JP6553297B2 - 干渉分析器を含むボリューム領域の超音波画像を可変周波数で提供するための超音波システム - Google Patents

Description

本発明は、関心領域を含むボリューム領域の超音波画像を提供するための超音波システムに関し、この超音波システムは、ＣＭＵＴトランスデューサのアレイを有するプローブあって、アレイは、方位角次元及び仰角次元のうちの少なくとも一方におけるピッチ値を有し、ボリューム領域にわたって可変周波数範囲内で超音波ビームをステアリングするように適合され、ビームは方位角及び仰角のうちの少なくとも一方のステアリング角においてステアリングされる、プローブと、アレイに結合され、超音波ビームステアリングを制御し、ボリューム領域の超音波画像データを提供するように適合されたビームフォーマと、ビームフォーマに結合され、ＣＭＵＴトランスデューサの動作周波数を周波数範囲内で変動させるように適合されたトランスデューサ周波数コントローラであって、ボリューム領域内でステアリングされる超音波ビームの場合、動作周波数を第１の周波数に設定し、関心領域内でステアリングされる超音波ビームの場合、動作周波数を第２の周波数に変更するように構成され、第２の周波数は第１の周波数よりも高い、トランスデューサ周波数コントローラとを備える。

本発明は、更に、そのような超音波システムを用いるボリューム領域の可変周波数超音波撮像の方法に関する。

ＣＭＵＴトランスデューサプローブを有する超音波撮像システムは、ＷＯ２０１５０２８３１４Ａ１から知られている。このプローブは、以下のモード、すなわち、ＤＣバイアス電圧がセルのＣＭＵＴ膜を、ＣＭＵＴセルの動作中にセルフロアの上方で自由に振動するように設定する従来のモードと、ＤＣバイアス電圧がセルのＣＭＵＴ膜を、ＣＭＵＴセルの動作中にセルフロアにつぶれるように設定するつぶれモードとのいずれかで動作するように構成されたＣＭＵＴセルを有するアレイを備える。ＤＣバイアス電圧の増大の結果として、つぶれモードでの動作中のＣＭＵＴセルの周波数応答の中心周波数における増大が生じ、ＤＣバイアス電圧の減少の結果として、つぶれモードでの動作中のＣＭＵＴセルの周波数応答の中心周波数における減少が生じる。ＤＣバイアス電圧は、身体のボリューム領域が撮像される周波数に依拠して異なる臨床用途で選択することができる。

ＣＭＵＴアレイにおける動作周波数の変動の実施態様は、取得される超音波画像の品質に影響を及ぼす。

ＣＭＵＴ技術の観点を更に利用する新たな撮像技法における需要が存在する。

本発明の目的は、超音波撮像における改善した機能を可能にする超音波システムを提供することである。

この目的は、超音波画像データに応答して、ボリューム領域内の高輝度領域のロケーションを特定するように適合された画像プロセッサであって、この高輝度領域は、超音波画像の平均輝度よりも少なくとも２倍高い信号強度を有する、画像プロセッサと、トランスデューサ周波数コントローラに結合された干渉分析器であって、第２の周波数が、ステアリング角に対し高輝度領域のロケーションから導出された第１の閾値周波数値を超えているとき、ボリューム領域内でステアリングされるビームのビームステアリングパラメータのうちの少なくとも１つを調整するように適合される、干渉分析器とを提供することによって、本発明に従って達成される。

本発明は、特定された関心領域内の超音波ビームの周波数を増大させることを可能にする新たな撮像技法を提供する際に、ＣＭＵＴトランスデューサの可変周波数機能を用いる。超音波データにおいてＲＯＩ（関心領域）が特定されると、トランスデューサ周波数コントローラは、ＲＯＩが位置するボリューム領域の部分におけるビーム周波数を増大させる。ビームのステアリング角及び超音波周波数に依存して、ＲＯＩから受信される超音波データにおいてグレーティングローブが明らかとなり、これらのグレーティングローブは、ボリューム領域内に位置する強力な反射源から生じる。通例、これらの反射源は、超音波画像内で、明確な高輝度領域として現れる。強力な反射源によって生じるグレーティングローブの出現は、ＲＯＩ内でステアリングされるビームの方向、及びアレイの次元に対する強力な反射体のロケーションに関数依存性を有する。本発明は、これらの反射源から生じる信号強度値に基づいてそのような反射源のロケーションを特定することが可能なシステムを提供する。これは、超音波画像内のピクセルの輝度を画像平均輝度と比較する画像プロセッサを提供することによって達成される。更に、干渉分析器は、ＲＯＩを超えて強力な反射体から生じるグレーティングローブの影響が低減されるように、ＲＯＩ内のビームステアリングパラメータを変動させる。本発明の利点は、より大きなペネトレーション深度及び低減された空間分解能を有するボリューム領域の広域ビューと、より高い空間分解能を有するＲＯＩの詳細フィールドビューとを、単一の超音波走査中に同じＣＭＵＴトランスデューサのアレイを用いて生成することができることである。干渉分析器は、ビームステアリングパラメータを調整することによって、詳細なフィールドビューにおける潜在的な画像品質低減について補正する。したがって、超音波画像の良好な品質を達成することができる。換言すれば、システムは、関心領域内でステアリングされるビームのビームステアリングパラメータのうちの少なくとも１つを調整することによってＲＯＩを撮像するとき、強力な反射源の方向において生成される（又は受信される）音響エネルギーを最小限にするようにビーム形成制御部に自動的に命令する。

実施形態において、干渉分析器は、第２の周波数を、第１の閾値周波数値よりも低い第２の閾値周波数値より低く低減するように更に構成され、第２の閾値周波数値は、超音波波長がアレイピッチ値に２を乗算した値に等しいトランスデューサ周波数に対応する。

アレイの設計は、ＣＭＵＴトランスデューサの動作周波数が閾値よりも高くなるとき、ステアリングされるビームの品質に負の影響を与える。干渉分析器は、相対的に高い周波数が閾値周波数値を超えているとき、関心領域内でステアリングされるビームのビームステアリングパラメータのうちの１つを調整することによって、取得された画像品質の低減（グレーティングローブの出現）を軽減することを可能にする。調整される適切なビームステアリングパラメータは、例えば、ビームの超音波周波数である。ここで、超音波周波数は、超音波ビームのメインローブの中心周波数である。代替的に、受信超音波エコーに対応する受信信号は、ＲＯＩ内の品質（グレーティングローブ）の潜在的な低減の原因となることが知られている周波数成分が除去されるようにフィルタリングされる。

グレーティングローブは、トランスデューサ間距離として定義されるアレイピッチが、ビームを形成する超音波の波長の半分以上であり、且つ、ビームが一定の閾値よりも大きな角度内でステアリングされるときにも生じる。したがって、強力な反射体の存在によって生じるグレーティングローブのみでなく、アレイの構造的設計によって定義されるグレーティングローブも、干渉分析器によって考慮に入れられる。干渉分析器は、トランスデューサによって設定された第２の周波数が、超音波波長とアレイピッチとの比較から導出された第２の閾値と交わる場合にビームステアリングパラメータを更に調整することによって、超音波画像品質全体に対するグレーティングローブの影響を更に低減する。これによって、所与のアレイのための改善された取得条件が達成される。

更なる実施形態において、ビームステアリングパラメータは、超音波周波数、受信信号スペクトルフィルタリング、方位角及び仰角のステアリング角を含む。

所与の周波数についてグレーティングローブの出現を低減する方式のうちの１つは、方位角及び／又は仰角方向におけるステアリング角を低減することである。代替的に、ステアリングされたビームの周波数が低減されてもよい。

更に別の実施形態では、超音波システムは、ＲＯＩ特定部（ＲＯＩ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）に結合され、ボリューム領域内のＲＯＩ及び高輝度領域のユーザによる手動選択に応答するユーザインターフェースを更に備える。ユーザインターフェースは、ユーザによる手動選択時に、ビームステアリングパラメータのうちの少なくとも１つを調整するように更に適合される。

これは、ユーザに、超音波画像内のＲＯＩのロケーション及び高輝度領域の双方を手動で選択する機会を与える。加えて、ユーザは、ビームステアリングパラメータに対する制御を有する。ユーザが超音波画像品質における低減を予期又は観測する場合、制御部は、ユーザがパラメータを手動で更に調整することを可能にする。

更なる実施形態において、ユーザによる手動選択は、可変周波数範囲からの第２の周波数及び第１の周波数の周波数選択、並びに方位角及び仰角のステアリング角等のビームパラメータ選択を更に含む。

ユーザインターフェースは、ユーザが可変周波数範囲から第１の周波数及び第２の周波数を選択することもできるように、周波数制御部にも結合することができる。選択された周波数値のうちの少なくとも１つが閾値を超えている場合、ユーザインターフェースは、設定されたビーム周波数を手動で低減するか、又はビームステアリング角を方位角及び仰角の双方のステアリング方向において手動で低減することを更に可能にする。

別の実施形態では、プローブは体腔内プローブであり、システムは、プローブに結合された駆動機構を更に備え、駆動機構は、撮像中のプローブの動きを可能にする。

そのようなシステムは、体腔内プローブが、ボリューム領域に対し動かされ、超音波撮像中にユーザに追加の柔軟性を与えることを可能にする。プローブの動きは、改善された超音波撮像のためにビーム調節と組み合わせることができる。これにより、ＲＯＩのロケーション及び最適なビームステアリングパラメータに依拠したボリューム領域に対するプローブの位置の自動調節がもたらされる。

更に別の実施形態では、駆動機構は、高輝度領域の特定時に、ＲＯＩロケーションに対しプローブを動かすように適合される。

特定されたＲＯＩとプローブとの間の距離が、選択された増大した周波数における音響ビームのペネトレーション深度よりも大きい場合、システムは、プローブをＲＯＩに近づけるように駆動機構を構成し、それによって増大したビーム周波数を有するＲＯＩの詳細ビューが生成される。ボリューム領域内のプローブの行き先は、強力な反射源のロケーションに対し最適化され、それによって、受信したグレーティングローブの方向が、ＲＯＩの詳細ビューから除外される。

更なる実施形態では、アレイは２次元アレイ又は１次元アレイである。

アレイの設計に依拠して、超音波システムは、ボリューム領域の３次元超音波画像又は２次元超音波画像（スライス）を提供する。

本発明の原理によるボリューム領域の可変周波数撮像のための超音波システムを示す。 超音波アレイに対するステアリングされたビームの空間的向きを示す。 アレイに関する、ステアリング角等のビームステアリングパラメータを示す。 ＲＯＩ内でステアリングされるメイン受信ビーム角（β）と、異なる周波数における関連付けられた異なる一次受信グレーティングローブ角（θ）とを示す。 ボリューム領域のスライス内でステアリングされる超音波ビーム及び異なる周波数における関連付けられた異なる一次受信グレーティングローブ角（θ）を示す。 ＤＣバイアス電圧によって制御され、ｒｆ．駆動信号によって駆動されるＣＭＵＴセルを示す。 本発明の実施態様において適用される、つぶれモードのＣＭＵＴ動作の原理を示す。 つぶれモードで動作するそのようなＣＭＵＴセルの音響性能の等高線図を示す。 ボリューム領域内でステアリングされる相対的に低い周波数の超音波ビーム及び関心領域内でステアリングされる相対的に高い周波数の超音波ビームを用いたボリューム領域の走査を示す。 関心領域の詳細ビューを含むボリューム領域の広域ビューと共にボリューム領域の超音波画像の表示を示す。 ボリューム領域に対して動かされるように適合された体腔内プローブを用いた可変ビーム周波数によるボリューム領域の走査を示す。 本発明の第２の実施形態による体腔内プローブにより得られる超音波画像の表示を示す。 本発明の別の実施形態による、関心領域を含むボリューム領域を撮像するための超音波システムを示す。 本発明の第１の実施形態による、可変周波数画像取得のためのワークフローを示す。 本発明の第２の実施形態による、可変周波数画像取得のためのワークフローを示す。

図１は、本発明の原理によるボリューム領域の可変周波数撮像のための超音波システム１００を概略的且つ例示的に示す。プローブ１０は、容量性微細加工超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）等の可変周波数超音波トランスデューサのアレイ１４を備える。このアレイ１４は、２次元アレイ又は１次元アレイのいずれかとすることができる。アレイのＣＭＵＴは、ボリューム視野１３１（図９）（ボリューム領域を含む）にわたって可変周波数範囲内で超音波ビームを送信し、送信されたビームに応答してエコーを受信する。アレイ１４のトランスデューサは、ビームフォーマ６４に結合される。ビームフォーマ６４は、アレイトランスデューサ１４のＣＭＵＴによって送信される超音波ビームのステアリングを制御する。トランスデューサアレイは、１Ｄ、１．５Ｄ又は２Ｄアレイとすることができる。その次元に応じて、アレイは、方位角次元及び仰角次元のうちの少なくとも一方を有する（図２ａ）。１次元（１Ｄ）アレイの場合、方位角次元はアレイ次元と一致し、図２ｂに示すようなビームステアリングの方位角方向を定義する。２次元（２Ｄ）アレイの場合、方位角次元及び仰角次元は、ビームステアリングの２つの直交する方向、すなわち、図２ｃに示すような方位角方向及び仰角方向を定義する。ビームフォーマは、トランスデューサによって受信されるエコーを更にビーム形成する。ビームは、トランスデューサアレイ１４からまっすぐ前に（トランスデューサ１４に直交して）ステアリングされるか、又はより大きな視野のために異なる角度でステアリングされる。２Ｄアレイの場合のビームステアリング角の図が図３に表される。ピラミッドＯＡＢＣＤは、その中でビームがステアリングされるボリューム視野を表す。面ＯＫＦは、アレイ１４の表面に対し垂直であり、仰角方向に対し平行であるのに対し、面ＯＥＦは、双方に対し垂直であり、アレイ１４及びＯＫＦ面は方位角方向に対し平行である。ビームの方位角のステアリング角（ベータ）は、ステアリングされたビームと、アレイに対し垂直で且つ仰角方向に対し平行な、ＯＫＦ面等の面との間の角度として定義される。ビームの仰角のステアリング角（アルファ）は、ステアリングされたビームと、アレイに対し垂直で且つ方位角方向に対し平行な、ＯＥＦ面等の面として定義される。

任意選択で、超音波システムは、各々が個々のトランスデューサのグループをビームフォーマ６４と結合する複数のマイクロビームフォーマ（図示せず）を有する。マイクロビームフォーマ（サブアレイビームフォーマ）は、トランスデューサのグループからの信号を部分的にビーム形成し、それによってプローブ及びメイン取得システムを結合する信号チャネルの量を低減する。マイクロビームフォーマは、好ましくは、集積回路形式で製造され、アレイトランスデューサ付近のプローブ１０のハウジング内に位置する。プローブ１０は、プローブ１０の位置を示す信号をトランスデューサ位置検出器５４に提供する位置センサ５２を更に備える。センサ５２は、磁気、電磁、無線周波数、赤外線、又は他のタイプのセンサである。

マイクロビームフォーマによって生成される部分的にビーム形成された信号は、ビームフォーマ６４に転送され、ビームフォーマ６４において、トレランスデューサの個々のグループからのこれらの部分的にビーム形成された信号が組み合わされ、完全にビーム形成された信号にされる。超音波システム１００は、ＣＭＵＴアレイ１４及びビームフォーマ６４に（又は、任意選択で、複数のマイクロビームフォーマに）結合されたトランスデューサ周波数コントローラ６２を更に備える。周波数制御部６２は、以下でより詳細に説明されるように、アレイ１４における各ＣＭＵＴトランスデューサの共振周波数を調整することにより、送信及び受信された超音波ビームの周波数を制御する。完全にビーム形成された信号（すなわち、ビームに沿ったコヒーレントエコー信号）は、超音波画像データを表し、このデータは、フィルタリング、振幅検出、ドップラー信号検出、及び信号プロセッサ６６による他のプロセスにより処理される。次に、超音波データは処理され、画像プロセッサ６８によってプローブの座標系における超音波画像信号にされる。超音波画像信号は、グラフィックプロセッサ７４によって所望の超音波画像フォーマット（例えば、ｘ、ｙ、ｚデカルト座標）に更に変換され、ディスプレイ１８上に表示される。

関心領域特定部７２は、画像プロセッサ６８に結合され、超音波画像データの解析に基づいて、ボリューム視野１３１内の関心領域８２を特定するように適合される。画像プロセッサ６８及びＲＯＩ特定部７２の双方を、１つの画像解析ユニット６８’の一部とすることができる。超音波撮像システム１００は、ユーザインターフェース３８によって制御される。特に、ユーザインターフェース３８は、ディスプレイ上に表示される超音波画像に基づいて、ＲＯＩ特定部７２に接続されるか、又はＲＯＩ８２’の手動選択を可能にする画像分析ユニット６８’に直接接続され得る。更に、ユーザは、ユーザインターフェース３８を介して、ユーザが、ＲＯＩが撮像されることを望むアレイの可変周波数範囲内の所望の周波数も選択することができる。ボリューム視野１３１内のＲＯＩ８２’のロケーション及びサイズ、並びに所望のＲＯＩ撮像周波数等のこのユーザ入力は、画像分析ユニット６８’によってトランスデューサ周波数コントローラ６２に通信される。本実施形態において、ユーザが特定したパラメータは、ＲＯＩ特定部７２と画像プロセッサ６８との間で交換され、画像プロセッサは、ＲＯＩ特定部７２によって提供される特定データに基づいて、ＲＯＩ８２’の座標、及びボリューム視野１３１内で特定されたＲＯＩを取り囲むボリューム領域１３２を計算する。トランスデューサ周波数コントローラ６２は、ＲＯＩ特定部７２によって生成され、画像プロセッサ６８によって処理される特定データに応答する。トランスデューサ周波数コントローラ６２は、ビームフォーマと共に、ボリューム視野１３１内で特定されたＲＯＩを取り囲むボリューム領域１３２内でステアリングされるビームの周波数を調整する。本発明の原理に従って、超音波システム１００は、トランスデューサ周波数コントローラ６２に結合された干渉分析器６９を更に備える。

アレイトランスデューサの規則的な間隔により、要素間（トランスデューサ間）ピッチが超音波波長よりも大きい場合、送信及び受信におけるグレーティングローブが存在する。このため、撮像周波数の増大により、グレーティングローブが出現する。これらのローブは、意図されるビーム経路以外の角度でトランスデューサから拡散する超音波エネルギーを伝搬する。ローブのエネルギーが強力な反射器等の軸外構造によって反射され、トランスデューサアレイによって検出されるとき、生成される信号は人工的であり、主要画像をぼやけさせる「ゴースト画像」を引き起こす。したがって、所与の方向について形成された受信ビームは、所望の方向及びグレーティングローブの方向からのエコー信号を有する。

受信グレーティングローブ角は、メインビームの（最大）ステアリング角、要素間ピッチ、アレイの（不）規則性、トランスデューサ数、それらのサイズ、それらの動作周波数及び帯域幅に依存する。

要素間ピッチｐは、図２ａに示すようなトランスデューサ間距離として定義される。これは基本的に、近傍のＣＭＵＴセルの中心間の距離である。したがって、所与のアレイ設計のための可変周波数トランスデューサの場合、設定される周波数値は、グレーティングローブの出現に対応する周波数閾値よりも大きくなる。

図４は、ＲＯＩ内でステアリングされるメイン受信ビーム角（β）（通常、送信ビーム角は同一であり、この画像には示されていない）、及び関連付けられた異なる一次受信グレーティングローブ角（θ）（通常、グレーティングローブは、送信及び受信ステアリング角の結果として生じる）を有する線形トランスデューサアレイを示す。遠距離場に焦点を合わせる線形アレイトランスデューサの場合、グレーティングローブの受信方向（角度θ）は、

である。ここで、ｍ＝±１、±２，．．．である。

波長λは、

として表すことができる。ここで、Ｃｏは、媒体内の超音波速度であり、ｆは、受信信号周波数である。この例において、グレーティングローブ角は負であるのに対し、ステアリングビーム角は正である。したがって、受信グレーティングローブ角θ（シータ）、最大受信ビームステアリング角β（ベータ）、及びピッチｐは、以下によって受信信号周波数ｆに関係付けられる。

カットオフ周波数ｆｃにおいて、グレーティングローブ角は−９０度である。したがって、グレーティングローブ角が９０度を超える角度でトランスデューサアレイに達する閾値周波数は、０度の最大ビームステアリング角度の場合の

と、９０度の最大ビームステアリング角度の場合の、

との間となる。これは、トランスデューサアレイのピッチ、又は２を乗算されたピッチに等しい閾値波長に変換することができる。ＲＯＩに向けた所与のステアリングビーム方向（角度β）について、矢印５１及び５２を用いて図４に示すように、ビーム周波数ｆ１に対応するグレーティングローブ角θ１が、周波数がｆ２＞ｆ１に増大するにつれ、θ２に減少する。グレーティングローブに関する更なる詳細は、Ａ． Ｐｏｎｎｌｅ他「Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｔｉｎｇ ｌｏｂｅ ａｒｔｉｆａｃｔｓ ｉｎ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｉｍａｇｅｓ」Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｉｎ Ｍｅｄ．＆Ｂｉｏｌ．， ６８１−６９１ （２０１３）に見ることができる。フェーズドアレイが用いられる場合、「ｐ」の値は、線形アレイと比較して、フェーズドアレイの場合に異なる。なぜなら、フェーズドアレイの最大ステアリング角は、線形アレイの場合よりも大きいためである。近距離場に焦点を合わせる場合、グレーティングローブの振幅は、受信トランスデューサに到達する波の遅延の差異の不規則性に起因して低くなる。

干渉分析器６９は、トランスデューサ周波数コントローラ６２によって設定されたアレイの動作周波数を、このアレイの閾値周波数と比較するように適合される。設定された動作周波数が閾値に達すると、干渉分析器６９は、ビームフォーマ６４を介して、この動作周波数を用いてステアリングされたビームのビームステアリングパラメータのうちの少なくとも１つを変動させることができる。

ビームステアリングパラメータは、受信した超音波信号の超音波周波数又はスペクトルフィルタリングを含む。例えば、ブロードバンド超音波信号送信を用いることができる。受信信号は、ＲＯＩ内の潜在的なグレーティングローブの原因となっていることがわかっている周波数成分が除去されるように、後に信号プロセッサによってフィルタリングされる。ビームステアリングパラメータは、方位角方向及び／又は仰角方向におけるビームステアリング角も含む。干渉分析器は、ビームフォーマを介して、グレーティングローブを回避するための広い軸方向の深さを維持しながら、ボリューム領域１３２内の方位角（ベータ）及び／又は仰角（アルファ）のステアリング角を減少させることによってグレーティングローブを低減する。グレーティングローブをなくすことにより、バックグラウンドエネルギーに対するメインローブエネルギーの大きさを増大させることによって信号対雑音比も改善する。これにより、画像コントラストが更に改善する。これにより、所与のアレイについて最適な取得条件が達成される。

ビームフォーマ６４及びトランスデューサ周波数コントローラ６２は、周波数変動及びビーム形成機能を組み合わせる１つの可変周波数ビームフォーマユニット６４’として設計することができる。代替的な実施形態において、マイクロビームフォーマは、トランスデューサ周波数コントローラ６２と共に組み合われて、可変周波数ビームフォーマユニット６４’にされ、プローブのハウジング内に配置される。

本発明の別の実施形態では、画像プロセッサは、超音波画像データを処理し、ボリューム領域内の高輝度領域のロケーションを特定するように適合される。ボリューム領域が高輝度反射源（強力な反射体）を有する場合、これらの反射源は、超音波画像データ内で、高輝度領域として出現する。通例、これらの領域の輝度は、処理される超音波データの平均輝度よりも少なくとも５倍〜１０倍高い値で現れる。強力な反射体の特定されたロケーション、例えば、図５におけるｒ１及びｒ２は、干渉分析器６９によって解析され、干渉分析器６９は、反射体から生じる反射された超音波エコーの方向（角度θ４及びθ５により特徴付けられる）を、ＲＯＩを走査するのに用いられる動作周波数におけるメインビームステアリング角βと比較するように更に適合される。この実施形態では、最も小さな角度θ（この例では、θ４）により、ＲＯＩの最良品質の画像が取得される閾値周波数が決まる。代替形態は、臨界周波数を「回避」し、このため、臨界周波数の十分下又は十分上に留まることである。干渉分析器６９は、ＲＯＩ内でステアリングされるビームのビームステアリングパラメータを、強力な反射体から生じるグレーティングローブの影響が軽減されるように更に適合させる。例えば、これは、ＲＯＩ内のビームの周波数を閾値より低く低減させることによって行うことができるか、又は干渉分析器６９は、信号プロセッサ６６に、強力な反射体が受信超音波信号に寄与する周波数の組を通信し、それによって信号プロセッサ６６が、受信信号からこれらの周波数をフィルタリング除去することができる。

本発明によれば、超音波システムの超音波ビーム周波数の変形形態が、つぶれモードで動作するように適合されたＣＭＵＴトランスデューサを用いて提供される。ＣＭＵＴ技術は、バイアス電圧を変更することによって撮像周波数の調整を可能にする。この周波数範囲は、広い範囲に及び、この各周波数における範囲に加えて、大部分が１００％に近いか又は更には１００％を超えている帯域幅もある。この大きな周波数変動は、広範にわたるペネトレーション及び分解能での撮像を可能にする。

本発明のＣＭＵＴトランスデューサアレイ１４は、複数のＣＭＵＴセル（トランスデューサ）を備える。図６において、各ＣＭＵＴセル１０３は、通常、間に間隙又は空洞１１８を有するシリコン基板１１２の上に懸架された可撓性膜又はダイヤフラム１１４を備える。上部電極１２０は、ダイヤフラム１１４上に配置され、ダイヤフラムと共に動く。下部電極は、この例では、基板１１２の上面のセルのフロアに配置される。電極１２０設計の他の実現を検討することができ、例えば、電極１２０は、膜１１４内に埋め込まれてもよく、又は追加の層として膜１１４の上に堆積されてもよい。この例において、下部電極１２２は、円形に構成され、非限定的な例として、基板層１１２に埋め込まれる。下部電極１１２が間隙１１８に直接曝されるような、又は上部電極１２０及び下部電極１２２間の短絡を阻止するために電気的絶縁層若しくはフィルムによって間隙１１８から分離されるような、例えば、基板層１１２上の、他の適切な構成、例えば、下部電極１２２の他の電極形状及び他のロケーションがある。加えて、膜層１１４は、基板層１１２の上面に対し固定され、膜層１１４と基板層１１２との間に球形又は円筒形の空洞１１８を画定するように構成され、そのような寸法にされる。誤解を避けるために、図６において、下部電極１２２は、非限定的な例として接地されていることを記しておく。当然ながら、他の構成、例えば、接地された上部電極１２０、又は上部電極１２０及び底部電極１２２の双方が浮遊している構成も等しく実現可能である。

セル１００及びその空洞１１８は、代替的な形状を呈してもよい。例えば、空洞１１８は、矩形若しくは正方形の断面、六角形の断面、楕円形の断面、又は不規則な断面を呈し得る。本明細書において、ＣＭＵＴセル１０３の直径への言及は、セルの最も大きな横方向の寸法として理解されるものとする。

下部電極１２２は、その空洞に面する表面において追加の層（図示せず）により絶縁される。ＣＭＵＴセルの成分は、ＣＭＯＳ適合性材料、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、窒化物（例えば、シリコン窒化物）、酸化物（様々なグレード）、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）、ポリシリコン等から製造される。ＣＭＯＳの製造において、例えば、酸化層及び窒化層は化学気相成長によって形成され、金属化（電極）層は、スパッタリングプロセスによって定着する。

適切なＣＭＯＳプロセスは、ＬＰＣＶＤ及びＰＥＣＶＤであり、ＰＥＣＶＤは、４００℃未満の相対的に低い動作温度を有する。開示された空洞１１８を生成するための例示的な技法は、膜層１１４の上面を追加する前に、膜層１１４の初期部分において空洞を画定することを含む。他の製造の詳細は、米国特許第６，３２８，６９７号（Ｆｒａｓｅｒ）に見ることができる。

図６において、円筒形空洞１１８の直径は、円形に構成された電極プレート１２２の直径よりも大きい。電極１２０は、円形に構成された電極プレート１２２と同じ外径を有してもよいが、そのような適合性は必要とされない。このように、膜電極１２０は、下の電極プレート１２２と位置合わせするように、膜層１１４の上面に対し固定される。ＣＭＵＴセル１００の電極は、デバイスの容量性プレートを提供し、間隙１１８は、キャパシタのプレート間で誘電性である。ダイヤフラムが振動するとき、プレート間の誘電性間隙の変化する寸法により、変化するキャパシタンスがもたらされ、これは、受信した音響エコーに対するＣＭＵＴセル１００の応答として検知される。

電極間の間隔は、電圧源４５により電極に静電圧、例えば、ＤＣバイアス電圧を印加することによって制御される。電圧源４５は、トランスデューサ周波数コントローラ６２内に実装され、その周波数制御能力を提供する。アレイ１４のトランスデューサは、各々、別個の電圧源を有するか、又はトランスデューサ周波数コントローラ６２において実装されるいくつかの電圧源を共有する。電圧源４５は、任意選択で、それぞれＣＭＵＴセル１０３の駆動電圧のＤＣ及びＡＣ又は刺激成分を与えるための別個の段１０２、１０４も備えてもよい。第１の段１０２は、静（ＤＣ）電圧成分を生成するように適合され、第２の段１０４は、設定された交流周波数を有する交流可変電圧成分又は刺激を生成するように適合され、この信号は通常、全体駆動電圧と、上述したその静的成分との間の差である。印加される駆動電圧の静的成分又はバイアス成分は、好ましくは、ＣＭＵＴセル１０３をそのつぶれ状態に入れるための閾値電圧以上である。これは、第１の段１０２が、全体電圧の特に低雑音の静的成分を生成するために、相対的に大きなキャパシタ、例えば、平滑化キャパシタを含むという利点を有する。この静的成分は通常、全体電圧信号の雑音特性が、この静的成分の雑音特性によって支配されるように全体電圧を支配する。電圧源供給部４５の他の適切な実施形態が明らかであるはずであり、これは例えば、電圧源供給部４５が、ＣＭＵＴ駆動電圧の静的ＤＣ成分を生成するための第１の段と、駆動電圧の可変ＤＣ成分を生成するための第２の段と、信号の周波数変調又は刺激成分を生成するための第３の段、例えばパルス回路等と、の３つの別個の段を含む実施形態等である。要約すると、電圧源供給部４５は、任意の適切な方式で実装される。

それ自体既知であるように、一定の閾値を超える静電圧を印加することによって、ＣＭＵＴセル１０３は、膜１１４が基板１１２上につぶれるつぶれ状態に入る。この閾値は、ＣＭＵＴセル１０３の正確な設計に依存し、膜１１４がバイアス電圧の印加中にファンデルワールス力によってセルフロアに貼り付く（接触する）ＤＣバイアス電圧として定義される。膜１１４と基板１１２との間の接触量（面積）は、印加されるバイアス電圧に依拠する。図７ａ〜図７ｄを用いてより詳細に説明されるように、膜１１４と基板１１２との間の接触面積を増大させることにより、膜１１４の共振周波数が増大する。

つぶれモードＣＭＵＴセル１０３の周波数応答は、つぶれ後にＣＭＵＴ電極に印加されるＤＣバイアス電圧を調整することによって変更される。結果として、ＣＭＵＴセルの共振周波数は、より高いＤＣバイアス電圧が電極に印加されるにつれ増大する。この現象の背後にある原理は、図７ａ及び図７ｂに示される。図７ａ及び図７ｃの断面図は、各図において、膜１１４の外側の支持体と、膜が空洞１１８のフロアにタッチし始める地点との間の距離Ｄ１及びＤ２によってこれを１次元で示す。相対的に低いバイアス電圧が印加されるとき、距離Ｄ１は、図７ａにおいて相対的に長い距離であるのに対し、図７ｃにおける距離Ｄ２は、より高いバイアス電圧が印加されていることに起因してはるかに短い距離であることを見てとることができる。これらの距離は、端部によって保持され、その後引っ張られる長いストリング及び短いストリングと比較され得る。長く弛緩したストリングは、引っ張られたとき、より短く強く張ったストリングよりもはるかに低い周波数で振動する。これに類似して、図７ａにおけるＣＭＵＴセルの共振周波数は、より高いプルダウンバイアス電圧を受ける図７ｃのＣＭＵＴセルの共振周波数よりも低くなる。

現象は、実際にはＣＭＵＴ膜の有効動作エリアの関数であるため、図７ｂ及び図７ｄの２次元の図からも理解することができる。図７ａに示すように、膜１１４が単にＣＭＵＴセルのフロアにタッチしているだけのとき、セル膜１１４の非接触（自由振動）部分の有効振動エリアＡ１は、図７ｂに示すように大きい。中心１７の小さな孔は、膜の中心接触領域を表す。大きなエリアの膜は、相対的に低い周波数で振動する。このエリア１７は、膜１１４のエリアであり、ＣＭＵＴセルのフロアにつぶれる。しかし、膜が、図７ｃ等のより高いバイアス電圧によってより深くつぶれるように引かれるとき、図７ｄに示すように、中心接触エリア１７’が大きくなると、より自由度の低い振動エリアＡ２がもたらされる。このより自由度の低いエリアＡ２は、より大きなＡ１エリアよりも高い周波数で振動することになる。このため、ＤＣバイアス電圧が減少すると、つぶれたＣＭＵＴセルの周波数応答が減少し、ＤＣバイアス電圧が増大すると、つぶれたＣＭＵＴセルの周波数応答が増大する。

図８は、送信中に一定の周波数のＡＣ変調又は周波数変調の形態の刺激を含む印加されたＤＣバイアス電圧の関数として、つぶれモードにおける通常のＣＭＵＴセル１０３の音響圧力出力の等高線図を示す。対応するパルス長は、印加される周波数の半分である。等高線図から見て取ることができるように、ＣＭＵＴセル１０３が固定電圧又は静電圧、例えば、静的値のＤＣバイアス電圧で動作するとき、小さな範囲の周波数のみで最適な音響性能が得られる。しかしながら、等高線図における破線によって示されるように、バイアス電圧とバイアス電圧信号における周波数変調とを相関した方式で変動させるとき、ＣＭＵＴセル１０３の最適な音響性能は、はるかに大きな周波数範囲にわたって達成され、それによって、ＣＭＵＴセル１０３を含む超音波プローブの送信モードにおいて生成される超音波パルス（又はパルス列）の有効帯域幅が増大する。このため、この例におけるように、周波数は、７ＭＨｚ〜１７ＭＨｚの周波数範囲、３ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ、又は更には２ＭＨｚ〜１５ＭＨｚに及ぶ、より大きな周波数範囲において変動させることができる。

これは、つぶれ状態におけるＣＭＵＴセル１０３の共振周波数が、印加される（ＤＣ）バイアス電圧の関数であることを説明した図７ａ及び図７ｄに戻って参照して理解することができる。適切な設定周波数を有する刺激を印加することによって特定の設定周波数の超音波パルスを生成するときに印加されるバイアス電圧を調整することによって、パルス周波数ごとに、ＣＭＵＴセル１０３の（近）最適音響性能を呈する異なる周波数のパルスを生成することができる。したがって、これにより、撮像スペクトルの大きな帯域幅にわたって（近）最適の撮像分解能が保証される。

音響波減衰は、周波数が増大するとともに増大する一方、超音波画像分解能は、周波数が増大するとともに低減する。例えば、組織内の２サイクルパルスの場合の通常の深度及び軸方向分解能は、以下の表に与えられる。

最適要件及びペネトレーション要件を妥当に満たすために、ほとんどの診断用途のための周波数範囲は、２ＭＨｚ〜１５ＭＨｚである。範囲のより低い部分は、深さの増大（例えば、関心領域が体内のより深くに位置する）又は（例えば、経頭蓋研究における）高い減衰に遭遇したときに有用である。周波数範囲のより高い部分は、僅かなペネトレーションしか必要とされないとき（例えば、乳房、甲状腺、若しくは表在血管の撮像時又は小児撮像時）に有用である。ほとんどの体格の大きな患者において、３ＭＨｚ〜５ＭＨｚが満足のいく周波数であるのに対し、体格の細い患者及び子供において、５ＭＨｚ及び７．５ＭＨｚを多くの場合に用いることができる。１５ＭＨｚを超える、より高い周波数範囲は、ＩＶＵＳ、ＩＣＥ、ＦＬ−ＩＣＥ等の、体腔内（血管内）プローブを用いた高分解能の撮像をもたらすことができる。これらのプローブは、体腔内、血管内等、ＲＯＩのより近くに位置決めすることができる。

本発明は、ＣＭＵＴトランスデューサの単一のアレイ１４を用いて広い周波数範囲における可変周波数超音波撮像の一意の組合せを提供する。

図９は、ＲＯＩに対するプローブの位置が固定された本発明の実施態様を示す。プローブ１０を用いて、ボリューム視野１３１の超音波画像が取得される。トランスデューサ周波数コントローラ６２は、関心領域特定部７２に応答し、ボリューム視野１３１内でステアリングされる相対的に低い周波数（第１の周波数）の超音波ビーム、及び特定されたＲＯＩ８２’を取り囲むボリューム領域１３２内でステアリングされる相対的に高い周波数（第２の周波数）の超音波ビームを設定する。干渉分析器６９は、第２の周波数を閾値周波数値と比較する。閾値周波数値は、ユーザインターフェース３８を介して手動で入力することができるか、又は所与のアレイを有するプローブ１０がシステム１００に結合されると、超音波システム１００によって自動的に認識することができる。動作周波数値が閾値周波数を超えると、干渉分析器６９は、受信したグレーティングローブの影響が、所与の撮像条件において最小に低減されるように、ビームステアリングパラメータを調整する。例えば、第２の周波数値は、閾値より低く低減される。

ＣＭＵＴによって受信されるエコーは、ビームフォーマによってビーム形成される。ビームフォーマは、ボリューム領域内で相対的に低い空間分解能を有し、関心領域内で相対的に高い空間分解能を有するボリューム領域の超音波画像データを提供する。これらの超音波データは、画像プロセッサ６８において処理され、低い空間分解能データに基づくボリューム領域の広域ビュー８０及び高い空間分解能データに基づく関心領域８２の詳細ビュー１３２’が、図１０に示すように生成される。特定されたＲＯＩ８２を取り囲むボリューム領域１３２の詳細ビュー１３２’は、プローブとＲＯＩとの間に位置するエリアの画像１３３も含む。図１０は、互いに空間的に位置合わせされた広域ビュー８０及び詳細ビュー１３２’を有する、ユーザに表示される２Ｄ超音波画像の表示９９を示す。選択されたＲＯＩ８２は、詳細ビュー１３２’において、増大した撮像周波数で表示される。相対的に高い周波数を有する超音波ビームのペネトレーション深度は、相対的に低い周波数を有する超音波ビームのペネトレーション深度と比較して低減されるので、相対的に高い周波数範囲の上限周波数は、ＲＯＩが位置する深度（プローブに対する距離）によって制限され、画像プロセッサ６８によって計算中に考慮に入れられる。上側の第２の周波数に対する（したがってペネトレーション深度に対する）更なる制限が、干渉分析器６９によって計算される閾値周波数によって課される。これは、ＲＯＩに対するプローブの位置が固定されるこの実施形態について成り立つ。システム１００は、まず、相対的に低いビーム周波数を用いてボリューム視野の超音波データを取得し、これによりボリューム領域の周囲のコンテキストを与え、更に、ＲＯＩ８２’の特定時にＲＯＩ８２’への「ズームイン」を行う。この段階において、強力な反射体を特定するために、得られた低周波数画像も処理され、特定されたＲＯＩ内でステアリングされるビームが、最適な超音波画像取得に従って調整されることになる。

詳細ビュー１３２’は、以前に取得され、図１０ｃに示すようなコンテキストで表示された広域ビュー８０の隣でリアルタイムに更新することができる。ユーザインターフェース３８の手動選択は、可変周波数範囲からの相対的に低い周波数及び相対的に高い周波数の周波数選択と、方位角及び仰角のステアリング角等のビームステアリングパラメータ選択とを更に含む。ユーザインターフェース３８を介して、ユーザは、広域ビューにおける強力な反射体のロケーションも手動で選択し、これらのロケーションは、干渉分析器によって更に用いられる。画像プロセッサと通信する干渉分析器６９は、閾値周波数の組のためのペネトレーション深度を含む予測超音波画像品質を推定する。これらの組は、アレイピッチ値に等しい超音波波長、及びステアリングされたビームに対し高い輝度領域のロケーションから導出された周波数を含む。対応する超音波画像品質を有するこれらの組は、ユーザに与えられる。ユーザは、所与のワークフローの閾値周波数を更に選択することができる。例えば、視野を増大させることと、周波数を閾値より低く更に低減するか、又は視野を減少させるが周波数を閾値を超えて保持することとの間でトレードオフが行われる。後者の場合、より多くのアーチファクトを有する高分解能の画像が得られる。このようにして、ユーザは、ビームステアリングパラメータに対し更なる制御を有し、更に、いずれかの方向にビームのステアリング角を手動で調整し、ビーム周波数又は受信した信号のフィルタリングを変更する。

代替的に、ＲＯＩ８２の詳細ビュー１３２’及び広域ビュー８０は、互いの隣に表示することができる。心臓撮像中の心臓学用途において、超音波画像の表示及び取得は、ＥＣＧゲーティングによって心臓サイクルと同期される。

ＣＭＵＴアレイ１４が線形アレイである場合、トランスデューサ周波数コントローラ６２は、異なる周波数を有する個々のトランスデューサセル１０３に対処（これらのセルを駆動）することができ、それによって、ＲＯＩは高い周波数で撮像され、他の要素は低い周波数に維持される。線形アレイを用いて取得される代表的な画像が図１０ｂに示される。埋め込まれたリアルタイム高周波数詳細ビュー１３２’画像は、リアルタイム低周波数広域ビュー８０画像と同時に生成される。これは、周囲のコンテキストが相対的に高い深度でリアルタイムに（より低い分解能であるが）依然として撮像されており、例えば、ＲＯＩの周囲で生じるツールの方向付け及びナビゲーションを可能にするという利点を有する。また、ＣＭＵＴアレイ１４が図１０ａ及び図１０ｃに示すようなフェーズドアレイである場合、同様の画像を得ることも可能である。フェーズドアレイの場合、画像を構成するラインごとに、より低い周波数ラインを含む広域ビュー８０画像に高周波数詳細ビュー１３２’画像が埋め込まれるように全てのトランスデューサに適切な周波数が選択されるようにビーム形成が行われる。ＲＯＩ８２’の詳細ビュー１３２’及び広域ビュー８０の双方の図がリアルタイムで更新される場合、フェーズドアレイを備えるシステムは、低周波数でボリューム視野１３１のボリュームの第１の全てのライン、そしてより高周波数で特定されたＲＯＩ８２を取り囲むボリューム領域１３２の全てのラインを連続して取得することができる。取得された図を、更にインタリーブ又は補間して、１つの超音波画像にすることができる。これについては図１０ｃに示される。代替的な取得ワークフローにおいて、広域ビュー８０は、詳細ビュー１３２’を超えて更新され、ユーザに表示される結果として得られる画像が図１０ａに示される。前者は、例えば介入性のデバイスを追跡するための、全体ボリュームのリアルタイムビューの利点を有する。後者は、より少ないラインが取得され、より高いフレームレートを達成することができるという利点を有する。

図１１は、本発明の第２の実施形態を示し、プローブの位置は、ボリューム視野１３１’内で変動させることができる。例えば、プローブは、ＲＯＩに向かう方に、及びＲＯＩから離れる方に容易に並進可能であるように、前方監視構成又はエンドファイアリング構成で設置することができる。これは、例えばＥＰ１７４２５８０Ｂに記載されているようなＩＶＵＳ、ＩＣＥ、ＦＬ−ＩＣＥ等の体腔内プローブを設けることによって実現することができる。体腔内プローブは、ボリューム領域を走査するように掃引される遠位先端部にトランスデューサアレイを含む。ボリューム掃引は、１Ｄアレイの機械的動き又は２Ｄアレイを用いたビームの電子ステアリングのいずれかを与えることによって行うことができる。トランスデューサアレイは、プローブの遠位先端に位置する流体チャンバ内に含まれ、流体は、プローブと撮像されたボリューム領域との間に適切な音響カップリングを与える。図１２において、超音波システム１００’が概略的に示される。システム１００’は、プローブ及びＲＯＩ特定部７２（任意選択で分析ユニット６８’）に結合された駆動機構２１を更に備え、駆動機構は、撮像中にプローブ１０を動かすように動作する。駆動機構２１は、位置センサ５２からの信号も受信する。位置センサ５２は、プローブの空間ロケーションを追跡し、これにより、ボリューム視野１３１’内のプローブの動きを与える。この実施形態は、ＲＯＩ８２を撮像することができる高周波数の上限に対し、より高い柔軟性を与える。ＲＯＩが特定されると、画像プロセッサ６８は、ＲＯＩ特定部によって提供された特定データに基づいて、ＲＯＩ８２の座標、及びボリューム視野１３１内で特定されたＲＯＩを取り囲むボリューム領域１３２を計算する。トランスデューサアレイ１４（又は実際はプローブ１０）とＲＯＩとの間の距離が、選択された高周波数（ただし、この周波数は閾値周波数値より低い）を有するビームのペネトレーション深度を超えている場合、駆動機構２１は、ボリューム視野１３１’（図１１ｂ）内のＲＯＩに向かってより近くに動くように通信され、それによってＲＯＩの「ズームイン」画像を取得することができる。干渉分析器６９は、相対的に高い周波数（第２の周波数）が、アレイピッチ値に等しい超音波波長から導出された閾値周波数、及び／又はステアリングされたビームに対して高輝度領域のロケーションから導出された閾値周波数のうちの一方を超えることを特定する。駆動機構は、最も小さな特定された閾値周波数値に対応する計算されたペネトレーション深度に基づいて、ＲＯＩに対する距離を適合させることができる。代替的に、ユーザは、所望の画像品質、及びそれに対応してＲＯＩへの距離を選択する。この実施形態は、ビームステアリング角調整のより良好な実施を有する。なぜなら、超音波アレイをＲＯＩに対し動かしながら、同時にＲＯＩ内のビームのステアリング角を低減することができるためである。

図１２は、ユーザに表示される２Ｄ超音波画像の表示９９を示す。第１の実施形態と同様に、詳細視野８２及び広域視野８０が互いの隣に又は空間的に位置合わせされて示される。後者は図１２に示され、線形アレイ及びフェーズドアレイを用いて得られた画像が互いの隣に配置されている。図１０ａ〜図１０ｂと比較して、詳細ビュー８２は、ユーザにとって、プローブの位置がＲＯＩのロケーションに対し固定されている実施形態と比較して大きなペネトレーション深度を有するように見える。詳細ビュー画像は、プローブの進行（動き）中に連続して取得することができ、それによって、広域ビュー画像８０をリアルタイムで更新することができ、より高い分解能の詳細ビュー画像８２が異なる時点に取得される。

ＲＯＩの特定及びユーザが特定したパラメータに基づいて、画像プロセッサ６８は、軸方向のノイズ、横方向のスペックル、軸方向の輝度等の画像品質パラメータについて得られた超音波データを分析する。これらの品質パラメータは、ユーザに更に表示される。これらの品質パラメータは、プローブを自動的に動かすための駆動機構への入力として用いることができ、これがＲＯＩ画像品質の自動最適化のためのフィードバックループの一部となることができるようにする。そのような自動化は、プローブの精細な動きのために用いられる一方で、ユーザインターフェースを介して動き全体を制御することができる。

超音波画像の品質パラメータも、干渉分析器６９によって調整されるビームステアリングパラメータによって求められる。ユーザインターフェース３８を介して、ユーザに、駆動機構動作及びビームステアリングに対する更なる制御を与えることができる。ユーザインターフェースは、ディスプレイに関連付けられたタッチスクリーンとすることができ、これによってユーザは、表示された画像において、ＲＯＩ、プローブの動き、及び強力な反射の領域を手動で定義することが可能になる。ＲＯＩをタッチし、且つ／又は「ピンチイン」又は「ピンチアウト」の動きを行うことにより、プローブを特定の方向に物理的に動かすことができ、所与のプローブ位置についてペネトレーション深度が十分である場合、詳細な画像が取得される。

代替的な実施形態において、相対的に高い周波数で得られるＲＯＩのリアルタイムの詳細な３Ｄ視野が、広域ビュー２Ｄ画像内に埋め込まれる。これは、広域２Ｄ画像の取得が消費する処理能力及びトランスデューサの利用量がより少なく、３Ｄ画像（又は２方向ＲＯＩ）を可能な限り最も高いフレームレートで得ることができるという利点を有する。１つの次元（例えばＩＣＥ）において小さな開口を有するアレイの場合、この実施形態は、より好都合な開口寸法（ＩＣＥ軸方向及び横方向）に基づく広域ビュー撮像及び全ての次元（例えば、仰角を含むＩＣＥ）における詳細なＲＯＩ撮像を提供し、これは高周波数においてより好都合になる。

ＲＯＩ特定部は、任意選択で、超音波増強コントラスト特徴を用いてマーキングすることができる、カテーテル、ニードル、ツール等の特定の物体からの超音波データを用いてＲＯＩを自動的に特定することができる。これらの物体は、それらの形状及び態様（又はマーカ若しくは位置センサ）により、画像分析ユニット６８’によって認識することができ、ＲＯＩの座標を自動的に生成することができる。

別の実施形態では、関心ボリュームの画像を、まず相対的に高い周波数ビームを用いて取得することができ、この関心ボリュームは、ユーザによってＲＯＩとして特定することができる。更に、ユーザは、より高いペネトレーション深度で広域ビュー画像を得るために、ユーザインターフェースを介して、ＲＯＩのために用いられた周波数に対して撮像周波数を減少させる。広域ビュー画像は、ＲＯＩを含む。前の実施形態と同様に、これらの視野は、互いの隣に、又は空間的に位置合わせされて表示される。

ＣＭＵＴに適用されるバイアス電圧変化の最適速度を与えるために、可変周波数ビームフォーマユニット６４’の（又は任意選択でトランスデューサ周波数コントローラ６２の）集積回路（ＩＣ）電子機器上に別個の要件が課される。上記で説明したほとんどの事例について、現在のＩＣ電子機器技術は十分である。代替的に、更に高速なバイアス電圧変化が必要とされる場合、ＷＯ／２０１５／０８６４１３に記載されるような３端子ＣＭＵＴが用いられる。

図１４は、本発明による可変周波数画像取得のためのワークフロー２００を示す。ステップ２０１において、広域ビュー８０を含むボリューム視野１３１が撮像される。ステップ２０２において、ＲＯＩ８２は、特定部によって検出され、例えば、解剖学的特徴３０の区別に基づいて、又はユーザ入力に基づいて、自動検出を行うことができる。ステップ２０３において、ＲＯＩの輪郭がユーザに表示される。加えて、ボリューム領域内の高輝度領域も特定され、ユーザに示される。この段階において、ユーザは、ユーザインターフェース３８を介してシステム１００と手動でインタラクトし、ＲＯＩのサイズ、ロケーション、及び高輝度領域のロケーションを調整することもできる。更に、ステップ２０４において、ユーザは、ＲＯＩの詳細ビューの所望の分解能（又は周波数）を選択することができる。画像プロセッサ６８は、選択された分解能を、トランスデューサ動作周波数に更に変換する。代替的に、このステップにおいて、画像プロセッサ６８は、周波数上限を計算することができ、この周波数上限を用いて、ＲＯＩに対するプローブ１０（すなわち、プローブ内のトランスデューサアレイ１４）からの固定距離ＲＯＩ８２に基づいて、ＲＯＩ８２を撮像することができる。周波数上限は、いくつかの閾値周波数値、すなわち、ＲＯＩ内のビームのステアリング角に対する高輝度領域のロケーションから導出された第１の閾値、及び超音波波長がアレイピッチ値に等しい第２の閾値周波数値に基づいて計算することもできる。

計算された上限周波数又はユーザによって選択された周波数が閾値を超えている場合、ビームステアリングパラメータを干渉分析器６９によって調整することができる。この情報（周波数及びステアリング角）は、ディスプレイ上に表示される。ステップ２０５において、システム１００は、増大した分解能でＲＯＩの詳細ビューを取得する。ステップ２０６において、広域視野及び詳細視野がユーザに表示される。

図１５は、本発明の別の実施形態による可変周波数画像取得のためのワークフロー３００を示す。ステップ３０１において、ボリューム視野１３１が取得される。ステップ３０２において、ＲＯＩ８２は、特定部によって検出される。ボリューム領域内の高輝度領域も、画像プロセッサによって特定される。ステップ３０３において、ＲＯＩの外形及び高輝度領域のロケーションがユーザに表示される。この段階において、ユーザは、ユーザインターフェース３８を介してシステム１００’と手動でインタラクトし、ＲＯＩ及び高輝度領域のサイズ、ロケーションを調整することもできる。これと並行して、ステップ３０７において、画像プロセッサ６８は、プローブからＲＩＯの最も離れたエッジへの距離を計算する。更に、ステップ３０４において、ユーザは、ＲＯＩの詳細ビューの所望の分解能（又は周波数）を選択することができる。このステップにおいて、ユーザは、所与の超音波アレイを用いて、選択された分解能のための最適なビームステアリングパラメータの表示を与えられる。ステップ３０９において、この情報に基づいて、画像プロセッサ６８は、選択された分解能（周波数）に対応するペネトレーション深度を計算する。ステップ３０８において、プローブとＲＯＩとの間の距離がペネトレーション深度と比較される。この段階において、干渉分析器は、高輝度領域が検出される場合、ビームステアリングパラメータも調整する。計算されたペネトレーション深度がＲＯＩへの距離よりも大きい場合、ワークフローはステップ３０５に続き、ステップ３０５において、システム１００は、選択された分解能及び調整されたビームステアリングパラメータを有するＲＯＩの詳細ビューを取得する。計算されたペネトレーション深度がＲＯＩへの距離よりも短い場合、ワークフローはステップ３１０に続き、ステップ３１０において、駆動機構が、ＲＯＩのロケーションに向かうプローブの動きを与える。移動距離は、ＲＯＩロケーション、選択された分解能、及びビームステアリングパラメータによって求められ、パラメータは、高輝度領域の存在及びアレイの構造設計に依拠して干渉分析器によって調整される。移動距離が撮像されたボリューム（物体）の解剖学によって、プローブがこれ以上動くことができないように制限される場合、システム１００’は、解剖学的制限及び所与のアレイのピッチを考慮に入れてＲＯＩを取得することができる計算された最適な分解能でユーザにフィードバックを与える。更に、システム１００は、ステップ３０５において、選択された分解能又は最適な提案される分解能を有するＲＯＩの詳細ビューを取得する。ステップ３０６において、広視野及び詳細視野がユーザに表示される。

当業者であれば、本発明の原理を、２Ｄ及び３Ｄ双方の超音波撮像において実施することができることを理解するであろう。

単一のユニット又はデバイスが、特許請求の範囲において挙げられたいくつかの項目の機能を満たす。単に特定の手段が互いに異なる従属請求項に挙げられていることは、これらの手段の組合せを有利に用いることができないことを示すものではない。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又は他のハードウェアの一部として供給される光ストレージ媒体又はソリッドステート媒体等の適切な媒体上に記憶／配信されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線電気通信システムを介する等の他の形態で配信されてもよい。

請求項における任意の参照符号は、範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。

Claims (14)

1. 関心領域を含むボリューム領域の超音波画像を提供するための超音波システムであって、前記超音波システムは、
   ＣＭＵＴトランスデューサのアレイを有するプローブであって、前記アレイは、方位角次元及び仰角次元のうちの少なくとも一方におけるピッチ値を有し、前記アレイは、前記ボリューム領域にわたって可変周波数範囲内で超音波ビームをステアリングする、プローブと、
   前記アレイに結合され、超音波ビームの前記ステアリングを制御し、前記ボリューム領域の超音波画像データを提供するビームフォーマであって、前記ビームは、方位角及び仰角のうちの少なくとも一方のステアリング角においてステアリングされる、ビームフォーマと、
   前記ビームフォーマに結合され、前記ＣＭＵＴトランスデューサの動作周波数を前記可変周波数範囲内で変動させるトランスデューサ周波数コントローラであって、前記トランスデューサ周波数コントローラは、前記ボリューム領域内でステアリングされる超音波ビームに対して、動作周波数を第１の周波数に設定し、前記関心領域内でステアリングされる超音波ビームに対して、前記動作周波数を第２の周波数に変更し、前記第２の周波数は前記第１の周波数よりも高い、トランスデューサ周波数コントローラと、
   前記超音波画像データに応答する画像プロセッサであって、前記画像プロセッサは、前記ボリューム領域内の高輝度領域のロケーションを特定し、前記高輝度領域は、前記超音波画像の平均輝度よりも少なくとも２倍高い信号強度を有する、画像プロセッサと、
   前記画像プロセッサ及び前記トランスデューサ周波数コントローラに結合される干渉分析器であって、前記干渉分析器は、前記第２の周波数が、前記ステアリング角に対し前記高輝度領域の前記ロケーションから導出される第１の閾値周波数値を超えているとき、前記関心領域内でステアリングされるビームのビームステアリングパラメータのうちの少なくとも１つを調整する、干渉分析器と、
   を備える、超音波システム。
2. 前記ビームステアリングパラメータは、超音波周波数、受信信号スペクトルフィルタリング、方位角及び仰角のステアリング角を含む、請求項１に記載の超音波システム。
3. 前記干渉分析器は、前記第２の周波数を前記第１の閾値周波数値より低く低減させる、請求項２に記載の超音波システム。
4. 前記干渉分析器は、更に、前記第２の周波数を、前記第１の閾値周波数値よりも低い第２の閾値周波数値より低く低減させ、前記第２の閾値周波数値は、超音波波長が前記アレイのピッチ値に等しいトランスデューサ周波数に対応する、請求項３に記載の超音波システム。
5. 前記干渉分析器は、更に、前記第２の周波数を、前記第１の閾値周波数値よりも低い第２の閾値周波数値より低く低減させ、前記第２の閾値周波数値は、超音波波長が前記アレイのピッチ値に２を乗算した値に等しいトランスデューサ周波数に対応する、請求項３に記載の超音波システム。
6. 前記画像プロセッサに結合され、前記ボリューム領域内の前記高輝度領域及び前記関心領域のユーザによる手動選択に応答するユーザインターフェースを更に備え、前記ユーザインターフェースは、前記ユーザによる手動選択時に、前記ビームステアリングパラメータのうちの少なくとも１つを調整することを更に可能にされる、請求項２に記載の超音波システム。
7. 前記ユーザによる手動選択は、前記可変周波数範囲からの前記第２の周波数及び前記第１の周波数の周波数選択、並びに方位角及び仰角のステアリング角のような更なるビームパラメータ選択を更に含む、請求項６に記載の超音波システム。
8. 前記プローブは体腔内プローブであり、前記超音波システムは、
   前記プローブ及び前記画像プロセッサに結合され、撮像中に前記関心領域に対する前記プローブの動きを可能にする駆動機構を更に備える、請求項１に記載の超音波システム。
9. 前記画像プロセッサに結合され、前記ボリューム領域内の前記関心領域の手動の選択に応答するユーザインターフェースを更に備え、前記ユーザインターフェースは、ユーザの手動選択時に前記ビームステアリングパラメータのうちの少なくとも１つを調整することを更に可能にされる、請求項８に記載の超音波システム。
10. 前記ユーザインターフェースは、前記ボリューム領域内の前記高輝度領域の手動選択に更に応答する、請求項９に記載の超音波システム。
11. 前記ユーザによる手動選択は、前記可変周波数範囲からの前記第２の周波数及び前記第１の周波数の周波数選択、並びに前記方位角及び前記仰角のステアリング角のような更なるビームパラメータ選択を含む、請求項１０に記載の超音波システム。
12. 前記干渉分析器は、前記関心領域内でステアリングされるビームの前記方位角及び前記仰角のうちの少なくとも一方のステアリング角を低減する、請求項９に記載の超音波システム。
13. 関心領域を含むボリューム領域の可変周波数における超音波画像を提供する方法であって、前記方法は、
    前記ボリューム領域にわたって可変周波数範囲内で、方位角及び仰角のうちの少なくとも一方のステアリング角において超音波ビームをステアリングするステップであって、前記ステアリングするステップは、ＣＭＵＴトランスデューサのアレイを用いることによって行われ、前記アレイは、方位角次元及び仰角次元のうちの少なくとも一方におけるピッチ値を有する、ステアリングするステップと、
    超音波ビームの前記ステアリングを制御し、前記ボリューム領域の超音波画像データを提供するステップであって、前記制御は、前記ボリューム領域内でステアリングされる超音波ビームの第１の周波数を設定し、前記関心領域内でステアリングされる超音波ビームの第２の周波数に変更することを含み、前記第２の周波数は前記第１の周波数より高い、ステップと、
    超音波画像を生成するために前記超音波画像データを処理するステップと、
    前記ボリューム領域内の高輝度領域のロケーションを特定するステップであって、前記高輝度領域は、前記超音波画像の平均輝度よりも少なくとも２倍高い信号強度を有する、特定するステップと、
    前記ステアリング角に対し、前記高輝度領域の前記ロケーションから第１の閾値周波数値を導出するステップと、
    前記第２の周波数が、前記第１の閾値周波数値を超えているとき、前記関心領域内でステアリングされるビームのビーム周波数、方位角及び仰角のステアリング角のようなビームステアリングパラメータのうちの少なくとも１つを調整するステップと、
    を有する、方法。
14. 前記アレイのピッチ値に等しい超音波波長から第２の閾値周波数値を導出するステップと、
    前記第２の周波数が前記第２の閾値周波数値を超えているとき、前記ビームステアリングパラメータを更に調整するステップと、
    を更に有する、請求項１３に記載の方法。

Images