JPH0775637A

JPH0775637A - 心臓モニターと境界アレイスキャナーを有する超音波マンモグラフィーシステム

Info

Publication number: JPH0775637A
Application number: JP6150529A
Authority: JP
Inventors: Bruce C Mitchell; キャメロンミッチェルブルース; Leslie M James; エムジェームスレスリイ
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1993-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1995-03-20
Also published as: FR2706275A1; US5433202A; DE4419551A1

Abstract

(57)【要約】【目的】心臓モニター及び電子走査式境界アレイスキ
ャナーを備えた高分解能高コントラスト超音波マンモグ
ラフィーシステムを提供する。【構成】４つの辺を持つ合成境界スキャナー（２３
４）は、スキャナー各辺に設けたトランスデューサー要
素より成る電子走査式ラインアレイ（２１４、２１６）
を有する。トランスデューサー要素は、４つの辺アレイ
に交互に配置したプロジェクター（Ｐ３、Ｐ４）と水中
マイクロフォン（Ｈ３、Ｈ４）より成り、乳房の部分容
積の走査時１対ずつランダムにスイッチングされる。水
中マイクロフォンから発生する電気信号を処理すると、
順次行われる乳房部分容積の走査完了時に乳房全体に関
する画像データが得られる。乳房走査は心臓モニター１
３と同期して、患者の心拍間の時間内に一連の走査を完
了することにより行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマンモグラフィー（乳房
造影）システム、特に超音波マンモグラフィーシステム
及びこれに組み込まれる超音波スキャナーに係わる。

【０００２】

【従来の技術】マンモグラフィーとは主に医学的診断を
目的とする乳房造影法の総称である。ただし、“マンモ
グラフィー”という語はもっと狭い意味でＸ線乳房造影
を意味する語として使用されている。これは、今日まで
Ｘ線による造影が総合的に最も優れた造影結果を提供
し、従って、最も広く利用されていることによる。

【０００３】乳癌検診にＸ線マンモグラフィーは広く利
用され、成果を上げているが、欠点もある。第１に、Ｘ
線マンモグラフィーは放射線被曝の危険を伴ない、この
ような危険はもしこの方法に代わるものがあるなら回避
すべきものである。

【０００４】さらにまた、Ｘ線マンモグラフィーは装置
の性能に限界があるため乳房の造影が可能な有効深さに
制約がある。その結果、Ｘ線マンモグラフィーにより有
効な乳房造影を行うには多くの場合乳房を圧縮しなけれ
ばならず、これには苦痛を伴なう。

【０００５】Ｘ線マンモグラフィーは比較的若い女性患
者に対してその有効性に制約がある。Ｐａｔｒｉｃｉａ
Ｈａｒｐｅｒ等が英国で１９８１年に刊行されたＵ
ｌｔｒａｓｏｕｎｄｉｎＭｅｄ．＆Ｂｉｏｌ．に
発表した論文“ＵｌｔｒａｓｏｕｎｄＢｒｅａｓｔ
Ｉｍａｇｉｎｇ−−ＴｈｅＭｅｔｈｏｄｏｆＣｈ
ｏｉｃｅｆｏｒＥｘａｍｉｎｉｎｇｔｈｅＹｏ
ｕｎｇＰａｔｉｅｎｔ”に記載されているように、放
射線造影は若い女性の引きしまった乳房に存在する塊の
診断精度を著しく改善するには至っていない。即ち、こ
の論文に述べられているように、３０才未満の患者の大
部分に見られる傾向として乳房が主として線状組織で形
成されており、放射線造影上“引き締まった乳房”と呼
称される。Ｘ線マンモグラフィーにおいて使用される
“引きしまった乳房”という表現は線状組織のような密
な組織が大部分を占め、マンモグラフィーに使用される
キロボルト程度の電圧では、大部分を占めるこのような
組織とその他の組織との間ににおいて、それが正常なも
のであれまた病的なものであれ、充分なコントラストが
得られない。

【０００６】Ｘ線マンモグラフィーは画像の次元という
点でも制約がある。即ち、Ｘ線マンモグラフィー法にお
いては３次元の乳房全体のシルエットが２次元の感光板
上に投影される。他の次元に沿った画像を得るには別の
角度から造影しなければならない。

【０００７】乳房組織中の微小石灰化が悪性腫瘍の早期
前駆物質でありうることは公知である。従って、有効な
診断を行うためにはマンモグラフィーが１００ミクロン
（１／１００万メートル）またはそれ以下のサイズの微
小石灰化を検出するに充分な分解能を持たねばならない
とされている。従来、Ｘ線マンモグラフィー以外の方法
ではこのような高い分解能を望めなかったのに対してＸ
線マンモグラフィーには５０乃至７５ミクロンという微
小な石灰化を検出する能力があり、主としてこのような
理由からＸ線マンモグラフィーが広く受け容れられてい
る。

【０００８】Ｘ線マンモグラフィー以外にも種々のマン
モグラフィーが考えられるが、１９９０年にＥ．Ａ．Ｓ
ｉｃｋｌｅｓがＲｅｃｅｎｔＲｅｓｕｌｔｓｉｎ
ＣａｎｃｅｒＲｅｓｅａｒｃｈに発表した論文“Ｉｍ
ａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓＯｔｈｅｒｔｈ
ａｎＭａｍｍｏｇｒａｐｈｙｆｏｒｔｈｅＤｅ
ｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＤｉａｇｏｎｓｉｓｏｆ
ＢｒｅａｓｔＣａｎｃｅｒ”に記載されているよう
に、いずれも臨床用としてほとんど期待できないことが
明らかになっている。即ち、専用の乳房スキャナー及び
全身スキャナーを使用するコンピュータトモグラフィー
（ＣＴ）は多大の検査コストを要し、Ｘ線マンモグラフ
ィーの場合よりも放射線量の多いヨウ化物を静脈投与し
なければならず、しかも解析が難しい。

【０００９】同様に上記１９９０年の論文で指摘されて
いるように、透視法は光散乱という基本的な問題による
制約を受ける。磁気共鳴画像法は検出済みの病変につき
マンモグラフィー及び生理学的検査を補完するための診
断用テストとしてある程度の将来性を見込まれることが
指摘されている。詳細には、磁気共鳴は充分な精度で悪
性のしこりを良性のしこりから識別するのに有用であ
り、これにより良性の病変の多くにつき生体組織検査が
不要になると考えられている。

【００１０】今までのところ、改良型マンモグラフィー
を実現するものとして最も期待される新しい技術は過去
１０年に亘って発表された文献の多くが示唆しているよ
うに音波を用いる検査法の利用である。Ｂａｌｔｉｍｏ
ｒｅのＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰａｒｋＰｒｅｓｓにＰ
ａｔＨａｒｐｅｒ博士が発表した論文“Ｕｌｔｒａｓ
ｏｕｎｄＭａｍｍｏｇｒａｐｈｙ”には、１９６０年
代から１９８０年代にかけての超音波乳房検査法及びそ
の装置の発展についての記述がある。Ｈａｒｐｅｒは執
筆当時Ｘ線マンモグラフィーに対する付加的技術とし
て、唯一検査条件として厳密に規定された状況下におけ
る超音波の利点を認めようとする傾向が強まりつつある
と結論している。

【００１１】１９８３年の論文“ＢｒｅａｓｔＣａｎ
ｃｅｒＳｃｒｅｅｎｉｎｇｆｏｒＹｏｕｎｇｅｒ
ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓＷｏｍａｎ”及び１９
８１年出版 (John Wiley & Sons)のＵｌｔｒａｓｏｎｉ
ｃＥｘａｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＢｒｅａｓ
ｔにおいてＥｌｉｚａｂｅｔｈＫｅｌｌｙＦｒｙ
は、症候性の患者の検査に使用されるのと同様の装置に
よる乳癌検査を検討する過程で超音波造影が日本で利用
されていることを指摘している。Ｆｒｙ論文は３５−５
０才の女性にはＸ線マンモグラフィーもある程度効果的
であるが、３５才以下の米国の無症候の女性に利用でき
る第１の乳房検査技術は触診であると結論している。

【００１２】Ｆｒｙはまた、引きしまった（即ち、非脂
肪質の）乳房を持つ３５乃至５０才代の女性にとってＸ
線マンモグラフィーは適当な検査法ではなく、この年令
層にも触診に依存すべき女性が含まれることを指摘して
いる。触診では１ｃｍ以下の腫瘍を検出できないのが普
通であり、従って、早期発見という観点からその利用価
値には限界がある。５０才以下、特に３５才以下の成人
女性の検査に好適な非イオン化検査法を開発する努力が
望まれる。

【００１３】Ｆｒｙは早期癌が発見されることの多い年
令層の女性、即ち、若い女性における極めて小さい癌を
検出できるように米国においても超音波検査装置を改良
する努力を集中すべきであると勧告している。

【００１４】１９９０年のＳｉｃｋｌｅｓ論文では、乳
房検査における超音波の主な臨床的役割はのう胞（ｃｙ
ｓｔ）をしこりから区別することである。また、音響に
よる造影が最大の有用性を発揮するのは吸引処理が役に
立たない触診不能のしこりに対してのう胞としこりの区
別が必要な場合である（１９８７年のｋｏｐａｎｓ論
文、１９８４年のＳｉｃｋｌｅｓ等の論文）。このよう
な状況はマンモグラフィーだけで非石灰化、非針骨状し
こりが検出される場合にあてはまる。同様に、Ｌａｗｒ
ｅｎｃｅＷ．Ｂａｓｓａｔ及びＣａｒｏｌｙｎＫｉ
ｍｍｅ−ＳｍｉｔｈがＡＪＲ１５６に発表した１９９１
年の論文“ＢｒｅａｓｔＳｏｎｏｇｒａｐｈｙ”は乳
房造影のためのソノグラフ装置は改良を重ねられてお
り、乳房の音響造影が（Ｘ線）マンモグラフィーに必要
不可欠な補足手段としての役割を果すようになったと結
論している。公知のハードウエアを利用する乳房音響造
影法は年令に関係なく乳癌の発見には役立たない。この
ような音響造影の主な用途は触診可能な、Ｘ線マンモグ
ラフィーで視認可能なしこりをのう胞から弁別すること
である。

【００１５】Ｌ．Ｗ．Ｂａｓｓｅｔｔ博士等がＲａｄｉ
ｏｌｏｇｙに発表した１９９１年の論文“Ｕｓｅｆｕｌ
ｎｅｓｓｏｆＭａｍｍｏｇｒａｐｈｙａｎｄＳ
ｏｎｏｇｒａｐｈｙｉｎＷｏｍｅｎＬｅｓｓｔ
ｈａｎ３５ＹｅａｒｓｏｆＡｇｅ”は、若い女性
を対象とするＸ線マンモグラフィー及び乳房音響造影法
の有効性を論じている。この論文は高年令女性の放射線
を透過し易い乳房よりも若い女性の放射線不透過性の乳
房を検査する場合にマンモグラフィーの有効性が低くな
ると結論している。

【００１６】Ｌ．Ｗ．Ｂａｓｓｅｔｔ博士等がＲａｄｉ
ｏｌｏｇｙに発表した論文“Ａｕｔｏｍａｔｅｄａｎ
ｄＨａｎｄ−ｈｅｌｄＢｒｅａｓｔＵＳ：Ｅｆｆ
ｅｃｔｏｎＰａｔｉｅｎｔＭａｎａｇｅｍｅｎ
ｔ”は症候性患者の乳房を検査するように設計された自
動超音波装置が乳房の検査装置として期待されており、
その検出率はＸ線マンモグラフィーの検出率に近いと報
告されていることを指摘している。ただし、数人の研究
者はマンモグラフィーでは検出されたが自動超音波装置
では検出されなかった癌が少なくないと報告している。
無症候患者の良性の乳房病変を超音波で検出した場合、
これは不必要な生体組織検査に結び付く可能性が高いか
ら、この超音波法有用と考えるべきではないことが最近
になって強調されている。しかし、特定の臨床的状況下
では超音波がＸ線マンモグラフィーに対する補足手段と
して有用であることが立証されている。最も広く受け入
れられている超音波の役割は触診またはＸ線マンモグラ
フィーによって発見されたしこりからのう胞を弁別する
ことである。公知のハードウエアを利用する超音波法は
乳癌検査においてＸ線マンモグラフィーに取って代わる
ことができないが、患者によっては検査に重要な役割を
果たすかもしれないことはこの患者の観察から示唆され
る。

【００１７】Ｗ．Ｊ．Ｌｅｕｃｈｔ博士等がＢｒｅａｓ
ｔＤｉｓに発表した１９９２年の論文“Ｓｏｎｏｇｒ
ａｐｈｉｃＤｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎａｎｄＥ
ｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＭｉｃｒｏｃａｌｃｉｆｉ
ｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅＢｒｅａｓｔ”は、微
小石灰化の相関現象を（組織変質として、また可視化カ
ルシウム粒子として）音響造影により立証できることは
研究の結果明らかであると結論している。また、手術前
の乳房音響造影は正しい手術手順の決定を助けることが
できるから有用であると考えられることも指摘してい
る。即ち、悪性を示唆する微小石灰化の相関現象を音響
造影により検出することによって悪性を示唆する放射線
造影による微小石灰化の検出を補足することができる。

【００１８】以上に挙げた一連の論文からも明らかなよ
うに、超高分解能の超音波マンモグラフィーに対して関
心が急速に高まりつつあるということは、Ｘ線マンモグ
ラフィーに付随する苦痛と放射線被曝の問題及びもっと
有効な腫瘍検出法を開発したいという願望を反映するも
のである。音響法においてＸ線の分解能に匹敵する分解
能を得るには、乳房の不均質性から生ずる像のゆがみを
極力抑制しなければならない。不均質性の結果として、
音響路長が一定せず、音響路損失にばらつきが生じる。
装置のコストも重要な要因である。音響走査法は走査の
間身体が動かないようにしなければならない。一般にこ
れらの問題はアレイの物理的サイズを極力小さくし、素
子スポット数をできるだけ少なくしたスキャナーを有す
る超音波マンモグラフィーシステムを使用することで軽
減することができる。

【００１９】乳房組織の吸収係数は周波数が高ければ急
速に増大する。従って、乳房を充分に透過させるために
は比較的低い周波数と大型のトランスデューサーアレイ
を使用しなければならない。例えば、アレイの６インチ
下方の胸壁において１００μｍの分解能を得るには１０
ｍＨｚで作動する幅８インチの実アレイが必要である。
焦点からこのアレイ上の種々の点までの射線路はそれぞ
れ異なる路長を持ち、異なるタイプの組織を貫通する。
その結果、スキャナーアレイ全体にわたって信号振幅及
び位相にひずみが生じ、これが分解能を著しく低下させ
るおそれがある。このようなサイズの、多数の素子スポ
ットが詰まった方形スキャナーアレイは７．１×１０⁶
個の素子スポットを持つことになる。このようなスキャ
ナーアレイ及び関連の電子装置を製造することは公知技
術では不可能である。

【００２０】必要個数の素子スポットを設けると、超音
波マンモグラフィーシステムに過剰な演算動作が課せら
れることになる。典型的な乳房容積は８．２×１０^-4ｍ
³である。達成可能な音響分解能容積は２．５×１０^-12
ｍ³であり、乳房容積は３．２８×１０⁸個の分解能セル
から成る。スキャナーアレイは近傍視界の被写体では深
く作用するから、処理負荷はアレイの素子スポット数と
分解能セル数の積に比例する。間隔の詰まった上記８イ
ンチ方形実スキャナーアレイは上記乳房容積を造影する
ために約９．８×１０¹⁴回の実乗算を必要とする。典型
的な診療負荷は１日につき１００件の乳房であるから、
１．１×１０¹²回の実乗算／秒の処理速度が要求される
ことになる。これは装置の実現可能な能力よりも数けた
大きい量である。

【００２１】ミルズのクロスアレイはエレメントスポッ
ト数を係数Ｎ／２だけ減少させる。ただしＮは方形アレ
イの１辺に沿ったエレメントスポット数である。例え
ば、実乗算速度は毎秒８．３×１０⁹回乗算にまで低下
し、これは達成可能な値である。ミルズのクロスアレイ
の最大実寸法は詰まったアレイと同じであるが、音響伝
播路がゆがむ問題は未解決のまま残る。

【００２２】ミルズのクロスアレイの１次元ビーム分解
能はプロジェクターのビームによって与えられる。この
ビームの焦点範囲を中心とする被写体深度は超音波マン
モグラフィーに応用しようとすれば極めて浅い。即ち、
超音波マンモグラフィーの課題として、典型的な１２７
０個の水平位置のほかに、典型的には３７０層の深度平
面に対してプロジェクターを繰り返し焦点合わせしなけ
ればならない。片方の乳房を走査するのに必要な時間は
約３５秒である。１００ミクロン程度の分解能ではこの
時間が経過するうちに乳房の位置が許容範囲を越えて移
動する。

【００２３】現実のミルズのクロスアレイの最後の問題
点は、それぞれが約２６６７個の素子から成る２列の８
インチ実アレイを製造することである。これは公知技術
では不可能である。

【００２４】１個のプロジェクター素子を走査して合成
アレイを形成し、実水中マイクロフォンアレイでデータ
を採集するという構成でミルズのクロスアレイを実現す
れば走査時間と演算負荷は充分短縮されるが、アレイの
サイズは充分小型化されず、水中マイクロフォンの製造
に伴う問題も解決されない。

【００２５】水中マイクロフォンアレイの複雑さは単一
の水中マイクロフォンを走査して合成的にマイクロフォ
ンアレイを形成することによって軽減できる。即ち、
“アレイ”の全長に沿った各スポットにおいてプロジェ
クターが音響波を発射するのに合わせて水中マイクロフ
ォン素子を“アレイ”の全長に沿って移動させる。片方
の乳房を走査するのにこの方法は約２４秒を要し、この
時間は長過ぎる。

【００２６】Ｂ．Ｍｉｔｃｈｅｌｌ及びＧ．Ｇｒｅｅｎ
ｅによる出願中の米国特許出願第０８／０７２，８０６
号“ＳｏｎａｒＳｙｓｔｅｍＥｍｐｌｏｙｉｎｇ
ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＯｒｔｈｏｇｏｎａｌＡｒｒａ
ｙ”では、典型的な乳房の走査に要する時間が１．１秒
まで短縮されるように素子を１対に組み合わせた構成で
合成ミルズクロスアレイを実現している。ビームのサイ
ドローブは充分低いから状況によっては満足なコントラ
ストが得られるものの、患者が身体を動かした場合に起
こる画像の劣化を避けるには走査時間が長過ぎる。

【００２７】画像域上で円を描くように単一素子を走査
すれば、スポットライト・モードで使用される円形の合
成アレイを形成することができる。この方法なら片方の
乳房を０．４８秒で走査でき、この走査時間は許容でき
る値である。しかしサイドローブ応答が過大なためコン
トラストが弱まる。

【００２８】単一素子を用いて方形の合成アレイを形成
することもできる。片方の乳房の走査に要する時間は
０．４５秒程度であり、この点では問題ない。しかし、
低コントラストの原因となる高サイドローブの問題は円
形合成アレイの場合よりも深刻である。

【００２９】超音波スキャナーがＸ線検査法に匹敵する
成果を上げるには、これと同等の分解能、画像コントラ
スト、走査速度、及び許容できるハードウエア・コスト
を実現しなければならない。市販の超音波スキャナーは
分解能が比較的低いトランスデューサーのラインアレイ
で１次元走査することで必要な走査速度と低コストを達
成しているに過ぎないから、今日では使用されていな
い。

【００３０】ビームを電子的または機械的な方法で、こ
れまで走査されることのなかった横方向次元に集束さ
せ、限られた数のビームをその横方向次元に並列させる
ことにより、公知技術に改良を加えることが行われてい
る。１次元スキャナーからの２つの個別の扇形ビームを
利用し、これらのビームを直交方向から走査する試みも
なされている。しかしこれらの方法は乳房検査には役立
たないことが判明している。公知装置の分解能は最高で
も４００乃至１００ミクロンであり、得られる画像コン
トラストは直径５０００ミクロン以下の腫瘍を検出する
には不充分である。因みにＸ線を利用する方法では直径
１００ミクロンの微小石灰化を検出できる。極めて高い
３次元超音波分解能の達成を妨げる主な要因は、許容範
囲内の走査速度及びハードウエア・コストでは充分な画
像コントラストが得られないことであった。

【００３１】超音波マンモグラフィーへの関心が高まり
つつあるにも拘らず、上述のスキャナー分解能、画像コ
ントラスト及び製造上の問題がＸ線マンモグラフィーに
取って代わるような超音波マンモグラフィーの開発を妨
げる要因であった。

【００３２】本発明の基礎である上記特許出願に開示さ
れている基本発明は、１００ミクロン以下の微小石灰化
をも検出できる充分に高い分解能で、苦痛を伴わず、放
射線被曝の危険もない乳房造影を確実に行える超音波マ
ンモグラフィーシステム及びこれに組み込まれる超音波
スキャナーによる改良型の乳癌検査方式を提供しようと
するものである。

【００３３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の特徴は、基本
発明の超音波マンモグラフィーシステムの構成要件に加
えて、マンモグラフィーシステムの動作の信頼性を高め
るために心臓モニター回路を組み込み、さらに鮮明な画
像コントラストとさらに高速のターゲット走査を可能に
するためのシステム走査機構及び走査動作に改良に加え
たことである。

【００３４】即ち、本発明の超音波マンモグラフィーシ
ステムはそれぞれが所定間隔で連続配列された位置スポ
ットを有する所定数の辺で境界を形成した合成スキャナ
ーを含む。

【００３５】走査すべき乳房内へ音響信号を発信する手
段と、走査される乳房からの反射信号を受信する手段を
設ける。発信手段及び受信手段をスキャナーの各アレイ
辺に沿った所定場所に配置すると共に、乳房の全容積を
走査できるように各アレイ辺に沿って位置スポットから
位置スポットへ発信手段及び受信手段をステップ動作さ
せる手段をも設ける。発信手段に給電することによって
発信手段がステップ動作した各スポットから乳房内へ音
響信号を発信させる。

【００３６】受信手段が発生する電気信号を、受信手段
がステップ動作した各スポットにおいて受信される反射
音響信号に応答して処理することにより走査された乳房
領域の画像データを提供する。常態において患者の心拍
間の時間よりも短い時間で乳房走査を行えるようにステ
ップ駆動手段及び給電手段の作動速度を制御してリター
ンデータを得るための手段を設ける。画像データは表示
のため処理される。

【００３７】心拍ごとにこれが指示されるように患者の
心臓をモニターする手段を設ける。１つの心拍が検出さ
れてから次の心拍が検出されるまでの間に乳房容積が走
査されるようにステップ駆動手段、給電手段及び速度制
御手段を作動させる手段を設ける。

【００３８】本発明の他の特徴として、走査される乳房
容積を乳房の部分容積に等しくするビーム幅を用いるよ
うに発信手段及び受信手段を構成し、作用させる。さら
にまた、乳房部分容積の走査データが順次得られるよう
にスキャナーアレイを順次作用位置へ駆動する手段を設
け、部分容積ごとの走査データを組み合わて乳房全容積
の画像が形成されるようにする。

【００３９】なお、以上の総括的な説明も以下の詳細な
説明も想定し得るいくつかの実施例に基づく説明であ
り、特許請求の範囲によって限定される発明の内容を補
足説明するためのものである。

【００４０】添付の図面は本発明の好ましい実施例を示
し、以下この図面に沿って本発明の目的、利点及び原理
を説明する。

【００４１】図１には２つのトランスデューサーライン
アレイから成る公知のミルズクロススキャナーアレイ１
００を示した。ミルズのクロスは多年に亘ってソナー技
術に採用されて来たアレイ方式である。

【００４２】ここで本発明の理解を容易にするため公知
のミルズクロスアレイ１００について簡単に説明する。

【００４３】公知スキャナーアレイ１００は直交するプ
ロジェクター及び水中マイクロフォン軸１０２，１０４
を含む。Ｙ軸１０２に沿って（図示しない）小さな音響
プロジェクター素子が配列され、Ｘ軸１０４に沿って
（図示しない）小さな水中マイクロフォン受信素子が配
列されている。

【００４４】プロジェクター素子はＹ軸を囲む円に集束
する音響ビームを発信する。水中マイクロフォン受信素
子はＸ軸を囲む円から集束する反射音響ビームを受信す
る。ＸＺ及びＹＺ平面において分解能が最大となる点を
参照番号１０６で示してある。

【００４５】ある容積を音響的に走査してターゲットを
３次元で捕捉するには、各次元に沿ってＮ個の素子を配
した少なくとも２次元のスキャナーアレイが必要であ
る。“詰まった”２次元アレイと比較して、公知のミル
ズクロスアレイ１００では必要なトランスデューサー素
子の数がＮ²から２Ｎに減少する。既に述べたように、
実ミルズクロスアレイ１００の物理的サイズと“詰まっ
た”２次元アレイの物理的サイズは同じである。さら
に、マンモグラフィーシステム用として実際のミルズク
ロスアレイ１００及びその電子装置を製造することは不
可能でないとしても極めて困難である。

【００４６】素子を１対ずつ組み合わせた新しい合成ミ
ルズクロスアレイを有する改良型音響造影システムは上
記米国出願第０８／０７２，８０６号に詳しく記述され
ている。

【００４７】図２には公知の実方形境界スキャナーアレ
イ１１０を示した。境界アレイ１１０は並置関係にある
２つのミルズクロスアレイのそれぞれのＬ字形半体を組
み合わせたものであり、１／２のアレイサイズでミルズ
クロスアレイ１００と同じ分解能を達成できる。

【００４８】図示のように４本のラインアレイ１１２，
１１４，１１６，１１８が公知境界スキャナーアレイ１
１０における“境界”辺を形成している。対向辺１１
８，１１２は（図示しない）小さなプロジェクター・ト
ランスデューサー素子を有し、対向辺１１４，１１６は
（図示しない）小さな水中マイクロフォン・トランスデ
ューサー素子を有する。

【００４９】公知の実方形境界アレイの場合、水中マイ
クロフォン素子及びプロジェクター素子の数は同じ分解
能を有する実ミルズクロスアレイと同じであるが、プロ
ジェクターは２次元プロジェクターである。高分解能を
得るために２つの次元におけるプロジェクターの焦点合
わせにタイムラグを設ける必要がある超音波マンモグラ
フィーでは、走査時間が先に述べた実ミルズクロスアレ
イの走査時間のほとんど二乗となる。小さな素子を狭い
間隔で配列した大きいアレイを備え、かつ走査時間が長
い実方形境界アレイはマンモグラフィーに利用できな
い。

【００５０】本発明ではその特徴の１つとして境界アレ
イの水中マイクロフォン及びプロジェクターラインアレ
イを、構造が可能な限り単純化され、走査時間がぎりぎ
りまで短縮されるように合成的に構成する。要約すれ
ば、本発明はスキャナーアレイのサイズを著しく縮小す
ると共にトランスデューサー素子数を著しく減らしなが
ら乳房全体を走査できるように合成アレイ方式を採用す
る改良型超音波マンモグラフィーシステムを提供する。

【００５１】本発明の好ましい実施例を添付図面に沿っ
て以下に詳しく説明する。

【００５２】

【実施例】本発明のスキャナーアレイ１３０を図３に示
す。合成アレイ構造はアレイを構成するハードウエアを
単純化すると共にプロジェクターの被写体深度に関する
問題点を解消する。物理的素子数が少ないから、素子製
造技術を広い範囲から選択することができる。高コント
ラスト、高分解能の画像を確実に得るためには走査中に
被写体が不動でなければならない。特定のマンモグラフ
ィーにおいては走査時間が心拍間の時間、即ち、約０．
８秒以下でなければならない。詳しくは後述するよう
に、本発明は結果として確実に高分解能乳房画像を生む
同期走査を可能にするため心臓モニターリングを行う。

【００５３】合成アレイ方式は航空機に搭載される合成
レーダーアレイ技術に似ている。この“伝統的”方法の
うち、直線、円形境界、及び方形境界が最も広く利用さ
れている。既に述べたように、円形及び方形型構成は走
査時間に関する限り許容できるが、乳房を走査する場合
サイドロープのレベルに問題がある。素子を１対ずつ組
み合わせた合成ミルズクロスアレイの１．１秒という走
査時間は過大である。合成アレイ方式を本発明に採用す
ると、分解能が高いため比較的小さいアレイサイズでマ
ンモグラフィーにとって受入れ可能な走査時間が得られ
る。

【００５４】本発明の１実施例では、４個のトランスデ
ューサー素子Ｈ１，Ｐ１，Ｈ２，Ｐ２を図３に示すよう
に同一平面上の直線に沿って機械的に走査することによ
り、４辺形、好ましくは正方形のスキャナーアレイ１３
０が形成される。素子Ｐ１，Ｐ２はプロジェクターであ
り、素子Ｈ１，Ｈ２は水中マイクロフォンである。アレ
イの寸法はＬ×Ｌである。

【００５５】ビーム分解能がｘ軸沿いとｙ軸沿いとで異
なり、両軸沿いの素子スポット数が同じなら、（図示し
ないが）矩形境界アレイを形成することも可能である。

【００５６】合成境界アレイ１３０を形成するには境界
の各辺に各プロジェクター素子または水中マイクロフォ
ン素子を配置し、各辺に沿ってスポットからスポットへ
ステップ駆動されるようにする。それぞれの素子は方形
アレイ１３０のそれぞれの隅部からスタートする。起点
である隅部スポットにおいて、プロジェクターＰ１が先
ず音響パルス信号を発信し、反射音響データが両水中マ
イクロフォンＨ１，Ｈ２によって採取され、記憶され
る。次にプロジェクターＰ２が音響パルス信号を発信
し、その反射データが水中マイクロフォンＨ１，Ｈ２に
よって採取され、記憶される。

【００５７】反射データの採取後、プロジェクター素子
がそれぞれの辺に沿って次のスポット位置へ進められ
る。これらの素子スポット位置は等間隔に設定されるの
が普通であるが、間隔を可変としてもよく、スポットの
シーケンスは必ずしも各辺の一端から他端へプロジェク
ターを一様に移動させなくてもよい。ただし、結果的に
は各辺を全長に亘って走査しなければならない。

【００５８】各辺に沿ってプロジェクターの位置が変わ
ると水中マイクロフォンＨ１，Ｈ２の各辺に沿う位置も
変わる。これらの素子の位置は等間隔に設定してもよい
がランダムに設定してもよく、各素子はそれぞれの辺の
一端から他端へ同一方向に移動してもランダムに移動し
てもよい。ただし最終的にはそれぞれの辺を全長に亘っ
て走査しなければならず、各水中マイクロフォン素子ス
ポットを特定のプロジェクター素子スポットと対をなす
ように設定しなければならない。

【００５９】一定間隔で同一方向に位置スポットから位
置スポットへ移動するか、ランダムに移動するか、この
２つの基本的走査方法のいずれを採用するかによってア
レイビームパターンが異なる特性を呈する。採取データ
の処理方法もまたビームパターンの形状を変える。走査
及び処理方法は用途に合わせて選択される。

【００６０】最大分解能は下記のようにプログラムされ
たコンピュータ制御によりデータを処理することによっ
て得られる。発信されたパルスがＰ１から焦点へ移動
し、Ｈ１へ戻るのに必要な時間の間に採取され、記録さ
れたデータサンプルは各Ｐ１／Ｈ１スポット対ごとに検
索される。これらのサンプルを複素数の形で加算する。
Ｐ１／Ｈ２，Ｐ２／Ｈ１，Ｐ２／Ｈ２の組合わせについ
ても同じ演算を繰り返す。その結果４個の複素数が得ら
れる。Ｐ１／Ｈ１及びＰ２／Ｈ２複素数を加算し、同様
にＰ１／Ｈ２，Ｐ２／Ｈ１複素数を加算する。こうして
得られた２つの数の大きさを乗算する。その結果が式
（１）で表わされるビーム応答である。このデータ処理
を行うのに必要なロジックはブロック３７によって実行
される適当にプログラムされた手順で実現される。

【００６１】

【数１】このビームパターン関数は合成ミルズクロスアレイの分
解能の約４倍の分解能を持つ。これは扇形ビーム応答を
有する２つの部分アレイ出力の乗算によって形成される
から、コントラスト損失を招くような強く反響する人間
の乳房には利用できず、反響が表面近くに限られるか乳
房容積中散乱の要因数が限られている場合に利用でき
る。

【００６２】マンモグラフィーに擬似ランダム走査法を
採用すると、焦点からの距離が増すに従って部分アレイ
応答が急激に低下する。式（１）はビーム分解能を正確
に予想し、サイドローブは高コントラストを達成するに
充分な低いレベルである。１０ｍＨｚで動作する３イン
チ平方のアレイでは６インチの距離で１００ミクロンの
ビーム分解能が得られる。ランダム走査用オーバヘッド
方式では走査時間が約０．５秒であり、これは患者の身
体を動かす心拍に基づく限界を充分下回る値である。

【００６３】第２のデータ処理方法はＰ１，Ｐ２，Ｈ
１，Ｈ２を１対ずつ組合わせて得られる４通りの組み合
わせから得られる４個の複素数を加算する方法である。
この場合、分解能は部分アレイ出力を乗算することによ
って得られる分解能の１／２である。一様な素子走査の
場合、最も高いサイドローブは距離が伸びても６ｄＢし
か低下しないが、擬似ランダム走査法を採用すればサイ
ドローブがマンモグラフィーに受入れ可能なレベルまで
低下する。

【００６４】図４に示すマンモグラフィーシステム１０
は、本発明の上記データ処理手順に従って走査データか
ら３次元乳房画像を形成するための合成境界スキャナー
アレイ１００及びその他のシステム構成要素を含む。こ
のマンモグラフィーシステム１０は患者を仰向けにした
状態で使用される。

【００６５】システムの回路への指令信号を発生させる
ため、マンモグラフィーシステム１０はクロック及び制
御ブロック１１を使用する。好ましくは１／１０⁷の精
度で動作する高精度クロック１２がアレイ走査時間中に
絶対タイムベースを提供する。クロック１２を安定度の
高い水晶発振器として実現すれば、時報の長さに起因す
る偏差を６度以下に抑えることができる。

【００６６】心拍によって誘発される乳房の動きが乳房
を走査できる程度にまでおさまったことが指示されるよ
うに心拍モニターまたは検知器１３を利用する。この検
知器１３は心拍が起こる時を検知するため、いくつかの
標準的な感知方法、例えば電気的、音響的、加速式など
の方法のいずれかを利用する。乳房の動きが充分におさ
まったのを確認するための短い遅延時間を置いて、検知
器１３がクロック及び制御回路１１に信号を送って乳房
走査を心拍と同期させるタイムベースを提供する。この
遅延時間は検知方法に応じて異なるが、典型的には０．
１乃至０．２秒である。

【００６７】境界スキャナーアレイ１００のトランスデ
ューサー素子を駆動するトランスレーターモーター１４
を各トランスデューサーＰ１，Ｐ２，Ｈ１，Ｈ２ごとに
個別に設ける。モーター駆動用電子装置１６はクロック
及び制御ブロック１１からの指令信号に応答してモータ
ー１４への給電を制御する。

【００６８】図５は、本発明のテストに利用される素子
スキャナー機構１４１のためのテストシステム１４０を
示すブロックダイヤグラムである。このテストシステム
は卓上コンピュータ１４２から制御され、図５に示すよ
うに市販の部品を使用する。１個の素子１４３を移動さ
せるのに必要な機構を図示した。クロック及び制御手段
からの指令に応答してコンピュータ１４２がサーボシス
テム１４４に対して指令を発すると、サーボシステム１
４４は高精度親ねじ１４６を介して素子１４３を正しい
位置へ駆動する。図示の素子１４１及び（図示しない）
他の３個の素子の位置パターンはコンピュータ１４２に
よってあらかじめ計算され、記憶されている。即ち、こ
のテストシステムを利用することによってターゲットか
らデータを採取し、このデータを処理することによって
あらかじめ画像を得る。

【００６９】図４に示す電力増幅器１８，２０はアレイ
各辺におけるスポット位置において音響信号（pings)を
発するプロジェクターＰ１，Ｐ２とそれぞれ接続してい
る。乳房を走査する度に、クロック及び制御ブロック１
１がシステムを次の走査に備えてセットし、乳房が静止
状態にあることを指示する次の心拍検出信号を待つ。心
拍終了信号を受信すると、制御ブロック１１は音響信号
が所定時点、例えば次の正側ゼロ交差において送信され
るのをモニターし、送信すべき音響パルスを形成する所
定数の音響信号サイクルをゲートアウトする。心拍検出
信号受信後の音響信号送信に伴なう最大遅延時間は約
０．２マイクロ秒である。高精度のクロック制御は送信
パルスの開始を基準として行われるから、心拍検出信号
の受信から送信パルスの開始までの僅かな遅延はほとん
ど問題にならない。

【００７０】クロック及び制御ブロック１１が各ゲート
２２，２４に指令信号を送ると、これらのゲートは電力
増幅器１８，２０をトリガーすることによりプロジェク
ターＰ１，Ｐ２に給電して各スポット位置から音響信号
を発生させる。水中マイクロフォンＨ１，Ｈ２はそれぞ
れＰ１，Ｐ２に関連する反射音響信号を受信する。

【００７１】前置増幅器２６，２８は２つの水中マイク
ロフォンからの出力信号を増幅及び帯域フィルター処理
し、これを対応のＡ／Ｄコンバーター３０，３２がデジ
タル化する。これらのデジタル信号は走査プロセスが完
了するまで高速バッファメモリー３４に記憶される。記
憶される信号サンプルの形式は複素数でも実数でもよ
い。以後の演算を簡単にするためには複素数形式が好ま
しい。

【００７２】信号は集束ビームを形成するための演算に
先立って複素数形式に変換される。この処理は前置増幅
器２６、２８中のアナログ回路で９０°間隔で連続する
サンプルを、好ましくは同軸ケーブル遅延線を利用して
コンバータ３０，３２に導入するのか、またはあとでデ
ジタルフィルター処理することによって行うことができ
る。

【００７３】走査動作において、電力増幅器１８を通し
て送信パルスをプロジェクターＰ１へ向けるためクロッ
ク及び制御ブロック１１によってゲート２２が先ず導通
される。クロック制御の精度は送信パルスを発生させ、
受信素子において信号をサンプリングするために同じ精
度のクロックを使用することによって確保してあるか
ら、ゲート２２の制御が高精度である必要はない。送信
パルス全部を通過させるのに充分な時間に亘ってゲート
２２を導通させる。電力増幅器１８からの電気パルスが
プロジェクターＰ１によって音響パルスに変換され、乳
房（またはその他の）ターゲット域へ発信される。反射
パルスは水中マイクロフォンＨ１，Ｈ２によって受信さ
れ、電気信号に変換される。この電気信号は前置増幅器
２６，２８によって増幅され、コンバータ３０，３２に
よってデジタル形式に変換され、メモリー３４に記憶さ
れる。

【００７４】Ｐ１データが採取されると、Ｐ２ゲート２
４が導通し、上記プロセスが繰り返される。即ち、Ｐ２
からの音響信号が送信され、反射信号が水中マイクロフ
ォンＨ１，Ｈ２によって受信され、変換され、記憶され
る。Ｐ２データが採取されると、トランスデューサーＰ
１，Ｐ２，Ｈ１，Ｈ２のすべてがアレイ各辺上の次のス
ポットへステップ駆動され、上記Ｐ１及びＰ２による音
響信号の送信が繰り返される。走査が完了するまで、即
ち、トランスデューサー素子が境界アレイ各辺の全長に
沿った所定スポット位置のすべての順次占めるまでシス
テム１０はステップ駆動され、送受信を行う。

【００７５】走査は約０．５秒、即ち、患者の心拍間の
時間で完了できるから、システム１０をマンモグラフィ
ーに利用することができる。

【００７６】走査から採取された反射データは走査され
た乳房全容の画像を作成するためのベースとなる。即
ち、組織の形状は反射特性によって決定される。組織の
性質はこの形状と相対コントラストによって判定され
る。

【００７７】微小石灰化は比較的反射能が高いから出力
画像中で比較的明るく見え、腫瘍は周囲の組織よりも反
射能が低くなる傾向がある。システム１０はその分解能
が１００ミクロンであるから、１００ミクロンあるいは
それ以下の小さい石灰化を検出することができる。

【００７８】アレイ走査が完了したら、記憶データが演
算回路３６へ送られ、演算回路３６はターゲットである
乳房容積中の各部位における応答を演算する。各部位に
おける応答は該部位からのすべての反射信号をコヒーレ
ント加算するいわゆるビーム化によって演算される。音
響信号が各プロジェクタースポットからターゲット中の
各部位に達し、反射して水中マイクロフォンによる受信
点に戻るまでの距離に対応するタイムインターバルを計
算する。このタイムインターバルに記録された複素数信
号値を高速メモリー３４から抽出し、コヒーレント加算
する。

【００７９】サンプルされた信号値は必要とする正確な
時点には存在しないのが普通であるから、最も近い時点
のサンプルから外挿するかまたは必要とするサンプリン
グ時点の前後に記録されたサンプル間で補間することに
よって計算される。どちらの方法を選ぶかは信号サンプ
リング速度及び受信パルス形状に応じて決定される。

【００８０】この演算方法で形成されたビーム化データ
は乳房などのようなターゲット容積の３次元画像であ
る。この画像データはブロック３８に記憶され、３次元
画像として観察するのに適した形式で表示システム４０
へ転送される。具体的には一連の乳房断面画像の形式に
するか、または立体表示装置を利用して画像データを観
察すればよい。

【００８１】プロジェクター位置と水中マイクロフォン
位置を擬似ランダムに対として組み合わせる方式は、極
めて少ないデータ量と短い走査時間で、しかも乳房画像
に充分なコントラストを与えることができるから、本発
明の重要な特徴である。図３に示す実施例では擬似ラン
ダムに組み合わせた４個の素子Ｐ１，Ｐ２，Ｈ１，Ｈ２
で機械的に走査するから、素子の移動距離が比較的長く
なり、従って走査時間は充分短縮されるが、それでも走
査時間をさらに短縮する余地がある。機械的走査には走
査中に素子集合体をいかに組み合わせて１対とするかの
選択幅を制約するという点でも問題がある。

【００８２】即ち、４個のトランスデューサー素子によ
る機械的走査はスキャナーアレイの構造を極力単純化す
るが、素子集合体のサイズという要因から、プロジェク
ター位置と水中マイクロフォン位置をランダムに組み合
わせて１対とすることによって得られる利益を充分に享
受することができない。この制約はアレイ各辺に実素子
を配列してラインアレイを形成することによって解消す
ることができる。各ラインアレイの素子面を乳房の所期
の部分容積または部位に向けると共に素子面の寸法を、
前記部分容積の反射面積を制限するように選択する。た
だし、処理データ量は４個の素子による機械的走査の場
合とほとんど同じである。

【００８３】図６乃至図９に示す本発明の実施例は、機
械的走査方式を採用する実施例の性能を制限する問題点
を解消すると共に分解能を一段と高めることができる。
この実施例では、方形アレイの各辺に沿って実素子のラ
インアレイを採用する。アレイ走査は電子的に行なわれ
るが、その基本概念は４個の素子による機械的走査を行
う上記実施例と同じである。即ち、音響信号の発信は一
度に１つのプロジェクター位置から行なわれるのが好ま
しく、反射信号は一度に２つの水中マイクロフォン素子
位置で受信されることが好ましい。

【００８４】画像コントラストはトランスデューサーの
主ビームに集まるエネルギーと周囲のサイドローブに集
まるエネルギーとの比に比例する。アレイビームの２次
元方向にも高分解能を得る場合、主ローブのエネルギー
に対するサイドローブのエネルギーが二乗される。これ
はサイドローブをできる限り小さくし、エネルギーを集
めるサイドローブの面積を制限することによって可能と
なる。即ち、アレイ素子ビームパターンの有効範囲を制
限することによって部分容積走査を行うことができる。
従って、本発明では小さい部分容積を順次走査すること
によって乳房全体を走査することになる。図６乃至図９
に示す実施例では各部分容積の表面直径は約６０個の主
ローブ直径に相当する。

【００８５】図６は乳房の小さい部分容積２１２の方へ
傾けたトランスデューサー素子から成る実プロジェクタ
ー及び実水中マイクロフォンのラインアレイ２０２，２
０４，２０６，２０８を有するスキャナー２００を示す
概略図である。プロジェクター及び水中マイクロフォン
のラインアレイ２０２−２０８はそれぞれが乳房のその
部分容積に向くように物理的に傾斜させればよい。

【００８６】乳房の部分容積走査のため、４個の素子を
機械的に走査させる場合、スキャナーアレイには２つの
機械的スキャナーシステムが付随する。第１のスキャナ
ー２３５は既に述べたようにアレイのｘｙ平面内のアレ
イ辺に沿って４個の素子を移動させる。この素子駆動機
構はアレイを各部分容積位置に３次元的にセンタリング
する第２の機械的スキャナー２３７に取り付けられる。
部分容積は乳房を貫通して胸壁にまで達しているのが普
通である。アレイから胸壁までの距離は女性の体形に応
じて調節される。

【００８７】いずれのスキャナー集合体もモーター駆動
用電子装置に含まれる駆動制御用電子装置サブシステム
に素子及びアレイの位置をフィードバックするエンコー
ダーを備えている。素子は各エレクトロニクス機能及び
各部分容積走査ごとに同じ所定のパターンで駆動され
る。単純化された実施態様においてはアレイも同一の部
分容積位置パターンで位置ぎめされる。さもなければ、
オペレーターが例えば卓上コンピュータのような制御部
からクロック及び制御ブロックにむかって走査部位を指
示する。

【００８８】それぞれの部分容積の位置はアレイスキャ
ナーの精度、平均的には０．００１インチまで知ること
ができ、乳房の走査中身体が少し動いても１００％カバ
ーするため充分オーバーラップするように選択する。腫
瘍を検出するには必ずしも部分容積を正確に継ぎ合わせ
る必要はない。なんらかの理由で部分容積を正確に継ぎ
合わせる必要があれば、標準的なマップマッチング法を
利用する特殊なプロセッサーで達成することができる。

【００８９】アレイの各辺の走査動作を電子的に制御す
る場合には素子機械スキャナーの代わりに電子スキャナ
ーを使用し、第２のアレイ機械スキャナーを上述したよ
うに使用する。

【００９０】図７はラインアレイのトランスデューサー
素子２１４，２１６をそれぞれ送信及び受信用に個別に
選択するスイッチング回路２２１，２２３，２２５，２
２７を含むサブシステム２１９を示す。原理的にはライ
ンアレイのトランスデューサー素子２１４，２１６の走
査動作を電子制御するのも図２に関連して述べた機械的
に制御する場合と実質的に同じである。プロジェクター
ラインアレイ２０２の端部素子２１８から音響信号の発
射が開始されるように設定してあり、選択スイッチ２２
０を介して電力増幅器１８（図４）がこの端部素子２１
８を駆動する。乳房部分容積２１２からの反射エネルギ
ーを受信するように水中マイクロフォンラインアレイ２
０６，２０８のそれぞれから１個ずつ水中マイクロフォ
ン素子２２２，２２４を選択する。２つの水中マイクロ
フォン素子の出力が前置増幅器２８（図４）にフィード
バックされる。こうして反射エネルギーが採取された
ら、プロジェクターラインアレイ２０４の端部素子２２
６が次に音響信号を発射し、これと連携する２個の水中
マイクロフォン素子が反射エネルギーを採取する。

【００９１】次のステップとして、プロジェクターライ
ンアレイ２０２における次の素子を選ぶと共に水中マイ
クロフォンラインアレイ２０６，２０８からあらたに２
個の水中マイクロフォン素子を選んで上記送／受信動作
を繰り返えす。プロジェクターラインアレイ２０２，２
０４から交互にプロジェクター素子２１４を順次選択
し、水中マイクロフォンラインアレイ２０６，２０８か
ら１個ずつ選択された２個の水中マイクロフォン素子２
１６と組み合わせて１対とするこのプロセスはすべての
プロジェクター素子２１４が走査に使用されるまで続
く。好ましくはビームのサイドローブが最も小さくなる
ようにプロジェクター素子２１４と水中マイクロフォン
素子を組み合わせる。

【００９２】乳房部分容積のサイズはトランスデューサ
ー素子のビーム幅を充分絞り込むことによって制限す
る。サイドローブのレベルは素子が移動するスポット数
を増やすことによって縮小させる。しかし、この２つの
条件は互いに相容れない。なぜなら素子数を増やせばラ
インアレイに沿った素子幅が狭くなり、その結果、１つ
の次元方向に素子ビーム幅が広くなり過ぎるからであ
る。

【００９３】図８はこの問題を回避するために採用され
る好ましい動作態様を示す。水中マイクロフォンまたは
プロジェクター素子選択スイッチ２２１，２２３，２２
５，２２７が一度に複数個の隣接する素子を選択する。
これら隣接素子からの出力が乳房部分容積２１２に向け
た集束ビームを形成する遅延回路２２３によって組み合
わされる。この複合素子ステップが完了すると、選択ス
イッチが次の組の素子を選択する。

【００９４】図９はスキャナーの位置ぎめに利用される
電子駆動回路２３１及びトランスレーターモーター２３
２を含むサブシステム２３０を示す。スキャナーまたは
トランスデューサー集合体２３４には図２の４素子機械
スキャナーまたは図６乃至図８の電子制御２スキャナー
集合体を組み込むことができる。

【００９５】スキャナーアレイ２３４は第１スキャナー
２３５及び第２スキャナー２３７を含み、乳房全容を構
成するすべての部分容積の走査を可能にする一連の乳房
部位に機械的に位置ぎめされる。位置ぎめサブシステム
は制御ブロック１１の制御下にこの位置ぎめ動作を行な
う。乳房走査時間は乳房部分容積の数とトランスデュー
サーアレイの位置変更に必要な時間との積によって与え
られる。アレイトランスレーター機構が許容最高速度で
動作していると仮定すれば、主ローブ対サイドローブの
エネルギー比を増大することで走査速度を高めることが
でき、その結果、部分容積の直径が増大する。

【００９６】システムの使用に際しては、患者を仰向け
にし、その乳房の上に水または適当な液状音波伝播媒質
の入ったトラフ状の袋を当てる。この水の中にスキャナ
ーを配置し、患者の乳房に照準を合わせる。第１スキャ
ナーは図３に示すような４個の素子から成るスキャナー
または図６に示すような４列の素子ラインアレイから成
るスキャナーである。乳房の部分容積は第１スキャナー
の位置に従って走査される。第２スキャナーが第１スキ
ャナー全体を乳房の異なる部位まで移動させて第１スキ
ャナーが場所の異なる部分容積を走査できるようにす
る。図４のフィードバックライン（“Transducer Array
Position ”）が画像処理／記憶システムに対して第１
スキャナーが乳房のどの位置にあるかを指示することに
より、リターンデータがどの乳房部分容積に関するデー
タであるかを識別できるようにする。すべての部分容積
が走査されたら、乳房全体または一部を３次元表示また
は断面表示するため得られた走査データを処理すればよ
い。

【００９７】コントラスト劣化の主な原因は乳房の不均
質な音響特性である。トランスデューサーアレイ上の異
なるスポットから発射され、乳房中の一点で反射し、ア
レイによって採取されるエネルギーが完全な時間一致で
加算される時最大の主ローブ応答が得られる。これが可
能になるのはアレイが比較的小さい場合である。即ち、
この場合にはすべての音響路が等しくなるからである。
しかし、１００ミクロンまたはそれ以上の高分解能を得
るには比較的大きいトランスデューサーアレイが必要で
ある。胸壁の上方６インチの位置に配置され、１０ｍＨ
ｚで動作する実方形アレイならその幅は８インチとな
る。胸壁上の一点からアレイの最大寸法を挟む角度は８
７°である。

【００９８】平均音速とこのような放散音響路を辿る際
の減衰との差がサイドローブ・エネルギーはそのままで
主ローブ応答を低下させる。

【００９９】この種の劣化を補正するにはいったん採取
された後、各音響路からのデータを適当に修正しなけれ
ばならない。一般に、合成アレイの場合、同じ解像度及
び周波数で、実アレイの場合の１／２の角度を有する。
実アレイデータも採取後処理されるから音響路の歪みを
除くのに利用できる。

【０１００】合成アレイを実現するには音響信号発信ス
ポットをアレイの全長に亘って移動させねばならない。
各スポットにおいて音響信号が発信され、反射データが
水中マイクロフォンによって採取される。この走査プロ
セス中、乳房は静止状態でなければならず、さもないと
歪みが発生して主ローブ対サイドローブの比を縮小させ
るから、患者の心拍間の時間内に走査を完了する必要が
ある。そのため、既に述べたように、心拍を感知する心
臓モニター１３（図４）を用いて、感知信号を制御ブロ
ック１１へ送る。

【０１０１】８インチ方形アレイのような詰まったアレ
イは２．６×１０⁴乃至３×１０⁶のトランスデューサ素
子で形成することができる。大きい方の数値は公知の製
法を利用して構成された平面的なアレイの場合であり、
小さい方の数値は各素子のサイズ及び視角を最適化した
場合の数値である。ただし、いずれのアプローチも公知
技術よりは優れている。

【０１０２】本発明は妥当なコストで商業的に実現可能
な構造を使用してコントラストを高め、走査時間を短縮
する。

【０１０３】要約すると、本発明はたかだか約１ｍｍの
分解能が限度であった公知の超音波造影システムとは対
照的に、極めて高い分解能で３次元超音波走査を可能に
するデータ走査／処理法を採用したものである。本発明
をマンモグラフィーシステムに用いれば１００ミクロン
よりもすぐれた分解能で確実に乳房造影を行うことがで
き、しかも放射線被曝も患者の苦痛も伴わず安全に行う
ことができる。システム１０の高い分解能は焦点でのビ
ーム拡散角が極めて狭く、０．０３５°またはそれ以下
であることによる。従って、本発明は乳房の微小石灰化
及び腫瘍を有効に検査して乳房検査システムとして働く
安全なマンモグラフィーシステムを提供する。

【０１０４】本発明の使用に際しては、プロジェクター
スポットと水中マイクロフォンスポットを組み合わせて
１対とすることによって合成直交サブアレイを形成す
る。発生される直交扇形ビームの方向は、素子が組み合
わされて合成直交サブアレイを形成する態様に応じて異
なる。正方形または矩形の合成境界アレイは、サブアレ
イ扇形ビームは互いに直交するかまたは矩形アレイでは
ほぼ直交する場合、２列の直交合成サブアレイの出力を
乗算することによって形成される。正方形または矩形の
合成境界アレイは、サブアレイ・ビームが直交するかま
たは矩形アレイではほぼ直交する場合、２列の直交合成
サブアレイ出力を加算することによっても形成される。
水中マイクロフォンまたはプロジェクター素子の走査パ
ターンを擬似ランダムに設定することにより、サブアレ
イ扇形ビームを全方向に高分解能を有するビーム状に変
え、高い信号対残響比または高残響環境における高いコ
ントラストを得る。所与のサイドローブ・レベル、アレ
イ寸法及び素子スポット数で他のいかなる公知のトラン
スデューサアレイ技術よりも高いビーム分解能が達成さ
れる。

【０１０５】１つの実施例では境界スキャナーアレイの
境界辺に沿ってトランスデューサ素子を機械的に移動さ
せることによって、あるいは他の実施例では境界スキャ
ナーアレイの境界辺に沿ってラインアレイ中の固定トラ
ンスデューサ素子を電子的にスイッチングすることによ
って走査を行うことができる。

【０１０６】機械的走査素子または電子的ライン走査素
子に擬似ランダム走査方式を採用すれば同じ寸法の実ア
レイの分解能の２倍に相当する分解能が得られ、サイド
ローブのレベルは低いから極めて有意義である。この方
式は本発明の他の利点、即ち、採取し、処理すべきデー
タ量が少ないという利点に寄与する。

【０１０７】さらにまた、マンモグラフィーシステム１
０は製造し易いスキャナーアレイ及び商業性にもすぐれ
た電子データ処理システムで高い乳房造影性能を達成す
る。各乳房ごとのデータサンプル量は３２メガバイト以
下である。実乗算速度は毎秒約３×１０⁷回であり、こ
れは１日に１００個の乳房走査を行うことができる値で
ある。これは卓上ホストコンピュータにおいて２枚の公
知デジタル信号プロセッサーカードによって処理するこ
とができる。心臓モニターリングによりすべての走査を
心拍による乳房の動きに起因する歪みが生じないように
行うことができる。

【０１０８】さらに他の利点として、乳房の３次元画像
が形成されるからＸ線マンモグラフィーよりも３次元観
察が容易になる。即ち、画像処理ソフトウエアが所要平
面に沿ってデータをスライスすることによってこの平面
に沿って乳房を造影することができる。これによって画
像の特徴を分類し易くなる。

【０１０９】乳房全体が走査されるまで乳房の部分容積
を順次走査するようにマンモグラフィーシステムを機械
的または電子的に走査することによりすぐれた画像コン
トラストが得られる。

【０１１０】要約すれば、境界アレイ各辺のトランスデ
ューサ素子スポット数が同じなら正方形スキャナーアレ
イまたは矩形スキャナーアレイで本発明を実施すること
ができる。また、本発明はマンモグラフィー以外の用途
にも利用できる。即ち、本発明は走査される容積中の被
写体とアレイとの相対運動が走査中過度でなければいか
なる用途にも利用できる。例えば、３０インチ平方のア
レイは６０°セクターにまたがる１００フィートの距離
において０．５インチ×０．５インチ×０．５インチの
分解能を達成でき、走査時間は９０秒である。

【０１１１】以上に述べた好ましい実施例の説明は本発
明の理解を容易にするためのものであり、本発明を以上
に開示した態様に制限することを意図するものではな
い。本発明を利用するに際して、当業者は本発明の範囲
及び思想から逸脱することなく設計変更を加えることが
できるであろう。本発明の範囲は頭書した特許請求の範
囲の各請求項及びこれらの均等物によって限定されるも
のとする。

【０１１２】

【図面の簡単な説明】

【図１】公知のミルズのクロス・トランスデューサーア
レイの簡略図である。

【図２】公知の方形境界トランスデューサーアレイの簡
略図である。

【図３】図４に示すシステムに使用される対エレメント
合成方形境界トランスデューサアレイの簡略図である。

【図４】完全なソナー・マンモグラフィーシステムを形
成するため図３に示したトランスデューサーアレイ及び
心臓モニターを組み込んだソナー・トランスデューサー
の好ましい実施例を示すブロックダイヤグラムである。

【図５】本発明を実施し、テストするために市販の部品
を利用するトランスデューサーを含むスキャナー機構の
ブロックダイヤグラムである。

【図６】乳房の部分容積を順次走査して乳房全体の３次
元画像を提供する本発明の実施例に使用される電子ライ
ンアレイを示す斜視図である。

【図７】図６に示したラインアレイのスイッチング動作
を説明する簡略図である。

【図８】図６に示したラインアレイのスイッチング動作
を説明する簡略図である。

【図９】スキャナーの位置ぎめが行われる態様を示す簡
略図である。

【符号の説明】

１０マンモグラフィーシステム１００合成境界アレイスキャナー１３０スキャナーアレイ２００スキャナー２０２、２０４プロジェクターラインアレイ２０６、２０８水中マイクロフォン２１２乳房の部分容積

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者レスリイエムジェームスアメリカ合衆国メリーランド州セバナパークオールドカウンテイロード 307

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】各辺に位置スポットが所定間隔で順次配
列された所定数の辺により境界が画定される合成スキャ
ナーアレイであって、走査すべき乳房内へ音響信号を発
信するため各辺に沿う所定場所に配置した手段、乳房内
からの反射信号を受信するため各辺に沿う所定場所に配
置した手段、乳房内を走査するため発信手段及び受信手
段を各辺に沿って位置スポットから位置スポットへステ
ップ動作させる手段、発信手段がステップ動作により到
達した各位置スポットから乳房内へ音響信号が送信され
るように発信手段に給電する手段、及び受信手段がステ
ップ動作により到達した各位置スポットにおいて受信さ
れた反射音響信号に応答して受信手段が発生する電気信
号を処理することにより走査中の乳房に関する画像デー
タを出力する手段を具備する合成スキャナーアレイを有
する超音波マンモグラフィーシステムにおいて、常態で患者の心拍間の時間よりも短い時間で乳房を走査
するのに充分なリターンデータが形成されるようにステ
ップ動作手段及び給電手段の作動速度を制御する手段
と、患者の心臓をモニターして患者の各心拍を指示する信号
を発生する手段と；１つの心拍が検出されてから次の心
拍が検出されるまでの間に乳房が走査されるようにステ
ップ動作手段、給電手段及び作動速度制御手段を作動す
る手段と、表示のため画像データを処理する手段とより成ることを
特徴とする超音波マンモグラフィーシステム。
【請求項２】各受信手段の位置が少なくとも１つの発
信手段の位置と対となって境界の各辺が完全に走査され
るように、発信手段または受信手段、若しくは発信手段
と受信手段の双方をランダムに位置スポットから位置ス
ポットへステップ動作させることを特徴とする請求項１
に記載のシステム。
【請求項３】電気信号がアレイのそれぞれの辺の出力
を含み、電気信号処理手段がアレイの各辺の出力を乗算
することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】電気信号がアレイの各辺の出力を含み、
電気信号処理手段がアレイの各辺の出力を加算すること
を特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】境界アレイが４つの辺を持つアレイであ
り，発信手段が第１及び第２のプロジェクターを含み，
受信手段が第１及び第２の水中マイクロフォンを含み，
プロジェクター及び水中マイクロフォンがアレイの各辺
に交互に配置されており，ステップ動作手段がそれぞれ
の発信手段及び水中マイクロフォンを位置スポットから
位置スポットへ一斉にステップ動作させ，給電手段が第
１及び第２のプロジェクターを順次給電してそれぞれの
発信手段の位置スポットから第１及び第２の音響信号が
各動作ステップにおいて発信されるようにし，処理手段
が各動作ステップにおいて第１及び第２の水中マイクロ
フォンから発生する電気信号を処理することをも特徴と
する請求項１に記載のシステム。
【請求項６】境界アレイが４つの辺を持つアレイであ
り，発信手段が第１及び第２のプロジェクターを含み，
受信手段が第１及び第２の水中マイクロフォンを含み，
プロジェクター及び水中マイクロフォンがアレイの各辺
に交互に配置されており，ステップ動作手段がそれぞれ
のプロジェクター及び水中マイクロフォンを位置スポッ
トから位置スポットへ一斉にステップ動作させ，給電手
段が第１及び第２のプロジェクターを順次給電してそれ
ぞれの発信手段の位置スポットから第１及び第２の音響
信号が各動作ステップにおいて発信されるようにし，処
理手段が各動作ステップにおいて第１及び第２の水中マ
イクロフォンから発生する電気信号を処理することをも
特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項７】各辺に位置スポットが所定間隔で順次配
列された所定数の辺により境界が画定される合成スキャ
ナーアレイであって、走査すべき乳房内へ音響信号を発
信するため各辺に沿う所定場所に配置した手段、乳房内
からの反射信号を受信するため各辺に沿う所定場所に配
置した手段、及び乳房内を走査するため発信手段及び受
信手段を各辺に沿って位置スポットから位置スポットへ
ステップ動作させる手段を具備する合成スキャナーアレ
イを有する超音波マンモグラフィーシステムにおいて、発信手段及び受信手段が走査される乳房容積が乳房の部
分容積に等しくなるビーム幅を使用するように構成・作
動されることと、発信手段がステップ動作により到達した各位置スポット
から乳房内へ音響信号が送信されるように発信手段に給
電する手段と、受信手段がステップ動作により到達した各位置スポット
において受信された反射音響信号に応答して受信手段が
発生する電気信号を処理することにより走査中の乳房の
部分容積に関する画像データを出力する手段と、常態で患者の心拍間の時間よりも短い時間で乳房の部分
容積を走査するのに充分なリターンデータが形成される
ようにステップ動作手段及び給電手段の作動速度を制御
する手段と，一連の乳房部分走査が複合されて乳房全体
の画像を形成するようにスキャナーアレイが動作する一
連の位置スポットへスキャナーアレイを駆動する手段
と，表示のため画像データを処理する手段とより成るこ
とを特徴とする超音波マンモグラフィーシステム。
【請求項８】発信手段及び受信手段が走査される乳房
容積が乳房の部分容積に等しくなるビーム幅を使用する
ように構成・作動されることと，一連の乳房部分走査が
複合されて乳房全体の画像を形成するようにスキャナー
アレイが動作する一連の位置へスキャナーアレイを駆動
する手段を設けたことをも特徴とする請求項１に記載の
システム。
【請求項９】各受信手段の位置が少なくとも１つの発
信手段の位置と対となって境界の各辺が完全に走査され
るように、発信手段または受信手段、若しくは発信手段
と受信手段の双方をランダムに位置スポットから位置ス
ポットへステップ動作させることを特徴とする請求項８
に記載のシステム。
【請求項１０】境界アレイが４辺アレイであり，発信
手段が第１及び第２プロジェクターを含み，受信手段が
第１及び第２水中マイクロフォンを含み，ステップ駆動
手段がそれぞれのプロジェクター及び水中マイクロフォ
ンをスポットからスポットへ一体的に移動させ，給電手
段がステップごとにそれぞれのプロジェクタースポット
から第１及び第２音響信号を順次発信するように第１及
び第２プロジェクターに順次給電し，処理手段が各動作
ステップにおいて第１及び第２水中マイクロフォンから
発生する電気信号を処理することをも特徴とする請求項
８に記載のシステム。
【請求項１１】境界アレイが４つの辺を持つアレイで
あり，発信手段が第１及び第２のプロジェクターを含
み，受信手段が第１及び第２の水中マイクロフォンを含
み，プロジェクター及び水中マイクロフォンがアレイの
各辺に交互に配置されており，ステップ動作手段がそれ
ぞれの発信手段及び水中マイクロフォンを位置スポット
から位置スポットへ一斉にステップ動作させ，給電手段
が第１及び第２のプロジェクターを順次給電してそれぞ
れの発信手段の位置スポットから第１及び第２の音響信
号が各動作ステップにおいて発信されるようにし，処理
手段が各動作ステップにおいて第１及び第２の水中マイ
クロフォンから発生する電気信号を処理することをも特
徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】各辺に位置スポットが所定間隔で順次
配列された所定数の辺により境界が画定される合成スキ
ャナーアレイであって、走査すべき乳房内へ音響信号を
発信する手段、及び走査すべき乳房内からの反射信号を
受信する手段を具備する超音波マンモグラフィーシステ
ムにおいて、発信手段が位置スポットの間隔に相当する間隔で配列さ
れた第１及び第２の発信素子のラインアレイを含むこと
と，受信手段が位置スポットの間隔に相当する間隔で配
列された第１及び第２の受信素子のラインを含むこと
と，発信及び受信手段のラインアレイがアレイの各辺に
交互に配置されていることと，乳房全体を走査できるよ
うに素子のラインアレイに沿って位置スポットから位置
スポットへ発信素子及び受信素子をステップ動作させる
手段と，ステップ動作手段によって各発信素子が作動さ
れると各発信位置スポットから乳房内部へ音響信号を発
信するように各発信素子に給電する手段と，ステップ動
作手段によって各受信素子が作動されると各受信位置ス
ポットからの反射音響信号に応答して各受信素子が発生
する電気信号を処理する手段と，常態で患者の心拍間の
時間よりも短い時間で乳房を走査するのに充分なリター
ンデータが形成されるようにステップ動作手段及び給電
手段の動作速度を制御する手段と，表示のため画像デー
タを処理する手段とより成ることを特徴とする超音波マ
ンモグラフィーシステム。
【請求項１３】ステップ動作手段が動作速度制御手段
及び処理手段の動作に従い、発信素子を作動させて音響
信号を発生させると共に受信素子を作動させて反射音響
信号に対応する出力を発生させるスイッチング手段を含
むことをも特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】各発信素子を１対の受信素子と１組に
なるように組み合わせて、１組ずつの発信素子及び受信
素子の動作を発信位置スポットから発信位置スポットへ
ランダムに移動させて境界の各辺を完全に走査するよう
に動作速度制御手段及びステップ動作手段を作動させる
ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】患者の心臓をモニターして患者の心拍
ごとにこれに対応する指示信号を発生する手段と，１つ
の心拍が検出されてから次の心拍が検出されるまでの間
に乳房が走査されるようにステップ動作手段、給電手
段、及び動作速度制御手段を作動させる手段とより成る
ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】走査される乳房容積が乳房の部分容積
に等しくなるビーム幅を使用するように発信及び受信手
段を構成・作動させることと，一連の乳房部分走査が複
合されて乳房全体の画像を形成するようにスキャナーア
レイが動作する一連の位置スポットへスキャナーアレイ
を駆動する手段を具備することを特徴とする請求項１２
に記載のシステム。
【請求項１７】各発信素子を１対の受信素子と１組に
なるように組み合わせ各組の発信及び受信素子を発信位
置スポットから発信位置スポットへランダムにステップ
動作させて各境界アレイを完全に走査するように動作速
度制御手段及びステップ動作手段を作動させることをも
特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】患者の心臓をモニターして患者の心拍
ごとにこれに対応する指示信号が発生する手段と，１つ
の心拍が検出されてから次の心拍が検出されるまでの間
に乳房が走査されるようにステップ動作手段、給電手
段、及び動作速度制御手段を作動させる手段とより成る
ことを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】患者の心臓をモニターして患者の心拍
ごとにこれに対応する指示信号が発生する手段と，１つ
の心拍が検知されてから次の心拍が検出されるまでの間
に乳房が走査されるようにステップ動作手段、給電手
段、及び動作速度制御手段を作動させる手段とより成る
ことを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】患者の心臓をモニターして患者の心拍
ごとにこれに対応する指示信号が発生する手段と，１つ
の心拍が検出されてから次の心拍が検出されるまでの間
に乳房が走査されるようにステップ動作手段、給電手段
及び動作速度制御手段を作動させる手段とより成ること
を特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項２１】各発信手段の位置を２つの受信手段の
位置と１組になるようにしたことを特徴とする請求項２
に記載のシステム。
【請求項２２】各発信手段の位置を２つの受信手段の
位置と１組になるようにしたことを特徴とする請求項７
に記載のシステム。
【請求項２３】スキャナーアレイの構造が音響信号の
発信及び受信を行うように動作する第１のスキャナー集
合体と，第１のスキャナー集合体に接続された第２のス
キャナー集合体とより成ることを特徴とする請求項１２
に記載のシステム。