JP4297555B2 - 超音波カラー・ドップラー速度／方向撮像 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に医学装置に関し、詳細には複雑な媒質内の流れの絶対速度および方向の超音波撮像に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波撮像技術は、生体の内部構造を調べるための重要な手段になっている。様々な医学条件を診断する場合、超音波撮像は、体内の軟組織を調べて内部組織および流体流の構造上の詳細を示すうえで有用であることが多い。
【０００３】
体内構造を調べる場合、トランスデューサを使用して超音波の非常に短いパルスを生成し、パルスを体内へ送り、体内の組織からのエコーの特性（たとえば、振幅や位相）を測定することによって超音波画像が形成される。「超音波ビーム」と呼ばれる集束された超音波パルスが、体内の当該の特定の組織領域に当てられる。通常、解像度または画質を向上させるために超音波ビームは体内で様々なステップで集束される。トランスデューサがエコーを受け取り、当該の領域内の組織または目標の画像を生成するように処理する。結果として得られる画像を通常、Ｂ走査画像と呼ぶ。
【０００４】
生体内の血（およびその他の体液）流の測定および撮像は通常、ドップラーの原理を使用して行われる。この原理では、特定の周波数で送られる超音波のバーストが、移動する血球から反射され、そのため、反射される超音波の周波数が血流の方向での速度に応じて変化する。送られた信号に対する反射信号の周波数シフト（ドップラー・シフト）は、流体流の速度に比例する。この周波数を検出しビデオ表示装置上に表示し、患者内の移動する組織構造および流体流のグラフィック画像を生成することができる。
【０００５】
現在の超音波技法には、組織運動の周波数シフト・カラー・ドップラー撮像およびパワー・カラー・ドップラー撮像と、カラー・マッピング組織運動に関する変位および平均速度の相互相関超音波推定（ＣＶＩと呼ばれ、Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｃｏｒｐ．によって開発された）が含まれる。これらの現在知られている超音波撮像法は、複雑な媒質内の流れの速度および方向に関する比較的限られた情報を与える。たとえば、現在のカラー・ドップラー・フロー撮像技法（ＣＤＩ）は、流体流または組織運動の速度と、超音波ビームと流れまたは運動の方向との間のドップラー角度とに依存する周波数シフト・データしか与えない。この方法は、流れまたは運動の絶対速度も、あるいは流れまたは運動の方向も示さない。相互相関技法（ＣＶＩ）は流れまたは運動の速度の限られた範囲を生成し表示する。ＣＶＩシステムは絶対速度および流れ方向を生成するように較正することができるが、使用されるアルゴリズムが複雑であり、計算を多用し、したがって、処理時間を延長しコンピュータ資源を増加させる必要がある。さらに、速度および方向の相互相関推定値の不確実性が大きくなる傾向があるので、この方法の信号対雑音比は不十分なものになる可能性がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
軟生体組織を含め、複雑な媒質内の流れまたは運動の絶対平均速度および方向の超音波撮像を行うシステムを提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
異なるように向きを変えらる２本の従来型の超音波カラー・ドップラー・ビームの間の交差点でサンプリングが行われるように、この２本のカラー・ドップラー・ビームが２つの異なる角度で向きを制御される。二重カラー・ドップラー・サンプル・ボリュームとは、それぞれの異なる角度からのビームで決められる重なり合った２つのサンプル・ボリュームである。この種のオーバー・サンプリングは、それから音響リフレクタの流れまたは運動の絶対平均速度および方向を算出するのに十分な周波数シフト情報を与える。速度および方向のデータが、二重カラー・ドップラー・サンプル・ボリュームの二次元アレイについて算出され、カラー・スケール上にマップされ、音響リフレクタの流れまたは運動の速度または方向の空間分布を示す。この技法の主要な応用分野は、生体内の血流または軟組織運動の絶対速度および方向の視覚化である。
【０００８】
本発明の他の特徴は添付の図面および以下の詳細な説明から明らかになろう。
【０００９】
本発明は添付の図面中の図に限定的なものではなく例として図示する。図面中同じ参照番号は同じ要素を示す。
【００１０】
【発明の実施の形態】
軟生体組織を含め、複雑な媒質内の流れまたは運動の絶対平均速度および方向の超音波撮像を行うシステムについて説明する。それぞれの異なる角度で導入される２本の超音波カラー・ドップラー・ビームの間の交差点でサンプリングが行われるように、この２本のビームを使用して目標組織が撮像される。サンプル・ボリュームでの周波数シフト情報から、目標組織内の音響リフレクタの流れまたは運動の絶対平均速度および方向が算出される。
【００１１】
本発明の実施形態の意図される利点は、複雑な媒質内の流体流または組織運動の絶対速度および方向の超音波カラー・ドップラー撮像を行う装置が提供されることである。
【００１２】
本発明の実施形態の意図される他の利点は、体内の動脈血流と静脈血流の間の色差分を表示するシステムが提供されることである。
【００１３】
本発明の様々な実施形態は、離散ハードウェア構成要素で実装することも、あるいはコンパイルされ、リンクされ、次いで実行時に実行できるようにディスクベースの記憶域からロードされるソフトウェアを使用してデジタル信号プロセッサなどのプログラム済み処理ユニットで実装することもできる。これらの実施形態で使用される方法を含む様々なプログラムは、ファームウェアまたは他の同様な非揮発性記憶手段に存在することもできる。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態を組み込んだ超音波撮像システムのブロック図を示す。撮像システム１００は超音波トランスデューサ１０１（「プローブ」とも呼ぶ）を含む。超音波トランスデューサ１０１は通常、圧電素子の多素子アレイであり、患者などの被験体を調べるときに超音波信号を送りかつ受け取る。プローブ１０１は信号パス１１０を通して送受信回路１０２に結合される。送受信回路１０２は、超音波撮像分野で知られている原理に従って較正されるが、話を簡単にするために、この回路について詳しくは論じない。
【００１５】
送受信回路１０２は、バス１２０を通して制御ユニット１０９に結合され、超音波信号を送るときにも受け取るときにもプローブ１０１内の要素は人体内の特定の点で集束するように制御される。送受信回路１０２および制御ユニット１０９は、プローブ１０１を人体に対して移動せずに二次元画像画素を生成できるように走査機能を備えることも多い。
【００１６】
超音波信号が体内へ送られた後、送受信回路１０２の受信機（「ビームフォーマ」と呼ぶ）によって反射信号が処理される。プローブ１０１の個々の各要素からの信号の大きさが単一の信号に変換され、この信号が信号パス１１１を通して無線周波数（ＲＦ）プロセッサ１０３へ送られる。本発明の一実施形態では、送受信機１０２内のビームフォーマ回路は、向けられたカラー・ドップラー・パルスを受け取り、このパルスが、人体の目標領域内の音響リフレクタの流れの平均速度および方向を算出するのに十分な周波数シフト情報を与える。
【００１７】
ＲＦプロセッサ１０３は信号情報を処理し、復調された包絡線信号と、同位相（Ｉ）ドップラー信号および直角（Ｑ）ドップラー信号を生成する。包絡線信号は、人体から返されたエコーの振幅を表わし、さらに信号パス１１４を通して走査変換器１０５へ送られる。走査変換器１０５は通常、大型デジタル電子メモリとして実装される。
【００１８】
二次元画像を構築し、信号パス１１６を通してビデオ・プロセッサ１２７へ送ることができるように、走査変換器１０５は、包絡線エコー情報を、走査プロセスの結果として得られる体内でのこのような情報の幾何学的位置と共に、１ラインずつ記憶する。
【００１９】
カラー・ドップラー情報がないとき、ビデオ・プロセッサ１２７は単に、画像信号を信号パス１１９を通してビデオ表示モニタ１３０へ送る。この二次元画像は、通常は白黒であり、体内のエコー生成部位の分布を表わす。次いで、いわゆるＢ走査画像が、人体の病変を探索するためにオペレータによって使用されるか、あるいは診断を下すために医師によって使用される。
【００２０】
スペクトル・ドップラーに関するＩ信号およびＱ信号は、信号パス１１３を通してドップラー・プロセッサ１０６へ送られる。ドップラー・プロセッサ１０６は、バス１２０を介した制御ユニット１０９の制御の下で、受け取ったいくつかの連続するエコーから得た信号を比較し、体内の単一の領域内のドップラー・シフトを求める。この単一の領域は一般に、サンプル・ボリュームとして知られる。ドップラー・プロセッサ１０６は連続時系列のスペクトル・ドップラー情報も生成し、この情報では、血流速度が１つまたは複数の心周期（通常は数秒）にわたってビデオ・ディスプレイ１３０上に白黒で表示される。ドップラー情報は、信号パス１１５を通して走査変換器１０５へ送られ、次いで信号パス１１６を通してビデオ・プロセッサ１２７へ送られ、最終的にビデオ・ディスプレイ１３０上に表示される。
【００２１】
ＲＦプロセッサ１０３はＩ信号およびＱ信号を信号パス１１２を通してカラー・フロー・プロセッサ１０４へ送る。カラー・フロー・プロセッサ１０４は通常、体内の所与の走査方向に沿っていくつかのサンプル・ボリュームを処理する。カラー・フロー・プロセッサは信号を信号パス１１７を通してカラー走査変換器１０８に渡す。カラー走査変換器１０８では、カラー・コード化信号が、走査プロセスの結果として得られる体内でのこのような情報の幾何学的位置と共に、１ラインずつ記憶される。このようにして、二次元カラー・ビデオ画像が構築され、信号パス１１８を通してビデオ・プロセッサ１２７へ送られる。
【００２２】
カラー・フロー・プロセッサ１０４から得られた走査ライン情報を補間するために使用することもできるカラー走査変換器１０８は次いで、カラー・ドップラー情報を、ビデオ・ディスプレイ１３０上に表示できるように信号パス１１８を通してビデオ・プロセッサ１２７へ送る。ビデオ・プロセッサ１２７は通常、２次元画像の所与の特定の部分が、流れの結果として得られるカラー情報を有するかどうか、あるいは静的組織からのエコー情報のみを有するかどうかを選択する判定回路を含む。流れが存在する場合、白黒画像情報ではなくカラー情報が画像中の正しい点に表示される。本発明の一実施形態では、カラー・フロー・プロセッサ１０４は、システム１００が体内の組織運動および流体流に関する速度／方向情報を算出し表示することを可能にする命令を処理する。
【００２３】
速度／方向撮像
本発明の一実施形態では、図１の超音波システムは、電子ビーム方向制御を行うことのできる線形アレイ超音波トランスデューサおよびカラー・ドップラー超音波スキャナを組み込んでおり、電子ビーム方向制御は、複雑な媒質内の音響リフレクタ流の速度および方向を測定するために使用される。カラー・ドップラー・ビームは方向を制御され、２つの等しいが互いに逆向きの角度で組織に導入される。互いに逆方向に向けられる２本のカラー・ドップラー・ビームの間の各交差点で一致する（二重）カラー・ドップラー・サンプル・ボリュームが見付けられる。この方法は、組織内の同じ点で２つの独立の周波数シフトを生成する。
【００２４】
図２は、導管または同様な組織構造内の点を通して流体流を検出する二重カラー・ドップラー・サンプル・ボリュームを示す。導管２１２は、通常は血管であり、当該の領域２０８内の目標組織または目標領域を含む。線形アレイ・トランスデューサ２０２は、目標組織領域２０８に入射する２つの別々のドップラー・ベクトルを生成する。この２つのベクトルは、ドップラー・ベクトル１ ２０４とドップラー・ベクトル２ ２０６として示されている。２つのドップラー・ベクトル２０４および２０６の目的は、目標組織２０８の流れを表わすフロー・ベクトル２１０の絶対大きさおよび方向を判定することである。
【００２５】
移動する組織または流体に関する正確なデータを与えるために、２つのドップラー・ベクトルを使用して得られる２つのドップラー・サンプルを互いに非常に近い時間に得なければならないことに留意されたい。本発明の一実施形態では、角度インタリーブされ方向制御されるカラー・ドップラー・ベクトルのシーケンスが、当該のカラー・ドップラー領域の長さ、たとえば図２の組織領域２０８の長さを横切って励振される。角度インタリーブされ方向制御されるカラー・ドップラー・ベクトルのシーケンスは、線形アレイ・トランスデューサ２０２によって生成される。当該の領域は、互いに交差するベクトル対に位置する画素を含む領域の、オペレータによって決められるサブセットによって形成される。
【００２６】
図３は、本発明の一実施形態による、角度インタリーブされ方向制御されるカラー・ドップラー・ベクトルの交差ベクトル対を使用した当該の領域の生成を示す。線形アレイ・トランスデューサ２０２は、一連のベクトルを第１の角度で生成する。第１の角度の第１のベクトルはベクトル３０２として示され、この角度の最後のベクトルはベクトル３０４として示されている。この２つのベクトルの間にこれと同じ角度のいくつかの追加のベクトルがある。線形アレイ・トランスデューサ２０２はまた一連のベクトルを第２の角度で生成する。第２の角度の第１のベクトルはベクトル３０６として示され、この角度の最後のベクトルはベクトル３０８として示されている。この２つのベクトルの間にこれと同じ角度のいくつかの追加のベクトルがある。２組のベクトル・シーケンスの交差部は当該の領域３１０を決める。当該の領域内の個々の画素は、一方のベクトルがこの画素に第１の角度で入射し、他方のベクトルがこの画素に第２の角度で入射するベクトル対の交差部によって決められる。
【００２７】
図４は、当該の領域内の画素に関する速度ベクトルの計算を示す。画素ｐ４０２は、線形アレイ・トランスデューサ２０２によって生成される２つのドップラー・ベクトル、ドップラー・ベクトル１およびドップラー・ベクトル２の交差部にある画素を表わす。画素ｐでの運動は速度ベクトル
【数１】

４１２によって表わされる。画素ｐで交差する２つのカラー・ドップラー・ベクトルはそれぞれ、速度ベクトル
【数２】

のそれぞれの軸方向成分に比例する周波数シフトを返す。ドップラー・ベクトル１、４０４に沿った軸方向成分はν₁ ４０８として示され、ドップラー・ベクトル２、４０６に沿った軸方向成分はν₂ ４１０として示されている。
【００２８】
速度ベクトル
【数３】

４１２の大きさおよび方向は、図５に示すように、軸方向速度成分ν₁およびν₂とそれらのベクトル角度θ₁およびθ₂から算出することができる。画素ｐを中心とするデカルト座標系を使用する場合、軸方向速度成分は、方向制御されるカラー・ドップラー・ベクトル４０８および４１０の線上に位置する。これらの軸方向速度成分の角関係は次式によって与えられる。
ν₁に対して ｙ＝ｔａｎθ₁・ｘ ［１］
ν₂に対して ｙ＝ｔａｎθ₂・ｘ ［２］
【００２９】
速度ベクトル
【数４】

４１２は、方向制御される各カラー・ドップラー・ベクトル上に投影されると、以下の垂線を各カラー・ドップラー・ベクトルに落とすことによって軸方向速度成分に分解される。
【数５】

【数６】

【００３０】
各軸方向速度成分ｖ_nは、次式に示すように、それぞれのカラー・ドップラー・ベクトルに沿って周波数シフト△ｆ_nから直接較正される。
【数７】

上式で、ｃは音が伝達する媒質内の音響の速度であり、ｆは、送られる超音波ビームの周波数である。
【００３１】
本発明の一実施形態では、２つのカラー・ドップラー・ベクトルは、線形アレイ・トランスデューサの面からの垂線に対して、等しいが互いに逆向きの角度θ₂および−θ₂に方向制御される。したがって、以下の角関係が適用される。
θ＝π−θ₂ ［６］
ｃｏｓθ₁＝−ｃｏｓθ₂ ［７］
ｔａｎθ₁＝−ｔａｎθ₂ ［８］
速度ベクトル
【数８】

の端点座標（ｘ，ｙ）４１４に関して連立方程式３および４を解くと次式が得られる。
【数９】

【数１０】

【００３２】
算出されたｘおよびｙの値から、次式を使用して速度ベクトル
【数１１】

の大きさおよび方向を算出することができる。
【数１２】

【数１３】

【００３３】
本発明の一実施形態では、各角度で得られた速度ベクトルがカラー・スケール上にマップされ、このカラー・スケールでは、暗い色相が低い速度を表わし、明るい色相がより高い速度を表わす。図６は、本発明の一実施形態による、流速が色の階調で表わされるカラー・スケールの円形表現を示す。たとえば、カラー・ホイール６００では、色の階調に０ｃｍ／秒ないし１６０ｃｍ／秒の速度値が割り当てられ、紺青色には値２０ｃｍ／秒が割り当てられ、黄色には値１４０ｃｍ／秒が割り当てられる。カラー・ホイール６００上の速度標識が例示的なものであり、実際に割り当てられる速度値が、カラー・ドップラー・パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）およびカラー・ドップラー・パルス送信周波数に依存することに留意されたい。
【００３４】
前述の本発明の実施形態では、軸方向速度成分ν₁およびν₂が同じ速度ベクトル
【数１４】

に対して求められるものと仮定されている。この仮定では、
【数１５】

が第１のドップラー・ベクトルν₁から第２のドップラー・ベクトルν₂へ大きく変化することのないように、ν₁およびν₂を生成するために使用されるドップラー・ベクトル対が互いに非常に近い時間に発生する必要がある。したがって、本発明のこの実施形態では、カラー・ドップラー・ベクトルを互いに３ミリ秒〜５ミリ秒またはそれよりも短い時間内に順序付け、サンプル・ボリュームを時間的に一致させる必要がある。
【００３５】
本発明の代替実施形態では、１つまたは複数の心周期にわたって脈動指数（ＰＩ）を算出し、これを使用して、各二重カラー・ドップラー・サンプル・ボリュームでの動脈血流と静脈血流を区別することができる。このような方法は、本出願の譲受人に譲渡された米国特許出願第０８／５６１８８７号に記載されている。図８は、いくつかの心周期にわたって算出された脈動指数に関する例示的な動脈血流波形および静脈血流波形を示す。この代替実施形態では、各サンプル・ボリュームでの経時的なフロー・サンプルのシーケンスが得られ、いくつかの異なる静脈ピーク７００および動脈ピーク７０２が生成される。
【００３６】
図９は、本発明の代替実施形態による、いくつかの心周期にわたって算出された脈動指数に関して生成された静脈ピークおよび動脈ピークの例を示す。グラフ７５０で、ピーク同士の間の一次谷７５２は、静脈流と動脈流の間の分割線とみなされる。この分割線よりも下方の脈動指数を有するすべてのサンプル・ボリュームに、静脈カラー・スケール内の色（たとえば、青−緑）が割り当てられ、それに対して分割線よりも上方の脈動指数を有するすべてのサンプル・ボリュームに動脈カラー・スケール内の色（たとえば、赤−オレンジ−黄色）が割り当てられる。
【００３７】
図７は、本発明の代替実施形態による、速度ベクトルの流速が色の階調で表わされるカラー・スケールの図形表現を示す。カラー・ホイール６５０では、静脈カラー・スケール６５２と動脈カラー・スケール６５４の両方に関する色の階調の範囲に値、たとえば０ｃｍ／秒ないし１００ｃｍ／秒が割り当てられる。静脈カラー・スケールは、青（値２５ｃｍ／秒）ないし緑（値７５ｃｍ／秒）を含み、動脈カラー・スケールは赤（値２５ｃｍ／秒）ないし黄色（値７５ｃｍ／秒）を含む。この場合も、カラー・ホイール６５０上の速度標識が例示的なものであり、実際に割り当てられるカラー値が、カラー・ドップラー・パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）およびカラー・ドップラー・パルス送信周波数に依存することに留意されたい。
【００３８】
流速だけでなく、流れの方向も円形カラー・スケール上にマップすることができ、このカラー・スケールでは、スケールの周りの各色または色相が流れの特定の方向に割り当てられる。図１０は、本発明の一実施形態による、ベクトルの流れ方向または運動方向が色の階調で表わされる円形カラー・スケール８００を示す。当該のカラー・ドップラー速度画像（ＣＤＶＩ）領域内の流れの速度を流れ方向に従ってカラー・マップすると、カラー・ドップラー方向画像（ＣＤＤＩ）が得られる。
【００３９】
カラー・ドップラー速度／方向撮像装置
本発明の一実施形態では、カラー・ドップラー速度／方向撮像システムは、当該の目標領域内の流体流または組織運動の絶対平均速度および方向を算出し表示するために、方向制御可能な線形アレイ・トランスデューサと共に従来型のカラー・ドップラー超音波システムの要素を含む。
【００４０】
図１１は、本発明の一実施形態による、カラー・ドップラー超音波システムで使用される線形アレイ・トランスデューサ・ビームフォーマ回路のブロック図表現である。システム９００で、線形アレイ・トランスデューサ９０４は、送受信（Ｔｘ／Ｒｘ）スイッチ９０６および前置増幅器回路９０８を通してビームフォーマ回路９０２に結合される。線形アレイ・トランスデューサ９０４は、当該のカラー・ドップラー領域の長さを横切る方向に、角度インタリーブされ方向制御されるカラー・ドップラー・ベクトルのシーケンスを生成する。本発明の一実施形態では、速度ベクトルのｘ成分およびｙ成分を生成するために使用される各ドップラー・ベクトル対が、前述のように、互いに近い時間に発生するように、シーケンスを含むビームが５ミリ秒よりも短い間隔で生成される。本発明の一実施形態では、図１に示した超音波システム１００内の送受信回路１０２にビームフォーマ回路９０２が含まれる。
【００４１】
ビームフォーマ回路９０２では、シーケンス・ビーム対が当該のカラー・ドップラー領域内の中間深度で交差するように、カラー・ドップラー超音波ビームが、ビーム方向制御角度θ₂とビーム方向制御角度−θ₂との間で交互に切り換えられるように順序付けされる。これにより、概して、すべての一致するカラー・ドップラー・サンプル・ボリュームが互いにできるだけ近い時間に発生する。ＲＯＩ深度制御回路９２６によって当該領域（ＲＯＩ）深度情報が生成される。ＲＯＩ深度制御回路９２６および方向制御焦点マップ９１４からのデータはライン／方向制御シーケンサ９１６に入力される。ライン／方向制御シーケンサ９１６は、カラー・ドップラー超音波ビームの、適切な範囲の深度および方向制御角度が得られるように方向制御焦点マップ９１４から焦点マップを選択する。次いで、ライン／方向制御シーケンサ９１６は、対にすべき角度インタリーブされ方向制御されるカラー・ドップラー・ベクトルを選択する。ライン／方向制御シーケンサ９１６は、当該の領域の開始位置と終了位置を決める対にされない追加のベクトルも選択する。
【００４２】
対にされたベクトルと対にされないベクトルは、送信ビームフォーマ回路９１２および送信パルサ回路９１０を通して送られる。次いで、結果として得られた超音波シーケンスはスイッチ９０６を通してトランスデューサ９０４へ送られ、当該の領域の組織に導入される。シーケンサ９１６によって生成された対にされたベクトルと対にされないベクトルは、図３に示した当該のＣＤＶＩ領域３１０を形成する。
【００４３】
当該の領域から返された超音波ビームは、トランスデューサ９０４によって取り込まれ、スイッチ９０６を通るように経路指定され、前置増幅器回路９０８によって増幅され、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器回路９１８でアナログ信号からデジタル信号に変換される。次いで、受け取ったデジタル信号は受信ビームフォーマ回路９２０へ送られる。受け取ったシーケンスは加算回路９２４で加算され、このようなシーケンスの加算値が深度利得回路９２２内のＲＯＩ深度制御回路９２６からの出力と組み合わされる。深度利得回路９２２からの出力は復調器９２８に入力され、復調器９２８が同位相（Ｉ）信号および直角（Ｑ）信号を生成し、これらの信号がカラー信号プロセッサに入力される。
【００４４】
図１２は、本発明の一実施形態によるカラー・ドップラー速度／方向撮像システム内のカラー信号プロセッサ回路のブロック図である。カラー信号プロセッサ１０００は、図１１の復調器９２８から同位相（Ｉ）信号および直角（Ｑ）信号を受け取る。同位相信号および直角信号は、超音波トランスデューサから受け取った超音波信号データを含む。Ｉ／Ｑ信号はカラー利得回路１００２に入力される。利得回路１００２からの出力は高域フィルタ１００４に入力される。高域フィルタ１００４からの出力信号はクラッタ・フィルタ１００６を通して運動識別回路１００８に入力される。
【００４５】
運動識別回路１００８は、いくつかの異なる種類の組織でそれぞれ異なるように示されるそれぞれの異なる運動パラメータを抽出する別々のユニットを含む。運動識別回路１００８は、振幅推定回路１０１０、周波数シフト推定回路１０１２、分散推定回路１０１４を含む。振幅推定回路１０１０は、リフレクタの数に基づいて組織運動の振幅のみを抽出し、それに対して周波数シフト推定回路１０１２は組織運動の周波数シフト成分のみを抽出する。分散推定回路１０１４は、走査された当該の領域に存在するいくつかの異なる種類の組織を区別するうえで有用な情報を与える組織運動の速度の広がりを測定する。
【００４６】
分散推定回路１０１４からの出力はスイッチを通して組合せ回路１０１６に入力される。組合せ回路１０１６は、この入力を周波数シフト推定回路１０１２からの出力と組み合わせ、プログラム可能な公式から与えられる演算に応じてこれらの信号を処理する。本発明の一実施形態では、組合せ回路１０１６に使用されるプログラム可能な公式は、ピーク周波数シフトを推定する加算演算である。
【００４７】
組合せ回路１０１６からの出力は運動フィルタ１０１８に入力される。運動フィルタ１０１８は、フラッシュ運動アーチファクトを除去し、システムの信号対雑音比を向上させる働きをする。運動フィルタ１０１８からの出力は速度推定回路１０２０および方向推定回路１０２２に入力される。
【００４８】
本発明の一実施形態では、カラー・ドップラー信号プロセッサ１０００は従来型のカラー・ドップラー・アルゴリズムを使用し、周波数シフト推定回路１０１２を使用して、送られた超音波ビームと受け取った超音波ビームとの間の平均周波数シフトを推定する。次いで、分散推定回路１０１４からの周波数ドメイン分散推定値が平均周波数シフト推定値に加算され、ピーク周波数シフトの推定値が与えられる。加算結果はメモリ・バッファ１０２４に記憶される。
【００４９】
本発明の一実施形態では、カラー・ドップラー超音波ビームは、ビーム方向制御角度θ₂とビーム方向制御角度−θ₂との間で交互に切り換わるように順序付けされる。したがって、角度θ₂の第１の超音波ビームについて推定平均周波数シフトの結果が算出され記憶され、次いで、角度−θ₂で逆方向に向けられた超音波ビームについて推定平均周波数シフトの結果が算出される。互いに逆方向に向けられたカラー・ドップラー・ベクトル上の一致するカラー・ドップラー・サンプル・ボリュームから得たデータを処理する際、数式９〜１２で２つの周波数シフトが使用される。
【数１６】

【数１７】

【数１８】

【数１９】

【００５０】
上式を解くと、二重サンプル・ボリューム内の流れまたは運動の絶対速度および方向の推定値が与えられる。図１０で、絶対速度νは速度推定回路１０２０で算出され、流れの方向φは方向推定回路１０２２で算出される。
【００５１】
本発明の一実施形態では、図１のカラー走査変換器１０８などのカラー走査変換器で速度データおよび方向データが走査変換される。次いで、走査変換済みデータは双線形補間され、２次元マトリックスが得られる。次いで、結果として得られた流れ画素値は、図６に示したようなＣＤＶＩ用のカラー・スケール、または図１０に示したようなＣＤＤＩ用のカラー・スケールにマップされる。次いで、図１のビデオ・ディスプレイ１３０などの表示装置上に表示される画像が、マップされた画素値を使用して形成される。この実施形態では、図１に示したカラー・フロー・プロセッサ１０４内にカラー信号プロセッサ１０００が含まれる。
【００５２】
目標領域が血管、または流体を含む同様な構造である場合、脈動推定回路を使用して脈動指数を求めることができる。図１３は、本発明の代替実施形態によるカラー・ドップラー速度／方向撮像システム内のカラー信号プロセッサ回路のブロック図である。図１３のカラー信号プロセッサ１０５０は脈動推定回路１０３０を含み、脈動推定回路１０３０は１つまたは複数の心周期にわたる速度データを使用して脈動指数を算出する。次いで、脈動指数は、流れが動脈流であるか、それとも静脈流であるかを判定するために動脈−静脈（Ａ−Ｖ）弁別器１０２８によって使用される。一般に、動脈流は脈動が比較的多いことを特徴とし、静脈流は脈動が比較的少ないことを特徴とする。次いで、速度推定値が動脈速度Ｖ_Aまたは静脈速度Ｖ_Vに分類される。次いで、速度推定値は、方向推定回路１０２２から得た方向データφと共に、カラー走査変換器１０８に入力され、ビデオ・ディスプレイ１３０上に表示される２次元画素データが生成される。
【００５３】
本発明の一実施形態では、当該のカラー・ドップラー領域内の流れ画素からの定量読取り値が、流れまたは運動の推定平均速度、ピーク速度、角方向を表示する。次いで、図１に示したように、トラックボールや他の同様なカーソル制御装置１２６などのオペレータ制御式ポインティング装置によって所望のカラー画素を選択することができる。特定の画素を選択することによって、この画素に関する運動の推定平均速度、ピーク速度、方向を得ることができる。
【００５４】
図１１および図１０のブロック図のあるプロセスおよび回路の厳密な配置および順序がビームフォーマおよびカラー信号プロセッサのいくつかの可能な設計に応じて異なり、本発明が図の厳密な構造および実施形態に限らないことに留意されたい。
【００５５】
図１４は、本発明の方法によってカラー・ドップラー速度／方向撮像を実行するステップを示すフローチャートである。図１４のフローチャートは、角度θおよび−θで方向制御される交互に切り換わるカラー・ドップラー・ビームの処理シーケンスを示す。各軸方向周波数シフト推定値が得られた後、前の一致するサンプル・ボリュームがある場合は、νおよびφが算出される。説明の都合上、図１４に示した方法のステップについて図１１および図１２を参照して論じるが、図１４の方法の要素はこれらの特定の実施形態に限らない。
【００５６】
ステップ１１０２で、各ベクトル対ごとのライン位置が算出される。各ベクトル対ごとのライン位置は、ビーム対のシーケンスが当該の領域内の中間の深さで交差するように算出される。ステップ１１０４で、線形アレイ・トランスデューサによって第１のカラー・ドップラー画像ベクトルが角度θ₂で送られる。ステップ１１０６で、線形アレイ・トランスデューサが角度θ₂のカラー・ドップラー画像ベクトルを受け取る。次いでステップ１１０８で、受け取ったカラー・ドップラー画像ベクトルが復調器（たとえば、図１１の復調器９２８）で復調される。
【００５７】
ステップ１１１０で、復調されたカラー・ドップラー画像ベクトルから生成された同位相信号および直角信号から、当該の領域のサンプル・ボリューム内の軸方向速度成分が推定される。ステップ１１１２で、図１０の高域フィルタ１００４を使用することなどにより、推定された軸方向速度成分から雑音が除去される。次いでステップ１１１４で、結果として得られる推定軸方向速度成分がメモリ・バッファに記憶される。ステップ１１１６で、軸方向周波数シフト推定値に対応する前の一致するサンプル・ボリュームがあるかどうかが判定される。ステップ１１１６で、一致する（あるいは重なり合った）サンプルがあると判定された場合、ステップ１１１８で、重なり合った２つのサンプルから速度ベクトルが算出される。速度ベクトルの算出は、νで定義される速度の大きさを求めるステップと、角度φで定義される速度ベクトルの方向を求めるステップを含む。
【００５８】
ステップ１１２０で、線形アレイ・トランスデューサによって第２のカラー・ドップラー画像ベクトルが角度−θ₂で送られる。ステップ１１１６で、前のサンプル・ボリューム同士が重なり合わないと判定された場合、プロセスが直接、ステップ１１１４からステップ１１２０に進み、ドップラー画像ベクトルが角度−θ₂で送られることに留意されたい。ステップ１１２２で、線形アレイ・トランスデューサが角度−θ₂のカラー・ドップラー画像ベクトルを受け取る。次いで、受け取ったカラー・ドップラー画像ベクトルは図１１の復調器９２８で復調される。
【００５９】
ステップ１１２６で、サンプル・ボリューム内の軸方向速度成分が推定される。次いでステップ１１２８で、推定された軸方向速度成分から雑音成分が除去され、ステップ１１３０で、この結果がメモリ・バッファに記憶される。ステップ１１３２で、軸方向周波数シフト推定値に対応する前の一致するサンプル・ボリュームがあるかどうかが判定される。ステップ１１３２で、重なり合ったサンプルがあると判定された場合、ステップ１１３４で、重なり合った２つのサンプルから速度ベクトルが算出される。第１のベクトルの場合と同様に、第２の速度ベクトルの算出は、νで定義される速度の大きさを求めるステップと、角度φで定義される速度ベクトルの方向を求めるステップを含む。
【００６０】
速度ベクトルが算出された後、次にステップ１１３６で、プロセスがカラー・フレームの終了位置まで進んだかどうかが判定される。ステップ１１３２で、サンプル・ボリューム同士が重なり合わないと判定された場合、プロセスは直接、ステップ１１３６から進み、カラー・フレームの終了位置があるかどうかが判定される。ステップ１１３６で、カラー・フレームが完了していないと判定された場合、プロセスはステップ１１０２から繰り返され、次のカラー・ドップラー画像ベクトルが第１の角度θ₂で送られる。
【００６１】
しかし、ステップ１１３６で、プロセスがカラー・フレームの終了位置に到達したと判定された場合、ステップ１１３８で、すべてのサンプルに関する速度データおよび方向データが走査変換される。次にステップ１１４０で、走査変換済みデータが速度情報であるか、それとも方向情報であるかが判定される。ステップ１１４０で、走査変換済み情報が速度データであると判定された場合、ステップ１１４４で、カラー・ドップラー速度画像（ＣＤＶＩ）が表示される。しかし、ステップ１１４０で、走査変換済み情報が方向データであると判定された場合、ステップ１１４２で、カラー・ドップラー方向画像（ＣＤＤＩ）が表示される。次いでステップ１１４６で、この特定のカラー・フレームに関するプロセスが終了する。
【００６２】
上記では、超音波カラー・ドップラー撮像を使用して流れまたは組織運動の絶対速度および方向を表示するシステムについて説明した。本発明について特定の例示的な実施形態を参照して説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の広い趣旨および範囲から逸脱せずにこれらの実施形態に様々な修正および変更を加えられることは明白であろう。したがって、本明細書および図面は制限的なものではなく例示的なものとみなすべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態を組み込んだ超音波撮像システムのブロック図である。
【図２】 導管または同様な組織構造内の点を通る流体流を検出する二重カラー・ドップラー・サンプル・ボリュームを示す図である。
【図３】 本発明の一実施形態による、角度インタリーブされ方向制御されるカラー・ドップラー・ベクトルの交差ベクトル対を使用した当該の領域の生成を示す図である。
【図４】 交差ベクトル対によって生成された当該の領域内の画素の速度ベクトルの計算を示す図である。
【図５】 図４の速度ベクトルの大きさおよび方向の計算を示す図である。
【図６】 本発明の一実施形態による、ベクトルの絶対速度が色の階調で表わされる円形カラー・スケールを示す図である。
【図７】 本発明の代替実施形態による、ベクトルの絶対速度が色の階調で表わされる円形カラー・スケールを示す図である。
【図８】 いくつかの心周期にわたって算出された脈拍指数（ｐｕｌｓａｌｉｔｙ ｉｎｄｅｘ）に関する例示的な動脈血流波形および静脈血流波形を示す図である。
【図９】 本発明の代替実施形態による、いくつかの心周期にわたって算出された脈拍指数に関して生成された例示的な静脈ピークおよび動脈ピークを示す図である。
【図１０】 本発明の一実施形態による、速度ベクトルの方向が色の階調で表わされる円形カラー・スケールを示す図である。
【図１１】 本発明の一実施形態による、カラー・ドップラー超音波システムで使用される線形アレイ・トランスデューサ・ビームフォーマ回路のブロック図表現である。
【図１２】 本発明の一実施形態による、カラー・ドップラー速度／方向撮像システム内のカラー信号処理回路のブロック図である。
【図１３】 本発明の代替実施形態による、カラー・ドップラー速度／方向撮像システム内のカラー信号処理回路のブロック図である。
【図１４】 本発明の方法によってカラー・ドップラー速度／方向撮像を行うステップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１００ 撮像システム
１０１ プローブ
１０２ 送受信回路
１０３ ＲＦプロセッサ
１０４ カラー・フロー・プロセッサ
１０５ 走査変換器
１０６ ドップラー・プロセッサ
１０８ カラー走査変換器
１０９ 制御ユニット
１１０、１１２、１１３、１１６、１１７、１１８、１１９ 信号パス
１２０ バス
１２７ ビデオ・プロセッサ
１３０ ビデオ・ディスプレイ・モニタ

Claims (11)

1. 第１の角度の第１組の超音波ビームおよび第２の角度の第２組の超音波ビームを第１の領域内へ送り、前記第１の角度および前記第２の角度の反射超音波ビームを前記第１の領域から受け取るように動作することのできるトランスデューサと、前記トランスデューサに結合され、連続する超音波ビームが５ミリ秒以下の時間内に前記第１の角度と前記第２の角度との間で交互に切り換わるように、前記第１組の超音波ビームのうちの複数のビームと前記第２組の超音波ビームのうちの複数のビームを順序付けるように動作することのできるビームフォーマと、前記ビームフォーマに結合され、前記第１組の超音波ビームのうちの超音波ビームを使用して前記第１の領域内の目標の第１の周波数シフトを推定し、前記第２組の超音波ビームのうちの超音波ビームを使用して前記目標の第２の周波数シフトを推定するように動作することのできる信号プロセッサとを備え、前記第１の角度と前記第２の角度が、前記線形アレイ・トランスデューサの表面によって決められる平面からの垂線に対して等しくかつ互いに逆向きの角度であることを特徴とする超音波撮像装置。
2. 前記信号プロセッサがさらに、前記推定された第１の周波数シフトおよび前記推定された第２の周波数シフトを使用して前記目標の運動の絶対速度および方向を算出するように動作することを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
3. さらに、ドップラー・プロセッサを備え、前記信号プロセッサが、１つまたは複数のドップラー・アルゴリズムを使用して前記第１の周波数シフトおよび第２の周波数シフトを推定することを特徴とする請求項２に記載の超音波撮像装置。
4. 第１のベクトルが前記第１の角度の超音波ビームによって決められ、第２のベクトルが前記第２の角度の超音波ビームによって決められ、前記第１のベクトルと前記第２のベクトルが前記目標で交差し、前記第１の角度および前記第２の角度が、前記第１および第２のベクトルならびに直行軸に対して定められ、さらに、前記第１のベクトルと前記第２のベクトルと前記直交軸との間の三角関係を使用して前記絶対運動速度および前記運動方向が算出されることを特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
5. さらに、前記信号プロセッサに結合され、前記絶対速度および方向を対応する２次元速度データおよび２次元方向データに変換するように動作する走査変換器と、前記走査変換器に結合され、前記速度データおよび前記方向データを対応する速度画素データおよび方向画素データとして処理するように動作するビデオ・プロセッサと、前記ビデオ・プロセッサに結合され、前記速度画素データおよび前記方向画素データを表示するように動作するビデオ表示装置とを備えることを特徴とする請求項４に記載の超音波撮像装置。
6. 前記走査変換器がカラー走査変換器回路を備え、前記速度データが第１のカラー・スケール上にマップされ、それぞれの異なる速度の大きさにそれぞれの異なるカラー値が割り当てられ、前記方向データが第２のカラー・スケール上にマップされ、それぞれの異なる方向にそれぞれの異なるカラー値が割り当てられることを特徴とする請求項５に記載の超音波撮像装置。
7. さらに、運動識別回路を備え、前記運動識別回路が、前記目標に関する超音波ドップラー画像データから振幅情報を抽出するように構成された振幅推定回路と、前記超音波ドップラー画像データから周波数シフト情報を抽出するように構成された速度推定回路と、前記超音波ドップラー画像データから周波数シフト分布情報を抽出するように構成された分散推定回路とを備えることを特徴とする請求項６に記載の超音波撮像装置。
8. さらに、前記運動識別回路に結合された組合せ回路を備え、前記組合せ回路が、前記速度推定回路および前記分散推定回路からの出力値を入力データとして受け入れ、前記超音波撮像装置にプログラムされた公式に従って前記入力データを組み合わせるように動作することを特徴とする請求項７に記載の超音波撮像装置。
9. さらに、前記運動識別回路に結合され、前記第１の領域内の流体の流れについての脈動指数を算出するように動作する脈動推定回路と、前記脈動推定回路に結合され、前記領域内の動脈血流と静脈血流を区別するように動作する識別回路とを備えることを特徴とする請求項４に記載の超音波撮像装置。
10. 前記脈動推定回路が、前記超音波撮像装置によって検査されている患者の、１つまたは複数の心周期にわたる前記血流に関する速度データを使用して、前記脈動指数を算出することを特徴とする請求項６に記載の超音波撮像装置。
11. さらに、前記第１の領域内の前記目標の速度および方向に対応するグレースケール・データまたはカラー画素データを含む表示データを生成するビデオ処理手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の装置。

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