JP2007050246A

JP2007050246A - 解剖学的構造の計測のための方法及び装置

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Publication number: JP2007050246A
Application number: JP2006209459A
Authority: JP
Inventors: Elina Burla; エリーナ・ブルラ; Doron Hess; ドロン・ヘス; Alexander Sokulin; アレキサンダー・ソクリン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-08-15
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: JP5015513B2; US20070038084A1; US7955265B2

Abstract

【課題】一体型超音波デバイスを用いて少なくとも１つの医用診断画像フレームに基づいて多層血管（３０）の一部分の厚さを計測するための方法（６００）、装置（１０）及びシステム（１００）を提供する。
【解決手段】本方法は、血管の各層間の境界面に沿ったｙ座標を各ｘ座標ごとに決定する工程であって、内膜−中膜中心（ＩＭＣ）の中心のＹ座標の決定（６２６）、外膜−中膜境界面Ｙ座標の決定（６２８）、内膜−内腔境界面Ｙ座標の決定（６３０）、各Ｘ座標ごとの内腔−内膜境界面Ｙ座標の決定（６３２）並びに中膜−外膜境界面Ｙ座標の決定（６３４）を含む決定工程と、少なくとも１つの血管層の厚さをそれぞれの層境界面のＸ及びＹ座標を用いて決定する工程と、これらの厚さをディスプレイに出力する工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、全般的には医用診断システムに関する。本発明は特に、様々な種類の組織同士、並びに組織と血液の間の遷移の箇所を識別するように診断データ組を収集し処理するための方法及び装置に関する。

冠動脈疾患（ＣＡＤ）には分かっている多くの原因がある。重大な閉塞性ＣＡＤの早期検出及び処置はＣＡＤの下流影響を低減する際の重要な目標の１つである。多くの変動要因が脈管の健全性に寄与しており、潜在リスクのある個人に対する早期マーカーの検索において有用であると認められることがある。例えば、心エコー検査は早期マーカーのうち最も重要なものの１つであるアテローム硬化性バーデンを計測する能力を有する。アテローム硬化性バーデンは大動脈に対する経食道心エコー検査の間に大まかに計測することができる。さらに、臨床行為で通常実施する際に、プラークの検出はせいぜい定性的であり、これにより前臨床性アテローム性硬化症の早期検出のための堅実なデータを誘導できる可能性は低い。さらにより注意深く検査されるのは、内膜−中膜厚（ＩＭＴ）の計測を伴う頚動脈に対する高分解能Ｂモード超音波走査である。この検査は、ここ数十年にわたる冠動脈疾患や脳血管性疾患に対する疫学的調査の主力となっている。卓越したデータにより冠動脈循環の状態の予測に頚動脈知見を用いる妥当性が立証されており、また頚動脈ＩＭＴは目下疾患を有している患者を発見するのみならず、将来の心臓イベントや脳血管性イベントを正確に予測する。頚動脈ＩＭＴ計測値は、臨床データに基づいて従来のリスク予測に対して増強データを提供できることが立証されている。米国心臓病協会がこの目的で推奨している撮像検査はこれだけである。超音波撮像によれば、頚動脈、大腿動脈、橈骨動脈などの大きなサイズや中程度のサイズの末梢動脈に関する内膜と中膜の全体厚を精密に計測することが可能である。ＩＭＴを計測する周知の方法は、高分解能Ｂモード撮像に基づいている。マニュアル計測の反復及び平均化は実行が比較的容易であるが、これではオペレータ依存性があり再現性が悪い。卓越した再現性をもつ正確な計測値を得ることが可能なのは、コンピュータ支援式の自動方法を用いる場合のみである。

しかし幾つかの例では、標準的なＢモード超音波検査において内膜−中膜構造を明瞭に視覚化しＩＭＴを計測することは困難となることがある。こうした困難は、プラーク蓄積、ある種の病変、その他の疾患の存在といった技術的な問題が原因となることがある。

ＩＭＴは、内腔−内膜（内膜−内腔）境界面と中膜−外膜（外膜−中膜）境界面の間の距離と定義される。これらの境界面は、無エコー性の血管内腔とエコー源性の内膜との間並びに低エコーの中膜とエコー源性の外膜との間に明瞭な境界面が存在する後側壁に関してだけ適正に画定される。前側ＩＭＴが十分に視覚化されている場合であっても、その計測には利得依存性でありかつ非信頼性のままである。近位側のＩＭＴ計測値が高信頼で再現可能となるのは、コントラスト強調画像に対して実施した場合だけである。

一実施形態では、一体型超音波デバイスを用いて少なくとも１つの医用診断画像フレームに基づいて多層血管の一部分の厚さを計測するための方法を提供する。本方法は、各ｘ座標に関して血管の各層間の境界面に沿ったｙ座標を決定する工程であって、内膜−中膜中心（ＩＭＣ）の中心のＹ座標を決定する工程、外膜−中膜境界面Ｙ座標を決定する工程、内膜−内腔境界面Ｙ座標を決定する工程、各Ｘ座標に関して内腔−内膜境界面Ｙ座標を決定する工程、並びに中膜−外膜境界面Ｙ座標を決定する工程、を含むＹ座標決定工程と、それぞれの層境界面のＸ座標及びＹ座標を用いて少なくとも１つの血管層の厚さを決定する工程と、該厚さをディスプレイに出力する工程と、を含む。

別の実施形態では、一体型超音波デバイスは、関心エリア内に超音波信号を送信するための送信器と、送信された超音波信号からのエコー信号を受信するための受信器と、エコー信号を含む少なくとも１つの画像フレームを保存するためのメモリと、心電計ゲート制御（ＥＣＧ）波形／同期ユニットと、前記少なくとも１つの画像フレームを処理し血管壁の内腔−内膜境界面と中膜−外側膜境界面のうちの少なくとも一方を自動的に識別するように構成されたプロセッサと、前記プロセッサの出力に基づいて情報を出力するための出力と、を含む。

さらに別の実施形態では、多層血管の一部分の厚さを計測するための方法を提供する。本方法は、画像フレームと画像フレームの一部分のうちの少なくとも一方を含む関心領域（ＲＯＩ）を選択する工程と、選択されたＲＯＩの強度ヒストグラムを計算する工程と、計算されたヒストグラムに基づいて画像フレーム強度値を正規化する工程と、画像に沿った横方向で血管の方向に平滑化を適用する工程と、ＲＯＩに対して反復してメジアンフィルタ３×３を適用する工程であって、第１の反復は該ＲＯＩの左上の画素から開始し、かつ次の各反復はｘ軸に関して１画素下でｙ軸に関して１画素左に開始点を移動させる反復適用工程と、を含む。本方法はさらに、ｘ座標に対応する強度ベクトルとｘ−１座標に対応する強度ベクトルの間のシフトを各ｘ座標に関して計算した相互相関関数の最大値を用いて決定する工程と、ｘ軸の上昇方向で評価される平均化パターン（ＡＰ）及びｘ軸の下降方向で評価される逆平均化パターン（ＩＡＰ）を、近傍のベクトル同士のシフトを考慮に入れながらＲＯＩ内へのすべての強度ベクトルに関するｘ軸に沿った平均値を用いて決定する工程と、ＡＰとＲＯＩ内の第１のベクトルの間のシフトを、ＡＰと該ＲＯＩ内の第１のベクトルの間の相互相関関数の最大値を用いて決定する工程と、を含む。本方法はさらに、ＩＡＰとＲＯＩ内の最終のベクトルの間のシフトを、ＩＡＰと該ＲＯＩ内の最終のベクトルの間の相互相関関数の最大値を用いて決定する工程と、ＲＯＩが前側及び後側の外膜を含む場合にはＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数のベクトルの第１の半分上の大域最大値として前側ＩＭＣが決定されかつＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数のベクトルの第２の半分上の大域最大値として後側ＩＭＣが検出されており、ＲＯＩが前側または後側外膜のみを含む場合にはＩＭＣがＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数の全体ベクトル上の大域最大値として決定されるようにして、内膜−中膜中心（ＩＭＣ）のＹ座標をＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数の最大値として決定する工程と、を含む。本方法はさらに、近傍のベクトル同士のシフトを考慮に入れながら、指定したウィンドウサイズ（ＷＳ）のウィンドウの内部にある強度ベクトルのｘ軸に沿った平均値として計算して、各Ｘ座標についてｘ軸の上昇方向で評価される走行パターン（ＲＰ）及びｘ軸の下降方向で評価される逆走行パターン（ＩＲＰ）を各Ｘ座標ごとに決定する工程と、ＲＯＩベクトルと目下のＸ座標に対応するＲＰの間の走行シフト（ＲＳ）及び目下のＸ座標に対応するＲＯＩベクトルとＡＰの間の平均化シフト（ＡＳ）であって、該ＲＳ及びＡＳはＲＯＩベクトルとＲＰ及びＡＰのそれぞれの間の相互相関関数の最大値として決定されており、ＲＯＩの第１のＷＳベクトルについては該ＲＳ及びＡＳはＲＯＩベクトルとＩＲＰ及びＩＡＰのそれぞれの間の相互相関関数の最大値として検出されている走行シフト（ＲＳ）及び平均化シフト（ＡＳ）を各Ｘ座標ごとに決定する工程と、ＲＯＩの第１のＷＳベクトルに対してはＩＲＰを適用しＲＯＩ内の残りのベクトルに対してはＲＰを適用しながら内膜−中膜の中心のＹ座標を目下のＸ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数の最大値として各Ｘ座標ごとに決定する工程と、外膜−中膜境界面Ｙ座標を各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された前側ＩＭＣ座標の前にある直近ゼロ交差の座標として各Ｘ座標ごとに決定する工程と、を含む。本方法はさらに、内膜−内腔境界面Ｙ座標を各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された前側ＩＭＣ座標の後の直近ゼロ交差の座標として各Ｘ座標ごとに決定する工程と、内腔−内膜境界面Ｙ座標を各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された後側ＩＭＣ座標の前にある直近ゼロ交差の座標として各Ｘ座標ごとに決定する工程と、中膜−外膜境界面Ｙ座標を各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された後側ＩＭＣ座標の後にある直近ゼロ交差の座標として各Ｘ座標ごとに決定する工程と、を含む。

前側ＩＭＴを計測すべきである場合や、例えばプラーク蓄積、ある種の病変、その他の疾患の存在といった技術的な問題のために標準的なＢモード超音波検査において後側内膜を明瞭に視覚化するのが困難である場合には、超音波用の静脈注入造影剤をボーラスで投与し、この撮像モードに最適化されたスキャナを用いてこの造影剤を満たした血管を走査することによって血管の壁に対するコントラスト強調Ｂモード超音波撮像が実施される。この方法によれば、造影剤を含む頚動脈や別の任意の血管の近位壁や遠位壁の総平均内膜−中膜厚（ＩＭＴ）の定量化が可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に従って製作した超音波システムのブロック図である。本システムは、送信器１２及び受信器１４に接続させたトランスジューサ１１を含む。トランスジューサ１１は超音波パルスを送信し、走査を受けた超音波イメージすなわちボリューム１６の内部の構造からのエコーを受信する。メモリ２０は、走査を受けた超音波イメージすなわちボリューム１６から導出された受信器１４からの超音波データを保存する。イメージすなわちボリューム１６は、様々な技法（例えば、３Ｄ走査、リアルタイム３Ｄ撮像、ボリューム走査、位置決めセンサを有するトランスジューサによる２Ｄ走査、ボクセル相関技法、２Ｄまたはマトリックスアレイ・トランスジューサ、その他を用いたフリーハンド走査）によって取得されることがある。

トランスジューサ１１は、関心領域（ＲＯＩ）の走査の間に、例えば直線経路や弓形経路に沿って移動させる。走査面１８はメモリ２０内に保存され、次いでこれが走査変換装置４２に渡る。走査変換装置４２は超音波システム１０のモジュールの同期を取る。幾つかの実施形態では、トランスジューサ１１は走査面１８ではなくラインを取得することがあり、またメモリ２０は走査面１８ではなくトランスジューサ１１が取得したラインを保存することがある。走査変換装置４２は走査面１８ではなくトランスジューサ１１が取得したラインを保存することがある。走査変換装置４２は単一の走査面１８から１つのデータスライスを作成する。このデータスライスはスライスメモリ４４内に保存され、次いでこれがビデオ・プロセッサ５０及びディスプレイ６７に渡る。システム１０は、リアルタイム・モード、フレームフリーズ・モード、シネループ実行モード、ＶＣＲ再生モード、超音波デバイス内部アーカイブ単一フレームまたはループフレーム再生モードのうちの少なくとも１つによって関心領域内部の解剖学的構造の計測を容易にすることがある。

統合式ＥＣＧ波形／同期ユニット６８は患者皮膚（図示せず）に結合させている。ＥＣＧ波形／同期ユニット６８は、患者の身体を通過する電流を計測するために複数の電極７０を使用する。この電流は、患者の心臓筋肉の電気的活動、すなわち心筋の収縮及び弛緩に対応する。この電流は、心臓のサイクルのあるサイクル部分を識別し、これにより血管が実質的に均一な位置にある心臓サイクルの実質的に同じ部分に実質的に対応する間隔中において血管データの収集を可能にするために使用される。ポストプロセッサ／内膜−中膜厚計測計算器７２の形で具現化した自動ボーダー検出／計測ツールは、未処理画像データ及び／または走査変換済みデータを受け取り、血管の構造を識別してこれらの構造の厚さを自動的に決定することができる。ポストプロセッサ／内膜−中膜厚計測計算器７２はさらに、システム１０に対してローカルに配置、システム１０と一体化して配置、またはシステム１０からリモートに配置してデータネットワーク（図示せず）を介してアクセスするようにした、データアーカイブ７４（ビデオカセッテレコーダ（ＶＣＲ）及び／またはＶＣＲ再生内部フレーム取り込みユニットなど）、あるいは別のデータ記憶デバイスからアーカイブデータを受け取ることがある。ポストプロセッサ／内膜−中膜厚計測計算器７２はディスプレイ６７にハイライト化信号を送信することがあり、これにより、決定された境界面の高輝度化画素強度及び／または疑似カラーハイライトを用いて決定された境界面のトレースを提供し、オペレータによる正確な出力の決定を支援することがある。ポストプロセッサ／内膜−中膜厚計測計算器７２はさらに、例えば内腔−内膜及び中膜−外膜境界面に対するトレース、検出されたすべての点に基づく平均ＩＭＴ値、ＩＭＴ値のすべての計測値に関する標準偏差、計測値データ組から導出される追加的な値（最大点や最小点など）を送信する。

さらにグラフは、ＩＭＴ値を血管に沿った位置の関数としてまたは心臓サイクル内部の時間の関数として表示するように選択可能に配置されており、またこのグラフは単一のフレームに選択可能に基づくか、あるいは指定した心臓サイクル点からのピーク画像になるように幾つかの心臓サイクルに関してＥＣＧとの同期を用いて平均化される。上記の出力は、ユーザによる検討及び承認を受けるために、表示ユニット６７に供給されて原画像と融合される。ユーザは計測が実施された解剖部位の名称（すなわち、左総頚動脈）を指定して、内膜−中膜ラインの自動トレースや上述した情報の残りのものを観察した後、この結果に対して承認または不承認を示す。ユーザが画面上に表示されている結果を承認すれば、表示された値はアーカイブユニット７４にある当該患者の検査フォルダの計測値データベース内に配置されることになる。この値の組は、ユーザが以前に規定した解剖学的箇所に割り当てて関連付けされる。ユーザが結果に不承認の場合はこれは消去され、ユーザは再計測または計測機能から出ることが可能となる。トレースを含む上述のＩＭＴ情報オーバーレイを示す結果画面は、後で取り出せるようにしてアーカイブユニット７４内に保存することができる。計測値及び画像をアーカイブユニット７４内に保存する際に、報告書作成ユニット７６が、計測値、保存画像及びその他のユーザのコメントを表示するように事前決定された所定の報告書テンプレートを用いることによって完成報告書を選択可能に作成している。この例示的な実施形態では、報告書作成ユニット７６を計算器７２の一部分であるようにして図示している。代替的な一実施形態では、報告書作成ユニット７６は単独のユニット、あるいはシステム１０の別のユニットの一部分である。

ユーザ調節可能な感度パラメータは、リアルタイム走査内、あるいはフリーズしたまたは取り出したループ上におけるノイズまたは軟部組織に対するアルゴリズムの感度を変更し、オペレータが認識する際にトレースの正確な位置によって構造の描出を改善している。こうした調整によってユーザは、軟プラークやその他のアーチファクトによって劣化した画質を改善することが可能となる。ユーザ調節可能な感度パラメータはさらに、ＩＭＴ厚だけではなくプラーク厚を計測するために、プラークのボーダー描出が容易となるレベルまでの調整が可能である。

システム１０は内蔵のＥＣＧユニット６８からあるいは外部のＥＣＧ波形から到来したＥＣＧ波形の任意の部分で同期させることができる。この同期位置はプリセット可能かつ自動式としているが、マニュアル式調整とすることも可能である。反復して結果を容易に得るために、ＥＣＧ波形を基準として固定した時点（拡張終期など）でＩＭＴ計測が実施される。

同期は、血管壁運動検出またはＥＣＧ波形に基づいてユーザによって選択される。このケースでは、同じＩＭＴアルゴリズムを使用して（前側と後側の）両方の血管壁を描出している。壁の距離を時間の関数として計測することによって、血管の脈動性を追跡すること、並びにＩＭＴ計測に関するフレーム選択をＥＣＧ波形に対する同期と同様の方式で同期させることが可能である。

ループを収集するときは、同期波形を基準として各時間区分に対する計測値の瞬時組を表示するために、心臓サイクルに沿った異なるフレームに対してＩＭＴ計算が実施される。時間区分の各点はユーザによりプリセット可能である。これによって例えば、内膜−中膜やプラークの厚さ、収縮性または弾性に関する自動計算が可能となる。

Ｎ回の心臓サイクルを含むような比較的長いシネループの間では、多重スライスモードを使用し、同期波形を基準とした指定した時点で多くのループにわたってＩＭＴを平均化し確度を向上させている。

計測に使用される画像は「未処理データ（ｒａｗｄａｔａ）」超音波画像とすることや、特殊なノイズ低減技法（例えば、ＳＲＩ（スペックル低減撮像））によって処理することが可能である。

図２は、本発明の別の実施形態に従って製作した例示的な超音波システムのブロック図である。超音波システム１００は、パルス状の超音波信号を身体内に送出するようにトランスジューサ１０６内部のアレイ状の素子１０４を駆動させる送信器１０２を含む。多種多様な幾何学構成が使用される。超音波信号は、血球や筋肉組織などの身体内の構造から後方散乱され、素子１０４に戻されるエコーが生成される。このエコーは受信器１０８によって受信される。受信したエコーは、ビーム形成を実施してＲＦ信号を出力するビーム形成器１１０を通過させる。次いでこのＲＦ信号は、ＲＦプロセッサ１１２を通過させる。別法として、ＲＦプロセッサ１１２はＲＦ信号を復調してエコー信号を表すＩＱデータ対を形成する複素復調器（図示せず）を含むことがある。ＲＦまたはＩＱ信号データは次いで、一時的に保存するためにＲＦ／ＩＱバッファ１１４に直接導かれることがある。

超音波システム１００はさらに、収集した超音波情報（すなわち、ＲＦ信号データまたはＩＱデータ対）を処理し表示システム１１８上に表示させる超音波情報フレームを作成するための信号プロセッサ１１６を含む。信号プロセッサ１１６は、複数の選択可能な超音波様式に従って収集した超音波情報に対して１つまたは複数の処理操作を実施するように適応させている。収集した超音波情報は、エコー信号を受信しながら走査セッション中にリアルタイムで処理される。追加としてまたは別法として、超音波情報は走査セッションの間はＲＦ／ＩＱバッファ１１４内に一時的に保存され、リアルタイム性がより低いライブ動作またはオフライン動作で処理されることがある。

超音波システム１００は、人間の眼のおおよその知覚速度である毎秒５０フレームを超えるフレームレートで超音波情報を連続して収集することがある。収集した超音波情報はこれより遅いフレームレートで表示システム１１８上に表示される。即座に表示する予定がない収集超音波情報の処理済みフレームを保存するために画像バッファ１２２が含まれている。画像バッファ１２２は少なくとも数秒分の超音波情報フレームを保存できるだけの十分な容量をもつ。この超音波情報フレームは、収集順序や収集時間に従った取り出しを容易にするような方式で保存される。画像バッファ１２２は周知の任意のデータ記憶媒体を含むことがある。

図３は、図１に示した超音波システム１０を用いて走査できる例示的な動脈３００の長手方向断面の概略図である。この例示的な実施形態では、動脈３００は、内膜３０２、中膜３０４及び外膜３０６という、その内部に内腔３０７と呼ばれる１つの管状のキャビティを画定している３つの層を含む。少なくとも幾つかの周知の疾患は、これらの層のうちの１層または複数層を厚くさせる、かつ／またはプラーク被覆を生じさせることがある。例えば、損傷（ｌｅｓｉｏｎ）のために内膜３０２や中膜３０４が厚くなることがある。具体的には、動脈硬化症が内膜３０２を厚くさせることがある。さらに、高血圧症が中膜３０４を厚くさせることがある。したがってそれぞれの疾患は、内膜３０２の厚さ、中膜３０４の厚さ、あるいは内膜−中膜厚（ＩＭＴ）３０８の合成計測値を計測することによって評価される。様々な層に対する厚さの計測を容易にするためには、層同士の境界面（例えば、動脈３００の前側に関しては内腔−内膜境界面３０９、内膜−中膜境界面３１０及び中膜−外膜境界面３１１、並びに動脈３００の後側に関しては内腔−内膜境界面３１２、内膜−中膜境界面３１４及び中膜−外膜境界面３１６）が用いられる。

幾つかの例では、前側ＩＭＴを計測すべきである、すなわち標準的なＢモード超音波検査において後側内膜を明瞭に視覚化するのが困難である。こうした例では、血管の壁に対してコントラスト強調Ｂモード超音波画像が収集される。超音波用の静脈注入造影剤がボーラスで患者に投与され、次いで造影剤を満たした血管がこの撮像モードに最適化されたスキャナを用いて走査される。この方法によれば、造影剤を含む頚動脈や別の任意の血管の近位壁や遠位壁の総平均内膜−中膜厚（ＩＭＴ）の定量化が可能となる。

造影剤を含んだ血管を走査する際に、自動ボーダー検出／計測ツールは、内膜及び中膜層の合成厚さに関する正確かつ再現性のある識別及び計測（動脈の外膜／中膜／内膜領域内で検出される残留プラーク及び血管栄養血管網（ｖａｓａｖａｓｏｒｕｍｎｅｔｗｏｒｋ）に起因する任意の壁厚増大、プラーク形成及び内腔拡大を含む）を可能とする。

走査中にユーザは、動脈３００などの血管の前側壁３２０の一部分及び／または後側壁３２２の一部分を含む関心領域（ＲＯＩ）３１８を選択する。ユーザは、その走査が組織運動同期を用いて実施される場合に、血管の前側壁３２０の一部分と後側壁３２２の一部分の両方を含む第２のＲＯＩ３２４を選択することがある。組織運動同期及び心電計ゲート制御（ＥＣＧ）同期によって、組織の振動性運動を基準としてある固定の時点で（静脈壁や動脈壁及び心臓壁などでは心臓サイクルを基準としたある固定の時点で）取り込み済みフレームの評価が可能となる。この例示的な実施形態では、そのＩＭＴ計測はＥＣＧ波形を基準とした選択可能なある固定の時点で（例えば、拡張終期に）実施される。システム１０は内蔵のＥＣＧユニットからまたは外部のＥＣＧ波形から受信したＥＣＧ波形の任意の一部と同期させることができる。この同期位置は事前選択可能かつ自動式としているが、マニュアル式調整とすることも可能である。

上で検討した同期は、ＥＣＧ波形ではなく血管壁運動検出に基づいてユーザによって選択される。このケースでは、動脈３００の（前側３２０と後側３２２）の両方の壁を描出するために同じ自動ボーダー検出／計測ツールアルゴリズムが使用される。前側壁３２０と後側壁３２２の間の距離を時間の関数として計測することによって、動脈３００の脈動性を追跡すること、並びにＩＭＴ計測に関するフレーム選択をＥＣＧ波形に対する同期と同様にして同期させることが可能である。

システム１０はディスプレイが表示可能な分解能より高い分解能の画像データを受け取ることがある。例えば、システム１０は１インチあたり１２００画素の分解能をもつ画像を取得できるが、ディスプレイ６７は１インチあたり４００画素でしか表示できないことがある。システム１０は、ＩＭＴの計測に表示分解能画像を使用することがあり、また受け取った画像で利用可能な１インチあたり１２００画素の分解能全体を使用するようにディスプレイ６７を選択可能にズーミングすることがある。こうしたズーム機能によって正確ＩＭＴ計測が容易になる。システム１０はさらに、画像データ（例えば、ライブデータ、アーカイブ済みデータ、及びＶＣＲ再生からのフレーム取り込みデータ）の各フレームごとにズーム設定を検出するように構成されている。ユーザは複数の画像フレーム・データ源から、リアルタイムデータ未処理データ、リアルタイムデータ前処理済みデータ、フレームフリーズデータ、シネループデータ、及び／またはＶＣＲ再生データなどの画像フレーム・データを取り出すことがある。広範に異なる時間フレームで収集された様々なデータ源からの画像フレーム・データを検討する場合、各画像フレームは互いの画像フレームに対して異なる分解能設定で保存される。画像フレームの時間の経過に従った相関を使用しながら診断を実施しているため、異なる分解能設定で画像フレームを観察することになり誤差を生じさせることができる。システム１０は、各画像フレームの分解能設定及びズーム設定を選択可能に読み取ると共に、各画像フレームの分解能設定及び／またはズーム設定を自動的に修正し、ユーザの希望する選択可能な設定で互いに対して整合させることができる。

様々な実施形態では、血管ＩＭＴの撮像及び決定を容易にするために、走査前または走査中に血管内に造影剤が注入される。一般的には、動脈３００などの血管を通過する血流内に造影剤が注入され、血管の視認性及び血管ボーダー描出の強化を容易にする。造影剤はさらに、非反射性であり（すなわち、極めて暗い濃淡レベルを有しており）かつ周囲の血液で満たされた内腔からの識別が困難である「軟プラーク（ｓｏｆｔ−ｐｌａｑｕｅ）」の視認性及び描出を強化する。この造影剤によって血液の音波反射が容易となり、血液がより明るい濃淡レベルとして表示されかつこれと比べてより暗い軟プラークが超音波画像内でより識別可能かつ視認可能となる。

図４は、システム１０（図１参照）により収集した未処理超音波データから作成した例示的なグレイスケール画像４００である。画像４００は、視認可能な内膜−中膜３１０及び３１４のパターン、２つの高強度エリアを分離している造影剤を含む内腔３０７などの低強度領域、並びに外膜３０６を含むような、走査変換後の未処理超音波データ、走査変換前の未処理データ、または任意の画素データ画像から作成される。

図５は、この例示的な実施形態においては前側外膜５０４及び後側外膜５０６を含む平均化パターン（ＡＰ）の例示的なトレース５０２のグラフ５００である。平均化パターンは、近傍のベクトル同士のシフトを考慮に入れながらＲＯＩ内へのすべての強度ベクトルに関するｘ軸に沿った平均値として計算される。このＡＰはｘ軸の上昇方向で評価される。

図６は、内腔−内膜及び中膜−外膜の境界面を自動検出するための例示的な方法６００を表している。方法６００の処理過程すなわちアルゴリズムは、走査変換によって未処理超音波データから作成した画像を用いるか、あるいは走査変換前の未処理データに適用することや任意の画素データ画像（例えば、視認可能な２重ライン内膜−中膜パターンを含む画素データ画像など）に適用することも可能である。方法６００は、血管壁の視認性及び描出の強化を容易にするために血管内に造影剤を注入することを含む。造影剤を使用する場合、複数の初期化パラメータが修正されるか、造影剤が使用されていることや使用した当該造影剤に関する特性をＩＭＴアルゴリズムに指示するような追加のパラメータが設定される。

方法６００は、画像フレームと画像フレームの一部分のうちの少なくとも一方を含む関心領域（ＲＯＩ）を選択する工程（６０２）と、選択されたＲＯＩの強度ヒストグラムを計算する工程（６０４）と、を含む。ユーザ選択のＲＯＩには、内腔３０７及び外膜３０６（図３参照）の一部分を含めるべきである。画像フレーム強度値は計算されたヒストグラムに基づいて正規化される（６０６）。画像に沿った横方向で動脈３００（図３参照）などの動脈の方向で（例えば、動脈３００の向きを基準として選択されるｘ軸の方向で）、例えば有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタを用いた平滑化が適用される（６０８）。ｘ軸の向きはディスプレイで観察する際の動脈の向きとは無関係である。この例示的な実施形態では、動脈の向きが軸４０７など水平のｘ軸に対応している。別の実施形態では、その動脈はｘ軸を基準とした任意の方向に向いている。

抽出したＲＯＩに対して、その第１の反復がＲＯＩの左上の画素から開始され、かつ次の各反復ではｘ軸に関して１画素下でｙ軸に関して１画素左に開始点を移動させるように反復してメジアンフィルタ３×３が適用される（６１０）。ベクトル間の（血管方向、すなわち図４に示した血管のｘ軸に沿った）シフトは、各ｘ座標ごとにｘ座標に対応する強度ベクトルと（ｘ−１）座標に対応する強度ベクトルの間で計算して相互相関関数の最大値として決定される（６１２）。

平均化パターン（ＡＰ）及び逆平均化パターン（ＩＡＰ）が決定される（６１４）。このＡＰ及びＩＡＰには、前側と後側の外膜のうちの一方または両方を含むことがある。このパターンは、ＲＯＩ内へのすべての強度ベクトルに関するｘ軸に沿った平均値として、近傍のベクトル同士のシフトを考慮に入れながら計算される。ＡＰはｘ軸の上昇方向で評価される。ＩＡＰは、ｘ軸の下降方向で評価される。ＲＯＩ内のそれぞれ第１のベクトルや最終のベクトルとＡＰ／ＩＡＰの間の相互相関関数の最大値として、ＡＰとＲＯＩ内の第１のベクトルの間のシフトが決定され（６１６）、かつＩＡＰとＲＯＩ内の最終のベクトルの間のシフトが決定される（６１８）。

内膜−中膜中心（ＩＭＣ）のＹ座標はＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数の最大値として決定される（６２０）。ＲＯＩが前側外膜と後側外膜の両方を含む場合は、ＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数のベクトルの第１の半分上の大域最大値として前側ＩＭＣが決定され（６２０）、かつＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数のベクトルの第２の半分上の大域最大値として後側ＩＭＣが検出される。ＲＯＩが前側外膜と後側外膜の一方のみを含む場合、内膜−中膜の中心はＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数の全体ベクトル上の大域最大値として検出される。走行パターン（ＲＰ）及び逆走行パターン（ＩＲＰ）が各Ｘ座標ごとに決定される（６２２）。走行パターンは、近傍のベクトル同士のシフトを考慮に入れながら、指定したウィンドウサイズ（ＷＳ）をもつウィンドウ内部の強度ベクトルのｘ軸に沿った平均値として各Ｘ座標ごとに計算される。ＲＰはｘ軸の上昇方向で評価される。ＩＲＰはｘ軸の下降方向で評価される。

ＲＯＩベクトルと目下のＸ座標に対応するＲＰの間の走行シフト（ＲＳ）並びに目下のＸ座標に対応するＲＯＩベクトルとＡＰの間の平均化シフト（ＡＳ）が、各Ｘ座標ごとに決定される（６２４）。ＲＳ及びＡＳは、ＲＯＩベクトルとＲＰ及びＡＰのそれぞれとの間の相互相関関数の最大値として検出される。ＲＯＩの第１のＷＳベクトルについては、ＲＳ及びＡＳは、ＲＯＩベクトルとＩＲＰ及びＩＡＰのそれぞれとの間の相互相関関数の最大値として検出される。内膜−中膜の中心のＹ座標が目下のＸ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数の最大値として各Ｘ座標ごとに決定される（６２６）。ＲＯＩの第１のＷＳベクトルに対してはＩＲＰが適用され、またＲＯＩ内の残りのベクトルに対してはＲＰが適用される。ＲＯＩが前側外膜と後側外膜の両方を含む場合は、前側ＩＭＣはＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数のベクトルの第１の半分上の大域最大値として検出され、かつ後側ＩＭＣはＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数のベクトル上の第２の半分上の大域最大値として検出される。ＲＯＩが前側外膜と後側外膜の一方のみを含む場合は、ＩＭＣはＩＰ／ＩＲＰの第２次導関数の全体ベクトル上の大域最大値として検出される。大域最大値の検索は、以下の条件のうちの１つが満たされるまで再帰的に実施される。

１）目下のＸ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰ上で検出されてＲＳによって補正されたＩＭＣの座標と、ＡＰまたはＩＡＰ上で検出されてＡＳによって補正されたＩＭＣの座標との間の差がある定まった値未満となること。

２）目下のＸ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰ上で検出されたＩＭＣの座標と、（Ｘ−１）座標に対応するＲＰまたはＩＲＰ上で検出されたＩＭＣの座標との間の差がある定まった値未満となること。

この条件のうちの両方が真でなければ、大域最大値の値にゼロを代入して検索を継続する。

各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された前側ＩＭＣ座標の前にある直近ゼロ交差の座標として外膜−中膜境界面Ｙ座標が各Ｘ座標ごとに決定される（６２８）。各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された前側ＩＭＣ座標の後の直近ゼロ交差の座標として内膜−内腔境界面Ｙ座標が各Ｘ座標ごとに決定される（６３０）。

各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された後側ＩＭＣ座標の前にある直近ゼロ交差の座標として内腔−内膜境界面Ｙ座標が各Ｘ座標ごとに決定される（６３２）。各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された後側ＩＭＣ座標の後にある直近ゼロ交差の座標として中膜−外膜境界面Ｙ座標が各Ｘ座標ごとに決定される（６３４）。

本発明の様々な実施形態の技術的効果は、造影剤を含む血管の血管壁などの解剖学的構造を自動的に識別し計測することである。具体的には本システムは、関心領域を表す超音波データの画像フレームを取り込む。本発明の一実施形態では、造影剤を含む血管の構造が位置特定され、識別され、かつ計測される。構造及び計測値の出力を表示する様々な方法が、診断を容易にするように選択可能である。

血管のＩＭＴを自動的に計測するように構成された一体型超音波スキャナに関連して様々な実施形態において本発明を記載してきたが、別の多くの用途も企図される。本発明の方法及びシステムはＭＲＩなどの別の撮像様式や、血管以外の解剖学的構造にも適用されることが企図される。

造影剤を含む血管の近位側と遠位側の壁の総平均ＩＭＴを一体型超音波スキャナを用いて自動的に定量化する上述したシステム及び方法は、疾患の監視及び診断を容易にすることに関して費用対効果が高くかつ極めて高信頼性である。さらに詳細には、本明細書に記載した方法及びシステムによれば、例えば血管壁などの厚さの一体型超音波スキャナを用いた識別及び決定が容易となる。その結果、本明細書に記載した方法及びシステムによれば、ヘルスケア・コストを費用対効果が高くかつ高信頼性の方法によって低減することが容易となる。

リアルタイムの一体型超音波システム及び方法の例示的な実施形態についてこれまで詳細に記載してきた。しかし、本システムは本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各システムの構成要素は本明細書に記載した別の構成要素と独立にかつ個別に利用されることがある。各システム構成要素はさらに、別のシステム構成要素と組み合わせて使用することも可能である。

様々な特定の実施形態に関して本発明を記載してきたが、本発明が本特許請求の範囲の精神及び趣旨の域内にある修正を伴って実施できることは当業者であれば理解されよう。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明の一実施形態に従って製作した超音波システムのブロック図である。本発明の別の実施形態に従って製作した例示的な超音波システムのブロック図である。図１に示した超音波システムを用いて走査できる例示的な動脈の長手方向断面の概略図である。図１に示したシステムによって収集した未処理超音波データから作成した例示的なコントラスト強調グレイスケール画像である。前側外膜及び後側外膜を含む平均化パターン（ＡＰ）の例示的なトレースのグラフである。超音波造影剤で満たした血管の２Ｄ画像から総平均ＩＭＴを自動的に計測するための例示的な方法を表した図である。超音波造影剤で満たした血管の２Ｄ画像から総平均ＩＭＴを自動的に計測するための例示的な方法を表した図である。

符号の説明

１０超音波システム
１１トランスジューサ
１２送信器
１４受信器
１６ボリューム
１８走査面
２０メモリ
４２走査変換装置
４４スライスメモリ
５０ビデオ・プロセッサ
６７ディスプレイ
６８ＥＣＧユニット、波形／同期ユニット
７０電極
７２厚さ計測計算器
７４アーカイブユニット
７６報告書作成ユニット
１００超音波システム
１０２送信器
１０４素子
１０６トランスジューサ
１０８受信器
１１０ビーム形成器
１１２ＲＦプロセッサ
１１４ＲＦ／ＩＱバッファ
１１６信号プロセッサ
１１８表示システム
１２２画像バッファ
３００動脈
３０２内膜
３０４中膜
３０６外膜
３０７内腔
３０８厚さ（ＩＭＴ）
３０９内腔−内膜境界面
３１０内膜−中膜境界面
３１１中膜−外膜境界面
３１２内腔−内膜境界面
３１４内膜−中膜境界面
３１６中膜−外膜境界面
３１８関心領域（ＲＯＩ）
３２０前側壁
３２２後側壁
３２４第２のＲＯＩ
４００画像
４０７軸
５００グラフ
５０２トレース
５０４前側外膜
５０６後側外膜
６００方法
６０２選択
６０４計算
６０６正規化
６０８適用
６１０適用
６１２決定
６１４決定
６１６決定
６１８決定
６２０決定
６２２決定
６２４決定
６２６決定
６２８決定
６３０決定
６３２決定
６３４決定

Claims

関心エリア内に超音波信号を送信するための送信器（１２）と、
前記送信された超音波信号からのエコー信号を受信するための受信器（１４）と、
前記エコー信号を含む少なくとも１つの画像フレームを保存するためのメモリ（４４）と、
心電計ゲート制御（ＥＣＧ）波形／同期ユニット（６８）と、
プロセッサ（１１６）であって、
超音波造影剤を含む多層血管（３００）の一部分の超音波画像を収集すること、並びに
該プロセッサ上で実行するアルゴリズムを用いてコントラスト強調した画像のＩＭＴ（３０８）を自動的に決定すること、
を行うように構成されたプロセッサ（１１６）と、
前記決定されたＩＭＴを送信するための出力と、
を備える一体型超音波デバイス（１０）。
前記プロセッサはさらに、前記心臓サイクル情報と外部のＥＣＧ波形のうちの少なくとも一方の選択可能部分に対して画像フレーム選択を自動的に同期するように構成されている、請求項１に記載の一体型超音波デバイス。
前記プロセッサはさらに、内腔−内膜境界面（３０９）と中膜−外側膜境界面（３１１）のうちの少なくとも一方をハイライトするように構成されている、請求項１に記載の一体型超音波デバイス。
前記プロセッサはさらに、
デカルト座標系を基準とした少なくとも１つの画像の関心領域（３１８）に関する強度ヒストグラムを計算すること、
前記強度ヒストグラムを用いて外膜中心線を決定すると共に、前記強度ヒストグラムを用いて計算される外膜の平均強度を決定すること、
前記決定された外膜の境界に基づいて中膜−外側膜境界面（３１１）をハイライトすること、
前記外側膜の第１軸値に対応する内腔−内膜境界面の第２軸値を決定すること、並びに
内腔−内膜境界面をハイライトすること、
を行うように構成されている、請求項３に記載の一体型超音波デバイス。
前記出力は、前記少なくとも１つの画像フレームを前記ＩＭＴ計測と同時に表示するように構成されている、請求項１に記載の一体型超音波デバイス。
前記プロセッサはさらに、
前記出力に対する承認または不承認を示す信号の入力をユーザに促すこと、並びに
前記信号が承認を示す場合に、該プロセッサの出力を一体型超音波デバイスのアーカイブユニット（７４）に保存すること、
を行うように構成されている、請求項１に記載の一体型超音波デバイス。
前記プロセッサはさらに、単一のフレーム、複数のフレームにわたって平均化したフレーム、及び選択可能な指定した心臓サイクル点において同期した複数のフレームにわたって平均化したフレームのうちの少なくとも１つに基づいて、内腔−内膜境界面（３０９）と中膜外側膜境界面（３１１）のうちの前記少なくとも一方を識別するように構成されている、請求項１に記載の一体型超音波デバイス。
前記出力は自動画像表示較正情報を含む、請求項１に記載の一体型超音波デバイス。
前記プロセッサはさらに、
走査の間に使用している造影剤に関する入力を受け取ること、並びに
使用した造影剤を示す少なくとも１つの初期化パラメータを修正すること、
を行うように構成されている、請求項１に記載の一体型超音波デバイス。
画像フレームの最底縁に沿いかつ解剖学的構造の内膜−中膜（３０４）と実質的に平行な向きにあるｘ軸（４０７）と、最左縁に沿いかつ第１の軸と直交する向きにあるｙ軸と、を含む少なくとも１つの医用診断画像フレームに基づいて多層血管の一部分の厚さを一体型超音波デバイス（１０）を用いて計測するための方法（６００）であって、
画像フレームと画像フレームの一部分のうちの少なくとも一方を含む関心領域（ＲＯＩ）（３１８）を選択する工程（６０２）と、
前記選択されたＲＯＩの強度ヒストグラムを計算する工程（６０４）と、
前記計算されたヒストグラムに基づいて画像フレーム強度値を正規化する工程（６０６）と、
画像に沿った横方向で血管の方向に平滑化を適用する工程（６０８）と、
前記ＲＯＩに対して反復してメジアンフィルタ３×３を適用する工程（６１０）であって、第１の反復は該ＲＯＩの左上の画素から開始し、かつ次の各反復はｘ軸に関して１画素下でｙ軸に関して１画素左に開始点を移動させる反復適用工程と、
ｘ座標に対応する強度ベクトルとｘ−１座標に対応する強度ベクトルの間のシフトを各ｘ座標に関して計算した相互相関関数の最大値を用いて決定する工程（６１２）と、
ｘ軸の上昇方向で評価される平均化パターン（ＡＰ）及びｘ軸の下降方向で評価される逆平均化パターン（ＩＡＰ）を、近傍のベクトル同士のシフトを考慮に入れながらＲＯＩ内へのすべての強度ベクトルに関するｘ軸に沿った平均値を用いて決定する工程（６１４）と、
ＡＰと前記ＲＯＩ内の第１のベクトルの間のシフトを、ＡＰと該ＲＯＩ内の第１のベクトルの間の相互相関関数の最大値を用いて決定する工程（６１６）と、
ＩＡＰと前記ＲＯＩ内の最終のベクトルの間のシフトを、ＩＡＰと該ＲＯＩ内の最終のベクトルの間の相互相関関数の最大値を用いて決定する工程（６１８）と、
内膜−中膜中心（ＩＭＣ）のＹ座標をＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数の最大値として決定する工程（６２０）であって、前記ＲＯＩが前側及び後側の外膜を含む場合にはＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数のベクトルの第１の半分上の大域最大値として前側ＩＭＣが決定されかつＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数のベクトルの第２の半分上の大域最大値として後側ＩＭＣが検出されており、該ＲＯＩが前側または後側外膜のみを含む場合にはＩＭＣがＡＰ／ＩＡＰの第２次導関数の全体ベクトル上の大域最大値として決定されるようにした決定工程と、
ｘ軸の上昇方向で評価される走行パターン（ＲＰ）及びｘ軸の下降方向で評価される逆走行パターン（ＩＲＰ）を、近傍のベクトル同士のシフトを考慮に入れながら各Ｘ座標について指定したウィンドウサイズ（ＷＳ）のウィンドウの内部にある強度ベクトルのｘ軸に沿った平均値として計算して各Ｘ座標ごとに決定する工程（６２２）と、
ＲＯＩベクトルと目下のＸ座標に対応するＲＰの間の走行シフト（ＲＳ）及び目下のＸ座標に対応するＲＯＩベクトルとＡＰの間の平均化シフト（ＡＳ）であって、該ＲＳ及びＡＳはＲＯＩベクトルとＲＰ及びＡＰのそれぞれの間の相互相関関数の最大値として決定されており、ＲＯＩの第１のＷＳベクトルについては該ＲＳ及びＡＳはＲＯＩベクトルとＩＲＰ及びＩＡＰのそれぞれの間の相互相関関数の最大値として検出されている走行シフト（ＲＳ）及び平均化シフト（ＡＳ）を各Ｘ座標ごとに決定する工程（６２４）と、
ＲＯＩの第１のＷＳベクトルに対してはＩＲＰを適用し、ＲＯＩ内の残りのベクトルに対してはＲＰを適用しながら内膜−中膜の中心のＹ座標を、目下のＸ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数の最大値として各Ｘ座標ごとに決定する工程（６２６）と、
外膜−中膜境界面Ｙ座標を各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された前側ＩＭＣ座標の前にある直近ゼロ交差の座標として各Ｘ座標ごとに決定する工程（６２８）と、
内膜−内腔境界面Ｙ座標を各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された前側ＩＭＣ座標の後の直近ゼロ交差の座標として各Ｘ座標ごとに決定する工程（６３０）と、
内腔−内膜境界面Ｙ座標を各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された後側ＩＭＣ座標の前にある直近ゼロ交差の座標として各Ｘ座標ごとに決定する工程（６３２）と、
中膜−外膜境界面Ｙ座標を各Ｘ座標に対応するＲＰまたはＩＲＰの第２次導関数上で検出された後側ＩＭＣ座標の後にある直近ゼロ交差の座標として各Ｘ座標ごとに決定する工程（６３４）と、
を含む方法（６００）。