JP4800214B2 - カラーフローバイプレーンの超音波撮像システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は医療用超音波撮像、特に超音波撮像システムと、身体のボリューム領域の２つ以上の平面に関する動きを同時に撮像する方法とに関する。

米国特許US 6,709,304は、身体のボリューム領域からなる２つの平面を同時にリアルタイムで超音波走査するために、二次元のアレイプローブを使用することが記載されている。この二次元アレイは、アレイトランスデューサに対向する前記ボリューム領域を通る如何なる方向にもビームを電子的に送信及び焦点合わせすることができる。これは前記領域内にある２つ以上の画像平面が両方の画像平面からなる同時のリアルタイム画像を生成するのに十分速い速度で走査され得ることを意味する。この動作モードは“バイプレーン”モードと呼ばれる。このバイプレーンモードは、実際の三次元画像を解釈するのが難しい場合、この身体の３Ｄ領域を撮像するための効果的なやり方である。平面（二次元）の画像は、大多数の臨床医にとってよく知られたものであり、２つの画像平面は、同時の幾つかの異なるビューポイントからの器官を結像することを可能にする。関心のある解剖部を診断する場合、これら２つの画像平面の相対位置を調節することが臨床医に可能である場合、非常に有用である。前記特許出願において論じられるバイプレーンモードにおいて、画像平面の一方は、二次元撮像するために使用される従来の一次元アレイの画像平面と同じやり方で、アレイプローブの中心に対し常に垂直に配向される。この平面は基準平面と呼ばれる。他の画像平面は、診断医により幾つかの異なるやり方で操作されることができる。１つのやり方は、基準画像に対し第２の画像平面を回転させることである。この回転モードにおいて、２つの画像は共通の中心ラインを共有し、第２の画像はこの中心ラインの周りを回転することができる。これは第２の画像平面が基準画像と共面であり、基準画像に対し９０°に配向される、又は０°から９０°の間の如何なる角度方向に配されることを意味する。前記特許出願において論じられる他のバイプレーンモードは、チルトモードである。このチルトモードにおいて、第２の画像の中心ラインは基準画像の走査ラインの１つと共通である。この共通のラインは、第２の画像が基準画像の中心、基準画像の最もラテラルな走査ラインの何れか、又はその間にある如何なる走査ラインを横断することができるように変更されることができる。しかしながら、前記回転モード及びラテラルチルトバイプレーンモードの配向を除く他の平面の配向は、特定の臨床状態において有用であり、臨床医が診断に必要とする画像をより良好に提供する。これらの配向はＢモード撮像及びドップラー撮像に有用であってもよい。

本発明の原理によれば、ボリューム領域内において２つ以上の画像平面の相対的な配向は、エレベーションの大きさを変えられることができる。ある実施例において、基準画像の位置はプローブに対し静止した状態を保ち、第２の画像は基準画像に対しエレベーション方向に変えられる。これら２つの画像は、共面であるか、又はエレベーション方向に間隔を開けた画像平面に置かれる。他の実施例において、これら２つの平面は共通する頂点を保ち、第２の画像は、共通する深さが他の平面から共通する距離であるように、基準画像に対してエレベーション方向に傾けられる。さらに他の実施例において、これら２つの画像は共に、同じそれぞれの画像の座標にカラーボックスを持つ。単一の制御は、２つの画像における２つのカラーボックスの大きさ又は位置を同じやり方で調節するのに用いられる。

図１を参照してみると、本発明の原理に従って構成される超音波診断撮像システムがブロック図形式で示される。プローブは、二次元アレイトランスデューサ５００及びマイクロビームフォーマ５０２を含んでいる。このマイクロビームフォーマは、アレイトランスデューサ５００の素子（パッチ）の集合に印加される信号を制御する回路を含み、各集合の素子により入力されるエコー信号の何らかの処理をする。プローブにおいてマイクロビームを形成することは、プローブと超音波システムとの間のケーブル５０３内の導体の数を有利に減少させ、このことは米国特許US 5,997,479及びUS 6,436,048に記載されている。

プローブは超音波システムのスキャナ３１０に結合されている。このスキャナは、ユーザ制御部２００に応答し、送信ビームのタイミング、周波数、方向及び焦点合わせに関して前記プローブに指示するマイクロビームフォーマ５０２に制御信号を供給するビームフォーマの制御部３１２を含む。このビームフォーマの制御部は、これをＡ／Ｄ変換器３１６及びビームフォーマ１１６と結合することにより、入力されるエコー信号のビーム形成も制御する。プローブにより入力されるエコー信号は、スキャナ内にあるプリアンプ及びＴＧＣ(time gain control)回路３１４により増幅され、次いでＡ／Ｄ変換器によりデジタル化される。デジタル化されたエコー信号は次いで、ビームフォーマ１１６によりビームに形成される。エコー信号は、デジタルフィルタリング、Ｂモード検出及びドップラー処理を行う画像処理器３１８により処理され、高調波分離(harmonic separation)、周波数合成によるスペックルの低減のような他の信号処理、及び他の所望される信号処理を行うこともできる。

スキャナ３１０により生成されるエコー信号は、デジタルディスプレイサブシステム３２０に結合され、このシステムは所望の画像フォーマットで表示するためにエコー信号を処理する。これらエコー信号は、画像ライン処理器３２２により処理され、この処理器は、エコー信号のサンプリング、ビームの扇形を完全なライン信号に接合する、及び信号対ノイズの改善又は流れの持続性(flow persistence)のためのライン信号の平均化が可能である。画像ラインは、従来技術として知られるＲ−Θ変換を行う走査変換器３２４により所望の画像フォーマットに走査変換される。この画像は次いで画像メモリ３２８に記憶され、このメモリから画像がディスプレイ１５０に表示されることができる。メモリ内の画像はさらに、この画像と共に表示されるグラフィックを用いて重畳され、このグラフィックは、ユーザ制御部に応答するグラフィック発生器３３０により生成される。個々の画像又は画像のシーケンスは、画像ループを取り込んでいる間、シネメモリ(cine memory)３２６に記憶されることができる。

リアルタイムのボリューム撮像のために、ディスプレイサブシステム３２０は、ディスプレイ１５０に表示されるリアルタイムの三次元画像のレンダリングのための画像ライン処理器３２２から画像ラインを入力する３Ｄ画像レンダリング処理器（図示せず）も含んでいる。

本発明の原理によれば、ここでバイプレーン画像と呼ばれる２つの画像は、プローブによりリアルタイムで取得され、並列表示形式で表示される。２Ｄアレイ５００が送信ビーム及び受信ビームをこのアレイの前の如何なる方向及び傾斜にも操舵する能力を持っているので、バイプレーン画像の平面は、前記アレイに及び互いに対し如何なる配向も持つことができる。ある実施例において、２つの画像平面は、図２Ａにおいて平面Ｌ及びＲからなる透視図により示されるようなエレベーション方向に隔てられている。図２Ｂにおいて、同じ平面Ｌ及びＲは、“縁前(edge-on)”で見られる。各実施例において、画像平面より上に位置決めされる二次元アレイトランスデューサ５００が示される。これら実施例において、画像形式は扇形の画像形式であり、画像ラインはトランスデューサ５００にある又はその近くにある共通の頂点から出ている。しかしながら、線形又は操舵される線形走査形式も、以下に示されるように用いられることができる。

他の実施例において、エレベーションバイプレーン画像Ｌ及びＲは各々、動きが表示されるエリアを含んでいる。これは、動きが表示されるエリアから入力される信号をドップラー処理し、Ｂモード画像のカラー（速度）ドップラー又はパワードップラーのオーバーレイを用いてそのエリアを表示することにより行われる。時間のエコー情報を相関させたり、ターゲット標識を動かしたりするような他の代替方法が用いられてもよい。例えば、米国特許US 4,928,698及びUS 5,718,229を参照されたい。例えば血流又は組織の動きのような動きが表示されるエリアは、図２Ａに示されるようなカラーボックス１０２、１０４により輪郭が描かれてもよい。使いやすいように、これら２つの画像平面上のカラーボックス１０２、１０４は、これら２つの画像における範囲（深さ）及び方位角(azimuth)に関して位置合わせされ、これらの操作及び調節は、ユーザ制御部からなる単一の組により連係して制御される。これは、走査されているボリューム内のＲＯＩ(region of interest)がエレベーション方向に隔てられた２つの平面により見られることを可能にする。ここで用いられるように、これら２つの画像が同じ画像平面を共有しない、すなわちこれら画像が撮像されている被写体内に共面が存在しない場合、これら２つの画像はエレベーション方向に隔てられている。この機能は、例えば前記ボリュームの特定の側にあるＲＯＩを検査するときに有用である。心臓の弁から噴出口のエレベーション方向における程度を測定するときにも有用である。基準平面は、前記弁の近くで前記噴出口を横切るように前記弁の近くに置かれ、調節可能な平面は、例えば前記弁から、最も検出可能な範囲にある噴出口を横断するように動かされる。ユーザ制御部が、前記弁の近くにある噴出口を横断するようにカラーボックス１０２を位置決めするように操作される場合、第２の平面のカラーボックス１０４は前記カラーボックス１０２と並ぶように自動的に位置決めされる。

図１の実施例において、超音波システムのコントロールパネル２００上にあるトラックボール２０２及び２つのキー２０４、２０６は、エレベーション平面Ｌ及びＲにおけるカラーボックス１０２、１０４を操作及び調節するのに用いられることができる。この超音波システムがエレベーションバイプレーンモードであり、ポジションキー２０４が押し下げられている場合、トラックボール２０２を動かすことは、これら２つの画像Ｌ及びＲにおけるカラーボックスを連係して動かす。トラックボールは如何なる方向にも転がすことができるので、カラーボックスは、トラックボールの制御と一緒に如何なる方向にも新しく位置決めすることができる。カラーボックスの大きさは、サイズキー２０６を押し下げることにより変更することができ、押し下げた後、トラックボールの移動が、このトラックボールの動く方向に依存して、カラーボックスの幅又は高さを広げたり、狭めたりさせる。例えば、トラックボールを左に回転させるとカラーボックスの幅が広がり、トラックボールを右に回転させるとカラーボックスの幅が狭まる。２つのキー２０４、２０６及びトラックボール２０２を利用することにより、カラーボックスは特定の臨床検査の要件を満たすために、一緒にサイズ決め及び位置決めされる。この共通の調節は全く同じにすることができ、これは通常、交差していない又は平行である画像平面に対する場合である。この共通の調節は、調和して制御されることもできる。例えば、カラーボックスの調節は、撮像されている媒体において略整列されているカラーボックスのＲＯＩを保つように、２つの画像平面間の角度の余弦に比例するように行われる。このカラーボックスの調節は、本実施例において２つの画像平面の相対的な配向の機能である。

図１の超音波システムがカラーボックスを備える別々の平面を走査する方式は、図１を参照して図３に説明されている。ユーザは、コントロールパネル２００上のユーザ制御部、例えばトラックボールを操作して、基準平面Ｌに対し所望の方位に第２の平面Ｒを位置決めする。これは、発明の名称「IMAGE ORIENTATION DISPLAY FOR A THREE DIMENSIONAL ULTRASONIC IMAGING SYSTEM」である米国特許（出願シリアル番号10/437,834）において開示されているような２つのエレベーション平面の各々の位置を図で説明するアイコンを参照して便利に行われている。ビームフォーマの制御部３１２は、一連の走査ラインをフレームテーブルにあるビームフォーマ１１６又はマイクロビームフォーマ５０２により送信されるようにプログラミングすることによりユーザの画像平面の選択に応じる。ビームフォーマの制御部は、送信ビーム及び受信ビームを形成するための焦点合わせ係数の適切なシーケンスを再計算又は選択することにより両方の画像に対するフレームテーブルを再プログラミングする。送信ビームは、マイクロビームフォーマ又はビームフォーマにある送信ビームフォーマの制御下において、トランスデューサーアレイ５００の前にあるボリュームを通る所望の方向に送信及び焦点合わせされる。図３はそれぞれ１００本の走査ラインからなる画像に対する走査ラインのシーケンスを説明し、カラーボックス１０２及び１０４は走査ライン２０から３０の間にサイズ決め及び位置決めされている。この例において、各画像Ｌ及びＲは、走査ライン１−１９の各々に沿って個別のＢモードラインを送信することにより取得される。走査ライン２０から３０に対しては、構造上の画像のためのＢモードパルスと同じく、各走査ラインに沿ってドップラーパルスのアンサンブルが送信される。このドップラーパルスのアンサンブルは一般的に、所望される解像度及び検出されるべき動きの速度に依存して長さで６から１６のパルスである。単一のパルスはＢモードパルス、及び所望するならば米国特許番号US 6,139,501に記載されたようなドップラーアンサンブルパルスの１つに用いられる。このアンサンブルのパルスは、異なる走査ライン及び所望するならばＢモードパルスの間に時間インタリーブされることができる。これらラインに対するエコーが取得された後、Ｂモードパルスは残りの走査ライン３１から１００に沿って送信される。この送信及びエコー受信のシーケンスは、Ｌ及びＲ画像の両方に用いられることができ、ビームの操舵方向だけが画像毎に異なり、ビームフォーマの制御部が同じシーケンスを２回使用することを可能にする。米国特許US 6,709,394に記載されるような２つの画像の送信ビームを時間インタリーブすることも可能である。

Ｂモードのエコーは、画像処理器３１８において振幅を検出することにより処理され、ドップラーエコーアンサンブルは、流動又は組織の動きを示す表示信号を生成するための画像処理器においてドップラー処理される。この処理されるＢモード及びドップラー信号は、次いで表示するためのディスプレイサブシステム３２０に結合される。

所望の画像平面の選択は、前記ディスプレイサブシステム３２０にも結合され、ここで走査変換器２３４及びグラフィック発生器３３０は、これら画像のデザインを知らされる。これは、走査変換器に指定されるカラーボックスエリア１０２、１０４の走査ライン２０から３０に沿ってドップラー情報を予想し、次いで適切に配置することを可能にすると共に、所望するならばグラフィック発生器がカラーボックスの輪郭を描く又はハイライトにすることも可能である。

図４のスクリーンディスプレイにより示されるように画像をラテラル方向に掃引することにより、アレイトランスデューサの前のボリュームを調査することも可能である。図４の実施例において、比較的狭い扇形画像は、Ｌ及びＲ画像の各々を形成するために、走査ライン６０から９０に沿ってＢモードのビームを送信することにより形成される。この扇形はコントロールパネル上のサイズキー２０６を選択し、次いでトラックボール２０２を用いて扇形画像を狭めるようすることにより狭められる。ポジションキー２０４を選択することにより、トラックボールは、トランスデューサのプローブを動かさずに、２つの扇形画像を同時にラテラル方向に掃引するのに用いられることができる。例えば、矢印で示されるように、Ｌ及びＲ画像は、各画像に対し走査ライン１０から４０に沿ってビームを送信することにより走査される画像Ｌ’及びＲ’の位置に同時に再位置決めされることができる。これは、臨床医が心臓の弁の一方の側にある噴出口から、心臓の弁の他方の側にある噴出口へ、例えばプローブを動かすことなく２つのエレベーション扇形を動かすことができる。先の実施例におけるように、カラーボックスは各扇形画像に置かれることができ、全体の扇形は、カラーの扇形として送信及び受信されることができる。

図５及び図６は、異なるエレベーション方位を持つ２つの直線で囲まれたバイプレーン画像Ｌ及びＲの走査を説明する。各画像に対し、ビームフォーマの制御部３１２は、走査ライン１から１９に沿ってＢモードのビーム、走査ライン２０から３０に沿ってＢモードのビーム及びドップラーアンサンブル、並びに走査ライン３１から１００に沿ってＢモードのビームの送信及び受信を指示するフレームテーブルを使用する。他の実施例において、直交する直線で囲まれた画像ではなく、操舵された線形（平行四辺形形状）の画像が送信されてもよい。図６の実施例において、第２の画像Ｒは、基準画像Ｌからエレベーション方向に隔てられ、アレイトランスデューサの透視図からこの上面図に示されるように、これら２つの画像が走査されるボリューム内で交差するように回転される。走査ライン２０及び３０により境界付けされるカラーボックス１０２、１０４は共に本実施例において撮像されているボリュームの左側に見られる。

本発明の原理に従って構成された超音波診断撮像システムをブロック図の形式で示す。 カラーボックスを備える２つのエレベーション方向に異なる画像平面のビューを示す。 カラーボックスを備える２つのエレベーション方向に異なる画像平面のビューを示す。 本発明の原理によるエレベーションバイプレーンモードにおける２つの画像平面のシステム表示を説明する。 ２つのエレベーションバイプレーン画像における２つのカラーボックスの同時の再配置を説明する。 矩形の走査された画像内の２つのカラーボックスを説明する。 図５の２つの画像の１つの起こり得る方位を説明する。

Claims (20)

1. −ボリューム領域内において異なる方向にビームを送信する二次元アレイトランスデューサ、
   −前記二次元アレイトランスデューサに結合されるビームフォーマ、
   −エレベーション方向に隔てられた２つの画像平面を前記アレイトランスデューサに走査させる、前記ビームフォーマに結合されるビームフォーマの制御部であり、各画像平面の少なくとも対応する部分は動きの撮像のために走査されている、ビームフォーマの制御部、
   −動きが表される各画像平面の対応する部分を含む前記２つの画像平面のリアルタイムの画像を生成する、前記ビームフォーマに結合される走査変換器、
   −前記２つのリアルタイム画像を表示する、前記走査変換器に結合されるディスプレイ、及び
   −前記動きの撮像のために走査されている各画像平面の前記部分が選択されることができる、前記送信ビームフォーマに結合されるユーザインタフェース
   を有する超音波診断撮像システム。
2. 前記ユーザインタフェースは、前記動きの撮像のために各画像平面の同一部分を選択する手段を有する請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
3. 前記ユーザインタフェースはさらに、動きが表示される各画像においてカラーボックスの寸法を選択する手段を有する請求項２に記載の超音波診断撮像システム。
4. 前記ユーザインタフェースはさらに、両方の画像の前記カラーボックスの幅又は高さを同時に調節する手段を有する請求項３に記載の超音波診断撮像システム。
5. 前記ユーザインタフェースはさらに、両方の画像における前記カラーボックスの位置を同時に調節する手段を有する請求項３に記載の超音波診断撮像システム。
6. 前記ビームフォーマの制御部は、前記アレイトランスデューサに、両方の画像平面における走査ラインの同じ集合からドップラーアンサンブルを取得させる請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
7. 前記走査変換器は、両方の画像の同じ場所に動きが表されるカラーボックスを生成する請求項６に記載の超音波診断撮像システム。
8. 前記ユーザインタフェースは、トラックボールを有する請求項１に記載の超音波診断撮像システム。
9. 前記ユーザインタフェースはさらに、サイズキー及びポジションキーを有する請求項８に記載の超音波診断撮像システム。
10. 各画像における前記カラーボックスの輪郭を描くように又はハイライトにするように動作する、前記ディスプレイに結合されるグラフィック発生器をさらに有する請求項３に記載の超音波診断撮像システム。
11. −ボリューム領域において異なる方向にビームを送信する二次元アレイトランスデューサ、
    −前記二次元アレイトランスデューサに結合されるビームフォーマ、
    −エレベーション方向に隔てられた２つの画像平面を前記アレイトランスデューサに走査させる、前記ビームフォーマに結合されるビームフォーマの制御部であり、前記画像平面は前記アレイトランスデューサが１つの画像平面において走査可能である走査ラインの最大数よりも少ない同じ数の走査ラインを各々有する、ビームフォーマの制御部、
    −前記２つの画像平面のリアルタイムの画像を生成する、前記ビームフォーマに結合される走査変換器、
    −前記２つのリアルタイム画像を表示する、前記走査変換器に結合されるディスプレイ、及び
    −前記２つの画像平面の走査ラインが選択されることができる、前記送信ビームフォーマに結合されるユーザインタフェース
    を有する超音波診断撮像システム。
12. 前記ユーザインタフェースは、前記２つの画像平面の前記走査ラインを同時に選択する手段を有する請求項１１に記載の超音波診断撮像システム。
13. 前記ユーザインタフェースはさらに、各画像に対する前記走査ラインの同じ空間的に対応する集合を選択する手段を有する請求項１２に記載の超音波診断撮像システム。
14. 前記ユーザインタフェースはさらに、前記ボリューム領域に関して前記アレイトランスデューサの場所を動かすことなく、各画像を夫々のラテラル方向に動かす手段を有する請求項１１に記載の超音波診断撮像システム。
15. 前記ユーザインタフェースはさらに、前記ボリューム領域に関して前記アレイトランスデューサの場所を動かすことなく、前記２つの画像を調和してラテラル方向に動かす手段を有する請求項１４に記載の超音波診断撮像システム。
16. 前記ユーザインタフェースは、トラックボールを有する請求項１１に記載の超音波診断撮像システム。
17. 前記ユーザインタフェースはさらに、サイズキー及びポジションキーを有する請求項１６に記載の超音波診断撮像システム。
18. 前記走査変換器は、動きが表される各画像平面の対応する部分を含む、２つの画像平面のリアルタイム画像を生成する請求項１１に記載の超音波診断撮像システム。
19. 前記ビームフォーマの制御部は、前記トランスデューサに、前記画像平面の他のエリアとは異なる各画像平面におけるＲＯＩ(region of interest)を走査させる請求項１１に記載の超音波診断撮像システム。
20. 前記ビームフォーマ制御器は、前記トランスデューサに、ドップラービームを用いて、各画像平面におけるＲＯＩを走査させる手段を有する請求項１９に記載の超音波診断撮像システム。

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