用することのできる(特にフェーズドアレイトランスデューサの使用に関連した)例示的なLabViewベースのユーザインターフェース136の画像であり、図9A〜9Cは、例示的なユーザインターフェース136の選択された部分の拡大画像である。主要な機能エレメントが、白色テキストでラベル付けされている。焦点深度割当てツールを使用して多数の焦点を定義し、それらの焦点は、インターフェースの中心において、超音波イメージングモニタ上にだ円形として表示される。HIFUデューティサイクルコントロールを使用して、超音波画像上に現れるHIFU干渉パターンを調整する。治療パラメータを使用して、印加電力および合計治療時間を定義する。インターフェースを制御するソフトウェアは、インターフェース中の超音波画像上を直接クリックすることによって、または数値を入力することによって、ユーザがトランスデューサ軸に沿っていくつかの異なる焦点深度を定義するのを可能にするように書かれている。
図9Aを参照すると、インターフェース136のHIFU特性部分138は、ユーザが、HIFU治療用の合計電力出力および持続時間を定義することを可能にする。電力設定は、図5Aの超音波駆動システム104中に直接プログラムされ、この超音波駆動システムは、図5AのHIFUトランスデューサ94に接続される。「時間」に入力する値を使用して、「開始」ボタンによって有効化された後に駆動システムをいつ無効化するかを確定する。また、所望の適用量をもたらすのに必要な電力および時間設定を自動的に確定するために、ユーザが「適用量」メータを設定してもよい。ハードウェアでのエラーが発生し、または何か異常が生じ、HIFUビームおよび病変が所望の治療場所の外部に生成された場合に備えて、大きな(かつ、好ましくは赤色の)「治療中止」および「すべて中止」ボタンが含まれる。
図9Bは、インターフェース136の一部分140を示しており、この部分により、ユーザが「干渉パターン」とラベル付けされたスライドコントロールを使用して、HIFUビームのデューティサイクルを設定することが可能になる。ユーザが、静止した干渉ウィンドウを生成するために関数発生器を使用することを選ぶ場合に備えて、「左」ボタンおよび「右」ボタンが含まれる。「左」または「右」ボタンを操作することによって、ユーザは、超音波ウィンドウを移動して、超音波画像の特定の領域を表示させることができる。利用可能なイメージング深度のそれぞれに対応する、画面上のピクセル対現実のミリメートルの比は好ましくは、記憶され、「イメージング深度」とラベル付けされたドロップダウンコントロールで示されているように、参照することができる。
次に図9Cを参照すると、インターフェース136の一部分142は、ユーザが、HIFUビームの焦点パラメータを制御することを可能にする。ユーザは、いくつかの焦点を自動的に定義する、またはそれぞれを独立に設定するオプションを有する。「点(Point)」ボタンのどちらを押しても、1つの焦点の割当てが可能である。「線(Line)」ボタンは、5mm間隔の一連の焦点(そのような寸法は例示的なものであり、限定するものではない)を生成する。ユーザが「マウス使用(With Mouse)」オプションを選択した場合、ユーザは、超音波画像上を直接クリックして、焦点を割り当てることができる。「数値(Numerical)」オプションは、ユーザが、特定の焦点の場所または一連の焦点深度の両端に対する特定の数値を入力することを可能にする。ユーザが選択する方法に関わらず、このインターフェースは、確実にすべての焦点がHIFUトランスデューサの集束範囲内となるように、約30mmから約60mmの範囲外の値は受け付けない(この場合も、そのような寸法は例示的なものであり、トランスデューサごとに異なり得る)。ユーザが所望の焦点を定義した後、プロセッサ102は、HIFUトランスデューサを駆動するため(すなわち、例示的な実施形態においてフェーズドアレイトランスデューサ(phased array transducer)を使用するとき)に必要な位相遅れを判断して、ユーザ定義の焦点の治療を行う。「自動ステップ」コントロールは、選択されると、ユーザによって指定された合計治療時間を、各定義された焦点の治療のための複数の等しい持続時間(またはステップ)に分割する。「自動ステップ」コントロールが選択されない場合、ユーザは、手動で各焦点を経て前進させ、それぞれ個々に治療時間を制御し、すべての所望の部位が治療されたとき、このプロセスを終了することができる。
図10Aは、図8のユーザインターフェース136を使って制御することのできるフェーズドアレイトランスデューサを含むHIFU治療プローブ240を概略的に示す。HIFU治療プローブ240は、一般にスプーン形状のトランスデューサ242およびハンドル244を含む。トランスデューサ242は、11個の異なるトランスデューサエレメントを含み、そのうちの6個は完全な環を有し、そのうちの5個は切れた環を有する、フェーズドアレイトランスデューサである。トランスデューサ242は、約3〜6cmの焦点範囲を示す。
図10Bは、その中に含まれる複数の異なる放出源エレメントをはっきりと示すトランスデューサ242の、さらなる詳細を示す。一般に、スプーン形状のトランスデューサ242は、11個の個別の放出源エレメントを含み、すべて面積が等しく、各エレメントは、その隣から約0.3mm離れている。放出源エレメントのうちの6個は、完全な環を有し、5個の放出源エレメントは切れた環を有する。全体的なトランスデューサの寸法は、約35mm×60mmである。一般に、スプーン形状のトランスデューサ242は、中心周波数約3MHz、焦点距離約3〜6cm、幾何学的焦点約5cm、および最大焦点強度約3000W/cm2を有する。
実験的装置は、整合層がエポキシ樹脂から形成される、3MHz、11エレメントの1−3コンポジット環状アレイ(Imasonic社、フランス、Besancon)をもつトランスデューサ242を実装した。アレイの固有焦点は、50mmであった。経済的、人間工学的、および駆動ハードウェアの制約の故に、11個のエレメントが選ばれた。トランスデューサは、経腟的配置を容易にするために、長さ60mm、幅35mm、および深さ7.5mmのだ円形状である。実験的研究では、HIFUトランスデューサは、(インピーダンスを50Ωに整合させるための)特注の整合ネットワークおよびマルチチャネル超音波駆動システム(Advanced Surgical Systems社、アリゾナ州、Tuscon)と直列に接続された。11個の増幅器チャネルを使用して、アレイを駆動した。LabViewプログラミング環境で書かれたソフトウェアを使って、駆動システムを制御した(図8のユーザインターフェース136を参照)。コンピュータ画面上に超音波画像を表示するために(図8および9C)、ビデオキャプチャ装置(Dazzle 80、Pinnacle Systems社、カリフォルニア州、Mountain View)を使用して、超音波イメージングユニットからのビデオ信号をキャプチャした。次に、そのビデオデータを、ActiveXコントロール(全体的に前述したように、VideoOCX、Marvelsoft社、ドイツ、ベルリン)を使って、LabViewプログラムにインポートした。全体的に前述したように、処理を使用して、合成無干渉画像を生成する。
コンピュータは、RS−232接続を介して駆動システムと通信する。図8のユーザインターフェースは、ユーザが、超音波画像上を直接クリックすることにより、または数値をタイプ入力することにより(図9C参照)、トランスデューサ軸に沿って無限の数の焦点深度を個々に定義するのを可能にするように設計される。さらに、30から60mmの範囲内で線の開始および終了を指定することによって、5mm間隔の一列の病変を設定することもできる。音波経路の全体を通して一定の音速(1500m/秒)であるとの仮定に基づいて、コンピュータ(すなわち、図5Aのプロセッサ102)は、各焦点ごとに、必要な位相遅れを計算する。それらの値は次いで、製造業者によって提供されるシリアル命令を用いて、超音波駆動システムに自動的にプログラムされる。各チャネルの位相および電力設定に加えて、RS−232シリアルポートコマンドを使用して、超音波放出の開始および終了、ならびに焦点深度間のシフトも行った。アレイに送られる合計入射電力は、0から165Wの範囲に制約され、そのうちの後者は、トランスデューサにとっての最高の許容可能値となるように製造業者によって確定されたものである。
本発明を、その実施およびその改変の好ましい形に関連して説明してきたが、添付の特許請求の範囲の範囲内で、本発明に対して他の多くの改変を行うこともできることが、当業者なら理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、どのようであれ、上記説明によって限定されるものではなく、その代わりにすべて添付の特許請求の範囲に即して確定されるものである。
イメージング用および治療用の超音波を同時に使用中に生成される超音波画像を示す図である。 イメージング用および治療用の超音波を同時に使用中に生成される超音波画像であり、従来のスキャン画像中のHIFUパルス発振を示す図である。 イメージング用および治療用の超音波を同時に使用中に生成される超音波画像であり、ノイズを表示治療部位から離れてシフトさせるように同期されたHIFUパルス発振およびスキャン画像を示す図である。 同期信号を得るために市販の超音波イメージングマシンの改変を必要とする、HIFU治療を超音波イメージングに同期することができる旧システムの構成要素を示すブロック図である。 (HIFUなどの)非イメージング超音波が存在するときに合成無干渉超音波画像を生成するための例示的な技法の高レベルの流れ図である。 干渉を含む3つの超音波画像をどのように組み合わせて単一の合成無干渉超音波画像を得ることができるかを示すグラフィック図である。 HIFU治療を超音波イメージングと同期するための旧システムが、HIFU波による干渉が各超音波画像フレーム内の同じ位置に一貫して現れるように、HIFU波と超音波イメージング波をどのように同期したかを示す概略図である。 本明細書に記載の技法が、非イメージング超音波による干渉が各超音波画像フレーム内の同じ位置に現れないように、どのように確実に非イメージング超音波(たとえば、HIFU)と超音波イメージング波がオフセットされるようにしているかを示す概略図である。 超音波画像のノイズのない部分が複数のフレームの全体にわたってどのようにシフトし、より高いフレームレートを得るために超音波フレーム内の対象領域をどのように狭めることができるかを示す概略図である。 干渉部分と無干渉部分の双方を含む複数の超音波画像から合成無干渉超音波画像を生成するためのシステムを示すブロック図である。 図3Aの方法を実施するために使用される例示的なコンピューティングシステムを示す概略図である。 (HIFUなどの)非イメージング超音波が存在するときに合成無干渉超音波画像を生成するための、図3Aの技法を実施するために使用されるステップのより詳細な流れ図である。 図6のスライシングステップをどのように実施することができるかを示す概略図である。 図3Aの方法を実施するために使用することのできる例示的なユーザインターフェースの画像である。 図8の例示的なユーザインターフェースの選択された部分の拡大画像である。 図8の例示的なユーザインターフェースの選択された部分の拡大画像である。 図8の例示的なユーザインターフェースの選択された部分の拡大画像である。 図8のユーザインターフェースを使って制御することのできるフェーズドアレイトランスデューサを含む例示的なHIFU治療プローブを示す概略図である。 図10Aのフェーズドアレイトランスデューサの構造についてのさらなる詳細を示す図である。

Claims (19)

  1. 非イメージング超音波が超音波イメージングと干渉するであろう場合に、合成無干渉超音波画像を生成する方法であって、
    (a)前記非イメージング超音波の存在下で生成された複数の超音波画像フレームを提供するステップと、
    (b)前記複数の超音波画像フレームを自動的に分析して、前記超音波画像フレームの無干渉部分を識別するステップであって、
    (i)超音波画像フレームを複数のスライスに分離するステップと、
    (ii)各スライスごとに、前記スライスの事前定義部分を選択するステップと、
    (iii)前記事前定義部分中のピクセル強度を計算するステップと
    (iv)前記ピクセル強度に基づいて前記事前定義部分が干渉に相当するか否かを判別し、前記事前定義部分が干渉に相当しない場合は前記スライスが一時的に記憶され、前記事前定義部分が干渉に相当する場合は前記スライスを破棄するステップと、
    を含む、識別するステップと、
    (c)複数の前記無干渉部分を自動的に組み合わせて、合成無干渉超音波画像を生成するステップと
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記合成無干渉超音波画像を表示するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記非イメージング超音波の存在下で生成された前記複数の超音波画像フレームを提供する前記ステップが、HIFU治療中に生成される複数の超音波画像フレームを提供するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. HIFU治療中に生成される複数の超音波画像フレームを提供する前記ステップが、前記HIFU治療による干渉が前記複数の超音波画像フレームのそれぞれの中の同じ場所に現れないように、前記HIFU治療の周波数が前記複数の超音波画像フレームを生成するために使用されるイメージング波の周波数からオフセットされることを確実にするステップを含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。
  5. 前記HIFU治療の周波数と前記複数の超音波画像フレームを生成するために使用されるイメージング波の周波数との差が、前記合成無干渉超音波画像のフレームレートが比較的安定した表示をサポートするのを可能にするのに十分なだけ大きいことを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. 前記合成無干渉超音波画像の前記フレームレートが、毎秒約8フレームより大きいことを特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 前記HIFU治療による干渉が前記複数の超音波画像フレームのそれぞれの中の同じ場所に現れないように、複数の超音波画像を生成するために使用されるイメージング信号の周波数に対して、HIFU治療生成するために使用されるHIFU信号の周波数をオフセットするステップをさらに含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。
  8. 前記複数の超音波画像フレームのそれぞれに対応する信号を、処理用のコンピューティング装置に向けて送って、前記合成無干渉超音波画像を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  9. 前記複数の無干渉部分を組み合わせて、合成フレームを生成する前記ステップが、前記無干渉超音波画像が得られるまで、記憶されたスライスを組み合わせるステップを含むことを特徴とする請求項に記載の方法。
  10. 記憶されたスライスに対応する追加のスライスを破棄して、前記合成無干渉超音波画像が不正確に明るいピクセルを含むのを回避するステップをさらに含むことを特徴とする請求項に記載の方法。
  11. 前記スライスから前記事前定義部分を選択する前記ステップが、前記スライスの下部を選択するステップを含むことを特徴とする請求項に記載の方法。
  12. 前記複数の超音波画像フレームを生成するために使用される超音波イメージングシステムに関連するスライドウィンドウを、超音波画像フレームにおける定義された限定された対象領域に制限して、前記合成無干渉超音波画像が生成されるフレームレートを増大させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  13. 複数のステップを実行するために使用される機械語命令を有する、コンピュータ可読なメモリ媒体であって、前記機械語命令はコンピュータに
    (a)非イメージング超音波の存在下で得られる複数の超音波画像フレームをキャプチャするステップと、
    (b)前記超音波画像フレームを自動的に分析して、前記超音波画像フレームの無干渉部分を識別するステップであって、
    (i)超音波画像フレームを複数のスライスに分離するステップと、
    (ii)各スライスごとに、前記スライスの事前定義部分を選択するステップと、
    (iii)前記事前定義部分中のピクセル強度を計算するステップと
    (iv)前記ピクセル強度に基づいて前記事前定義部分が干渉に相当するか否かを判別し、前記事前定義部分が干渉に相当しない場合は前記スライスが一時的に記憶され、前記事前定義部分が干渉に相当する場合は前記スライスを破棄するステップと、
    を含む、識別するステップと、
    (c)複数の前記無干渉部分を自動的に組み合わせて、合成無干渉超音波画像を生成するステップと
    を実行させることを特徴とするメモリ媒体。
  14. 前記機械語命令が、前記合成無干渉超音波画像を表示するステップを実行するためにさらに使用されることを特徴とする請求項13に記載のメモリ媒体。
  15. 前記機械語命令が、選択された周波数が前記複数の超音波画像フレームを得るために使用される超音波イメージング波の周波数と異なるようにし、それによって、前記非イメージング超音波による前記複数の超音波画像フレーム内の干渉が各超音波画像フレーム内の同じ位置に現れないことが確実になるように、ユーザが前記非イメージング超音波の周波数を選択することを可能にするステップを実行するためにさらに使用されることを特徴とする請求項13に記載のメモリ媒体。
  16. 前記機械語命令が、前記無干渉超音波画像が得られるまで、記憶されたスライスを組み合わせるステップを実行するためにさらに使用されることを特徴とする請求項13に記載のメモリ媒体。
  17. 前記機械語命令が、記憶されたスライスに相当する追加のスライスを破棄するステップを実行して、前記合成無干渉超音波画像が不正確に明るいピクセルを含むのを回避するためにさらに使用されることを特徴とする請求項13に記載のメモリ媒体。
  18. 前記機械語命令が、前記スライスの下部から前記事前定義部分を選択するステップを実行するためにさらに使用されることを特徴とする請求項13に記載のメモリ媒体。
  19. 非イメージング超音波が超音波イメージングと干渉するであろう場合に、合成無干渉超音波画像を得るためのシステムであって、
    (a)複数の超音波画像フレームを生成するように構成される超音波イメージングシステムと、
    (b)前記超音波イメージングシステムに論理的に結合され、
    (i)前記非イメージング超音波の存在下で得られる前記複数の超音波画像フレームをキャプチャする機能、
    (ii)前記超音波画像フレームを自動的に分析して、前記超音波画像フレームの無干渉部分を識別する機能であって、
    (A)超音波画像フレームを複数のスライスに分離することと、
    (B)各スライスごとに、前記スライスの事前定義部分を選択することと、
    (C)前記事前定義部分中のピクセル強度を計算することと
    (D)前記ピクセル強度に基づいて前記事前定義部分が干渉に相当するか否かを判別し、前記事前定義部分が干渉に相当しない場合は前記スライスが一時的に記憶され、前記事前定義部分が干渉に相当する場合は前記スライスを破棄することと、
    により実施される、識別する機能、
    (iii)前記無干渉部分を自動的に組み合わせて、前記合成無干渉超音波画像を生成する機能
    を含む複数の機能を実施するように構成されるプロセッサと
    を備えることを特徴とするシステム。
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