JP7212686B2 - 超音波プローブトランスデューサ試験 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断イメージングシステムに関し、特に、超音波プローブにおけるトランスデューサアレイの動作性（operability）を試験するためのシステム及び方法に関する。

超音波診断イメージングシステムは、特定のイメージング法のために設計された異なる種類の超音波プローブで動作するように設計されている。現代のイメージングプローブは、素子（elements）のグループを一緒に動作させて、超音波を送受信するアレイトランスデューサを使用する。直線アレイプローブは、各スキャンライン（scanline）のアクティブアパーチャ（active aperture）として素子のアレイのサブセットを使用し、アレイにわたって徐々にシフトされて、スキャンラインを完全に補うもの（full complement）をスキャンし、「トラクターの踏み付け（tractor-treading）」として知られるプロセスである。フェーズドアレイプローブは、それぞれ異なる方向に向けられたスキャンラインの送信と受信の両方のために素子のすべてを作動させる。各トランスデューサ素子は、プローブ内のマイクロビームフォーマに電気的に接続され、プローブは、次に、ケーブルによってシステムメインフレーム内のビームフォーマに接続されるか又はケーブルによってシステムビームフォーマに直接接続される。これらの電気的接続は、時間の経過とともに故障し、影響を受けた素子は、もはや、それが使用されるようにプログラムされたビーム形成に寄与しない。単一のトランスデューサ素子の故障は、一般に、プローブを画像化できない状態にすることはないが、プローブによってあるレベルの性能に慣れたユーザによって識別される画像品質に影響を及ぼし得る。従って、画像品質が低下した場合に、故障したトランスデューサ素子についてプローブを試験できることが望ましい。特許文献１（Burkeら）に記載されているように、素子ごとに、故障した素子についてアレイプローブを試験することが知られている。このような試験は欠陥のあるアレイ素子を突き止めることができるが、画像品質の観点から問題にアプローチすることが好ましい。何故なら、一般的にユーザはそのようにして問題を認識するかである。さらに、個々の素子を試験することは、プローブ内のマイクロビームフォーマレベルで作製されたビームフォーマチャネルへの接続を持つ数千の素子を有する二次元アレイトランスデューサの場合に問題となり得る。従って、故障したトランスデューサ素子が画像品質に及ぼす影響を分析することによって、故障したトランスデューサ素子に関する問題を診断し、同定することが望ましい。

米国特許第５，５１７，９９４号

本発明の原理に従って、画像品質の観点からトランスデューサプローブの性能問題を診断するための超音波システム及び試験方法が記載される。個々のトランスデューサ素子の接続を分析するのではなく、本発明のシステム及び方法は、プローブからのビーム形成された信号に対して動作する。ビーム形成された信号応答は、プローブ応答基準信号と比較され、ビーム形成された信号と基準との間の、画像品質に影響を及ぼすことが知られているレベルを超える変動が、プローブ故障のインジケータとして使用される。例えば、変動は、アレイのアパーチャ（aperture of the array）にわたる１つ又は複数のスキャンラインの周波数応答の中にあり得る。特定の態様において、システム及び方法は、例えば、２Ｄ、カラードップラー、ＰＷ、ＣＷ、及び３Ｄにおける動作に対して、イメージングモード毎のトランスデューサの性能を特に試験することができる。トランスデューサのモード毎の分析は、試験するためのポストビーム成形データ解析からの利点の一つである。

超音波アレイトランスデューサプローブの説明図である。 超音波プローブ内の典型的なアレイトランスデューサの構造の断面図である。 プローブスキャンラインの周波数応答とそのプローブの基準応答とのグラフによる比較である。 プローブの各スキャンラインの応答と各スキャンラインの基準応答とのグラフによる比較である。 本発明の原理に従って構成された超音波システムを形成するブロック図である。

最初に図１を参照すると、超音波プローブ１０が示されている。使用時には、プローブは、底部（ハンドル）部分によって保持され、上面のレンズ１２が、スキャン中に被験者の身体に押し付けられる。レンズの裏側には、画像形成のために超音波を被験者に送信し、そこからエコーを受信する、その一部がトランスデューサスタックアセンブリとして知られる、トランスデューサレイがある。プローブ１０は、メインフレーム超音波システムに無線又はプローブの底部から延びるケーブル（図示せず）によって接続される。

図２は、典型的なトランスデューサスタックアセンブリの断面図である。ＲＴＶゴムの音響レンズ３４が、プローブケース３６と同一平面になっているその外側の患者接触面を有する。音響レンズは、トランスデューサの音響インピーダンスを音響レンズ及び組織の音響インピーダンスに整合させる１つ又は複数の音響整合層３２を覆う。整合層３２は、その外側表面及び内側表面上にメッキされた電極９０、９２を有するトランスデューサ素子３０を覆う。下部電極９０は、一般に信号電極であり、上部電極９２は、リターン電極である。いくつかの導体４９、４９’が、トランスデューサ電極から延び、使用されるときに、プローブケーブルの個々の導体に接合される。導体４９、４９’によって占有されたトランスデューサ３０の後方の容積は、トランスデューサレイの後方から出る音響エネルギを減衰させる音響減衰材料で満たされる。

本発明の実施によって検出することができるトランスデューサ故障モードは、電極９０、９２から緩んでいる導体４９であり、影響を受けたトランスデューサ素子３０が超音波信号を送信又は受信することができないようにする。トランスデューサ導体は、適切にステアリングされ（steered）収束された超音波ビームを伝送するように素子のグループを作動させるとともにステアリングされ収束されたビーム方向に沿ってコヒーレントエコー信号を形成するように素子のグループによって受信される信号を遅延及び合計する、ビームフォーマのチャネルに結合される。例えば、１９２個のトランスデューサ素子のトランスデューサレイは、コヒーレントエコー信号の１２８のスキャンラインを生成するために、その受信信号をビームフォーマによってサブアパーチャグループで処理させ得る。本発明の原理に従って、各スキャンラインのパワー（power）及び周波数特性が分析され、特定のプローブタイプのスキャンラインの基準特性と比較される。図３は、例えば、試験されたプローブの１つのスキャンラインに対する周波数スペクトル６２を、同じプローブタイプの同じスキャンラインに対して典型的である基準スペクトル６０と比較して示している。この例では、周波数スペクトルは、約３ＭＨｚまでの低周波数で互いをトレースし（track）、その後、試験プローブのスペクトル６２は、基準スペクトル６０と比較して急速に低下することが分かる。矢印６６が示すように、予想される基準スペクトルと比較して、より高い周波数で試験されたプローブの周波数応答に２０ｄＢを超える差がある。ユーザはわずか３ｄＢのプローブ性能の差異が分かるので、この例の試験されたプローブは欠陥があると判断され、交換されるべきである。

図４は、本発明の別のプローブ試験を示す。この例では、プローブからのビームフォーマによって生成された各スキャンラインの周波数応答が図３に示すように測定され、各スペクトルの３～１０ＭＨｚ部分にわたる平均パワーが計算される。テストプローブのスキャンラインに対するこれらの平均パワー値は、図４のプロット７２を形成するようにプロットされる。テストプローブ値のプロット７２の上方に、そのプローブタイプに対する基準スキャンラインの平均パワー値が、７０で示されるようにプロットされる。矢印７４によって示されるように、テストプローブのスキャンライン応答は、一貫して、そのタイプのプローブについて予測されるスキャンライン応答７０よりも５～１０ｄＢ以上低い。この場合もまた、プローブに欠陥があると判断され、交換されるべきである。

図５は、本発明の原理に従って構成された超音波システムを形成するブロック図である。トランスデューサアレイ３０が、超音波を送信し、超音波エコー信号情報を受信するために、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３０は、例えば、仰角（３Ｄ）及び方位角の両方において、２次元又は３次元でスキャン可能なトランスデューサ素子の１次元又は２次元アレイであり得る。２次元アレイプローブは、アレイ素子による信号の送受信を制御するアレイ素子に結合されたマイクロビームフォーマを含む。マイクロビームフォーマは、米国特許第5,997,479号（Savordら）、第6,013,032号（Savordら）、及び第6,623,432号（Powersら）に記載されているように、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の少なくとも部分的なビーム形成が可能である。マイクロビームフォーマ又はトランスデューサ素子は、プローブケーブルによってビームフォーマ１４に結合される。マイクロビームフォーマが装備されている場合、又はマイクロビームフォーマがない場合、マイクロビームフォーマの制御下にあるトランスデューサアレイ３０からの超音波ビームの送信は、ビームフォーマ内の送信器によって指向され、この送信器は、超音波システム（図示せず）のユーザインターフェース又は制御パネルのユーザの操作からの入力を受信する。送信器によって制御される送信特性には、送信波形の周波数、振幅、位相、及び極性がある。パルス伝送方向に形成されたビームは、直線アレイプローブに典型的なトランスデューサレイから（直角方向に）まっすぐ前方に、又はフェーズドアレイプローブに典型的なようにより広い視野をスキャンするために異なる角度で、ステアリングされ得る。

トランスデューサ素子のグループ、直線アレイの場合はアレイのサブアパーチャ、フェーズドアレイの場合はアレイ全体によって受信されるエコーは、所望のビームステアリング及び集束に従ってビームを適切に遅延させ、次いでそれらを組み合わせることによってビームフォーマ１４内でビーム形成される。アナログビームフォーマが知られているが、現代の超音波システムは、ビーム形成に先立って、受信されたエコー信号をデジタル信号サンプルに変換することによって、デジタル領域においてビーム形成を実行する。マイクロビームフォーマによって生成された部分的にビーム形成された信号は、デジタル化され、ビームフォーマによって完全にビーム形成されたコヒーレントエコー信号に結合される。したがって、デジタルビームフォーマによって生成されるスキャンラインは、スキャンの最浅部から最深部までのコヒーレントエコー信号サンプルのシーケンスを含む。

コヒーレントエコー信号は、直交バンドパスフィルタ（ＱＢＰ）１６に結合される。ＱＢＰは、３つの機能：ＲＦエコー信号データの帯域制限、エコー信号データの同相及び直交対（Ｉ及びＱ）の生成、及びディジタルサンプルレートの間引きを実行する。ＱＢＰは、１つは同相サンプルを生成し、もう１つは直交サンプルを生成する２つの別々のフィルタを含み、各フィルタは、ＦＩＲフィルタを実装する複数の乗算アキュムレータ（ＭＡＣｓ）によって形成される。直交信号サンプルは、シグナルプロセッサ１８による信号処理を受け、これは、デジタルフィルタによるフィルタリングと、空間又は周波数合成によるようなスペックル低減とを含む。シグナルプロセッサはまた、ＱＢＰと同様に、周波数帯域をより低い又はベースバンド周波数範囲にシフトすることができる。シグナルプロセッサ１８のデジタルフィルタは、例えば、米国特許第5,833,613号（Averkiouら）に開示されているタイプのフィルタであり得る。

ビーム形成及び処理されたコヒーレントエコー信号は、検出器２０に結合される。Ｂモード（組織構造）イメージングのために、検出器は、アルゴリズム（Ｉ^２＋Ｑ^２）^１／２に従ってＩ，Ｑサンプルを処理することによってエコー信号の振幅検出を実行する。ドップラー（流量（flow）及び動き（motion））イメージングのために、検出器は、画像フィールド中の離散点からのエコー信号のアンサンブルを格納し、これらは次いで、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）プロセッサを用いて画像中の点におけるドップラーシフトを推定するために使用される。カラードップラー画像の場合、血管内の各点における推定ドップラー流量値は、壁フィルタ処理され、ルックアップテーブルを使用してカラー値に変換される。次いで、Ｂモードエコー信号は、ログコンプレッサ２２においてログ圧縮を受け、これは、ルックアップテーブルを使用することにより、それらの線形に配置された強度値を対数的に配置された強度値に変換し、それにより、組織のグレースケール強度値のより広い診断範囲を生成する。ドップラー信号及び組織信号は、画像のピクセルとして使用するための形態で、画像メモリ２４に格納される。

Ｂモード画像信号及びドップラー流量又は動き値の両方は、所望の表示フォーマット、例えば直線表示フォーマット又はセクター表示フォーマットで表示するために、Ｂモード及びドップラースキャンラインをそれらの取得されたＲ－θ座標からデカルト（ｘ、ｙ）座標に変換するスキャンコンバータ２６に結合される。Ｂモード画像又はドップラー画像のいずれかが単独で表示される、又はカラードップラーオーバーレイがＢモード画像の組織及び血管構造の血流を示す解剖学的レジストレーションで一緒に示される。スキャンコンバータ２６によって生成された超音波画像は、画像ディスプレイ５０に超音波画像の表示を生成するのに適した信号を生成する表示プロセッサ２８に結合される。

本発明に従ってプローブが故障したトランスデューサ素子について試験される場合、プローブは、被験者と接触していない間に動作される。すなわち、プローブのレンズ３４は空気に面しており、透過された超音波は、図２に示すように、空気－レンズインターフェース４０からトランスデューサ素子３０に反射される。反射信号は、トランスデューサ素子３０によって受信され、ビームフォーマ１４に結合され、このビームフォーマは、信号を、受信スキャンライン方向に沿ってコヒーレントエコー信号にビーム形成する。各スキャンラインのエコー信号は周波数アナライザ４０に印加され、これは、好ましい実施形態では、高速フーリエ変換アルゴリズムを実行するプロセッサを含み、同じタイプの処理が上述したドップラー処理のために使用される。よく知られているように、フーリエ変換は、振幅信号サンプルのシーケンスを周波数領域に変換し、ＦＦＴアルゴリズムは、1965年にCooley及びTukeyによりＦＦＴアルゴリズムが公表されて以来、振幅周波数変換のために広く使用されてきた。したがって、周波数アナライザ４０は、図３に６２で示すような周波数スペクトルを生成する。スキャンライン基準メモリが、プローブ１０と同じタイプの既知の良好なプローブを試験することから得られた基準周波数スペクトル６０を格納する。周波数アナライザ４０及びスキャンライン基準メモリ４４０によって生成された周波数スペクトルは、図２のスペクトルの３～１０ＭＨｚ範囲などの周波数範囲にわたって２つのスペクトルを比較するスキャンラインパワーコンパレータ４２に結合される。周波数毎の比較が、スペクトルが絶えず互いに所望の、例えば３ｄＢの、範囲内にあることが示される場合には、コンパレータは、表示プロセッサ２８に「良好」信号を印加し、この試験結果がディスプレイスクリーン５０に表示される。コンパレータが、スペクトルの相違（spectra divergences）が所望の範囲を超えることを示す場合、上記図３の３～１０ＭＨｚ範囲の２つのスペクトルの場合と同様に、コンパレータは、ディスプレイに「不良」信号を表示させる。この試験は、各スキャンラインについて繰り返され、プローブから生成された各スキャンラインが分析され試験されるまで、毎回の比較のためにメモリ４４から対応するスキャンライン基準スペクトルを取り出す（retrieving）。

図４の試験方法は、試験のために追加的又は代替的に用いられ得る。このような場合、図４で使用される３～１０ＭＨｚの範囲など、所定の周波数範囲にわたる既知の良好なプローブのスキャンラインの平均パワーの基準プロット７０が、スキャンライン基準メモリ４４に格納され、比較のためにスキャンラインパワーコンパレータによって取り出される（retrieved）。テストプローブからの各スキャンライン周波数スペクトルの平均パワー値は、スキャンラインパワーコンパレータによって同じ所定の周波数範囲にわたって計算され、各スキャンラインについての平均パワー値を生成し、これは、プロット７２によって示されるように、全てのスキャンラインについてプロットされ得る。次いで、スキャンラインパワーコンパレータ４２は、基準プローブとテストプローブのプロットを比較し、それらが任意のスキャンラインに対して３ｄＢなどの所定の量を超えて異なる（diverge）場合、次いで、コンパレータは、ディスプレイ５０への表示のために「不良」試験結果を送信する。プロットが互いに所望の範囲内にある場合、「良好」結果をユーザに表示する。

本発明の実装において使用するのに適した超音波システム、特に図５の超音波システムの構成要素構造は、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得ることに留意されたい。超音波システムの様々な実施形態及び/又は構成要素、例えば、周波数アナライザ４０及びスキャンラインパワーコンパレータ４２、又はその中の構成要素及びコントローラは、１つ又は複数のコンピュータ又はマイクロプロセッサの一部として実装され得る。コンピュータ又はプロセッサは、例えば、インターネットにアクセスするための、計算装置、入力装置、ディスプレイユニット及びインターフェースを含み得る。コンピュータ又はプロセッサは、マイクロプロセッサを含み得る。マイクロプロセッサは、例えば、ＰＡＣＳシステム又は高周波数及び低周波数画像をインポートするためのデータネットワークにアクセスするために、通信バスに接続され得る。コンピュータ又はプロセッサはまた、メモリを含み得る。画像メモリ２４及びスキャンライン基準メモリ４４などのメモリデバイスは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及びリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を含み得る。コンピュータ又はプロセッサは、さらに、ハードディスクドライブ又はフロッピーディスクドライブ、光ディスクドライブ、ソリッドステートサムドライブなどのリムーバブルストレージドライブであり得るストレージデバイスを含み得る。ストレージデバイスはまた、コンピュータプログラム又は他の命令をコンピュータ又はプロセッサにロードするための他の類似の手段であり得る。

本明細書で使用される場合、用語「コンピュータ」又は「モジュール」又は「プロセッサ」又は「ワークステーション」は、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、ＡＳＩＣ、論理回路、及び本明細書中に記載された機能を実行することができる任意の他の回路又はプロセッサを使用するシステムを含む任意のプロセッサベース又はマイクロプロセッサベースのシステムを含み得る。上記の例は単に例示的なものであり、従って、これらの用語の定義及び／又は意味をいかなる方法でも限定することを意図するものではない。

コンピュータ又はプロセッサは、入力データを処理するために、１つ又は複数のストレージ要素に格納される命令のセットを実行する。ストレージ要素はまた、要望又は必要に応じて、データ又は他の情報を格納し得る。ストレージ要素は、情報ソース又は処理マシン内の物理メモリ素子の形態であり得る。

上述の超音波画像の取得、処理、及び送信を制御するものを含む超音波システムの命令のセットは、本発明の様々な実施形態の方法及びプロセスなどの特定の操作を実行するように処理機械としてコンピュータ又はプロセッサに命令する様々なコマンドを含み得る。命令のセットは、ソフトウェアプログラムの形態であり得る。ソフトウェアは、システムソフトウェア又はアプリケーションソフトウェアなどの種々の形態であり得、有形且つ非一時的なコンピュータ可読媒体として具体化され得る。さらに、ソフトウェアは、ＦＦＴアルゴリズムモジュール、より大きいプログラム内のプログラムモジュール又はプログラムモジュールの一部などの、別個のプログラム又はモジュールのコレクションの形態であり得る。ソフトウェアはまた、オブジェクト指向プログラミングの形態のモジュール式プログラミングを含み得る。処理マシンによる入力データの処理は、オペレータコマンドに応答するか、以前の処理の結果に応答するか、又は他の処理マシンによって行われた要求に応答し得る。

さらに、以下の請求項の限定は、ミーンズプラスファンクションのフォーマットで記載されておらず、当該請求項の限定が「ミーンズフォー」の語句に続き、さらなる構造を欠く機能の記述を明示的に使用しない限り、米国特許法第１１２条第６パラグラフに基づいて解釈されることは意図されていない。

Claims (14)

1. 画像品質欠陥についてトランスデューサプローブを試験する超音波診断イメージングシステムであって：
   超音波エコー信号を取得するように構成されるトランスデューサ素子のアレイを有する超音波プローブと；
   前記トランスデューサ素子のアレイに結合されるとともに複数の取得されたエコー信号からスキャンラインのビーム形成されたエコー信号を形成するように構成されるビームフォーマと；
   前記ビーム形成されたエコー信号を受信するように結合されるとともに前記ビーム形成されたエコー信号の周波数応答を示す信号を生成するように構成される周波数アナライザと；
   前記ビーム形成されたエコー信号の前記周波数応答の基準信号を格納するように構成されるメモリと；
   前記周波数アナライザによって生成された前記周波数応答を前記基準信号と比較するとともに、前記の比較が前記周波数応答と前記基準信号との間に許容できない差を示すときに不良のプローブを識別する出力信号を生成するように構成されるコンパレータと；
   前記コンパレータから前記出力信号を受信するように結合されるとともに、前記不良のプローブの指示を表示するように構成されるディスプレイと；
   を有し、
   前記超音波プローブはさらに、前記トランスデューサ素子のアレイをカバーするレンズを有し、
   前記ビームフォーマはさらに、前記レンズが空気と接触するときに前記スキャンラインのビーム形成されたエコー信号を形成するように構成される、
   超音波診断イメージングシステム。
2. 前記超音波プローブはさらに、直線アレイプローブを含む、
   請求項１に記載の超音波診断イメージングシステム。
3. 前記超音波プローブはさらに、フェーズドアレイプローブを含む、
   請求項１に記載の超音波診断イメージングシステム。
4. 前記周波数アナライザはさらに、スキャンラインエコー信号のパワー対周波数応答を生成するように構成されるＦＦＴアルゴリズムを含む、
   請求項１に記載の超音波診断イメージングシステム。
5. 前記メモリはさらに、超音波プローブのスキャンラインのパワー対周波数応答の基準信号を格納するように構成される、
   請求項４に記載の超音波診断イメージングシステム。
6. 前記コンパレータはさらに、前記超音波プローブのスキャンラインの前記パワー対周波数応答を、前記メモリに格納された前記スキャンラインのパワー対周波数応答の前記基準信号と比較するように構成される、
   請求項５に記載の超音波診断イメージングシステム。
7. 前記ディスプレイはさらに、超音波プローブのスキャンラインの前記パワー対周波数応答の前記基準信号とともに前記超音波プローブのスキャンラインの前記パワー対周波数応答の表示を生成するように構成される、
   請求項６に記載の超音波診断イメージングシステム。
8. 前記コンパレータはさらに、前記周波数アナライザによって生成された前記スキャンラインエコー信号の前記パワー対周波数応答の平均パワーを計算するように構成される、
   請求項４に記載の超音波診断イメージングシステム。
9. 前記メモリはさらに、超音波プローブの前記スキャンラインエコー信号の前記平均パワーの基準信号を格納するように構成される、
   請求項８に記載の超音波診断イメージングシステム。
10. 前記コンパレータはさらに、前記プローブによって生成された前記スキャンラインエコー信号の前記パワー対周波数応答の平均パワー値を基準平均パワー値と比較するように構成される、
    請求項９に記載の超音波診断イメージングシステム。
11. 前記ディスプレイはさらに、プローブの前記平均パワー値の前記メモリに格納された前記基準信号とともに前記プローブの前記スキャンラインの前記平均パワー値の表示を生成するように構成される、
    請求項１０に記載の超音波診断イメージングシステム。
12. 前記ディスプレイはさらに、前記メモリに格納されたプローブの基準信号平均パワー値のプロットとともに前記プローブの前記スキャンラインの前記平均パワー値のプロットの表示を生成するように構成される、
    請求項１１に記載の超音波診断イメージングシステム。
13. 前記メモリはさらに、前記超音波プローブと同じタイプの既知の良好な超音波プローブのスキャンラインの前記パワー対周波数応答の基準信号を格納するように構成される、
    請求項７に記載の超音波診断イメージングシステム。
14. 前記メモリはさらに、前記超音波プローブと同じタイプの既知の良好な超音波プローブの平均パワー値の基準信号を格納するように構成される、
    請求項１１に記載の超音波診断イメージングシステム。

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