JP6420152B2 - 多方向からの３ｄボリュームの同時超音波ビューイング - Google Patents

Description

本発明は超音波医療診断システム、特に多方向からの同時ビューにおいて３Ｄボリュームを表示する超音波イメージングシステムに関する。

超音波画像診断システムはリアルタイムに身体の面を画像化するために昔から使用されている。一次元（１Ｄ）アレイトランスデューサ若しくは機械的掃引単素子トランスデューサを持つプローブが、解剖学的構造のライブ表示のためのリアルタイム画像シーケンスを生じるように身体の面を繰り返しスキャンするように操作され得る。近年、二次元（２Ｄ）アレイトランスデューサと機械的掃引１Ｄアレイが身体のボリューム領域をスキャンするために開発されている。こうしたプローブは、これもリアルタイムに、スキャンしているボリュームの三次元（３Ｄ）画像を生じるために使用され得る。超音波スキャンされたボリュームの３Ｄ表示のために一般に使用される表示技術はキネティックパララックス（動的視差）と呼ばれ、ボリュームの３Ｄデータセットが一連の異なるビュー方向からレンダリングされる。オペレータがビュー方向を変えようと超音波システム上のコントロールを動かすと、ボリュームレンダリングプロセッサが新たに選択されたビュー方向においてボリュームをレンダリングし、異なる方向の進行が表示画面上を動いている３Ｄボリュームの外観を与える。個々の面はビューのために三次元データセットから選択されることができ、技術は多断面再構成（ＭＰＲ）として知られる。

時に異なる方向からボリューム関心領域（ＲＯＩ）を見ることが望ましい。従来のビューアではこれは１方向からＲＯＩを見て、そして第２の方向から見られるように３Ｄ ＲＯＩを回旋若しくは回転させることによってなされなければならない。二つのビューの比較は、第１のビューにおいて見られたものを覚えて、そして第２の方向にビューを動かし第１のビューの記憶に基づいて比較をすることによってなされなければならない。わずかな解剖学的差異の比較のためには、記憶や、若しくは診断しようとしてビューを前後に動かすことに頼らないことが望ましい。臨床医が診断しながら同時に両ビューを見るように、同時に両ビューを見ることができることが望ましい。

本発明の原理によれば、臨床医が同時に複数の外部ビュー視点からボリュームを見ることを可能にする超音波診断システムが記載される。臨床医が１ビューを操作するとき、両ビューが同様に変更された場合にビューが変化すると臨床医が期待し得る通りに両ビューが一致して変更されるように、操作が第２のビューに適用される。いずれか若しくは両方のビューはＭＰＲビューイングによっても調べられ得る。本発明のシステムは体内の針若しくはカテーテルなどの侵襲的器具をガイドするために特に有用である。

本発明の原理に従って構成される超音波画像診断システムをブロック図式で図示する。 立方体ＲＯＩ及び二つの異なるビュー配向を示す。 ビューのうち一つの操作による図２の立方体ＲＯＩの二つのビュー配向の同時変化を図示する。 ビューのうち一つの操作による図２の立方体ＲＯＩの二つのビュー配向の同時変化を図示する。 ビューのうち一つの操作による図２の立方体ＲＯＩの二つのビュー配向の同時変化を図示する。 ビューのうち一つの操作による図２の立方体ＲＯＩの二つのビュー配向の同時変化を図示する。 直交ビュー配向からの図２の立方体ＲＯＩの二つの同時ビューを図示する。 心臓弁を含むボリュームＲＯＩの異なる方向からの同時ビューを図示する。 心臓弁を含むボリュームＲＯＩの異なる方向からの同時ビューを図示する。 心臓弁を含むボリュームＲＯＩの異なる方向からの同時ビューを図示する。 直交ビュー方向からのカテーテル手術の同時ビューを図示する。 直交ビュー方向からのカテーテル手術の同時ビューを図示する。 直交ビュー方向からのカテーテル手術の同時ビューを図示する。

図１をまず参照すると、本発明の原理に従って構成される超音波画像診断システムがブロック図式で示される。三次元イメージングが可能な超音波プローブ１０は、ボリューム領域上を電子的に操作されフォーカスされるビームを送信し各送信ビームに応じて単一若しくは多重受信ビームを受信する二次元アレイトランスデューサ１２を含む。"パッチ"若しくは"サブアレイ"とよばれる隣接トランスデューサ素子のグループはプローブ１２内のマイクロビームフォーマ（μＢＦ）によって一体化して操作され、これは受信エコー信号の部分的ビームフォーミングを実行し、それによってプローブとメインシステムの間のケーブル内の導体の数を減らす。適切な二次元アレイは米国特許６，４１９，６３３（Ｒｏｂｉｎｓｏｎら）及び米国特許６，３６８，２８１（Ｓｏｌｏｍｏｎら）に記載される。マイクロビームフォーマは米国特許５，９９７，４７９（Ｓａｖｏｒｄら）及び６，０１３，０３２（Ｓａｖｏｒｄ）に記載される。アレイの送信ビーム特性はビームトランスミッタ１６によって制御され、これはアレイのアポダイズドアパーチャ素子に身体のボリューム領域を通る所望の方向に所望の深さのフォーカスビームを放出させる。送信パルスは送信／受信スイッチ１４を用いてビームトランスミッタ１６からアレイの素子へ結合される。送信ビームに応じてアレイ素子とマイクロビームフォーマによって受信されるエコー信号はシステムビームフォーマ１８に結合され、ここでマイクロビームフォーマからの部分的にビーム形成されたエコー信号が処理されて送信ビームに応じた完全にビーム形成された単一若しくは多重受信ビームを形成する。この目的のための適切なビームフォーマは上述のＳａｖｏｒｄの'０３２特許に記載される。

ビームフォーマ１８によって形成される受信ビームはフィルタリング及び直交復調などの機能を実行する信号プロセッサ２６に結合される。処理された受信ビームのエコー信号はドップラプロセッサ３０及び／又はＢモードプロセッサ２４に結合される。ドップラプロセッサ３０はエコー情報をドップラパワー若しくは速度情報信号へ処理する。Ｂモードイメージングの場合受信ビームエコーは包絡線検波され、信号はＢモードプロセッサ２４によって適切なダイナミックレンジに対数圧縮される。スキャンされたボリューム領域からのエコー及びドップラ信号は一つ以上の３Ｄ画像データセットを形成するように処理され、これは３Ｄ画像データセットバッファ３２に保存される。３Ｄ画像データは複数の方法で表示のために処理され得る。一つの方法はボリュームの多重２Ｄ平面を生じることである、これは米国特許６，４４３，８９６（Ｄｅｔｍｅｒ）に記載される。ボリューム領域のこうした平面画像は当技術分野で既知の通り多断面再構成によって生成される。本発明によれば、三次元画像データはボリュームレンダラ３４及び３６によって透視若しくはキネティックパララックス３Ｄ表示を形成するようにレンダリングもされ得る。結果として得られる画像は、米国特許５，７２０，２９１（Ｓｃｈｗａｒｔｚ）に記載の通りＢモード、ドップラ若しくは両方であり得るが、ディスプレイプロセッサ３８に結合され、そこから画像ディスプレイ４０上に表示される。ビームフォーマコントローラ２２のユーザコントロール、ＲＯＩの選択、ＲＯＩが見られる方向の選択、及び超音波システムの他の機能はユーザインターフェース若しくはコントロールパネル２０を通じて提供される。

図２‐４を参照して３Ｄ ＲＯＩの同時ビューの操作が明確に理解され得る。これらの図面においてボリューム領域５０内に位置する立方体ＲＯＩ５２が説明の明確さのために使用される。図２に見られる通り、立方体ＲＯＩ５２は前面Ｆ、上面Ｔ、側面Ｓ_１及びＳ_２、後面（Ｂ）と底面（Ｚ）を持ち、後者の三つは図２には見えていない。３Ｄ ＲＯＩ５２は前面から後面へのびる二つの通路を持ち、一方は円形通路５４として描かれ、他方は六角形通路５６として描かれる。それぞれ前方Ｆ及び後方Ｂから３Ｄ ＲＯＩを見る二つのビュー方向Ｖ_１及びＶ_２も図２に図示される。

図３ａ‐４は本発明の原理にかかるボリュームレンダラ１とボリュームレンダラ２の同時操作によって形成される３Ｄ ＲＯＩの同時３Ｄビューを示す。これらの図面に図示される通り二つの３Ｄビューがディスプレイ４０上で同時に臨床医に表示される。ボリュームレンダラ１は前面Ｆの方を向いて見られる通り３Ｄ ＲＯＩをレンダリングし、ボリュームレンダラ２は後面Ｂの方を向いて見られる通り３Ｄ ＲＯＩをレンダリングする。従ってレンダリングに使用されるビュー方向は互いに１８０°対向する。上面Ｔと側面Ｓ_１が見られるように、図３ａの前面ビュー６２においてビュー方向は３Ｄ ＲＯＩの前面よりわずかに右上である。後面ビュー６４の場合側面Ｓ_１と上面Ｔがこのビューにおいても見られるようにビュー方向は後面Ｂよりわずかに左上である。図３ａに図示の通り厳密に１８０°のビューからのわずかな変更が使用されることができ、又は図４に図示の通り両ビューは厳密に１８０°対向し得る。図３ａが図示する通り、３Ｄ ＲＯＩを通ってのびる通路５４，５６は臨床医がそれらを見ることを期待する通り前面Ｆの右側と後面Ｂの左側に見られる。

図３ｂにおいて臨床医はディスプレイの左側の３Ｄ ＲＯＩ６２を矢印６７によって示される通り左へわずかに回転させるよう、コントロールパネル２０上のトラックボール若しくはディスプレイスクリーン上のソフトキーコントロールなどのユーザインターフェースの制御を操作している。臨床医はまた、上面Ｔがもっと見られるように矢印６６によって示される通り３Ｄ ＲＯＩをわずかに下方へ傾けるようユーザコントロールを操作している。臨床医がこのように左側の３Ｄ ＲＯＩ６２を操作すると、臨床医が右のビューを同様に動かすように操作したかのように、右側の３Ｄ ＲＯＩビュー６４が対応して動く。３Ｄ ＲＯＩの後方からの右のビュー６４は矢印６９によって示される通り左へ同じ量だけ回転し、左の３Ｄ ＲＯＩビューの傾斜と同じ量（矢印６８）だけ上方へ傾斜し、底面Ｚがもっと見えるようにする。従って、３Ｄ ＲＯＩの一方のビューを操作することによって、３Ｄ ＲＯＩの他方のビューに対応する調節がなされる。臨床医は制御を調節しながら一方の３Ｄ ＲＯＩを動かし、臨床医が二つの異なるビューから同じＲＯＩとその動きを見ているかのように、３Ｄ ＲＯＩの前方と後方の両方のビューにおいて結果として生じる変化を見るという感覚を持つ。

図３ｃは底面Ｚが見えるように臨床医がＲＯＩを右に（矢印７２及び７４によって示される通り）回転させ、ＲＯＩの前方ビューを上方へ傾けた（矢印７０によって示される通り）後の前方と後方の３Ｄ ＲＯＩビュー６２及び６４を図示する。図面が図示する通り、後方ビュー６４は対応する方法で動く。前方から見える通りＲＯＩの上方傾斜７０は矢印７１によって示される通り後方から下方傾斜として見られ、上面Ｔを後方からもっと見えるようにする。臨床医がビューの一方の配向を調節すると、左及び右のビューは両方とも一致して動く。

図３ｄは３Ｄ ＲＯＩ６２の右側を下方へ傾けるように左のビューを回転させた結果を図示する。これが起こると、３Ｄ ＲＯＩの後部ビュー６４は矢印７８によって示される通り左側が下方に傾斜する。これは臨床医が左のビューを回転させるときに右のビューが振る舞うと期待し得る方法である：Ｓ_１面側は両ビューにおいて下方へ傾斜する。同じ結果が右のビュー６４を左側で下方に傾けることによって得られ、これはビュー６２の右側を右下へ傾けることと対応する結果を生じる。従って、ビューの一方においてＲＯＩを動かすことが他方のビューの同じ動きを生じ、これはことなるビュー配向から見られる。

図４は３Ｄ ＲＯＩの二つのビューを示し、左のビュー８０が前面Ｆから３Ｄ ＲＯＩを見ており、右のビュー８２が側面Ｓ_１から３Ｄ ＲＯＩを見ている。前の実施例と同様に、３Ｄ ＲＯＩのビューの一方を操作することは他方のビューにおける、ただし異なる視点から見られる３Ｄ ＲＯＩの同じ動きを生じる。従って３Ｄ ＲＯＩの二つのビューは図３ａ‐３ｄに図示される通り互いに１８０°の角度、若しくは図４に図示の通り互いに９０°の角度、若しくはビュー間の任意の他の中間角度、例えば０°乃至１８０°であり得る。

図５ａ‐５ｃは本発明の超音波システムの臨床応用を図示する。この実施例において、カテーテル１００は僧帽弁若しくは三尖弁９４を通り心室１１２へ入る通路に備えて心臓の心房１１０へ通されている。心臓弁９４は心臓の両側で心筋壁９０及び９２に付着しているように見られる。心室内の弁尖からのびているのは腱索１０４であり、心室内の乳頭筋へ弁栓を付着させる索状の腱である。本発明の超音波システムは図５ａに図示の通り心臓を画像化しこうしたボリューム領域３Ｄ ＲＯＩ９６内で輪郭を示すことによってカテーテル手術をガイドするために使用される。図５ａが図示するとおり、この３Ｄ ＲＯＩは弁の両側で心腔に広がり、カテーテル１００がそれを通して挿入される弁を含む。３Ｄ ＲＯＩがこのように輪郭描写されると、３Ｄ ＲＯＩは図５ｂ及び５ｃに図示の通り心房１１０内の面と心室内の面の両方から同時に見られる。図５ｂに図示の通り心房１１０からのビューＶ_１において、臨床医はカテーテル１００'が弁尖間のスリット１０２に近づくとそれを見ることができる。弁の反対側で図５ｃのＶ２ビューは弁尖のスリット１０２を見て、それを通ってカテーテルが間もなくあらわれ、腱索１０４が弁尖から戻ってのびる。３Ｄで両側から弁９４を見ることによって、臨床医はカテーテル１００を心臓弁９４の中心の方へガイドすることができ、カテーテルが弁９４の心室側にあらわれる際に心臓弁を通るその挿入を見ることができる。

図６ａ‐６ｃは本発明の超音波システムで実行される臨床診断法の別の実施例を図示する。この実施例において３Ｄ ＲＯＩは二つの直交ビュー方向Ｖ_１及びＶ_２で見られる。この実施例においてカテーテル１２０は心臓の心筋９０の壁上のスポット１２４上で臨床診断法を実行するようにガイドされている。カテーテル１２０、処置されるスポット１２４、診断法が実行される心腔の遠端１２６を含む図６ａにおいて３Ｄ ＲＯＩは輪郭１２２によって図示される通り輪郭描写される。この３Ｄ ＲＯＩ１２２は図６ａに図示されるＶ_１、及び図６ａの描画の平面の中を見る第２の方向に、二つの直交ビュー方向で見られる。図６ｂは方向Ｖ_１から見る３Ｄ ＲＯＩ１２２を図示する。このビューにおいてカテーテル１２０は心筋の壁９０と平行に軸方向に見られ、カテーテルが位置づけられる心腔の遠端１２６に近づいている。直交するＶ_２ビューが図６ｃに図示される。このビューにおいてカテーテル１２０は診断法が実行される接近点１２４に見られ、心臓壁９０にほぼ平行な配向である。二つの直交ビューは臨床医に、カテーテルが心臓壁に沿ってどのように進んでいるか、その心臓壁からの間隔、及び診断法が実行される点１２４に達するためにカテーテルがどの位さらにのばされる必要があるかについての感覚を与える。

Claims (14)

1. 超音波画像診断システムであって、
   身体のボリューム領域をスキャンするように作動する超音波プローブであって、前記領域の三次元からエコー信号を生じる超音波プローブと、
   前記ボリューム領域からの前記エコー信号に応じて、前記領域の三次元画像データセットを生じる信号プロセッサと、
   第一及び第二のビュー方向を選択する第１のユーザコントロールであって、前記第二のビュー方向は前記第一のビュー方向と異なる、第１のユーザコントロールと、
   前記三次元画像データセットを受信するように結合され、前記領域が二つの異なるビュー方向から同時に見られているかのように、前記第一及び第二のビュー方向に対応する前記領域の第一の三次元ビュー及び第二の三次元ビューを生じるように構成されるボリュームレンダラと、
   前記ボリュームレンダラに応じて、前記第一及び第二の三次元ビューを同時に表示するディスプレイであって、前記第一及び第二の三次元ビューは、前記第一の三次元ビューの配向を動かすことにより、前記第二の三次元ビューの配向の動きがもたらされるように、前記ディスプレイ上で操作可能であるように構成される、ディスプレイと、
   前記ボリュームレンダラに結合される第２のユーザコントロールであって、前記第一及び第二の三次元ビューの一方を上、他方を下に傾け、前記第一及び第二の三次元ビューを左若しくは右に回転させ、又は前記第一及び第二の三次元ビューを時計回り若しくは反時計回りに回転させるように動作可能である、第２のユーザコントロールと
   を有し、
   前記ボリュームレンダラは、前記第一の三次元ビューを生成するように構成される第一のボリュームレンダラと、前記第二の三次元ビューを生成するように構成される第二のボリュームレンダラとを有し、前記第二のボリュームレンダラは前記第一のボリュームレンダラと同時に作動される、
   超音波画像診断システム。
2. 前記二つの異なるビュー方向が互いに対して１８０°を向いた方向から見られる前記領域のビューをさらに有する、請求項１に記載の超音波画像診断システム。
3. 前記二つの異なるビュー方向が互いに対して９０°を向いた方向から見られる前記領域のビューをさらに有する、請求項１に記載の超音波画像診断システム。
4. 前記二つの異なるビュー方向が互いに対して０°乃至１８０°の角度を向いた方向から見られる前記領域のビューをさらに有する、請求項１に記載の超音波画像診断システム。
5. 前記ボリューム領域内の三次元関心領域を選択するようにユーザによって操作可能な第２のユーザコントロールをさらに有する、
   請求項１に記載の超音波画像診断システム。
6. 前記ボリューム領域において操作されるときに前記ディスプレイ上に見られる侵襲的オブジェクトをさらに有し、
   前記関心領域が関心のある解剖学的構造をさらに含み、
   前記システムは、前記関心のある解剖学的構造に関して第１の方向に操作されるときに前記第一の三次元ビューにおいてビューアから離れて動く前記侵襲的オブジェクトを視覚化するように構成され、
   前記システムは、前記関心のある解剖学的構造に関して前記第１の方向に操作されるときに前記第二の三次元ビューにおいて前記ビューアに近づいて動く前記侵襲的オブジェクトを同時に視覚化するように更に構成される、
   請求項５に記載の超音波画像診断システム。
7. 前記ボリューム領域において操作されるときに前記ディスプレイ上に見られる侵襲的オブジェクトをさらに有し、
   前記関心領域が関心のある解剖学的構造をさらに含み、
   前記システムは、前記関心のある解剖学的構造に関して第１の方向に操作されるときに前記第一の三次元ビューにおいてビューアに近づいて若しくは離れて動く前記侵襲的オブジェクトを視覚化するように構成され、
   前記システムは、前記関心のある解剖学的構造に関して前記第１の方向に操作されるときに前記第二の三次元ビューにおいて前記ビューアに対して横方向に動く前記侵襲的オブジェクトを同時に視覚化するように更に構成される、
   請求項５に記載の超音波画像診断システム。
8. 前記二つの異なるビュー方向から見られる前記ボリューム領域の配向を変化させるように作動する、前記ボリュームレンダラに結合される第３のユーザコントロールをさらに有する、請求項１に記載の超音波画像診断システム。
9. 前記第３のユーザコントロールが前記第１のビュー方向から見られる前記ボリューム領域の配向を変化させるように作動し、
   前記第二のビュー方向から見られる前記ボリューム領域の配向が前記第１のビュー方向に加えられる変化に対応して変更され、
   ユーザは前記ボリューム領域の二つの異なるビュー方向からあらわれ得るように前記ボリューム領域の配向における変化を見る、
   請求項８に記載の超音波画像診断システム。
10. 前記システムは、前記第３のユーザコントロールの操作によって生じる前記ボリューム領域の二つの三次元ビューの配向における変化がリアルタイムに視覚化されるように構成される、請求項９に記載の超音波画像診断システム。
11. 前記第３のユーザコントロールがさらに前記二つの三次元ビューを上若しくは下に傾け、前記二つの三次元ビューを左若しくは右に回転させ、又は前記二つの三次元ビューを時計回り若しくは反時計回りに回転させるように作動する、請求項８に記載の超音波画像診断システム。
12. 超音波画像診断システムであって、
    身体のボリューム領域をスキャンするように作動する超音波プローブであって、前記領域の三次元からエコー信号を生じる超音波プローブと、
    前記ボリューム領域からの前記エコー信号に応じて、前記領域の三次元画像データセットを生じる信号プロセッサと、
    前記三次元画像データセットを受信して、前記領域が二つの異なるビュー方向から同時に見られているかのように前記領域の二つの三次元ビュー、すなわち第一の三次元ビュー及び第二の三次元ビューを生じるように結合されるボリュームレンダラと、
    前記二つの異なるビュー方向を選択する第１のユーザコントロールと、
    前記ボリュームレンダラに応じて、前記二つの三次元ビューを同時に表示し、前記第一及び第二の三次元ビューは、前記第一の三次元ビューの配向を動かすことにより、前記第二の三次元ビューの配向の動きがもたらされるように、ディスプレイ上で操作可能である、ディスプレイと
    を有し、
    前記二つの異なるビュー方向から見られる前記ボリューム領域の配向を変化させるように作動する、前記ボリュームレンダラに結合される第２のユーザコントロールをさらに有し、
    前記第２のユーザコントロールがさらに前記二つの三次元ビューを上若しくは下に傾け、前記二つの三次元ビューを左若しくは右に回転させ、又は前記二つの三次元ビューを時計回り若しくは反時計回りに回転させるように作動し、
    前記システムは、
    前記第２のユーザコントロールが前記三次元ビューの一方を上方に傾けるように操作されるとき、他方の三次元ビューが対応して下方に傾き、
    前記第２のユーザコントロールが前記三次元ビューの一方を左へ回転させるように操作されるとき、他方の三次元ビューが対応して左に回転し、
    前記第２のユーザコントロールが前記二つの三次元ビューの一方の右側を下方へ傾けるようにビューを回転させるように操作されるとき、他方の三次元ビューが対応して左側が下方に傾斜する、
    ように構成される、超音波画像診断システム。
13. 前記二つの三次元ビューがキネティックパララックスレンダリングをさらに有する、請求項１に記載の超音波画像診断システム。
14. 前記三次元画像データセットがＢモード若しくはドップラ画像データをさらに有する、請求項１に記載の超音波画像診断システム。

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