JP6266160B2 - 血管を識別する超音波システム及び方法 - Google Patents

血管を識別する超音波システム及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、超音波システム及び方法に関し、特に、血管の識別及び／又は関連する測定のための超音波システム及び方法に関する。
超音波を使用して下大静脈（ＩＶＣ）の直径、及び大静脈指数（Ｃａｖａｌ ｉｎｄｅｘ（ＣＩ））と呼ばれる、その呼吸相（ｒｅｓｐｉｒｏｐｈａｓｉｃ）の変動を測定することは、外傷を処置するために益々重要になってきている。
現在、血管の直径の測定は、大抵は手作業で実行されるか、血管領域に手作業で配置されたシード点に基づいて半自動セグメント化を使用して実行される。しかしながら、それらはいずれも、ユーザ依存型であり、入院前の状況における救急医療処置（ＥＭＴ）など、緊急を要する状況では好ましくない。
米国特許出願第２０１３／０３８５０５号は、ＩＶＣの測定及びモニタリングのために使用されることができる自動３Ｄ超音波腹部血管モニターを開示している。同出願は、ＩＶＣのサイズ及び容積を判断するためにＩＶＣの壁を自動的に検出することができる、と主張している。しかしながら、血管の壁を検出することは、他の構造（組織、骨、又は別の血管）がその検出の邪魔になる場合があるので容易ではなく、そのため、そのような全自動アプローチは、ロバストではなく、信頼できない。
したがって、血管の検出及び／又は識別のための改善された超音波システム及び方法を提供することが有利であろう。
本発明の第１の態様の一実施形態に従えば、被験者の血管を識別するための超音波システムが提案される。超音波システムは、予め定められた期間にわたって上記血管を含む対象領域の超音波血流データフレームのシーケンス及び超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスを同時に取得するように構成される超音波プローブと、超音波血流データフレームのシーケンス内の複数のフレームの各フレームにおいて血流領域を検出し、検出された血流領域の中の１つの血流領域を選択するように構成される血流領域選択ユニットと、選択された血流領域に基づいて、超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの少なくとも１つのフレーム内の血管をセグメント化するように構成される血管セグメント化ユニットと、を含み、上記少なくとも１つのフレームは、選択された血流領域が検出される超音波血流データフレームに時間的に対応する超音波Ｂモードデータフレームを含む。
一方では、血管のセグメント化のためにいかなるシード点も手作業で配置する必要がなく、全自動測定が達成され、これにより、ユーザ依存性が低減され、迅速な測定が可能になる。さらに、Ｂモードデータフレームは、血管壁の位置など、種々の解剖学的情報を提供するので、血管の識別のために有益であり信頼できることが知られている。他方では、Ｂモードデータフレーム内の血管のセグメント化は、ドップラーデータフレームなどの血流データフレームからの情報を使用するので、よりロバストで信頼できるセグメント化を達成することができる。換言すれば、所定の超音波モードにおけるデータフレーム、すなわち超音波血流データフレームにおいて検出された、選択された血流領域は、別の超音波モードにおけるデータフレームに基づくさらなる血管の識別、すなわちＢモードデータフレームにおける血管のセグメント化のための信頼できるシード点として機能することができる。選択された血流領域に基づいて血管をセグメント化するために、既存の又は将来開発される任意のシードベースのセグメント化方法を適用することができる。さらに、血流領域は、超音波ドップラーデータフレームのシーケンスなどの超音波血流データフレームのシーケンスにおいて、すなわち、単一のデータフレームからではなく、異なる時点に取得される複数のデータフレームから、選択される。これは、例えば、心周期及び／又は呼吸サイクルのせいで時間の経過と共に変化する血流を有する血管を識別するために特に有利である。というのも、血管の血流は、１つの所定のデータフレーム内ではほとんど検出不可能であるかもしれないが、シーケンスのうちの少なくとも１つのデータフレーム内では確実に検出されることができるからである。例えば、呼気相におけるＩＶＣの血流は、他の相におけるよりも検出可能性が高い。
「超音波血流データフレーム」という用語は、対象領域における血流に関する情報を含む超音波データフレームを指す。超音波血流データフレームとしては、超音波ドップラーデータフレーム、コントラストが強調された超音波データフレーム（例えば、マイクロバブル援用撮像において取得されたデータフレーム）、又は血流情報を提供することができる任意の他の既存の超音波モダリティもしくは将来開発されるモダリティによって取得された任意の他の超音波データフレームが可能である。好ましくは、血流領域選択ユニットによって、超音波ドップラーデータフレームが単独で、又は１つ以上の他の超音波血流データフレームとの組み合わせで使用される。なぜなら、カラードップラー法は費用効率が非常に高いためである。
同時に取得される超音波Ｂモードシーケンス及び超音波血流シーケンスが必ずしも同数のデータフレームを含まなければならない訳ではないということを、当業者は理解するであろう。それら２つのシーケンスは同じフレームレートを有してもよいし、異なるフレームレートを有してもよい。いくつかの実施形態では、超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの上記少なくとも１つのフレームは、上記選択された血流領域が位置付けられる血流データフレームと同時に取得されるフレーム、又は、上記選択された血流領域が位置付けられる血流データフレームが取得された時間に十分近い時間に取得されるフレーム、を含む。超音波データの取得中、呼吸などのせいで組織に動きがある場合があるが、超音波プローブは、同じ対象領域から超音波データを取得するために実質的に安定状態又は静止状態が保たれる。「Ｂモードデータ」という用語がここでは一般的な意味で使用されており、それには、基本データ、高調波データ、又は任意の他の類似データが可能であることも、当業者は理解するであろう。さらに、「セグメント化」という用語もここでは一般的な意味で使用されており、それは、血管のすべての境界のセグメント化を指すこともできれば、それら境界のうちの所定の部分のセグメント化又は識別を指すこともできる。
いくつかの場合、血管の１つ以上の特徴（サイズ、血圧、血流速度など）は時間の経過と共に周期的に変化するが、これは例えば、心臓周期又は呼吸サイクルに関連する場合がある。それらの場合、上記予め定められた期間は、その周期的変化のうちの１つ以上のサイクルをカバーできるのが好ましい。
いくつかの実施形態では、血管は、下大静脈の血管又は別の対象の血管が可能である。対象領域、Ｂモードデータフレーム、及び血流データフレームは、二次元であることも、三次元であることも可能である。二次元である場合、対象領域は、血管の縦断面、又は血管の横断面の、いずれかが可能である。
本発明の一実施形態に従えば、血流領域選択ユニットは、さらに、検出された血流領域についてサイズを判断し、その判断されたサイズに基づいて血流領域を選択するように構成される。
血流領域のサイズを種々のパラメータによって量子化することができることを当業者は理解するであろう。パラメータは、二次元の領域については面積、周長、対角線の長さ、などのうちの１つ以上が可能であり、三次元の領域については容積、断面積などのうちの１つ以上が可能である。
いくつかの実施形態では、選択された血流領域のサイズは、検出された血流領域の中で最も大きい。いくつかの別の実施形態では、予め定められた閾値よりも大きいサイズを有する任意の血流領域を選択することができる。
いくつかの実施形態では、血流領域の選択は、血流の方向、又はＢモードデータフレームから抽出される解剖学的情報などの他の情報にさらに基づくことができる。
本発明の一実施形態に従えば、血管セグメント化ユニットは、さらに、Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの少なくとも１つの他のフレーム内の血管を、上記少なくとも１つのフレーム内のセグメント化された血管に基づいて追跡することによって、当該血管をセグメント化するように構成される。
Ｂモードデータフレームのシーケンスうちの１つのＢモードデータフレーム内で血管がセグメント化されると、当該シーケンスのうちの任意の他のＢモードデータフレームにおいて血管の境界を追跡するために、種々の既存の又は将来開発される追跡方法を適用することができる。こうして、任意のＢモードデータフレームにおいて血管をセグメント化することができる。
本発明の一実施形態に従えば、超音波システムは、上記少なくとも１つのＢモードデータフレームにおけるセグメント化された血管の横サイズを示す特徴を導出するように構成される血管特徴導出ユニットをさらに含む。導出される特徴としては、直径、横断面積、及び他の好適な特徴が可能である。
本発明の一実施形態に従えば、超音波システムは、ランドマーク識別ユニットをさらに含み、ランドマーク識別ユニットは、上記少なくとも１つのＢモードデータフレーム内のランドマークを識別するように構成され、血管特徴導出ユニットは、識別されたランドマークに基づいて特徴を導出するように構成される。
血管の横サイズは常に同じとは限らず、場合によっては、血管の所定の部分、例えば所定のランドマークに近接した部分の横サイズが特に対象となることがある。こうして、所定の解剖学的ランドマークを検出し使用することにより、対応する横サイズを導出することができる。
いくつかの実施形態では、超音波システムは、導出された特徴を表示するように構成されるディスプレイをさらに含む。導出された特徴は、単独で、又は上記少なくとも１つのＢモードデータフレームの画像と一緒に、提示されることができる。例えば、導出された特徴をＢモード画像の脇に表示したり、Ｂモード画像に重ね合わせて表示したりすることができる。
本発明の一実施形態に従えば、超音波システムは、呼吸識別ユニットを含み、呼吸識別ユニットは、被験者の呼吸サイクルを識別するように構成され、血管特徴導出ユニットは、識別された呼吸サイクルに基づいて特徴を導出するように構成される。
例えば、呼吸識別ユニットは、超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの、被験者の呼気の最後に対応する第１のデータフレームと、超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスうちの、被験者の吸気の最後に対応する第２のデータフレームとを識別するようにさらに構成され、血管セグメント化ユニットは、第１及び第２のデータフレームの各々において血管をセグメント化するように構成され、血管特徴導出ユニットは、第１及び第２のデータフレーム内のセグメント化された血管に基づいて特徴を導出するように構成される。
いくつかの実施形態では、呼吸識別ユニットは、追加のセンサから受信された呼吸信号、又は組織／肝臓の動きの追跡から抽出された呼吸信号に基づいて、呼吸サイクルを識別するように構成されることができる。
いくつかの別の実施形態では、血管セグメント化ユニットは、超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスうちの複数のデータフレームの各々において血管をセグメント化するように構成され、呼吸識別ユニットは、上記複数のデータフレーム内のセグメント化された血管に基づいて被験者の呼吸サイクルを識別するように構成される。例えば、血管の直径など、複数のデータフレーム内のセグメント化された血管から導出された特徴、又は血管壁の位置の変化に基づいて呼吸サイクルを識別することができる。
いくつかの実施形態では、血管は下大静脈であり、導出される特徴は、血管の直径を含み、血管特徴導出ユニットは、導出された特徴から大静脈指数を導出するようにさらに構成される。
本発明の第２の態様の一実施形態に従えば、超音波を介して被験者の血管を識別する、第１の方法が提案される。第１の方法は、予め定められた期間にわたって上記血管を含む対象領域の超音波血流データフレームのシーケンス及び超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスを同時に取得するステップと、超音波血流データフレームのシーケンスにおける複数のフレームのうちの各フレーム内の血流領域を検出し、検出された血流領域の中の１つの血流領域を選択するステップと、選択された血流領域に基づいて、超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの少なくとも１つのフレーム内の血管をセグメント化するステップと、を含み、上記少なくとも１つのフレームは、選択された血流領域が検出される超音波血流データフレームに時間的に対応する超音波Ｂモードデータフレームを含む。
本発明の第３の態様の一実施形態に従えば、被験者の血管を識別するための第１の装置が提案される。第１の装置は、上記血管を含む対象領域の予め定められた期間にわたって同時に取得される超音波血流データフレームのシーケンス及び超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスを提供するための１つ以上の第２の装置と接続可能である。第１の装置は、超音波血流データフレームのシーケンスにおける複数のフレームのうちの各フレームにおいて血流領域を検出し、検出された血流領域の中の１つの血流領域を選択するように構成される血流領域選択ユニットと、選択された血流領域に基づいて超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの少なくとも１つのフレーム内の血管をセグメント化するように構成される血管セグメント化ユニットとを含み、上記少なくとも１つのフレームは、選択された血流領域が検出される超音波血流データフレームに時間的に対応する超音波Ｂモードデータフレームを含む。
本発明の第４の態様の一実施形態に従えば、被験者の血管を、予め定められた期間にわたって同時に取得される、当該血管を含む対象領域の超音波血流データフレームのシーケンス及び超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスから識別する、第２の方法が提案される。第２の方法は、超音波血流データフレームのシーケンスにおける複数のフレームのうちの各フレーム内の血流領域を検出し、検出された血流領域の中の１つの血流領域を選択することと、選択された血流領域に基づいて、超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの少なくとも１つのフレーム内の血管をセグメント化することとを含み、上記少なくとも１つのフレームは、選択された血流領域が検出される超音波血流データフレームに時間的に対応する超音波Ｂモードデータフレームを含む。
本発明の第５の態様の一実施形態に従えば、実行されると前述の第２の方法を実行するコンピュータプログラム命令を含む、コンピュータプロダクトが提案される。
本発明の他の目的及び利点は、添付の図面と組み合わせてなされる説明を参照してより明らかになり容易に理解することができるであろう。
以下に、本発明を実施形態と組み合わせて図面を参照してより詳細に記述し説明する。
本発明の一実施形態に従って構築された超音波撮像システムをブロック図の形式で示す。 本発明の一実施形態に従った、被験者の血管を識別するための第１の装置をブロック図の形式で示す。 本発明の一実施形態に従った、被験者の血管を識別する方法をブロック図で示す。 様々な呼吸相のうちの吸気に対応する呼吸相における血流データフレーム内で検出された血流領域が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示す。 様々な呼吸相のうちの１つの呼吸相における血流データフレーム内で検出された血流領域が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示す。 様々な呼吸相のうちの１つの呼吸相における血流データフレーム内で検出された血流領域が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示す。 様々な呼吸相のうちの呼気に対応する呼吸相における血流データフレーム内で検出された血流領域が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示す。 追跡された血管の境界及びその血管の直径が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示す。 識別された肝静脈がランドマークとして重ね合わせられたＢモード画像の一例を示す。 ランドマークとしての右心房とＩＶＣとの連結の検出を示す。 ランドマークとしての右心房とＩＶＣとの連結の検出を示す。 追跡された血管の境界が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示す。 秒単位での時間の経過と共に変化する血管の直径をｃｍ単位で示す。 追跡された血管の上方境界が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示す。 秒単位での時間の経過と共に変化する血管の上方境界の位置をｃｍ単位で示す。 追跡された肝組織が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示す。 秒単位での時間の経過と共に変化する肝組織の位置をｃｍ単位で示す。
図中、同じ参照符号は、同様のもしくは対応する特徴及び／又は機能性を示す。
本発明を具体的な実施形態に関し且つ所定の図面を参照して説明するが、発明はそれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。例えば、超音波血流データフレームのシーケンスの一例として超音波ドップラーデータフレームのシーケンスを挙げるが、超音波血流データフレームのシーケンスとしては、コントラストが強調されたデータフレームのシーケンスなど、血流情報を含む超音波データフレームの他のシーケンスが可能であることを、当業者は理解するであろう。説明される図面は概略にすぎず、限定するものではない。図面では、例示のために、複数の要素のうちの一部の要素のサイズが強調されていたり原寸に比例していなかったりする。
まず図１を参照して、アレイトランスデューサプローブを有するウルトラソニックシステムをブロック図の形式で示す。図１において、ＣＭＵＴトランスデューサアレイ１０’は、ウルトラソニックウェーブを送信しエコー情報を受信するための超音波プローブ１０内に設けられる。トランスデューサアレイ１０’は、代替的に、ＰＺＴ又はＰＶＤＦなどの材料で形成された圧電トランスデューサ素子を含んでもよい。トランスデューサアレイ１０’は、２Ｄ平面で、又は３Ｄ撮像のために三次元でスキャンすることができるトランスデューサ素子の一次元又は二次元のアレイである。トランスデューサアレイ１０’は、プローブ内のマイクロビームフォーマ１２に結合されており、マイクロビームフォーマ１２は、ＣＭＵＴアレイセル又は圧電素子による信号の送信及び受信を制御する。米国特許第５，９９７，４７９号（Ｓａｖｏｒｄ他）、第６，０１３，０３２号（Ｓａｖｏｒｄ）、及び第６，６２３，４３２号（Ｐｏｗｅｒｓ他）に記載されているように、マイクロビームフォーマは、トランスデューサ素子のグループ又は「パッチ」によって受信される信号を少なくとも部分的にビーム形成することができる。マイクロビームフォーマ１２は、プローブケーブルによって送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６に結合され、このスイッチは、送信と受信を切り替え、マイクロビームフォーマが使用されておらずトランスデューサアレイ１０’がメインシステムビームフォーマ２０によって直接操作されるときに高エネルギの送信信号からメインビームフォーマ２０を保護する。マイクロビームフォーマ１２の制御下でのトランスデューサアレイ１０’からのウルトラソニックビームの送信は、Ｔ／Ｒスイッチ１６によりマイクロビームフォーマ１２に結合されるトランスデューサコントローラ１８と、メインシステムビームフォーマ２０と、によって指示される。メインシステムビームフォーマ２０は、ユーザインターフェース又は制御パネル３８のユーザ操作からの入力を受信する。トランスデューサコントローラ１８によって制御される機能のうちの１つは、ビームを向けて集束させる方向である。ビームは、トランスデューサアレイ１０’から（アレイに対して直角に）まっすぐ前方へ向けられてもよく、より広い視野のために様々な角度に向けられてもよい。トランスデューサコントローラ１８を結合することで、ＣＭＵＴアレイのためのＤＣバイアス制御４５を制御することができる。ＤＣバイアス制御４５は、ＣＭＵＴセルへ印加される１つ又は複数のＤＣバイアス電圧を設定する。
受信時にマイクロビームフォーマ１２によって生成された部分的にビーム形成された信号は、メインビームフォーマ２０に結合され、ここで、トランスデューサ素子の個々のパッチからの部分的にビーム形成された複数の信号が組み合わさって、１つの完全にビーム形成された信号になる。例えば、メインビームフォーマ２０は１２８個のチャネルを有してよく、それら各チャネルが、数十個又は数百個のＣＭＵＴトランスデューサセル又は圧電素子からなる１つのパッチから、部分的にビーム形成された１つの信号を受信する。このように、１つのトランスデューサアレイの数千個のトランスデューサ素子によって受信された信号により、単一のビーム形成された信号が効率的に実現されることができる。
ビーム形成された信号は、信号プロセッサ２２に結合される。信号プロセッサ２２は、バンドパスフィルタリング、デシメーション、Ｉ及びＱ構成要素分離、並びに高調波信号分離などの種々の様式で、受信されたエコー信号を処理することができる。高調波信号分離は、組織及びマイクロバブルから戻ってくる非線形（基本周波数のより高い高調波）のエコー信号を識別することができるように、線形信号と非線形信号とを分離するように動作する。信号プロセッサ２２は、スペックル低減、信号の合成、及び雑音除去など、追加の信号強調も実行する場合がある。信号プロセッサ２２内のバンドパスフィルタとしては、トラッキングフィルタが可能であり、受信されるエコー信号の出所が深くなると、そのフィルタの通過帯域がより高い周波数帯からより低い周波数帯へスライドし、これにより、周波数が解剖学的な情報を有さないより深所からのより高い周波数における雑音を除去することができる。
処理された信号は、Ｂモードプロセッサ２６及びドップラープロセッサ２８に結合される。Ｂモードプロセッサ２６は、体内の器官及び血管の組織など、体内の構造の撮像のために、受信された超音波信号の振幅の検出を採用する。米国特許第６，２８３，９１９号（Ｒｏｕｎｄｈｉｌｌ他）及び米国特許第６，４５８，０８３号（Ｊａｇｏ他）に記載されているように、身体の構造のＢモード画像は、高調波画像モード、基本画像モード、又はその両方の組み合わせのいずれかで形成される。ドップラープロセッサ２８は、画像フィールド内の血球の流れなど、物体（ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ）の運動の検出のために、組織の動き及び血液の流れから時間的に異なる信号を処理する。ドップラープロセッサ２８は、典型的には、体内の選択されたタイプの物質（ｍａｔｅｒｉａｌｓ）から戻ってくるエコーを通過させる及び／又は除去するように設定されるパラメータを有するウォールフィルタを含む。例えば、ウォールフィルタは、より高速の物質からの比較的低い振幅の信号を通過させるのに対し、より低速の又は速度ゼロの物質からの比較的強い信号を除去する通過帯域特性を有するように設定されることができる。この通過帯域特性は、流れている血液からの信号は通過させるのに対し、心臓の壁など、近隣の静止した又は動きの遅い物体からの信号を除去する。逆の特性は、組織の運動を検出し描写するいわゆる組織ドップラー法（ｔｉｓｓｕｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｉｍａｇｉｎｇ）のために、心臓の動いている組織からの信号を通過させる一方で、血流信号を除去する。ドップラープロセッサは、画像フィールド内の様々なポイントからの時間的に異なるエコー信号のシーケンスを受信し処理する。ある特定の地点からのエコーのシーケンスはアンサンブルと呼ばれる。比較的短い間隔にわたって立て続けに受信されるエコーのアンサンブルを使用することで、流れている血液のドップラーシフト周波数を推定することができ、ドップラー周波数と速度との対応関係が血流速度を示す。より流れの遅い血液又は動きの遅い組織の速度を推定するためには、より長い期間にわたって受信されるエコーのアンサンブルが使用される。
Ｂモードプロセッサ２６及びドップラープロセッサ２８によって生成される構造的信号及び運動信号は、スキャンコンバータ３２及び多断面リフォーマッタ４４に結合される。ボリュームレンダラー４２は、画像ディスプレイ４０上に表示するために、さらなる強調、バッファリング、及び一時記憶のために画像プロセッサ３０に結合される。
撮像のために使用されるのに代えて又はそれに加えて、ドップラープロセッサ２８により生成される血流値、及びＢモードプロセッサ２６により生成される組織構造情報は、定量化プロセッサ３４に結合される。任意選択で、定量化プロセッサ３４は、画像の解剖学的構造における、測定が実施されるべき地点など、ユーザ制御パネル３８からの入力を受信する場合がある。定量化プロセッサ３４からの出力データは、画像ディスプレイ４０上に、画像とともに測定グラフィックス及び測定値を再現するために、グラフィクスプロセッサ３６に結合されることができる。グラフィクスプロセッサ３６は、超音波画像とともに表示するために、グラフィックオーバレイを生成することもできる。これらのグラフィックオーバレイは、患者名、画像の日時、及び撮像パラメータなどの標準的な識別情報を含むことができる。
超音波画像を表示しない場合、いくつかの実施形態では、スキャンコンバータ３２、多断面リフォーマッタ４４、ボリュームレンダラー４２、画像プロセッサ３０を省略することができることを当業者は理解するであろう。
本発明の一実施形態によれば、超音波プローブ１０は、血管を含む対象領域の超音波ドップラーデータフレームのシーケンス及び超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスを同時に取得するように構成され、定量化プロセッサ３４は、超音波ドップラーデータフレームのシーケンスにおける１つ以上の血流領域のサイズを判断し、その判断されたサイズに基づいて１つの血流領域を選択するように構成される血流領域選択ユニットと、選択された血流領域に基づいて血管をセグメント化するように構成される血管セグメント化ユニットと、を含む。換言すれば、定量化プロセッサ３４は、図２の装置２００として動作する。
図２は、本発明の一実施形態に従った、被験者の血管を識別するための第１の装置２００をブロック図の形式で示す。第１の装置２００は、任意の超音波デバイスの一部であることができる。代替的に、第１の装置２００は、血管を含む対象領域の同時に取得される超音波ドップラーデータフレームのシーケンス及び超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスを提供するための１つ以上の第２の装置に接続可能な別個のデバイスであることが可能である。第２の装置としては、超音波システム、超音波デバイス、超音波プローブ、臨床情報システム、又は、例えばＤＩＣＯＭフォーマットでもしくはＲＦ信号フォーマットなどの任意の他の好適なフォーマットで超音波データを提供することができる任意の他の種類の装置が可能である。
図２を参照して、第１の装置２００は、血流領域選択ユニット２１０、血管セグメント化ユニット２２０、血管特徴導出ユニット２３０、ランドマーク識別ユニット２４０、ディスプレイ２５０、及び呼吸識別ユニット２６０を含む。
図３は、本発明の一実施形態に従った、被験者の血管を識別する方法をブロック図で示す。
ステップ３１０で、超音波プローブ１０は、予め定められた期間にわたって、血管を含む対象領域の超音波ドップラーデータフレームのシーケンス及び超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスを同時に取得する。
ステップ３２０で、血流領域選択ユニット２１０は、ドップラーデータフレームのシーケンス内の１つの血流領域を選択する。換言すれば、血流領域は、単一のデータフレームからではなく、異なる時間に取得された複数のデータフレームの中で選択される。具体的に、血流領域選択ユニット２１０は、超音波血流フレームのシーケンスにおける複数のデータフレームの各々において、いかなる血流領域も検出するように構成される。複数のデータフレームとしては、超音波血流フレームのシーケンスにおけるすべてのデータフレームでも、データフレームのサブセットでも可能である。
いくつかの実施形態では、血流領域選択ユニット２１０は、さらに、超音波ドップラーデータフレームのシーケンスにおいて、検出された血流領域についてのサイズを判断し、その判断されたサイズに基づいて血流領域を選択するように構成される。例えば、検出された血流領域の中で、最も大きい面積又は周長を有する血流領域が選択される。
図４（ａ）〜図４（ｄ）は各々、様々な呼吸相に対応する異なる時間に取得された、時間的に対応するドップラーデータフレームにおいて検出された血流領域が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示す。このうち、図４（ａ）及び図４（ｄ）はそれぞれ、吸気及び呼気に対応する。図４（ａ）〜図４（ｄ）において、検出された血流領域はそれぞれ、囲まれた領域４１０、４２０、４３０、４４０で表される。この例では、対象領域は、被験者のＩＶＣの縦（頭から足方向の）断面を含む。単一の超音波ドップラーデータフレーム内で、２つ以上の血流領域が検出される可能性がある。それら２つ以上の血流領域は、同じ血管に属する可能性もあれば、異なる血管に属する可能性もある。上記のように、いくつかの実施形態では、検出された血流領域の中で最も大きい面積又は周長を有する血流領域が選択される。この例では、図４（ｄ）で示されるドップラーデータフレーム内の血流領域４４０が選択される。
他のいくつかの実施形態では、検出された血流領域のサイズに加えて、識別されるべき血管の１つ以上の他の固有の特性をさらに考慮することによって、血流領域を選択することができる。これは、対象の血管に対応する血流領域を、他の血管又は組織に対応する他の血流領域と区別するのに有益である。一例としてＩＶＣを挙げると、以下のうちの１つ以上を使用することができる：カラードップラーパターン、ＩＶＣ壁の脈動パターン／パルス波速度（ＰＷＶ）、ＩＶＣ壁のエコー輝度／厚さ、ＩＶＣ内のフローパターン（大動脈に極めて近接しているＩＶＣの遠位壁は、場合によっては、大動脈の壁の鼓動パターンに類似した鼓動パターンを示す）、又は事前画像処理技術、例えば、（縦方向に撮像される場合、ＩＶＣが角状の形をしていることに着目して）角状の領域の探索技術、もしくは（右心房がそれ自体、縦のＩＶＣ画像において暗い半月状のエリアとして現れることに着目して）画像内の半月状の暗い領域の探索技術。
ステップ３３０で、血管セグメント化ユニット２２０は、選択された血流領域に基づいて、超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの少なくとも１つのフレーム内の血管をセグメント化する。具体的に、血管セグメントは、選択された血流領域が検出される超音波血流データフレームに時間的に対応する超音波Ｂモードデータフレーム内で実行される。いくつかの実施形態では、血管セグメントは、時間的に対応するＢモードデータフレームに隣接する超音波Ｂモードデータフレーム内でもさらに実行されることができる。
ここで、「時間的に対応する」という用語は、超音波Ｂモードデータフレームが、超音波血流データフレームと同時に取得されること、又は、すべての超音波Ｂモードデータフレームの中で当該超音波血流データフレームの取得時間に最も近い時間に取得されることを意味する。
超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスと超音波血流データフレームのシーケンスとは同時に取得されるので、同時に又は近い時間に取得されたＢモードデータフレームと血流データフレームとは、互いに対して実質的に位置合わせもされる。その結果、超音波血流データフレームにおいて、選択された血流領域の位置が分かれば、超音波Ｂモードデータフレームにおけるその対応する位置も分かり、その対応する位置を、超音波Ｂモードデータフレーム内でセグメント化のためのシードとして使用することができる。すなわち、超音波Ｂモードデータフレームにおける血管のセグメント化は、超音波血流データフレーム内で検出された血流領域の位置をシードとして使用することによって実行されることができる。
いくつかの実施形態では、選択された血流領域における重心（セントロイド）などの１つ以上の画素が、セグメント化のためにシードとして使用される。
いくつかの実施形態では、血管セグメント化ユニットは、超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスの中で、選択された血流領域が検出される超音波血流データフレームに時間的に対応する超音波Ｂモードデータフレームを選択し、選択された超音波Ｂモードデータフレーム内で、超音波血流データフレーム内の選択された血流領域に空間的に対応する領域を識別し、識別された領域をシードとして使用することによって、選択された超音波Ｂモードデータフレーム内の血管をセグメント化するように構成される。例えば、識別された領域は、選択された血流領域内の図心などの１つ以上の画素に空間的に対応する画素を含む。
選択された血流領域に基づいて血管をセグメント化するために、既存の又は将来開発される種々のシードベースのセグメント化方法を適用することができる。図５に示される結果において、類似性に基づく領域拡張法は、ＩＶＣをセグメント化することである。探索は、グレイスケール、テクスチャ、又はカラードップラーの類似性に基づくことができる。辺縁が検出されると、上下方向の探索が停止し、ＩＶＣの境界に沿って横方向の探索が継続される。例えば、探索が心房の中にまで及ぶ場合、上方辺縁と下方辺縁との間の距離が閾値よりも大きくなるか、小さくなるまで、探索は続行される。
Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの１つのＢモードデータフレームにおいて血管がセグメント化されると、当該シーケンスのうちの任意の他のＢモードデータフレーム内の血管の境界を追跡するために、既存の又は将来開発される種々の追跡方法を適用することができる。このため、いくつかの実施形態では、血管セグメント化ユニットは、さらに、Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの少なくとも１つの他のフレームにおける血管を、当該血管を上記少なくとも１つのフレーム内のセグメント化された血管に基づいて追跡することによって、セグメント化するように構成される。
ステップ３４０で、血管特徴導出ユニット２３０は、上記少なくとも１つのＢモードデータフレーム内のセグメント化された血管の横サイズを示す特徴を導出する。例えば、導出される特徴としては、直径、横断面積、及び他の好適な特徴が可能である。導出された特徴は、ディスプレイ２５０を介して、単独で、又は上記少なくとも１つのＢモードデータフレームの画像と一緒に、提示されることができる。一例では、導出された特徴を、Ｂモード画像の脇に表示したり、Ｂモード画像に重ね合わせて表示したりすることができる。別の例では、どのような画像も表示することなく、導出された特徴を表示することができる。別の例では、導出された特徴を表示はしないが、その導出された特徴が予め定められた基準を満たすとき、任意の好適なユーザインターフェースを介して、警報音などの指示を提示することができる。これは、モニタリングのために特に有利である可能性がある。
いくつかの実施形態では、例えば、正規化された相互相関（ｃｃ）アルゴリズム又は他の好適なアルゴリズムを使用して、血管の上方壁及び下方壁の両方の動きを追跡する。ｃｃアルゴリズムを、隣接するフレームに連続的に適用するか、１つ１つのフレームと選択された血流領域に基づいて血管の壁がセグメント化されたフレームとに適用することによって、上記追跡を実現することができる。ｃｃアルゴリズムは、対象領域全体に適用されることも、代替的に血管の境界を含有する領域に適用されることもできる。後者は、前者よりも計算効率がよい。血管の両壁が動くにつれ、血管の直径は、先のステップで測定された値に基づいてリアルタイムで更新される。
図５は、追跡された血管の境界及びその血管の直径が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示す。図５では、２つの矩形のボックス５２０は、ＩＶＣの追跡された上方壁及び下方壁を示しており、このＢモードデータフレームにおける導出されたＩＶＣの直径も提示されている（５１０を参照）。
いくつかの実施形態では、Ｂモードデータフレームのシーケンスを連続的に取得している最中にステップ３２０〜３４０を実行することができ、少なくとも１つのＢモードデータフレーム内で血管がセグメント化されると、超音波シーケンスの取得中に、追跡された血管壁及び／又は導出された血管の特徴をリアルタイムで提示することができる。
血管が下大静脈である場合、血管特徴導出ユニット２３０は、導出された血管の直径から大静脈指数を導出するようにさらに構成されることができる。一例では、大静脈指数を、（ＩＶＣの直径の最大値−ＩＶＣの直径の最小値）／ＩＶＣの直径の最大値＊１００として計算することができ、別の例では、呼吸情報が提供される場合、大静脈指数を、（ＩＶＣの呼気直径−ＩＶＣの吸気直径）／ＩＶＣの呼気直径＊１００として計算することができる。
加えて又は代替的に、血管特徴導出ユニット２３０は、ＩＶＣなどの血管の虚脱を検出するように構成されることができる。血管の虚脱は、種々の実施形態に従って種々の手法で検出されることができる。
一実施形態では、一対の隣接するフレームにおける血管の境界の動きが、血管の直径の２倍など、予め定められた第１の閾値よりも大きいことが検出されると、血管の虚脱が検出される。これは実際には、血管の境界の動きを追跡することに失敗したことを示す。血管の一例としてＩＶＣを挙げると、表１は、ある実験における血管の縦断面の上方壁の追跡された動きを示す。ＩＶＣが虚脱していない場合、ＩＶＣの境界は、呼吸とともに連続的に動くように追跡されることができる。ＩＶＣが完全に虚脱すると、ＩＶＣの境界は消えるか区別不能になり、したがって、追跡結果はランダムで無秩序になり、その結果、血管の境界の追跡された動きは、通常の範囲よりもはるかに大きくなる。
別の実施形態では、血管の直径など、血管の導出されたサイズが過去の複数のフレーム内で減少してゼロに近づいていることが検出されると、血管の虚脱が検出される。一例では、血管の導出されたサイズが予め定められた第２の閾値よりも小さい場合、血管の虚脱が検出される。別の例では、現在のフレームと直前のフレームとの間での追跡された血管の境界の動きが、予め定められた第１の閾値よりも大きくなり、過去の複数のフレームにおける血管のサイズが減少している場合に、血管の虚脱が検出される。
特徴の導出に先だって、ランドマーク識別ユニット２４０は、上記少なくとも１つのＢモードデータフレーム内でランドマークを識別することができ、その後、血管特徴導出ユニット２３０は、識別されたランドマークに基づいて特徴を導出するように構成される。ランドマークを使用することで、追跡し特徴を導出するのに好適な血管の部分を判断することができる。血管がＩＶＣである場合、ランドマークとしては、肝静脈、右心房、及び／又は横隔膜が可能である。例えば、ＩＶＣが右心房に繋がっている位置から２ｃｍのところにあるＩＶＣ壁は、特徴を導出するのに好適な血管の部分である。
図６は、識別された肝静脈６１０がランドマークとして重ね合わせられているＢモード画像の一例を示す。この例では、肝静脈を識別するためにドップラーデータフレームが使用されている。場合によっては、肝静脈は、他の静脈又は大動脈によって邪魔されることがある。代替的に又は追加で、脈動パターン、流動パターン、壁のエコー輝度の欠如、などを含む、肝静脈の固有の特性を使用することによって、肝静脈の識別を達成することができる。加えて、ＩＶＣと組み合わさった肝静脈は、最初にＩＶＣを識別し、その後、そのＩＶＣに沿って探索することによって、さらに識別されることができる。図６では、ＩＶＣ６２０及び肝静脈６１０、並びにそれらの連結が明瞭に示されている。
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、ランドマークとしての右心房及びＩＶＣの連結の検出を示す。この例では、右心房の境界は、相互相関アルゴリズムを使用して識別される。発見的方法としては、組織内の散乱は絶えず動いているという意味で、右心房内の血液からのエコーは非定常である。このため、２つのデータフレーム間で相互相関を実行すると、血液の領域は低い相関、すなわち、相関のスペックル状の変動を示す。そのようなパターンは、通常の組織には見られない。図７（ａ）は、１つのＢモードデータフレームの１つのＢモード画像であり、図７（ｂ）は、２つのＢモードデータフレームのｃｃマップに閾値を適用することによって導出された二値画像である。右心房／横隔膜とＩＶＣとの識別された連結７１０も図７（ｂ）に示される。右心房／横隔膜とＩＶＣとの連結７１０の識別は、種々の様式で達成されることができる。例えば、まずＩＶＣの上方壁の辺縁を両横方向に探索することによって達成されることができる。所定の位置において当該辺縁の方向又は角度に顕著な変化が生じた場合、そのような位置が、右心房とＩＶＣとの接合点として検出される。
本発明の一実施形態によれば、呼吸識別ユニット２６０は、被験者の呼吸サイクルを識別するように構成され、血管特徴導出ユニット２３０は、識別された呼吸サイクルに基づいて特徴を導出するように構成される。例えば、吸気ＩＶＣ直径、呼気直径、及び／又は大静脈指数を、識別された呼吸サイクルを使用して導出することができる。
いくつかの実施形態では、追加のセンサから受信される呼吸信号又は組織／肝臓の動きの追跡から抽出される呼吸信号に基づいて呼吸サイクルを識別するように、呼吸識別ユニット２６０を構成することができる。
他のいくつかの実施形態では、血管セグメント化ユニット２２０は、超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの複数のデータフレームの各々において血管をセグメント化するように構成され、呼吸識別ユニット２６０は、当該複数のデータフレーム内のセグメント化された血管に基づいて被験者の呼吸サイクルを識別するように構成される。例えば、血管の直径など、セグメント化された血管から導出される特徴、又は血管壁の位置の変化に基づいて、呼吸サイクルを識別することができる。
図８（ａ）は、追跡されたＩＶＣの境界が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示し、図８（ｂ）は、秒単位での時間の経過と共に変化するＩＶＣの直径をｃｍ単位で示す。
図９（ａ）は、追跡されたＩＶＣの上方境界が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示し、図９（ｂ）は、秒単位での時間の経過と共に変化するＩＶＣの上方境界の位置をｃｍ単位で示す。
図１０（ａ）は、追跡された肝組織が重ね合わせられたＢモード画像の一例を示し、図１０（ｂ）は、秒単位での時間の経過と共に変化する肝組織の位置をｃｍ単位で示す。
図８（ｂ）、図９（ｂ）、図１０（ｂ）から、ＩＶＣの直径の変化、ＩＶＣの境界の動き、又は肝組織の動きから、呼吸サイクルを導出することができることが分かる。
本明細書で説明した技術的プロセスは、種々の手段によって実装される。例えば、これらの技術は、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせで実装される。ハードウェアの実装に関しては、処理ユニットは、本明細書で説明した機能を実行するように設計される１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理デバイス（ＤＳＰＤ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、その他の電子ユニット、又はそれらの組み合わせ、によって実装される。ソフトウェアでは、本明細書で説明した機能を実行するモジュール（例えば、手順、機能など）を通じて実装されることができる。ソフトウェアコードは、メモリユニット内に記憶され、プロセッサにより実行される。
さらに、特許請求される主題の複数の態様は、それら請求される主題の種々の態様を実装するためにコンピュータ又はコンピューティング構成要素を制御するソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、又はそれらの任意の組み合わせを生成するために標準的なプログラミング及び／又はエンジニアリング技術を使用する方法、装置、システム、又は製品（ａｒｔｉｃｌｅ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）として実装される。本明細書において使用される「製品」という用語は、任意のコンピュータ可読デバイス、キャリア、又は媒体からアクセス可能なコンピュータプログラムを包含することが意図される。例えば、コンピュータ可読媒体は、磁気記憶デバイス（例えば、ハードディスク、フロッピーディスク、磁気ストリップ…）、光学ディスク（例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディクス（ＤＶＤ）…）、スマートカード、及びフラッシュメモリデバイス（例えば、カード、スティック、キードライブ…）を含むことができるが、それらに限定されるものではない。もちろん、本明細書で説明した内容の範囲からも趣旨からも逸脱することなく、この構成に対して多数の修正が行われ得ることを、当業者は認識するであろう。
本願で使用される「血流領域選択ユニット」、「血管セグメント化ユニット」、「血管特徴導出ユニット」、「ランドマーク識別ユニット」、「呼吸識別ユニット」などの「ユニット」という用語は、ハードウェア、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせ、ソフトウェア、又は、実行中のソフトウェアのいずれかの、コンピュータ関連のエンティティ又はプロセッサを指すことが意図される。例えば、構成要素は、プロセッサ上で実行されるプロセス、プロセッサ、オブジェクト、実行ファイル、実行のスレッド、プログラム、及び／又はコンピュータ、であってよいが、それらに限定されるものではない。例示のために、サーバ上で実行されるアプリケーション及び当該サーバはどちらも、構成要素になることができる。１つ以上の構成要素は、プロセス内に及び／又は実行のスレッド内に常駐してよく、１つの構成要素は、１つのコンピュータ上に局所化されてもよいし、及び／又は２つ以上のコンピュータの間で分散されてもよい。
上述した内容は、１つ以上の実施形態の複数の例を含む。上記実施形態を説明する目的で、考えられるすべての構成要素又は方法論の組み合わせを説明することはもちろん不可能であるが、種々の実施形態の多くのさらなる組み合わせ及び置換が可能であることを当業者は認識するだろう。したがって、上述の実施形態は、添付の請求項の趣旨及び範囲に当てはまるそのような変更例、修正例、及び変形例をすべて包含することが意図される。さらに、詳細な説明又は請求項のいずれかにおいて「含む」という用語が使用される限りにおいて、そのような用語は、請求項において移行語として採用されるときに「有する」という用語と同様に包含的（ｉｎｃｌｕｓｉｖｅ）であることが意図される。

Claims (15)

  1. 被験者の血管を識別するための超音波システムであって、
    予め定められた期間にわたって血管を含む対象領域の超音波血流データフレームのシーケンス及び超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスを同時に取得する超音波プローブと、
    前記超音波血流データフレームのシーケンス内の複数のフレームの各フレームにおいて血流領域を検出し、検出された前記血流領域の中の１つの血流領域を選択する血流領域選択ユニットと、
    選択された前記血流領域に基づいて、前記超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの少なくとも１つのフレーム内の血管をセグメント化する血管セグメント化ユニットと、を含み、
    前記少なくとも１つのフレームは、前記選択された血流領域が検出される前記超音波血流データフレームに時間的に対応する前記超音波Ｂモードデータフレームを含む、
    超音波システム。
  2. 前記血流領域選択ユニットは、さらに、前記検出された血流領域についてサイズを決定し、決定された前記サイズに基づいて前記血流領域を選択する、請求項１に記載の超音波システム。
  3. 前記選択された血流領域の前記サイズは、前記検出された血流領域の中で最も大きいサイズである、請求項２に記載の超音波システム。
  4. 前記血管セグメント化ユニットは、さらに、前記超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの少なくとも１つの他のフレーム内の血管を、当該血管を前記少なくとも１つのフレーム内のセグメント化された血管に基づいて追跡することによって、セグメント化する、請求項１又は２に記載の超音波システム。
  5. 前記少なくとも１つの超音波Ｂモードデータフレームの各々におけるセグメント化された血管の横断方向のサイズを示す特徴を導出する血管特徴導出ユニットをさらに含む、請求項１に記載の超音波システム。
  6. ランドマーク識別ユニットをさらに含み、
    前記ランドマーク識別ユニットは、前記少なくとも１つの超音波Ｂモードデータフレーム内のランドマークを識別し、
    前記血管特徴導出ユニットは、識別された前記ランドマークに基づいて前記特徴を導出する、
    請求項５に記載の超音波システム。
  7. 呼吸識別ユニットをさらに含み、
    前記呼吸識別ユニットは、前記被験者の呼吸サイクルを識別し、
    前記血管特徴導出ユニットは、識別された前記呼吸サイクルに基づいて前記特徴を導出する、
    請求項５に記載の超音波システム。
  8. 前記血管セグメント化ユニットは、前記超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの複数のデータフレームの各々において血管をセグメント化し、
    前記呼吸識別ユニットは、前記複数のデータフレーム内のセグメント化された血管に基づいて前記被験者の呼吸サイクルを識別する、
    請求項７に記載の超音波システム。
  9. 前記超音波血流データフレームは、超音波ドップラーデータフレームである、請求項１に記載の超音波システム。
  10. 前記血管は、下大静脈である、請求項１に記載の超音波システム。
  11. 前記対象領域は、二次元であり、前記血管の縦断面を含む、請求項１に記載の超音波システム。
  12. 被験者の血管を、予め定められた期間にわたって同時に取得される血管を含む対象領域の超音波血流データフレームのシーケンス及び超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスから識別する方法であって、
    前記超音波血流データフレームのシーケンスにおける複数のフレームの各フレーム内の血流領域を検出し、検出された前記血流領域の中の１つの血流領域を選択するステップと、
    選択された前記血流領域に基づいて、前記超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの少なくとも１つのフレーム内の血管をセグメント化するステップと、を含み、前記少なくとも１つのフレームは、前記選択された血流領域が検出される前記超音波血流データフレームに時間的に対応する前記超音波Ｂモードデータフレームを含む、
    方法。
  13. 血管を含む前記対象領域の前記超音波血流データフレームのシーケンス及び前記超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスを、前記予め定められた期間にわたって同時に取得するステップ、をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 被験者の血管を識別するための第１の装置であって、前記第１の装置は、血管を含む対象領域の、予め定められた期間にわたって同時に取得される超音波血流データフレームのシーケンス及び超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスを提供するための１つ以上の第２の装置と接続可能であり、前記第１の装置は、
    前記超音波血流データフレームのシーケンスにおける複数のフレームの各フレームにおいて血流領域を検出し、検出された前記血流領域の中の１つの血流領域を選択する血流領域選択ユニットと、
    選択された前記血流領域に基づいて前記超音波Ｂモードデータフレームのシーケンスのうちの少なくとも１つのフレーム内の血管をセグメント化する血管セグメント化ユニットと、を含み、前記少なくとも１つのフレームは、前記選択された血流領域が検出される前記超音波血流データフレームに時間的に対応する前記超音波Ｂモードデータフレームを含む、
    第１の装置。
  15. 実行されると請求項１２に記載の方法を実行するコンピュータプログラム命令を含む、コンピュータプログラム。
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