JP5858783B2 - 非集束送信ビームを用いる高フレームレートの量的ドップラーフローイメージング - Google Patents
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Description
本出願は、2008年6月26日に出願された米国仮出願番号第61/076,057号について、米国特許法第119条第(e)項の利益を主張し、この仮出願の全体は、引用によって本願に援用される。
非集束ドップラーイメージング法では、フレーム全体のために取得する必要があるドップラーアンサンブルは、1つのみである。このため、高いフレームレートのサポートを維持しながら、従来の複数の送信ビームを用いる手法より遙かに長いドップラーアンサンブルを使用することができる。従来のドップラーフローイメージング法は、フルフレームのフローイメージのために最大128個のアンサンブルを使用し、したがって、フレームレートに大きな影響を与えないために、最大アンサンブル長をN=16パルス以下に制限しなければならない。単一のアンサンブルのみを用いる非集束送信ドップラー法では、Nの値を16の何倍も大きくできると共に、取得フレームレートを従来の手法よりかなり高くすることができる。ドップラーの周波数推定(これに基づいて血流速度が導出される。)における不確実性は、アンサンブルの合計時間の逆数の桁になるので、非集束送信アンサンブルが長い程、血流速度推定の精度が向上する。
エコグラフィイメージングの場合と同様に、送信フィールドを集束させないことによって、集束送信ビームよりもサイドローブ干渉が明らかに大きくなる(この結果、横方向分解能が低下する)。送信−受信イベントの結合されたビームパターンは、送信ビームパターンと受信ビームパターンの積として与えられることが知られており、フラットフォーカス送信は、一定のパターンを有するため、如何なる集束利得(focal gain)も生じない(したがって、横方向分解能に貢献しない)。平面波送信フィールドを用いることにより生じるサイドローブレベルは、複数の異なる平面波の進行方向について、すなわちトランスデューサ面に対して異なる角度で放出される平面波についてフラットフォーカスアンサンブルを結合することによって大幅に削減できる。(線形アレイの位相を合わせることによって平面波の角度を傾けることは、曲線アレイの見かけ上の曲率中心を移動させ、点音源の合成アレイを生成することに等しい。)
フラットフォーカス波面は、深さ全体に亘って略々平坦なままであるので、サイドローブ低減は、視野の全体に亘って略々一定である。最小で5つの異なる平面波の角度を組み合わせるだけでも、イメージ全体に亘って良好なサイドローブ低減及び横方向分解能が提供され、5つのアンサンブルは、より小さいROI内の血流をイメージングする従来のドップラーカラーフローイメージフレームが通常必要とする時間より短い時間で取得することができる。
従来のドップラー法に基づく具体例が軸流情報(axial flow information)だけしか提供しない基本的な理由は、実用性であり、すなわち、一方向の送信ビーム(走査線)によってROIをカバーするために必要な時間が既に、臨床的有用性の限界にあるためである。異なる送信角のビームを追加することは、フレームレートを低減しなければ不可能であり、この際、フロー状態の変化及び意図しない探触子の動きに起因するアーチファクト及び誤差が導入される。
従来の相関処理は、ドップラー速度及びドップラーパワーの推定値を生成する。ドップラーパワーは、通常、血流により敏感であり、小血管を検出し、マッピングするために用いることができる。多角フラットフォーカス取得及びベクトル処理による雑音低減及び横方向分解能向上の利点は、カラーパワードップラーモードでも享受される。
単一の像点におけるフローの定量化のための従来のスペクトルドップラー取得シーケンスでは、図4に示す(a)エコグラフィ送信−受信シーケンス60、(b)像点を含むエコグラフィフレーム内の関心領域(ROI)に亘るカラーラインのためのカラーフローアンサンブル62、(c)単一の集束送信ビームを用いるより長い高PRFシーケンス64の3つのモードをインターリーブしてもよい。「トリプルモード」とも呼ばれるこの3つの取得モード60、62、64のインターリーブでは、標的の点がフロー定量化のために意図した位置に残る確実性が担保されるが、情報を取得するために必要な時間がかなり長いために、総合的なフレームレートが制限される。
非集束送信波を用いる生来的な利点は、エコグラフィエリアの全体に一度に音波を当てることができ、この結果、イメージ空間内の何れの点にもスペクトルドップラー処理が適用できるようになるという点である。マルチゲートサンプリングを用いる従来のシステムは、複数の点においてスペクトルを提供できるが、これらは、適切なPRF及びフレームレートの実用的な問題のために、単一のビームラインの軸に沿った点に制限される。非集束送信により、イメージ内のどこでも、複数の点におけるフロー間の量的な比較が可能になる。このような比較は、取得PRFに影響を与えることなく、任意の数の像点において、心周期に亘って追跡される完全なスペクトルを用いて行ってもよく、単一のスペクトルパラメータ(例えば、ピーク速度)について行ってもよい。非集束平面波送信は、広範囲に届くので、複数の像点において、スペクトルパラメータの実時間表示と共に速いPRFを維持することは、データ処理及び表示の速度のみによって制限される。
高PRFスペクトルデータの長いシーケンスを保存することによって、音波が当てられた領域における任意の点又は全ての点においてフローを定量化する後処理が可能になる。非集束平面波送信については、このような後処理は、これまでになかった量的なフロー及び組織の動きイメージを提供する。複数の心周期に亘る高PRFデータ記録を後処理して、スペクトルドップラー情報から得られる量的なフローパラメータのカラーオーバレイを生成することもできる。スペクトルドップラー処理は、フローパラメータがアンサンブルデータに基づくカラードップラーイメージに比べて高精度なフロー情報を提供する。
非集束送信パルスを用いることによって、複数のビームを送信する必要性からPRFを犠牲にすることなく、イメージ空間のあらゆる点についてスペクトルドップラーデータが入手できるようになる。この結果、臨床的な基準を用いて、幾つかの像点を選択し、処理し、同じ送信イベントについて比較し、これによって、急速に変化するフローからの取得アーチファクトを最小化することができる。
本発明の一実施の形態に基づくソフトウェアベースの方法及びシステムアーキテクチャは、全てのリアルタイム処理機能をソフトウェアで実現する。提案するアーキテクチャを図8に図式的に示す。
Claims (40)
- 高フレームレートの量的ドップラー超音波イメージを生成する方法において、
トランスデューサの視野全体の少なくとも一部に亘って、媒体に1以上のアンサンブルの非集束アコースティック信号を出射するステップと、
前記1以上のアンサンブルの各アコースティック信号の出射に応じて、前記トランスデューサの受信素子のアレイ内の複数の受信素子から、散乱及び反射した超音波信号を受信及び保存するステップと、
少なくとも1つの像点に関して、前記受信した超音波信号を処理し、前記少なくとも1つの像点に対応する前記媒体内の点から量的な動き情報を抽出するステップと、
表示装置上で、前記量的な動き情報から導出されたパラメトリックイメージを生成するステップと、を有し、
前記アンサンブルのそれぞれは、16個よりも多くのアコースティック信号の出射を有する、方法。 - 前記受信及び保存された、散乱及び反射した超音波信号の少なくともサブセットは、画素指向処理方法を用いて実時間で処理され、前記画素指向処理方法は、
前記アコースティック信号を受信する前記トランスデューサの視野内の一部の視野エリアを表すように選択された一組の画素を生成する初期のステップであって、前記一組の画素内の全ての画素が前記複数の受信素子に対して既知の空間的関係を有するステップと、
前記保存された超音波信号の領域に前記一組の画素内の全ての画素をマッピングするステップと、
前記保存された超音波信号のマッピングされた領域を前記一組の画素内の全ての画素のためのアレイに組織化するステップと、
前記一部の視野エリア内の各イメージ画素位置において、行列処理を用いて、少なくとも前記保存されたエコー信号のサブセットから、前記受信された散乱された超音波信号の振幅及び位相を再生するステップと、
アコースティック信号の時間調整されたシーケンスの少なくとも1つの出射、並びに散乱及び反射した超音波信号の受信及び保存を含む送信−受信イベントの少なくとも1つのアンサンブルを処理し、前記エリア内の各画素位置における媒体の動きの推定されたドップラーパラメータを導出するステップと、
前記一部の視野エリア内の各イメージ画素位置において、表示を生成する際に用いられる1つ以上のドップラーパラメータのイメージを生成するステップとを有する請求項1記載の方法。 - 前記パラメータは、流体フロー又は組織の動きに関連する請求項2記載の方法。
- 複数の非集束アコースティック出射信号は、媒体への多角の伝播を提供するように変更され、前記多角の伝播からのドップラーパラメータ推定を処理して、イメージ画素位置のそれぞれにおける速度ベクトルを計算する請求項2記載の方法。
- 複数の非集束アコースティック出射信号は、媒体への多角の伝播を提供するように変更され、前記多角の伝播からのドップラーパラメータ推定を処理して、前記媒体内の真の速度と、音響雑音又は電気雑音とを区別する請求項2記載の方法。
- 複数の非集束アコースティック出射信号は、媒体への多角の伝播を提供するように変更され、前記多角の伝播からのドップラーパラメータ推定を処理して、前記イメージ画素位置のそれぞれにおけるドップラーパワーを算出する請求項2記載の方法。
- 前記ドップラーパラメータ推定の精度は、アコースティック信号の数を変更することによって調整される請求項2記載の方法。
- 前記処理は、ドップラー周波数シフトスペクトル解析を用いて、前記イメージ画素位置のそれぞれにおける媒体の動きのドップラーパラメータを導出することを含む請求項2記載の方法。
- 前記導出される媒体の動きのドップラーパラメータは、最大速度を含む請求項8記載の方法。
- 前記導出される媒体の動きのドップラーパラメータは、前記媒体内の乱流の指標としての速度分散を含む請求項8記載の方法。
- 前記導出される媒体の動きのドップラーパラメータは、スペクトル帯域のモード、平均、分散、最大値、パワーのうちの少なくとも1つのパラメータであり、前記スペクトル解析は、前記導出されたパラメータについての誤差推定を更に含む請求項8記載の方法。
- 前記導出されるパラメータの精度は、前記アンサンブル内の送信−受信イベントの数を変更することによって調整される請求項8記載の方法。
- 前記アンサンブルの処理は、ドップラーフレームの取得のレートを低下させることなく、少なくとも1つのイメージ画素位置において、ドップラーパラメータ推定を実時間で生成及び表示することを含む請求項8記載の方法。
- 前記出射は、媒体への多方向の伝播の角度を提供するように変化する複数の非集束アコースティック信号を出射することを含み、前記処理は、前記多方向の角度からのドップラーパラメータ推定を用いて、イメージ画素位置のそれぞれにおける速度ベクトルを算出することを含む請求項8記載の方法。
- 前記出射は、媒体への多方向の伝播の角度を提供するように変化する複数の非集束アコースティック信号を出射することを含み、前記処理は、前記多方向の角度からのドップラーパラメータ推定を用いて、前記媒体内の真の動きに由来するデータと、音響雑音又は電気雑音に由来するデータとを区別することを含む請求項8記載の方法。
- 前記出射は、媒体への多方向の伝播の角度を提供するように変化する複数の非集束アコースティック信号を出射することを含み、前記処理は、前記多方向の角度からのドップラーパラメータ推定を用いて、前記イメージ画素位置のそれぞれにおけるスペクトル帯域のモード、平均、分散及び最大パワーを含むスペクトルパラメータの角度補正された値を算出することを含む請求項8記載の方法。
- 前記イメージの生成は、前記トランスデューサアレイの視野全体に亘って、導出されたパラメータの値を表示するイメージ又はイメージの時間的シーケンスを生成することを含む請求項2記載の方法。
- 前記イメージの生成は、2次元イメージの動画シーケンスとして、前記媒体の動きパラメータを表示する複数のフレームのイメージを生成することを含み、前記イメージ表示のレートは、実際のタイムレートと同じか、これより遅いか、これより速い請求項2記載の方法。
- 前記ドップラーパラメータは、
最大パワーを有するドップラーシフト周波数に対応するピーク速度、
特定の最小パワー閾値について、最大のドップラーシフト周波数に対応する最大速度、
媒体の乱流の指標としての速度分散、
及び媒体の乱流の指標としての速度ベクトル方向分散のうちの少なくとも1つを含む請求項2記載の方法。 - 前記時間調整されたシーケンスは、1つ以上の心周期に対応する時間間隔を含み、イメージの生成は、各画素点における導出されたパラメータの最大値又は最小値、又は各画素における2つの導出されたパラメータの差分、又は前記心周期内の幾らかの時間内に取られた2つの導出されたパラメータの比を用いて、各心周期毎に単一のイメージを生成することを含む請求項2記載の方法。
- トランスデューサの視野全体の少なくとも一部に亘って、媒体に1以上のアンサンブルの非集束アコースティック信号を出射し、各アコースティック信号の出射に応じて、前記トランスデューサの受信素子のアレイ内の複数の受信素子から、散乱及び反射した超音波信号を受信及び保存するトランスデューサを有し、前記アンサンブルのそれぞれが16個よりも多くアコースティック信号を出射する、モジュールと、
前記トランスデューサに接続され、少なくとも1つの像点に関して、前記保存された超音波信号を受信し、前記少なくとも1つの像点に対応する前記媒体内の点から量的な動き情報を抽出し、表示装置上で、前記量的な動き情報から導出されたパラメトリックイメージを生成するプロセッサと、を備えるシステム。 - 前記プロセッサは、前記受信及び保存された、散乱及び反射した超音波信号の少なくともサブセットを画素指向処理方法を用いて実時間で処理するように構成されており、前記画素指向処理方法は、
前記アコースティック信号を受信する前記トランスデューサの視野内の一部の視野エリアを表すように選択された一組の画素を生成する初期のステップであって、前記一組の画素内の全ての画素が前記複数の受信素子に対して既知の空間的関係を有するステップと、
前記保存された超音波信号の領域に前記一組の画素内の全ての画素をマッピングするステップと、
前記保存された超音波信号のマッピングされた領域を前記一組の画素内の全ての画素のためのアレイに組織化するステップと、
前記一部の視野エリア内の各イメージ画素位置において、行列処理を用いて、少なくとも前記保存されたエコー信号のサブセットから、前記受信された散乱された超音波信号の振幅及び位相を再生するステップと、
アコースティック信号の時間調整されたシーケンスの少なくとも1つの出射、並びにこれに応じて散乱及び反射した超音波信号の受信及び保存を含む送信−受信イベントの少なくとも1つのアンサンブルを処理し、前記一部の視野エリア内の各画素位置における媒体の動きの推定されたドップラーパラメータを導出するステップと、
前記エリア内の各イメージ画素位置において、表示を生成する際に用いられる1つ以上のドップラーパラメータのイメージを生成するステップとを有する請求項21記載のシステム。 - 複数の非集束アコースティック出射信号は、媒体への多角の伝播を提供するように変更され、前記多角の伝播からのドップラーパラメータ推定を処理して、イメージ画素位置のそれぞれにおける速度ベクトルを計算する請求項22記載のシステム。
- 複数の非集束アコースティック出射信号は、媒体への多角の伝播を提供するように変更され、前記多角の伝播からのドップラーパラメータ推定を処理して、前記媒体内の真の速度と、音響雑音又は電気雑音とを区別する請求項22記載のシステム。
- 複数の非集束アコースティック出射信号は、媒体への多角の伝播を提供するように変更され、前記多角の伝播からのドップラーパラメータ推定を処理して、前記イメージ画素位置のそれぞれにおけるドップラーパワーを算出する請求項22記載のシステム。
- 前記ドップラーパラメータ推定の精度は、アコースティック信号の数を変更することによって調整される請求項22記載のシステム。
- 前記処理は、ドップラー周波数シフトスペクトル解析を用いて、前記イメージ画素位置のそれぞれにおける媒体の動きのドップラーパラメータを導出することを含む請求項22記載のシステム。
- 前記導出される媒体の動きのドップラーパラメータは、最大速度を含む請求項27記載のシステム。
- 前記導出される媒体の動きのドップラーパラメータは、前記媒体内の乱流の指標としての速度分散を含む請求項27記載のシステム。
- 前記導出される媒体の動きのドップラーパラメータは、スペクトル帯域のモード、平均、分散、最大値、パワーのうちの少なくとも1つのパラメータであり、前記スペクトル解析は、前記導出されたパラメータについての誤差推定を更に含む請求項27記載のシステム。
- 前記導出されるパラメータの精度は、前記アンサンブル内の送信−受信イベントの数を変更することによって調整される請求項27記載のシステム。
- 前記アンサンブルの処理は、前記表示装置上で、ドップラーフレームの取得のレートを低下させることなく、少なくとも1つのイメージ画素位置において、ドップラーパラメータ推定を実時間で生成及び表示することを含む請求項27記載のシステム。
- 前記出射は、前記トランスデューサから媒体への多方向の伝播の角度を提供するように変化する複数の非集束アコースティック信号を前記トランスデューサから出射することを含み、前記処理は、前記プロセッサにおいて、前記多方向の角度からのドップラーパラメータ推定を用いて、イメージ画素位置のそれぞれにおける速度ベクトルを算出することを含む請求項27記載のシステム。
- 前記出射は、前記トランスデューサから媒体への多方向の伝播の角度を提供するように変化する複数の非集束アコースティック信号を出射することを含み、前記処理は、前記プロセッサにおいて、前記多方向の角度からのドップラーパラメータ推定を用いて、前記媒体内の真の動きに由来するデータと、音響雑音又は電気雑音に由来するデータとを区別することを含む請求項27記載のシステム。
- 前記出射は、前記トランスデューサから媒体への多方向の伝播の角度を提供するように変化する複数の非集束アコースティック信号を出射することを含み、前記処理は、前記プロセッサにおいて、前記多方向の角度からのドップラーパラメータ推定を用いて、前記イメージ画素位置のそれぞれにおけるスペクトル帯域のモード、平均、分散及び最大パワーを含むスペクトルパラメータの角度補正された値を算出することを含む請求項27記載のシステム。
- 前記イメージの生成は、前記表示装置上で、前記トランスデューサアレイの視野全体に亘って、導出されたパラメータの値を表示するイメージ又はイメージの時間的シーケンスを生成することを含む請求項22記載のシステム。
- 前記イメージの生成は、前記表示装置上で、2次元イメージの動画シーケンスとして、前記媒体の動きパラメータを表示する複数のフレームのイメージを生成することを含み、前記イメージ表示のレートは、実際のタイムレートと同じか、これより遅いか、これより速い請求項22記載のシステム。
- 前記ドップラーパラメータは、
最大パワーを有するドップラーシフト周波数に対応するピーク速度、
特定の最小パワー閾値について、最大のドップラーシフト周波数に対応する最大速度、
媒体の乱流の指標としての速度分散、
及び媒体の乱流の指標としての速度ベクトル方向分散のうちの少なくとも1つを含む請求項22記載のシステム。 - 前記時間調整されたシーケンスは、1つ以上の心周期に対応する時間間隔を含み、イメージの生成は、各画素点における導出されたパラメータの最大値又は最小値、又は各画素における2つの導出されたパラメータの差分、又は前記心周期内の幾らかの時間内に取られた2つの導出されたパラメータの比を用いて、各心周期毎に単一のイメージを生成することを含む請求項22記載のシステム。
- 前記導出されたパラメータは、全体の記録に亘って計算され、収縮期及び拡張期、強い乱れの間隔、表示されるイメージによって視覚化される任意の関心がある時間を含む前記心周期内の臨床的に有意な特定のフェーズにおける表示のために選択される請求項39記載のシステム。
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