JP4917259B2 - 角度依存型後方散乱空間合成のための方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、診断用超音波システムに関する。具体的には本発明は、超音波データを収集して処理し、超音波画像においてアーチファクトを強調表示（ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ）するための方法及び装置に関する。

周知の超音波システムの少なくとも幾つかは、複数のステアリング角度から取得した所与のターゲットに関する多数の超音波画像を空間合成することが可能である。これらの画像は、各ステアリング角度から受け取った合成画像ターゲット内で各点から受け取ったデータを組み合わせることによって単一の合成画像になるように組み合わせられている。リアルタイムの空間合成式撮像は、部分的に重なり合った一連の部品画像フレームを実質的に独立のステアリング角度から収集することによって実行されることがある。電子ビームのステアリング及び／または部品フレームの電子的平行移動を実現するためにアレイ・トランスジューサが利用されることがある。これらの部品フレームは、加算、平均化、ピーク検出、あるいは別の組み合わせ手段によって合成画像になるように組み合わせられる。この合成画像は、単一の角度からの非空間合成式の超音波画像と比べて、相対的により低いスペックル及びより良好な鏡面反射体描出を表示することができる。空間合成を使用する場合、撮像域内の減衰性の物体の遠位端シャドウも低下させることができる。
米国特許第６５５１２４６号

さらに、空間合成式撮像は、鏡面性境界の収集を改善させかつ撮像域にある物体に対する遠位端シャドウを低減することによって画質の改善を容易にさせることがある。例えば、密度境界、または音響インピーダンスは、超音波ビームがその境界面と正確に直交していると強力なエコーを生成させ、またビームが直交方向から数度ずれているだけでかなり弱いエコーを生成させることがある。空間合成は、境界の像を複数の異なる角度から収集し、より大きな撮像域にわたってこの湾曲した境界を視覚化させかつ連続させると共に、遠位端シャドウの影響を低減させている。しかし、画像から鏡面性干渉や遠位端シャドウを単に排除すると、その画像から貴重な診断情報も排除されることがある。

空間合成は鏡面性反射及び遠位端シャドウを低減させることによって画質を改善できるが、空間合成はさらにこれらのエリアの内部にある関心対象塊状体（ｂｏｄｙ）の表示能力も低減させることがある。

一実施形態では、医用超音波撮像の方法を提供する。本方法は、ボリューム内に異なるステアリング角度で超音波を送信する工程と、この超音波の各々に関して超音波エコーを受信する工程であって、該超音波エコーのそれぞれはそのボリューム内の１つの密度境界を示しており、該超音波エコーはステアリング・フレームの形に編成される受信工程と、これらのステアリング・フレームのうちの少なくとも１つの内部で遠位シャドウを特定する工程と、これらのステアリング・フレームを１つの合成画像になるように組み合わせる工程と、を含む。

別の実施形態では、超音波システムを提供する。本システムは、連続する各超音波が送信された先行する各超音波と異なるステアリング角度でボリューム内に送信されるようにして複数の超音波をボリューム内に送信するための送信器と、送信された複数の超音波の各々に対する複数の超音波エコーを受信するための受信器であって、受信されたエコーのそれぞれはボリューム内の１つの密度境界を示しており、送信された単一の波に対応する受信エコーの各組によって１つのステアリング・フレームが規定されている受信器と、これらのステアリング・フレームを１つの合成画像になるように組み合わせると共に各ステアリング・フレーム内で遠位シャドウを特定している信号処理装置と、この特定した遠位シャドウに基づいて情報を出力するためのディスプレイと、を含む。

さらに別の実施形態では、医用超音波撮像を制御するためにコンピュータ読み取り可能媒体上に具現化させたコンピュータ・プログラムを提供する。このプログラムは、連続する各超音波が送信された先行する各超音波と異なるステアリング角度でボリューム内に送信されるようにして複数の超音波をボリューム内に送信する工程と、送信された複数の超音波の各々に対する複数の超音波エコーを受信する工程であって、受信されたエコーのそれぞれはボリューム内の１つの密度境界を示しており、送信された単一の波に対応する受信エコーの各組によって１つのステアリング・フレームが規定されている受信工程と、ステアリング・フレームを１つの合成画像になるように組み合わせる工程と、各ステアリング・フレーム内で遠位シャドウを特定する工程と、を実行するコード・セグメントを含む。

図１は、例示的な１つの超音波システム１００のブロック図である。超音波システム１００は、パルス状の超音波信号を身体内に放出するように探触子１０６の内部の素子アレイ１０４を駆動させる送信器１０２を含んでいる。多種多様な幾何学構成を使用することができる。この超音波信号は、血球や筋肉組織など身体内の密度境界及び／または構造によって後方散乱を受け、素子１０４に戻されるようなエコーを発生させる。このエコーは受信器１０８によって受信している。受信したエコーは、ビーム形成を実行しかつＲＦ信号を出力しているビーム形成器１１０に通される。次いで、このＲＦ信号はＲＦプロセッサ１１２に通される。別法として、そのＲＦプロセッサ１１２は、エコー信号を表すＩＱデータ対を形成するようにＲＦ信号を復調している複素復調器（図示せず）を含むことがある。次いで、このＲＦまたはＩＱ信号データは、一時的な保存するためにＲＦ／ＩＱバッファ１１４まで直接導かれることがある。

超音波システム１００はさらに、収集した超音波情報（すなわち、ＲＦ信号データまたはＩＱデータ対）を処理して表示システム１１８上に表示するための超音波情報のフレームを作成するために、信号プロセッサ１１６を含んでいる。この信号プロセッサ１１６は、収集した超音波情報に応じて選択可能な複数の超音波様式に従って１つまたは複数の処理動作を実行するように適応させている。この例示的実施形態では、収集した超音波情報は、走査セッション中にエコー信号を受信しながらリアルタイムで処理される。代替的な一実施形態では、この超音波情報は、走査セッションの間にＲＦ／ＩＱバッファ１１４内に一時的に保存され、ライブまたはオフライン動作でリアルタイム性がより低い処理を受けることがある。

超音波システム１００は、人間の眼のおおよその認知速度である５０フレーム毎秒を超えるフレームレートで超音波情報を連続して収集することができる。収集した超音波情報は、これより遅いフレームレートで表示システム１１８上に表示させている。即座に表示させる予定がない収集超音波情報の処理済みのフレームを保存するために、画像バッファ１２２を含めてある。この例示的実施形態では、画像バッファ１２２は、少なくとも数秒分の超音波情報フレームを保存できるだけの十分な容量をもつ。超音波情報のフレームは、収集の順序や時刻に従ってこれらの取り出しが容易となるような方式で保存されている。画像バッファ１２２は、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュ・メモリ、及び／またはランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）やその他の周知のデータ記憶媒体（ただし、これらに限らない）などの少なくとも１つの記憶デバイスを含むことがある。

図２は、超音波画像の収集及び処理のために使用できる例示的な超音波撮像システム１００（図１参照）の別のブロック図である。システム１００は、送信器１０２及び受信器１０８と接続された探触子１０６を含んでいる。探触子１０６は、超音波パルスを送信し、走査を受けた超音波ボリューム２００の内部にある構造からエコーを受信する。メモリ２０２は、走査を受けた超音波ボリューム２００から導出された受信器１０８からの超音波データを保存する。ボリューム２００は、例えば３Ｄ走査、リアルタイム３Ｄ撮像、ボリューム走査、位置決めセンサを有するトランスジューサによる２Ｄ走査、ボクセル相関技法、２Ｄ、またはマトリックスアレイ・トランスジューサを使用したフリーハンド走査（ただし、これらに限らない）など様々な技法によって取得されることがある。

プローブ１０６は、関心領域（ＲＯＩ）の走査中に、直線状経路や弓状経路などに沿って移動させている。直線状または弓状の各位置において、プローブ１０６は複数の走査面２０４を取得する。隣接する走査面２０４からなるグループまたは組からなど、ある厚さにわたって走査面２０４が収集される。これらの走査面２０４はメモリ２０２内に保存され、次いでボリューム走査変換装置２０６に送られる。幾つかの実施形態では、プローブ１０６は走査面２０４ではなくラインを取得することがあり、またメモリ２０２は走査面２０４ではなくプローブ１０６が取得したラインを保存することがある。ボリューム走査変換装置２０６は、走査面２０４ではなくプローブ１０６が取得したラインを保存することがある。ボリューム走査変換装置２０６は、走査面２０４から作成しようとするスライスの厚さを特定している制御入力２０８からスライス厚設定を受け取っている。ボリューム走査変換装置２０６は複数の隣接する走査面２０４から１つのデータ・スライスを作成している。各データ・スライスを形成するために取得される隣接する走査面２０４の数は、スライス厚制御入力２０８によって選択される厚さに依存する。このデータ・スライスはスライス・メモリ２１０内に保存され、ボリューム・レンダリング・プロセッサ２１２によってアクセスを受ける。ボリューム・レンダリング・プロセッサ２１２はこのデータ・スライスに対してボリューム・レンダリングを実行している。ボリューム・レンダリング・プロセッサ２１２の出力は、ビデオ・プロセッサ１１６及びディスプレイ１１８に送られる。

図３は、システム１００（図１参照）によって収集した物体に対する例示的なディスプレイ３００を表している。ボリューム３１６は、互いからある角度３２６で発散する放射状境界３２２及び３２４を有する複数の扇形状の断面を含んでいる。探触子１０６は、各走査面２０４内の隣接する走査線に沿って走査するために超音波発射を電子的に焦点合わせしかつ長手方向に導いており、また隣接する走査面２０４を走査するために超音波発射を電子的または機械的に焦点合わせしかつ横断方向に導いている。探触子１０６によって取得した走査面２０４はメモリ２０２内に保存されると共に、球面座標またはデカルト座標からボリューム走査変換装置２０６によって走査変換を受ける。複数の走査面を備えるボリュームは、ボリューム走査変換装置２０６から出力されると共に、スライス・メモリ２１０内に保存される。

関心領域の内部の塊状体３２８からのエコー像は、塊状体３２８の素子アレイ１０４から遠位にある側３３０に向かうほど関心領域内のボリュームを部分的または完全に不鮮明にさせることがある。こうした不鮮明なエリアまたは遠位シャドウ３３２には、遠位シャドウ３３２の影響のために識別不可能になりかねない関心対象データを含むことがある。素子１０４が複数の隣接する走査面２０４を用いてボリューム３１６を走査すると、静止した塊状体３２８に対して遠位シャドウ３３２が事実上移動する。システム１００は、遠位シャドウ３３２のこうした相対的移動を検出し、かつこれに基づいてボリューム３１６の内部で遠位シャドウ３３２を含む可能性があるエリア３３４を特定する。特定されたこのエリア３３４は、遠位シャドウ３３２やその他のアーチファクトの有無を判定するために評価される。この例示的実施形態では、起こりうる遠位シャドウの位置及び向きを逆計算し、そのシャドウの発生源を決定している。遠位シャドウ３３２の発生源が塊状体３２８であることは、例えば指数関数逆計算によって明らかにすることができる。

塊状体３２８が遠位シャドウ３３２の発生源であることの確認を容易にするために、塊状体３２８の減衰特性を評価する追加的な計算を使用することがある。遠位シャドウ３３２が確認された場合は、遠位シャドウ３３２であると判定されたエリア３３４を強調表示するために強調表示属性を有効にする。一実施形態では、この強調表示にはエリア３３４を輪郭表示することを含む。代替的な一実施形態では、強調表示にはエリア３３４を反転表示で点灯させることを含む。別の代替的な実施形態では、エリア３３４は別のエリアから識別するために色付けされる。強調表示属性はユーザの選好に基づいて選択可能である。強調表示は、塊状体その他の構造がその塊状体または構造の素子１０４から遠位の側に不鮮明なエリアを生成させるために部分的または完全に識別不可能となりかねない関心エリアの有無の判定を容易にするために利用可能である。遠位シャドウ３３２を特定して表示し終えた後は、強調表示を無効にすることがある。

遠位シャドウ３３２は、遠位シャドウ３３２内の遠位物体３３４から識別され、また遠位シャドウ３３２の有無を使用して遠位シャドウ３３２を生成させる塊状体３２８を特徴付けすることができる。塊状体３２８に関する相対的な減衰によって、ボリューム３１６と比べて遠位シャドウ３３２がより暗くなることや、より明るくなることがある。例えば、減衰性が高い塊状体３２８は、散乱及び／または吸収のために相対的に暗い遠位シャドウ３３２を生成させることがある。散乱の場合、塊状体３２８は暗いシャドウを伴って相対的に明るく表示されることがある。吸収の場合、塊状体３２８はボリューム３１６ほど明るく表示されないことがある。遠位シャドウ３３２は、例えば嚢胞すなわち流体で満たされた領域（ただし、これに限らない）などのハイポエコー性の組織から識別できないことがある。塊状体３２８が相対的により低い減衰率を有する場合、その遠位シャドウ３３２はボリューム３１６と比べてより明るくなる（「音響的強調（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）」と云う状況になる）ことがある。遠位シャドウ３３２がボリューム３１６と比べて相対的により明るい場合、遠位シャドウ３３２は遠位物体３３４などの関心対象物と解釈されることがある。こうした場合では、明るい遠位シャドウ３３２を生成している塊状体３２８は、この明るい遠位シャドウ３３２が散乱が低いことまたは吸収が低いことのそれぞれの結果であるかどうかに応じて、識別可能のことや識別可能でないことがある。

システム１００は、遠位物体３２８が現実の物体であるか単なるアーチファクトであるかの判定でユーザを支援するために、遠位シャドウ領域３３２を選択可能に強調表示することがある。強調表示された遠位シャドウ３３２は、強調表示された遠位シャドウ３３２を生成している塊状体３２８を診断するためにも使用されることがある。例えば、音響強調性の遠位シャドウ３３２が暗い塊状体３２８に隣り合っていることは、塊状体３２８が良性の嚢胞であることを示すことがある。しかし、遠位シャドウ３３２に強調が存在しない場合や遠位シャドウ３３２が暗い場合には、その物体は被疑体となることがある。画像フレーム間の差によって遠位シャドウ３３２の輪郭が特定されることがある。各フレーム内のスペックルを減少させるためにフィルタ処理を使用することがあり、また次いで各それぞれの画素に関する画像フレーム間での標準偏差に基づいて合成偏差フレームが形成されることがある。この偏差フレームは、扇形状の遠位シャドウ３３２の境界を、このシャドウを生成させる塊状体３２８上を中心とする頂点を有するように選択的に強調表示することがある。このシャドウ強調表示フレームは、合成画像上で遠位シャドウ３３２を強調表示するために使用されることがある。遠位シャドウ３３２の輪郭を提供すると共に、遠位シャドウ３３２の発生源を特定して強調表示するために、モルフォロジカル・フィルタ処理などの追加的な処理が使用されることがある。

図４は、システム１００（図１参照）によって収集した別の例示的な物体を表している。走査の間において各走査面２０４の一部は、超音波が入射する超音波と直交する塊状体３２８のエリア４０２に投射されるように塊状体３２８の一部分と直角に交差することがある。こうした場合では、超音波は探触子１０６内に戻るように直接反射される。例えば、走査面のうち探触子１０６と直交するライン４０６の経路に従う部分は、探触子１０６に戻すように直接反射させることがある。したがって、探触子１０６と直交する経路上に位置しない別の点からと比べて、探触子１０６に戻される超音波エネルギーは、そのより多くの部分がこの部分から戻されることになる。塊状体３２８のうち探触子１０６と直交しないエリアからの反射強度は、探触子１０６と直交するエリア４０２からの反射強度より小さくなることがある。反射の強度がより大きいほどディスプレイ１１８上で相対的により明るく表示されることがある。このように輝度が上昇したエリアは、ユーザによって指標として認識されること、及び／またはユーザにとって関心対象となり得る指標を不鮮明にさせることがある。

システム１００は、こうした潜在的な指標４０４を検出すると共に、反射された波の入射角に基づいてこの指標が直角な反射によるものか否かを判定する。一実施形態では、システム１００は潜在的な指標からの反射とこの潜在的な指標に隣接するエリアからの反射とを比較する。代替的な一実施形態では、システム１００は、潜在的な指標からの反射とこの潜在的な指標に隣接するエリアからの反射とのタイミングを使用して直角な潜在的指標を確認する。鏡面性境界の場合では、明るいスポットは、アーチファクト、散乱物体、あるいは例えば筋肉の層紋などの鏡面性表面から構成される組織であることがあり得る。これらの可能性の間の識別のためには、シャドウ形成の場合と同様の方法が使用されることがあるが、スペックル低減は、入力フレームに対してではなく合成偏差フレームに対して実行されることがある。次いで、合成画像の鏡面性境界は例えば色付けなどによって強調表示されることがある。

潜在的な指標４０４が確認されると、潜在的な指標４０４であると判定されたエリアを強調表示させるために強調表示属性を有効にする。強調表示属性はユーザの選好に基づいて選択可能である。強調表示は、塊状体３２８または構造と素子１０４の間における誤った指標の生成または指標の不鮮明化によって部分的または完全に識別不可能となる関心エリアの有無の判定を容易にするために利用可能である。潜在的な指標４０４を特定して表示し終った後は、強調表示を無効にすることがある。

図５は、システム１００（図１参照）を用いて画像を収集し処理するための例示的な一方法５００のブロック図である。方法５００は、ボリューム３１６（図３参照）内に異なるステアリング角度で超音波を送信する工程（工程５０２）を含む。この例示的実施形態では、ボリューム３１６は人体である。代替的な一実施形態では、そのボリュームは、超音波に応答可能な任意の関心対象ボリュームである。システム１００は、送信された複数の超音波のそれぞれに対する複数の超音波エコーを受信する（工程５０４）。受信した各エコーは、ボリューム３１６内の１つの密度境界を表している。単一の送信波に対応した受信エコーの各組は１つのステアリング・フレームを規定している。システム１００は、工程５０６において、ステアリング・フレームを１つの合成画像にするように組み合わせると共に、工程５０８において、各ステアリング・フレーム内で遠位シャドウ３３２を特定している。この例示的実施形態では、画像のうちの不鮮明化を受けたエコーを示すことがあるエリアを特定するために注目されることがあるエリアに関してユーザに注意喚起できるように、各遠位シャドウ３３２を強調表示している。ユーザは、こうした不鮮明化されたエリアを選択的に特定することや、標準的な合成画像を表示するためにこの特定を無効にすることがある。代替的な一実施形態では、各遠位シャドウ３３２は、遠位シャドウ３３２によって超音波像から不鮮明化されることがあるエリアの特定を容易にするように色付けされる。遠位シャドウ３３２の位置特定及びその範囲の判定を容易にするために、ユーザは様々な色付けの組み合わせを選択することがある。さらに、遠位シャドウ３３２の発生源の位置は、計算された減衰係数及び／または遠位シャドウの大きさと形状を含む遠位シャドウ・データから逆計算されることがある、この逆計算は、遠位シャドウ３３２の生成に寄与している塊状体を決定するために指数関数アルゴリズムを利用することがある。

別の実施形態では、システム１００は、ディスプレイ１１８上に輝度エリアを生成させる実質的に直角なエコー反射のエリアを特定する。直角反射のエリアは、反射エリアをユーザに示すために、選択的に強調表示されかつ／または色付けされることがある。

本明細書に記載した遠位シャドウ及び鏡面性反射特定の方法及びシステムの技術的効果には、その少なくとも１つとして、撮像域内における減衰性物体の診断上の判定の改善、並びに撮像域内における音響インピーダンスの発生源及び特性の決定の改善を容易にすることが含まれる。

上述した角度依存型後方散乱空間合成の方法は、空間合成した超音波画像において関心対象物体を不鮮明にさせることがある遠位シャドウのエリアを位置検出し、特定し、かつ強調表示するために費用対効果が高くかつ信頼性が極めて高い。具体的には、空間合成方法は、超音波トランスジューサを基準として減衰性の塊状体より後ろ側に位置することがあるシャドウ・エリアをユーザに対して特定させ、ユーザがそのエリアをさらに調べることができるように超音波画像の組み合わせを容易にしている。その結果、本明細書に記載した方法及び装置によって、費用対効果が高くかつ信頼性が高い方式での超音波撮像が容易になる。

上では、診断用超音波システムの例示的な実施形態について詳細に記載した。本システムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各システムの構成要素は本明細書に記載した別の構成要素と独立にかつ個別に利用されることもある。各システムの構成要素は別のシステムの構成要素と組み合わせて使用することも可能である。

本発明を、具体的な様々な実施形態に関して記載してきたが、当業者であれば、本発明が本特許請求の範囲の精神及び趣旨の域内にある修正を伴って実施できることを理解するであろう。

例示的な超音波システムのブロック図である。 超音波画像の収集及び処理に使用できる図１に示した例示的な超音波システムの別のブロック図である。 図１に示した超音波システムによって収集した物体の例示的なディスプレイ３００の図である。 図１に示した超音波システムによって収集した別の例示的な物体の図である。 図１に示した超音波システムを使用して画像を収集し処理するための例示的な方法のブロック図である。

符号の説明

１００ 超音波撮像デバイス
１０２ 送信器
１０４ 素子
１０６ 探触子
１０８ 受信器
１１０ ビーム形成器
１１２ ＲＦプロセッサ
１１４ ＲＦ／ＩＱバッファ
１１６ 信号プロセッサ
１１８ ディスプレイ
１２２ 画像バッファ
２００ 超音波ボリューム
２０２ メモリ
２０４ 走査面
２０６ ボリューム走査変換装置
２０８ スライス厚制御入力
２１０ スライス・メモリ
２１２ ボリューム・レンダリング・プロセッサ
３００ ディスプレイ
３１６ ボリューム
３２２ 放射状境界
３２４ 放射状境界
３２６ 角度
３２８ 塊状体

Claims (6)

1. 医用超音波撮像の方法（５００）であって、
   ボリューム（２００）内に異なるステアリング角度で超音波を送信する工程（５０２）と、
   前記超音波の各々に関して超音波エコーを受信する工程（５０４）であって、該超音波エコーのそれぞれは前記ボリューム内の１つの密度境界を示しており、該超音波エコーはステアリング・フレームの形に編成される受信工程（５０４）と、
   前記ステアリング・フレームのうちの少なくとも１つの内部で遠位シャドウ（３３２）を特定する工程（５０８）と、
   前記ステアリング・フレームを前記遠位シャドウが強調表示された１つの合成画像になるように組み合わせる工程（５０６）と、
   を含む方法。
2. 前記強調表示の工程は空間合成画像ディスプレイ（１１８）上で遠位シャドウを選択的に強調表示する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. 前記特定の工程は合成画像上で遠位シャドウを選択的に色付けする工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
4. 前記特定の工程は遠位シャドウの発生源を特定するためにエコー反射データを逆計算する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
5. 遠位シャドウの発生源を特定するためにエコー反射データを逆計算する前記工程はエコー反射データを指数関数アルゴリズムを使用して逆計算する工程を含んでいる、請求項４に記載の方法。
6. ボリューム内に異なるステアリング角度で超音波を送信するための送信器と、
   前記超音波の各々に関して超音波エコーを受信するための受信器であって、該超音波エコーのそれぞれは前記ボリューム内の１つの密度境界を示しており、該超音波エコーはステアリング・フレームの形に編成される受信器と、
   各ステアリング・フレーム内で遠位シャドウを特定する信号処理装置であって、前記ステアリング・フレームを前記遠位シャドウが強調表示された１つの合成画像になるように組み合わせている信号処理装置と、
   前記特定された遠位シャドウに基づいて情報を出力するためのディスプレイと、
   を備える超音波システム。
   

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