JP4712931B2 - パワー・ドップラー・イメージの最適データ・マッピングのための方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概ね流体フロー（流体流れ）の超音波パワー・ドップラー・イメージングに関する。特に、本発明は、流れている血液から反射される超音波エコーにおけるパワーを検知することによって人体内の血流をイメージするための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドップラー効果に基づいて血流を検知するための超音波スキャナはよく知られている。そのような装置は、超音波トランスデューサ・アレイを起動して超音波を対象内に送り、対象から後方散乱した超音波エコーを受けることによって機能する。血流特性の測定においては、返ってくる超音波が周波数基準と比較され、返ってくる波に血球等の流動する散乱体によって与えられる周波数シフトが求められる。この周波数シフト、即ち位相シフトを血流の速度に変換する。血流速度は、特定のレンジ・ゲートにおいて放射から放射にわたる位相シフトを測定することによって計算される。
【０００３】
後方散乱した周波数の変化またはシフトは血液がトランスデューサに向かって流れるときに増加し、トランスデューサから遠ざかって流れるときに減少する。カラー・フロー画像は、血液等の移動する物質の速度のカラー画像をモノクロの解剖学的Ｂモード画像にスーパーインポーズすることによって生成される。一般に、カラー・フロー・モードは幾百かの隣接するサンプル・ボリュームを同時に表示し、すべてＢモード画像に重ねられ、カラーコードされて、各サンプル・ボリュームの速度を表す。パワー・ドップラー・モードもまたサンプル・ボリュームをＢモード画像に重ねて表示するが、表示されたサンプル・ボリュームはカラーコードされて各サンプル・ボリュームから反射される信号のパワーまたはエネルギーを表す。
【０００４】
標準のカラー・フロー処理においては、カラー・フロー推定を行う前にウオール・フィルタとして知られる高域フィルタがデータに適用される。このフィルタの目的は、関心の血流の周囲組織によって生成される信号成分を除去することにある。それらの信号成分が除去されない場合には、得られる速度推定あるいはパワー推定は、血流から返った信号の速度推定またはパワー推定と周囲組織から返った信号の速度推定またはパワー推定の組合せとなるであろう。組織からの後方散乱成分は血液からのそれより幾層倍も大きく、そのためにパラメータ推定は血流よりもむしろ組織の方を表す可能性がきわめて高い。フロー速度またはパワーを得るには、組織の信号は濾過して除かなければならない。
【０００５】
従来の超音波イメージング・システムにおいては、超音波トランスデューサ・アレイが起動して一連のマルチサイクル（一般的に４〜８サイクル）トーン・バーストを送る。そのトーン・バーストは同じ伝送焦点位置に同じ伝送特性で集束される。それらのトーン・バーストは、あるパルス繰返し数（ＰＲＦ）で放射される。ＰＲＦは、一般にキロヘルツ域にある。同じ伝送焦点位置に集束される一連の伝送放射は「パケット」と称される。各伝送ビームは走査中の対象を通して進み、血球等の超音波散乱体により反射される。返った信号はトランスデューサ・アレイの素子によって検知され、次いでビーム形成器によって受信ビームに形成される。
【０００６】
例えば、従来のカラー放射シーケンスは、同一位置に沿う一連の放射（トーン・バースト等）であり、その放射によってそれぞれ受信信号：
Ｆ1 Ｆ2 Ｆ3 Ｆ4 ．．．ＦM
が生成される。ここでＦiはｉ番目の放射の受信信号であり、Ｍはパケットにおける放射数である。これらの受信信号は、コーナー・ターナー・メモリにロードされ、放射にわたって、即ち「スロー・タイム」内にそれぞれのダウン・レンジ・ポジションに高域フィルタ（ウオール・フィルタ）が適用される。最も単純な（１、−１）ウオール・フィルタの場合は、各レンジ・ポイントにフィルタが掛けられて、それぞれに差分信号：
（Ｆ1−Ｆ2）（Ｆ2−Ｆ3）（Ｆ3−Ｆ4） ．．．（ＦM-1−ＦM）
が生成され、これらの差がカラー・フロー・パワー推定器に入力される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
パワー・ドップラー・イメージングは、血流のパワー即ちエネルギーを二次元画像にマップする。得られた表示されたパワー・ドップラー・イメージの伝達関数は、基礎的な圧縮曲線の伝達関数とマッピング関数の積である。最新の超音波システムは、一般にユーザに一連のマッピング関数を与えてそこから選択させる。それらのマッピング関数によって、表示される色を任意に選択することができるものの、ユーザまたはシステムがユーザ設定またはイメージング・データ自体に基づいて画像情報を最適化することはできない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ユーザにとって最も関心のある情報を含むフロー状態が強調され、関心のある情報を含まないフロー状態は抑制されるフロー・パワー・データをカラー・マップするための方法および装置である。これは最適の形式を有するカラー・マッピングを使用して達成される。その最適の形式によれば、カラー・マッピング関数は上方および下方ニー・ポイントで接続された３つのセグメントを備え、ニー・ポイントは自動的またはオペレータの入力で設定できる。第一、第二および第三のマッピング・セグメントのカラー強度値は、それぞれ低域、中域および高域のパワー・ドップラー・イメージング・データに適用される。下方ニー・ポイントはパワー・ドップラー・イメージング・データのシステム・ノイズ・フロアに基づいて位置決めされ、上方ニー・ポイントは下方ニー・ポイントよりｘユニット高くマッピング関数のパワー・ドップラー・イメージング・データ軸沿いに位置決めされる。ここでｘは有効フロー・ダイナミック・レンジおよびＳＮ比として定義される。
【０００９】
好ましい一実施態様によれば、上方および下方ニー・ポイントは、使用可能なパワー・ドップラー・イメージング・データから求めて適用することができる。特に、この関数はホスト・コンピュータによって自動的に実行することができる。例えば、ホスト・コンピュータは、シネ・メモリから検索されたパワー・ドップラー・イメージング・データの１つまたは複数のフレームに画像分析アルゴリズムを実行し、分析されたパワー・ドップラー・イメージング・データに基づいて上方および下方ニー・ポイントの最適の位置を求め、最適の位置に置かれたニー・ポイントを有する最適のカラー・マッピング関数を構成し、次いで最適のカラー・マッピング関数をビデオ・プロセッサにロードすることができる。特に、ニー・ポイントの位置は、ＳＮ比またはダイナミック・レンジの関数として求めることができ、パワー・ドップラー・イメージング・データから画像分析中に推定することもできる。
【００１０】
あるいは、ホスト・コンピュータは、カラー・マッピング関数のニー・ポイントの位置をユーザから選択された入力、例えば、システム・カラー・フロー・ゲイン設定またはダイナミック・レンジ設定に基づいて求めるようにプログラムすることもできる。
【００１１】
さらに別の好ましい実施態様によれば、カラー・マッピング関数の一方または両方のニー・ポイントの位置をユーザがオペレータ・インタフェースを介して移動させることができる。一つのモードにおいては、ユーザは上方および下方ニー・ポイントの位置を一緒に移動させることができる。それによって、ユーザは曲線全体を上下にシフトして、低フロー状態に関して使用されたディスプレイ状態と高フロー状態に関して使用されたディスプレイ状態とのいずれかを一方を利用できるようにする。別のモードにおいては、ユーザは下方ニー・ポイントの位置を上方ニー・ポイントの位置に対して相対的に移動することができる。下方ニー・ポイントの位置のこの変更によって、曲線の傾斜の表示スペーにおける有効フロー・ダイナミック・レンジ・エリア（ｘ）および有効ダイナミック・レンジが変わる。一方または両方のニー・ポイントの位置を変更するオペレータ入力に応じ、ホスト・コンピュータはユーザが求めるニー・ポイント位置を有するカラー・マッピング関数を構成し、そのカラー・マッピングをビデオ・プロセッサにロードする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に関し、カラー・フロー・イメージング・システムの基本的な信号処理チェインは、超音波トランスデューサ・アレイ２を備え、これが活性化されることによってＰＲＦで繰り返し放射される長さＰのトーン・バーストからなるパルス・シーケンスが送信される。リターンＲＦ信号はトランスデューサ素子によって検出され、ビーム形成器４内のレシーブ・チャネルによって受けられる。ビーム形成器は、遅延チャネル・データを合計し、ビームサム信号を出力し、その信号が復調器６によって同相分および直角分（Ｉ／Ｑ）信号成分に復調される。Ｉ／Ｑ信号成分はコーナー・ターナー・メモリ８に記憶されるが、その目的はインタリーブされた可能性のある放射からのデータをバッファリングし、そのデータを一定のレンジ・セルにおける放射全体にわたってポイントのベクトルとして出力することにある。データは、各放射について「ファーストタイム」または順次ダウン・レンジで（ベクトル沿いに）受けられる。コーナー・ターナー・メモリの出力は、各レンジ・セルについて放射により「スロータイム」に、または順次リオーダされる。結果の「スロータイム」Ｉ／Ｑ信号標本は、それぞれのウオール・フィルタ１０に通され、それによって停滞またはきわめて動きの緩慢な組織に相当するクラッタが除かれる。フィルタされたデータは、次いでパワー推定器１２に供給され、これによってレンジ・セル情報が中間自己相関パラメータＲ（０）に変換される。Ｒ（０）は、次の式のようにパケット内の放射数にわたる有限合計として近似される。
【数１】
但し、ＩiおよびＱiは放射ｉの復調され、ベースバンド化された入力データ、Ｍはパケット内の放射の数である。信号Ｒ（０）は、ドップラー・シフトされたフロー信号における戻りパワーの量を表し、フローイング・リフレクタからの信号の強さを示す。
【００１３】
パワー・ドップラー推定値Ｒ（０）は、走査変換器１４に送られ、これによってパワー・ドップラー・イメージング・データがＸ−Ｙフォーマットに変換される。走査変換されたフレームはビデオ・プロセッサ１６に通され、ここでビデオ・ディスプレイのための１つまたは複数のカラー・マッピング関数に従って基本的にパワー・ドップラー・イメージング・データがマップされる。パワー・ドップラー・イメージング・データのイメージ・フレームは、次いでビデオ・モニタ１８に送られて表示される。
【００１４】
モニタ１８によって表示されたパワー・ドップラー・イメージは、各データがディスプレイにおける各画素の強度または輝度を表すデータのイメージ・フレームから生成される。イメージ・フレームは、例えば、２５６×２５６データ・アレイによって構成され、その各表示強度データは画素輝度を示す８ビット２進数である。各画素は、用いた超音波パルスおよび使用されたカラー・マッピングに応じて血流の対応するレンジ・ゲートから返ったエコー信号のパワーまたはエネルギーの関数である強度値を有する。表示されたパワー・ドップラー・イメージは、イメージ中の体を通る面における血流を表す。
【００１５】
図１に示すシステムにおいては、パワー・ドップラー・データの連続的なフレームがシネ・メモリ２０に先入れ先出し方式で記憶される。シネ・メモリ２０は、すでにビデオ・プロセッサの第一の部分でビデオ・フレーム・レートに合わせて変換されているがカラー・マッピング前のパワー・ドップラー・データを記憶する。記憶は、継続的である場合、あるいは外部トリガ・イベントの結果である場合もある。シネ・メモリ２０は、バックグラウンドで実行されユーザにリアルタイムで表示されるイメージング・データを捕獲する環状イメージ・バッファのようなものである。ユーザがシステムを（オペレータ・インタフェース２４の適切な装置の操作により）フリーズするとき、ユーザは先にシネ・メモリに捕獲されたパワー・ドップラー・イメージング・データをビューする能力を有する。
【００１６】
システム制御はホスト・コンピュータ２２に集中され、ここでオペレータ入力をオペレータ・インタフェース２４（制御パネル等）を介して受け入れ、様々なサブシステムを制御する。特に、ホスト・コンピュータはビーム形成器の送信器に送信時間遅延、振幅制御および送信シーケンスを与え、ビーム形成器のレシーバに直接または走査制御器（図示せず）を介してレシーブ時間遅延を与える。
【００１７】
従来のシステムは、グラフィカル・シンボルをどんな超音波イメージにもスーパーインポーズする能力を有する。クラフィックスのイメージ・フレームへのスーパーインポーズは、ビデオ・プロセッサ１６で達成され、ここで走査変換器１４のＸ−Ｙディスプレイ・メモリからの超音波イメージ・フレームおよびグラフィックス表示メモリ（図示せず）からのグラフィックス・データを受ける。グラフィックス・データは、ホスト・コンピュータによって他のサブシステムと同期されるグラフィックス・プロセッサ２１によって処理され、グラフィックス表示メモリに入力される。
【００１８】
先に開示されているように、カラー・マッピング関数はビデオ・プロセッサによって実行され、ビデオ・プロセッサはホスト・コンピュータによってプログラム可能である。表示されたカラーおよび強度に対してフロー・パワーまたはエネルギーをマップするための任意カラー・マッピング関数が図２に示してある。パワー・ドップラー・イメージング・データ値が水平軸沿いに左から右に増加し、表示カラー強度値が縦軸沿いに下から上に増加している。カラー表示データに関しては、赤、緑および青各色、またはシステムの表示スペースをスパンするいずれかの任意３色についてそれぞれ別個の曲線を示すことができる。３色の各曲線は、色をそれぞれにパワー・ドップラー・イメージング・データの各レンジで強調するものである。
【００１９】
最適の画像は、ユーザにとって最も関心のある情報を含むフロー状態を強調し、関連する情報を含まないフロー状態を抑制しながら、すべての使用可能なイメージング・データを表示するマッピングを定義することで得られる。図２に示すカラー・マッピング関数はパワー・ドップラー・イメージング・データ値の中間レンジを下方レンジより以上に圧縮しているので、中間レベルのフロー状態が最も関心の持たれるパワー・ドップラー・イメージング・データに対して図２のマッピングは最適でない。
【００２０】
本発明は、ユーザにとって最も関心のある情報を含むフロー状態が強調され、関心の情報を含まないフロー状態が抑制されるフロー・パワー・データのカラー・マッピングのための方法および装置に関する。それは、図３に示す一般化された最適の形状を有するカラー・マッピングを使用して達成される。その最適の形状によれば、カラー・マッピング関数は、下方および上方ニー・ポイントＡおよびＢで接続された３つのセグメント２６、２８および３０を備える。カラー強度値の第一、第二および第三のマッピング・セグメントは、それぞれ低域、中域および高域のパワー・ドップラー・イメージング・データに適用され、第一および第二のマッピング・セグメント２６、２８は下方ニー・ポイントＡで接続され、第二および第三のマッピング・セグメント２８、３０は上方ニー・ポイントＢで接続されている。ポイントＡは、システム・ノイズ・フロアの直ぐ上に置かれることが好ましい。ポイントＡの左側の低いフロー強度は、検出可能性の最も低い信号と混合したノイズを表し、圧縮されるか、あるいは垂直軸上の表示スペースをほとんど割り当てられていない。ポイントＢは、これより上まで最強のフロー状態が圧縮され、かつ縦軸表示スペースがほとんど割り当てられない点を表す。ポイントＡとＢの間におけるフロー状態が最も関心がもたれ、出力ディスプレイ状態が最も数多く割り当てられる。即ち、それらのフロー状態のパワー・ドップラー・データが拡張され、圧縮されない。最適のマッピング関数によって、ポイントＡがシステム・ノイズ・フロアに基づいて割り当てられ、ポイントＢがポイントＡ上ｘユニットに割り当てられることが好ましい。ｘは有効フロー・ダイナミック・レンジおよびＳＮ比として定義される。
【００２１】
別の好ましい実施形態によれば、上方および下方ニー・ポイントを使用可能なパワー・ドップラー・イメージング・データから適応的に決めることができ、次いでカラー・マッピングを求められたニー・ポイントに基づいて構成することができる。これらの関数はホスト・コンピュータが自動的に実行することができる。自動カラー・マッピング構成は、オペレータ・インタフェースに組み込まれたシングル・ボタン（またはソフトキー）によって起動することができる。起動に応じ、画像が瞬間的にフリーズすることにより、１つから最近の数個のイメージ・フレームをシネ・メモリに保存することができ、次いでホスト・コンピュータにより読み出して分析することができる。複数使用する場合には、平均を取って統計的な変動を画像分析前に少なくする。特に、ニー・ポイントの位置はＳＮ比（各パワー・ドップラー・イメージング・データに関して）の関数として、あるいはダイナミック・レンジ（パワー・ドップラー・イメージング・データからヒストグラムを編集することによる）の関数として求めることができ、画像分析中にパワー・ドップラー・イメージング・データから推定することができる。ホスト・コンピュータは、シネ・メモリから検索したパワー・ドップラー・データの一つのイメージ・フレームに基づき、あるいは、多重イメージ・フレームをシネ・メモリから検索し、各画素の平均を計算して平均イメージ・フレームを形成することによって形成された平均イメージ・フレームに基づいて画像分析アルゴリズムを実行することができる。ホスト・コンピュータは、次いで、分析されたパワー・ドップラー・イメージング・データに基づいて上方および下方ニー・ポイントの最適の位置を求め、最適の位置に置かれたニー・ポイントを有する最適のカラー・マッピング関数を構成し、その最適のカラー・マッピング関数をビデオ・プロセッサにロードする。
【００２２】
あるいは、ホスト・コンピュータは、カラー・マッピング関数からニー・ポイントの位置をユーザ選択の入力、例えば、システム・カラー・フロー・ゲイン設定またはダイナミック・レンジ設定等に基づいて求め、次いでそれらの位置のニー・ポイントを有するカラー・マッピングを構成するようにプログラムすることもできる。
【００２３】
自動化されたカラー・マッピング構成は、ソフトウェアでホスト・コンピュータにより実行することができる。最も幾何学的に簡潔な場合においては、図３の３つのマッピング・セグメント２６、２８および３０を線形セグメントとすることができる。オペレータ設定か、分析されたイメージ・データかいずれかに基づいてニー・ポイント位置を求めると、パワー・ドップラー値のディスプレイ強度値へのマッピングが各線形マッピング・セグメントに関して直ちに計算することができる。本発明の好ましい実施形態によれば、マッピング・セグメント２８の傾斜はマッピング・セグメント２６の傾斜より大きく、かつマッピング・セグメント３０の傾斜より大きい。
【００２４】
マッピング・セグメントが曲線の場合もあることは容易に理解されるであろう。その場合は、ニー・ポイントＡとＢを接続する線の傾斜がニー・ポイントＡとマッピング曲線の起点を接続する線の傾斜より大きく、かつニー・ポイントＢとマッピング曲線の終点を接続する線の傾斜より大きいであろう。
【００２５】
さらに別の好ましい実施形態によれば、カラー・マッピング関数の一方または両方のニー・ポイントの位置をユーザがオペレータ・インタフェースを介して移動させることができる。オペレータ・インタフェースに組み込まれたシングル・ボタン（またはソフトキー）の起動に応じ、ホスト・コンピュータ２２（図１参照）がカレント・カラー・マッピング関数をグラフィックス・プロセッサ２１に送り、ディスプレイ・モニタ１８に表示する。トラックボール、マウスまたは他の入力装置を使用し、オペレータは表示されたカラー・マッピング関数のニー・ジョイントにグラフィカル・シンボルをスーパーインポーズし、次いで入力装置を操作してそのシンボルを所望の位置に移動することができる。一つのモードにおいては、ユーザは上方および下方ニー・ポイントの位置を一緒に移動させることができる。それによって、ユーザは曲線全体を上下にシフトして、低フロー状態に関して使用されたディスプレイ状態と高フロー状態に関して使用されたディスプレイ状態とのいずれかを一方を利用できるようにすることができる。必要な場合には、ニー・ポイントを左方向または右方向に移動させることができる。別のモードにおいては、ユーザは下方ニー・ポイントの位置を上方ニー・ポイントの位置と相対的に移動させることができる。下方ニー・ポイントの位置のこの変更によって、曲線の傾斜の表示スペーにおける有効フロー・ダイナミック・レンジ・エリア（ｘ）および有効ダイナミック・レンジが変わる。一方または両方のニー・ポイントの位置を変更するオペレータ入力に応じ、ホスト・コンピュータはユーザが求めるニー・ポイント位置を有するカラー・マッピング関数を構成し、そのカラー・マッピングをビデオ・プロセッサにロードする。
【００２６】
下方および上方ニー・ポイントＡおよびＢは、使用可能なイメージング・データから最適に求めることができる。これは腎臓の走査において実証することができ、最適のマッピングにより、腎臓の縁における最も遅いフローをポイントＡのちょうど検知可能なレベルに表示し、一方で腎動脈の強いフロー・レベルをポイントＢにマップすることによって画像が飽和せず、かつ中間レベル・フロー状態に対してポイントＡとＢの間のダイナミック・レンジを最大限に表示することができる。
【００２７】
以上に述べた好ましい実施形態は、例示の為に開示したものである。本発明の概念を変形および変更することは当分野の技術者には至って明らかなことであろう。そのような変形および変更はすべて請求の範囲に包含される。
【００２８】
請求の範囲において、語句「〜の関数として」は、後続するもの「唯一の関数として」と解されるべきではない。例えば、この定義により、語句「ｘの関数としてｙを求める」は、ｙがｘだけの関数またはｘとｚ等の他の１つもしくは複数の変数との関数として求められるあらゆる場合を指していう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を組み込むようにプログラムされたカラー・フロー超音波イメージング・システムの信号処理チェインを示すブロック図である。
【図２】パワー・ドップラー・イメージングの任意カラー・マッピング関数を示すグラフである。
【図３】本発明の一つの好ましい実施形態によるパワー・ドップラー・イメージングの一般化された最適カラー・マッピング関数を示すグラフである。
【符号の説明】
２ トランスデューサ・アレイ
４ ビーム形成器
６ 復調器
８ コーナー・ターナー・メモリ
１０ ウオール・フィルタ
１２ パワー推定器
１４ 走査変換器
１６ ビデオ・プロセッサ
１８ 表示モニタ
２０ シネ・メモリ
２１ グラフィックス・プロセッサ
２２ ホスト・コンピュータ
２４ オペレータ・インタフェース
【発明の属する技術分野】
本発明は、概ね流体フロー（流体流れ）の超音波パワー・ドップラー・イメージングに関する。特に、本発明は、流れている血液から反射される超音波エコーにおけるパワーを検知することによって人体内の血流をイメージするための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ドップラー効果に基づいて血流を検知するための超音波スキャナはよく知られている。そのような装置は、超音波トランスデューサ・アレイを起動して超音波を対象内に送り、対象から後方散乱した超音波エコーを受けることによって機能する。血流特性の測定においては、返ってくる超音波が周波数基準と比較され、返ってくる波に血球等の流動する散乱体によって与えられる周波数シフトが求められる。この周波数シフト、即ち位相シフトを血流の速度に変換する。血流速度は、特定のレンジ・ゲートにおいて放射から放射にわたる位相シフトを測定することによって計算される。
【０００３】
後方散乱した周波数の変化またはシフトは血液がトランスデューサに向かって流れるときに増加し、トランスデューサから遠ざかって流れるときに減少する。カラー・フロー画像は、血液等の移動する物質の速度のカラー画像をモノクロの解剖学的Ｂモード画像にスーパーインポーズすることによって生成される。一般に、カラー・フロー・モードは幾百かの隣接するサンプル・ボリュームを同時に表示し、すべてＢモード画像に重ねられ、カラーコードされて、各サンプル・ボリュームの速度を表す。パワー・ドップラー・モードもまたサンプル・ボリュームをＢモード画像に重ねて表示するが、表示されたサンプル・ボリュームはカラーコードされて各サンプル・ボリュームから反射される信号のパワーまたはエネルギーを表す。
【０００４】
標準のカラー・フロー処理においては、カラー・フロー推定を行う前にウオール・フィルタとして知られる高域フィルタがデータに適用される。このフィルタの目的は、関心の血流の周囲組織によって生成される信号成分を除去することにある。それらの信号成分が除去されない場合には、得られる速度推定あるいはパワー推定は、血流から返った信号の速度推定またはパワー推定と周囲組織から返った信号の速度推定またはパワー推定の組合せとなるであろう。組織からの後方散乱成分は血液からのそれより幾層倍も大きく、そのためにパラメータ推定は血流よりもむしろ組織の方を表す可能性がきわめて高い。フロー速度またはパワーを得るには、組織の信号は濾過して除かなければならない。
【０００５】
従来の超音波イメージング・システムにおいては、超音波トランスデューサ・アレイが起動して一連のマルチサイクル（一般的に４〜８サイクル）トーン・バーストを送る。そのトーン・バーストは同じ伝送焦点位置に同じ伝送特性で集束される。それらのトーン・バーストは、あるパルス繰返し数（ＰＲＦ）で放射される。ＰＲＦは、一般にキロヘルツ域にある。同じ伝送焦点位置に集束される一連の伝送放射は「パケット」と称される。各伝送ビームは走査中の対象を通して進み、血球等の超音波散乱体により反射される。返った信号はトランスデューサ・アレイの素子によって検知され、次いでビーム形成器によって受信ビームに形成される。
【０００６】
例えば、従来のカラー放射シーケンスは、同一位置に沿う一連の放射（トーン・バースト等）であり、その放射によってそれぞれ受信信号：
Ｆ1 Ｆ2 Ｆ3 Ｆ4 ．．．ＦM
が生成される。ここでＦiはｉ番目の放射の受信信号であり、Ｍはパケットにおける放射数である。これらの受信信号は、コーナー・ターナー・メモリにロードされ、放射にわたって、即ち「スロー・タイム」内にそれぞれのダウン・レンジ・ポジションに高域フィルタ（ウオール・フィルタ）が適用される。最も単純な（１、−１）ウオール・フィルタの場合は、各レンジ・ポイントにフィルタが掛けられて、それぞれに差分信号：
（Ｆ1−Ｆ2）（Ｆ2−Ｆ3）（Ｆ3−Ｆ4） ．．．（ＦM-1−ＦM）
が生成され、これらの差がカラー・フロー・パワー推定器に入力される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
パワー・ドップラー・イメージングは、血流のパワー即ちエネルギーを二次元画像にマップする。得られた表示されたパワー・ドップラー・イメージの伝達関数は、基礎的な圧縮曲線の伝達関数とマッピング関数の積である。最新の超音波システムは、一般にユーザに一連のマッピング関数を与えてそこから選択させる。それらのマッピング関数によって、表示される色を任意に選択することができるものの、ユーザまたはシステムがユーザ設定またはイメージング・データ自体に基づいて画像情報を最適化することはできない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ユーザにとって最も関心のある情報を含むフロー状態が強調され、関心のある情報を含まないフロー状態は抑制されるフロー・パワー・データをカラー・マップするための方法および装置である。これは最適の形式を有するカラー・マッピングを使用して達成される。その最適の形式によれば、カラー・マッピング関数は上方および下方ニー・ポイントで接続された３つのセグメントを備え、ニー・ポイントは自動的またはオペレータの入力で設定できる。第一、第二および第三のマッピング・セグメントのカラー強度値は、それぞれ低域、中域および高域のパワー・ドップラー・イメージング・データに適用される。下方ニー・ポイントはパワー・ドップラー・イメージング・データのシステム・ノイズ・フロアに基づいて位置決めされ、上方ニー・ポイントは下方ニー・ポイントよりｘユニット高くマッピング関数のパワー・ドップラー・イメージング・データ軸沿いに位置決めされる。ここでｘは有効フロー・ダイナミック・レンジおよびＳＮ比として定義される。
【０００９】
好ましい一実施態様によれば、上方および下方ニー・ポイントは、使用可能なパワー・ドップラー・イメージング・データから求めて適用することができる。特に、この関数はホスト・コンピュータによって自動的に実行することができる。例えば、ホスト・コンピュータは、シネ・メモリから検索されたパワー・ドップラー・イメージング・データの１つまたは複数のフレームに画像分析アルゴリズムを実行し、分析されたパワー・ドップラー・イメージング・データに基づいて上方および下方ニー・ポイントの最適の位置を求め、最適の位置に置かれたニー・ポイントを有する最適のカラー・マッピング関数を構成し、次いで最適のカラー・マッピング関数をビデオ・プロセッサにロードすることができる。特に、ニー・ポイントの位置は、ＳＮ比またはダイナミック・レンジの関数として求めることができ、パワー・ドップラー・イメージング・データから画像分析中に推定することもできる。
【００１０】
あるいは、ホスト・コンピュータは、カラー・マッピング関数のニー・ポイントの位置をユーザから選択された入力、例えば、システム・カラー・フロー・ゲイン設定またはダイナミック・レンジ設定に基づいて求めるようにプログラムすることもできる。
【００１１】
さらに別の好ましい実施態様によれば、カラー・マッピング関数の一方または両方のニー・ポイントの位置をユーザがオペレータ・インタフェースを介して移動させることができる。一つのモードにおいては、ユーザは上方および下方ニー・ポイントの位置を一緒に移動させることができる。それによって、ユーザは曲線全体を上下にシフトして、低フロー状態に関して使用されたディスプレイ状態と高フロー状態に関して使用されたディスプレイ状態とのいずれかを一方を利用できるようにする。別のモードにおいては、ユーザは下方ニー・ポイントの位置を上方ニー・ポイントの位置に対して相対的に移動することができる。下方ニー・ポイントの位置のこの変更によって、曲線の傾斜の表示スペーにおける有効フロー・ダイナミック・レンジ・エリア（ｘ）および有効ダイナミック・レンジが変わる。一方または両方のニー・ポイントの位置を変更するオペレータ入力に応じ、ホスト・コンピュータはユーザが求めるニー・ポイント位置を有するカラー・マッピング関数を構成し、そのカラー・マッピングをビデオ・プロセッサにロードする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に関し、カラー・フロー・イメージング・システムの基本的な信号処理チェインは、超音波トランスデューサ・アレイ２を備え、これが活性化されることによってＰＲＦで繰り返し放射される長さＰのトーン・バーストからなるパルス・シーケンスが送信される。リターンＲＦ信号はトランスデューサ素子によって検出され、ビーム形成器４内のレシーブ・チャネルによって受けられる。ビーム形成器は、遅延チャネル・データを合計し、ビームサム信号を出力し、その信号が復調器６によって同相分および直角分（Ｉ／Ｑ）信号成分に復調される。Ｉ／Ｑ信号成分はコーナー・ターナー・メモリ８に記憶されるが、その目的はインタリーブされた可能性のある放射からのデータをバッファリングし、そのデータを一定のレンジ・セルにおける放射全体にわたってポイントのベクトルとして出力することにある。データは、各放射について「ファーストタイム」または順次ダウン・レンジで（ベクトル沿いに）受けられる。コーナー・ターナー・メモリの出力は、各レンジ・セルについて放射により「スロータイム」に、または順次リオーダされる。結果の「スロータイム」Ｉ／Ｑ信号標本は、それぞれのウオール・フィルタ１０に通され、それによって停滞またはきわめて動きの緩慢な組織に相当するクラッタが除かれる。フィルタされたデータは、次いでパワー推定器１２に供給され、これによってレンジ・セル情報が中間自己相関パラメータＲ（０）に変換される。Ｒ（０）は、次の式のようにパケット内の放射数にわたる有限合計として近似される。
【数１】
【００１３】
パワー・ドップラー推定値Ｒ（０）は、走査変換器１４に送られ、これによってパワー・ドップラー・イメージング・データがＸ−Ｙフォーマットに変換される。走査変換されたフレームはビデオ・プロセッサ１６に通され、ここでビデオ・ディスプレイのための１つまたは複数のカラー・マッピング関数に従って基本的にパワー・ドップラー・イメージング・データがマップされる。パワー・ドップラー・イメージング・データのイメージ・フレームは、次いでビデオ・モニタ１８に送られて表示される。
【００１４】
モニタ１８によって表示されたパワー・ドップラー・イメージは、各データがディスプレイにおける各画素の強度または輝度を表すデータのイメージ・フレームから生成される。イメージ・フレームは、例えば、２５６×２５６データ・アレイによって構成され、その各表示強度データは画素輝度を示す８ビット２進数である。各画素は、用いた超音波パルスおよび使用されたカラー・マッピングに応じて血流の対応するレンジ・ゲートから返ったエコー信号のパワーまたはエネルギーの関数である強度値を有する。表示されたパワー・ドップラー・イメージは、イメージ中の体を通る面における血流を表す。
【００１５】
図１に示すシステムにおいては、パワー・ドップラー・データの連続的なフレームがシネ・メモリ２０に先入れ先出し方式で記憶される。シネ・メモリ２０は、すでにビデオ・プロセッサの第一の部分でビデオ・フレーム・レートに合わせて変換されているがカラー・マッピング前のパワー・ドップラー・データを記憶する。記憶は、継続的である場合、あるいは外部トリガ・イベントの結果である場合もある。シネ・メモリ２０は、バックグラウンドで実行されユーザにリアルタイムで表示されるイメージング・データを捕獲する環状イメージ・バッファのようなものである。ユーザがシステムを（オペレータ・インタフェース２４の適切な装置の操作により）フリーズするとき、ユーザは先にシネ・メモリに捕獲されたパワー・ドップラー・イメージング・データをビューする能力を有する。
【００１６】
システム制御はホスト・コンピュータ２２に集中され、ここでオペレータ入力をオペレータ・インタフェース２４（制御パネル等）を介して受け入れ、様々なサブシステムを制御する。特に、ホスト・コンピュータはビーム形成器の送信器に送信時間遅延、振幅制御および送信シーケンスを与え、ビーム形成器のレシーバに直接または走査制御器（図示せず）を介してレシーブ時間遅延を与える。
【００１７】
従来のシステムは、グラフィカル・シンボルをどんな超音波イメージにもスーパーインポーズする能力を有する。クラフィックスのイメージ・フレームへのスーパーインポーズは、ビデオ・プロセッサ１６で達成され、ここで走査変換器１４のＸ−Ｙディスプレイ・メモリからの超音波イメージ・フレームおよびグラフィックス表示メモリ（図示せず）からのグラフィックス・データを受ける。グラフィックス・データは、ホスト・コンピュータによって他のサブシステムと同期されるグラフィックス・プロセッサ２１によって処理され、グラフィックス表示メモリに入力される。
【００１８】
先に開示されているように、カラー・マッピング関数はビデオ・プロセッサによって実行され、ビデオ・プロセッサはホスト・コンピュータによってプログラム可能である。表示されたカラーおよび強度に対してフロー・パワーまたはエネルギーをマップするための任意カラー・マッピング関数が図２に示してある。パワー・ドップラー・イメージング・データ値が水平軸沿いに左から右に増加し、表示カラー強度値が縦軸沿いに下から上に増加している。カラー表示データに関しては、赤、緑および青各色、またはシステムの表示スペースをスパンするいずれかの任意３色についてそれぞれ別個の曲線を示すことができる。３色の各曲線は、色をそれぞれにパワー・ドップラー・イメージング・データの各レンジで強調するものである。
【００１９】
最適の画像は、ユーザにとって最も関心のある情報を含むフロー状態を強調し、関連する情報を含まないフロー状態を抑制しながら、すべての使用可能なイメージング・データを表示するマッピングを定義することで得られる。図２に示すカラー・マッピング関数はパワー・ドップラー・イメージング・データ値の中間レンジを下方レンジより以上に圧縮しているので、中間レベルのフロー状態が最も関心の持たれるパワー・ドップラー・イメージング・データに対して図２のマッピングは最適でない。
【００２０】
本発明は、ユーザにとって最も関心のある情報を含むフロー状態が強調され、関心の情報を含まないフロー状態が抑制されるフロー・パワー・データのカラー・マッピングのための方法および装置に関する。それは、図３に示す一般化された最適の形状を有するカラー・マッピングを使用して達成される。その最適の形状によれば、カラー・マッピング関数は、下方および上方ニー・ポイントＡおよびＢで接続された３つのセグメント２６、２８および３０を備える。カラー強度値の第一、第二および第三のマッピング・セグメントは、それぞれ低域、中域および高域のパワー・ドップラー・イメージング・データに適用され、第一および第二のマッピング・セグメント２６、２８は下方ニー・ポイントＡで接続され、第二および第三のマッピング・セグメント２８、３０は上方ニー・ポイントＢで接続されている。ポイントＡは、システム・ノイズ・フロアの直ぐ上に置かれることが好ましい。ポイントＡの左側の低いフロー強度は、検出可能性の最も低い信号と混合したノイズを表し、圧縮されるか、あるいは垂直軸上の表示スペースをほとんど割り当てられていない。ポイントＢは、これより上まで最強のフロー状態が圧縮され、かつ縦軸表示スペースがほとんど割り当てられない点を表す。ポイントＡとＢの間におけるフロー状態が最も関心がもたれ、出力ディスプレイ状態が最も数多く割り当てられる。即ち、それらのフロー状態のパワー・ドップラー・データが拡張され、圧縮されない。最適のマッピング関数によって、ポイントＡがシステム・ノイズ・フロアに基づいて割り当てられ、ポイントＢがポイントＡ上ｘユニットに割り当てられることが好ましい。ｘは有効フロー・ダイナミック・レンジおよびＳＮ比として定義される。
【００２１】
別の好ましい実施形態によれば、上方および下方ニー・ポイントを使用可能なパワー・ドップラー・イメージング・データから適応的に決めることができ、次いでカラー・マッピングを求められたニー・ポイントに基づいて構成することができる。これらの関数はホスト・コンピュータが自動的に実行することができる。自動カラー・マッピング構成は、オペレータ・インタフェースに組み込まれたシングル・ボタン（またはソフトキー）によって起動することができる。起動に応じ、画像が瞬間的にフリーズすることにより、１つから最近の数個のイメージ・フレームをシネ・メモリに保存することができ、次いでホスト・コンピュータにより読み出して分析することができる。複数使用する場合には、平均を取って統計的な変動を画像分析前に少なくする。特に、ニー・ポイントの位置はＳＮ比（各パワー・ドップラー・イメージング・データに関して）の関数として、あるいはダイナミック・レンジ（パワー・ドップラー・イメージング・データからヒストグラムを編集することによる）の関数として求めることができ、画像分析中にパワー・ドップラー・イメージング・データから推定することができる。ホスト・コンピュータは、シネ・メモリから検索したパワー・ドップラー・データの一つのイメージ・フレームに基づき、あるいは、多重イメージ・フレームをシネ・メモリから検索し、各画素の平均を計算して平均イメージ・フレームを形成することによって形成された平均イメージ・フレームに基づいて画像分析アルゴリズムを実行することができる。ホスト・コンピュータは、次いで、分析されたパワー・ドップラー・イメージング・データに基づいて上方および下方ニー・ポイントの最適の位置を求め、最適の位置に置かれたニー・ポイントを有する最適のカラー・マッピング関数を構成し、その最適のカラー・マッピング関数をビデオ・プロセッサにロードする。
【００２２】
あるいは、ホスト・コンピュータは、カラー・マッピング関数からニー・ポイントの位置をユーザ選択の入力、例えば、システム・カラー・フロー・ゲイン設定またはダイナミック・レンジ設定等に基づいて求め、次いでそれらの位置のニー・ポイントを有するカラー・マッピングを構成するようにプログラムすることもできる。
【００２３】
自動化されたカラー・マッピング構成は、ソフトウェアでホスト・コンピュータにより実行することができる。最も幾何学的に簡潔な場合においては、図３の３つのマッピング・セグメント２６、２８および３０を線形セグメントとすることができる。オペレータ設定か、分析されたイメージ・データかいずれかに基づいてニー・ポイント位置を求めると、パワー・ドップラー値のディスプレイ強度値へのマッピングが各線形マッピング・セグメントに関して直ちに計算することができる。本発明の好ましい実施形態によれば、マッピング・セグメント２８の傾斜はマッピング・セグメント２６の傾斜より大きく、かつマッピング・セグメント３０の傾斜より大きい。
【００２４】
マッピング・セグメントが曲線の場合もあることは容易に理解されるであろう。その場合は、ニー・ポイントＡとＢを接続する線の傾斜がニー・ポイントＡとマッピング曲線の起点を接続する線の傾斜より大きく、かつニー・ポイントＢとマッピング曲線の終点を接続する線の傾斜より大きいであろう。
【００２５】
さらに別の好ましい実施形態によれば、カラー・マッピング関数の一方または両方のニー・ポイントの位置をユーザがオペレータ・インタフェースを介して移動させることができる。オペレータ・インタフェースに組み込まれたシングル・ボタン（またはソフトキー）の起動に応じ、ホスト・コンピュータ２２（図１参照）がカレント・カラー・マッピング関数をグラフィックス・プロセッサ２１に送り、ディスプレイ・モニタ１８に表示する。トラックボール、マウスまたは他の入力装置を使用し、オペレータは表示されたカラー・マッピング関数のニー・ジョイントにグラフィカル・シンボルをスーパーインポーズし、次いで入力装置を操作してそのシンボルを所望の位置に移動することができる。一つのモードにおいては、ユーザは上方および下方ニー・ポイントの位置を一緒に移動させることができる。それによって、ユーザは曲線全体を上下にシフトして、低フロー状態に関して使用されたディスプレイ状態と高フロー状態に関して使用されたディスプレイ状態とのいずれかを一方を利用できるようにすることができる。必要な場合には、ニー・ポイントを左方向または右方向に移動させることができる。別のモードにおいては、ユーザは下方ニー・ポイントの位置を上方ニー・ポイントの位置と相対的に移動させることができる。下方ニー・ポイントの位置のこの変更によって、曲線の傾斜の表示スペーにおける有効フロー・ダイナミック・レンジ・エリア（ｘ）および有効ダイナミック・レンジが変わる。一方または両方のニー・ポイントの位置を変更するオペレータ入力に応じ、ホスト・コンピュータはユーザが求めるニー・ポイント位置を有するカラー・マッピング関数を構成し、そのカラー・マッピングをビデオ・プロセッサにロードする。
【００２６】
下方および上方ニー・ポイントＡおよびＢは、使用可能なイメージング・データから最適に求めることができる。これは腎臓の走査において実証することができ、最適のマッピングにより、腎臓の縁における最も遅いフローをポイントＡのちょうど検知可能なレベルに表示し、一方で腎動脈の強いフロー・レベルをポイントＢにマップすることによって画像が飽和せず、かつ中間レベル・フロー状態に対してポイントＡとＢの間のダイナミック・レンジを最大限に表示することができる。
【００２７】
以上に述べた好ましい実施形態は、例示の為に開示したものである。本発明の概念を変形および変更することは当分野の技術者には至って明らかなことであろう。そのような変形および変更はすべて請求の範囲に包含される。
【００２８】
請求の範囲において、語句「〜の関数として」は、後続するもの「唯一の関数として」と解されるべきではない。例えば、この定義により、語句「ｘの関数としてｙを求める」は、ｙがｘだけの関数またはｘとｚ等の他の１つもしくは複数の変数との関数として求められるあらゆる場合を指していう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を組み込むようにプログラムされたカラー・フロー超音波イメージング・システムの信号処理チェインを示すブロック図である。
【図２】パワー・ドップラー・イメージングの任意カラー・マッピング関数を示すグラフである。
【図３】本発明の一つの好ましい実施形態によるパワー・ドップラー・イメージングの一般化された最適カラー・マッピング関数を示すグラフである。
【符号の説明】
２ トランスデューサ・アレイ
４ ビーム形成器
６ 復調器
８ コーナー・ターナー・メモリ
１０ ウオール・フィルタ
１２ パワー推定器
１４ 走査変換器
１６ ビデオ・プロセッサ
１８ 表示モニタ
２０ シネ・メモリ
２１ グラフィックス・プロセッサ
２２ ホスト・コンピュータ
２４ オペレータ・インタフェース
Claims (11)
- 複数のトランスデューサ素子を備える超音波トランスデューサ・アレイ（２）と、
走査面で超音波ビームを伝送するために前記トランスデューサ・アレイでパルス化する伝送ビーム形成器（４）と、
前記伝送に次いでトランスデューサ・アレイにより検出されたエコー信号からもたらされる音響データの受信ビームを形成する受信ビーム形成器（４）と、
前記音響データを流体のフローを表すパワー・ドップラー・イメージング・データのイメージ・フレームに変換する信号処理チェイン（６，８，１０，１２，１４）と、
前記パワー・ドップラー・イメージング・データを上方および下方ニー・ポイントを有するカレント・カラー・マッピング関数によりカラー・マップするビデオ・プロセッサ（１６）と、
前記上方および下方ニー・ポイントの少なくとも１つの位置の変化を選択するオペレータ・インタフェース（２４）と、
新たなカラー・マッピング関数を前記の選択された位置の変化の関数として構成し、前記カラー・マッピング関数を前記ビデオ・プロセッサにロードするようにプログラムされたコンピュータ（２２）と、
パワー・ドップラー・イメージング・データのカラー・マップされたイメージ・フレームを表す画像を表示する表示装置（１８）とを備え、
前記コンピュータは、さらに、前記オペレータ・インタフェースを介する前記選択に応じて前記下方および上方ニー・ポイントを一緒に移動させるようにプログラムされたことを特徴とする生体組織のイメージングのためのシステム。 - 前記の新たなカラー・マッピング関数の前記ニー・ポイント（Ａ、Ｂ）を接続する線の傾斜が前記下方ニー・ポイント（Ａ）と前記の新たなカラー・マッピング関数の起点を接続する線の傾斜より大きく、かつ前記上方ニー・ポイント（Ｂ）と前記の新たなカラー・マッピング関数の終点を接続する線の傾斜より大きい請求項１に記載のシステム。
- 前記オペレータインターフェースが、前記の表示された画像にスーパーインポーズされたグラフィカル・シンボルを移動させて前記カレント・カラー・マッピング関数の前記上方および下方ニー・ポイントの少なくとも１つの位置の変化を選択することを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
- 前記コンピュータは、
（ａ）パワー・ドップラー・イメージング・データの少なくとも１つのイメージ・フレームをメモリから検索するステップと、
（ｂ）前記の検索されたパワー・ドップラー・イメージング・データを分析するステップと、
（ｃ）前記下方および上方ニー・ポイントの位置を前記分析ステップの結果の関数として求めるステップと、
（ｄ）前記下方および上方ニー・ポイントを前記の求められた位置に有する新たなカラー・マッピング関数を構成するステップと、
（ｅ）前記の新たなカラー・マッピング関数を前記ビデオ・プロセッサにロードするステップと、
を実行するようにプログラムされていることを特徴とする請求項１乃至３に記載のシステム。 - 前記分析ステップが、検索されたイメージ・フレームの各パワー・ドップラー・イメージング・データに関するＳＮ比を求めるステップにより構成される請求項４に記載のシステム。
- 前記分析ステップが、多重検索されたイメージ・フレームの各画素に対応するパワー・ドップラー・イメージング・データの各組に関する平均ＳＮ比を求めるステップにより構成される請求項４に記載のシステム。
- 前記分析ステップが、１つまたは複数の検索されたイメージ・フレームの前記パワー・ドップラー・イメージング・データのダイナミック・レンジを求めるステップにより構成される請求項４に記載のシステム。
- 前記オペレータインターフェースは、システム・パラメータを設定するインタフェースであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム。、
- 前記システム・パラメータがシステム・カラー・フロー・ゲインである請求項８に記載のシステム。
- 前記システム・パラメータがダイナミック・レンジである請求項８に記載のシステム。
- 流体フローを表すパワー・ドップラー・イメージング・データの連続的なイメージ・フレームを獲得するステップと、
カレント・カラー・フロー・マッピング関数を記憶するステップと、
パワー・ドップラー・イメージング・データの前記連続的なイメージ・フレームを前記カラー・マッピング関数に従ってカラー・マップするステップと、
パワー・ドップラー・イメージング・データの少なくとも１つのイメージ・フレームを分析するステップと、
下方および上方ニー・ポイントの位置を前記分析ステップの結果の関数として求めるステップと、
下方および上方ニー・ポイントを前記の求められた位置に有する新たなカラー・マッピング関数を構成するステップと、
前記の新たなカラー・マッピング関数を前記カレント・カラー・マッピング関数の所定位置に記憶するステップと、を備え
前記コンピュータがさらに前記オペレータ・インタフェースを介する前記選択に応じて前記下方および上方ニー・ポイントを一緒に移動させることを特徴とする超音波イメージング・システムをプログラムする方法。
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