JP5846411B2 - イメージング方法及び変位計測方法及び装置、並びに、超音波画像診断装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態に係るイメージング及び変位計測装置の全体構成を示すブロック図である。この装置は、計測対象物6の3次元(又は2次元又は横方向を主とする1次元)の関心領域7内の歪テンソル場、歪速度テンソル場、加速度ベクトル場等における変位ベクトル成分(分布や時系列)、歪テンソル成分(分布や時系列)、瞬時位相の変化(分布や時系列)、ずり波の伝搬速度や伝搬方向(分布や時系列)、ずり波の振動変位や振動振幅(分布や時系列)、及び、これらの時空間偏微分(の分布や時系列)等を計測する装置であると共に、この装置等を使用して得られるそれらの計測結果を用いて、ずり弾性率分布、ポアソン比分布、粘ずり弾性率分布、粘ポアソン比分布、遅延時間分布、緩和時間分布、密度分布、粘成分布等を計測する装置である。この装置において、本発明の一実施形態に係るイメージング及び変位計測方法が実施される。さらに、この装置を用いて、本発明の一実施形態に係る超音波診断装置が構成される。
フーリエ変換やヒルベルト変換等の公知の方法(例えば、非特許文献3)に基づき、2次元関心領域と3次元関心空間のエコーデータに対して、それぞれ、図5の(c)に示すような単一(single)クォードラント(quadrant:4分象限)のスペクトルと、図5の(d)に示すような単一(single)オクタント(octant:8分象限)のスペクトルとが得られる。図中のθは、単一方向のステアリングビームを使用した際のステアリング角度(図5の(a)と(b))であり、例えば、トランスデューサ開口の正面方向へビームフォーミングした場合におけるθ=0°のときにも適用される図である。周波数領域において、2つの象限にスペクトルが存在するが、原点を中心として対称である同一のスペクトルである。その単一(single)クォードラント(quadrant:4分象限)のスペクトルと、単一(single)オクタント(octant:8分象限)のスペクトルを逆フーリエ変換すると、各々より、2次元解析信号又は3次元解析信号を得る(非特許文献3)。
また、3次元関心空間を対象とした場合には、3つ以上のステアリング角度を使用すると、対応する3つ以上の図5(d)に示される様な単一(single)オクタント(octant:8分象限)のスペクトルが得られる。従って、各々の独立した単一スペクトルから多次元解析信号が得られる(非特許文献3)。
本発明は、まず、一方向ステアリング角度ビームフォーミング法、正面方向のビームフォーミング法、及び、その他のビームフォーミング法に基づく組織変位計測において、各関心点における実際に生じたビーム方向角度を超音波エコーデータから精度よく求め、超音波素子の指向性や、計測対象内における散乱や反射の方向、減衰、これらによる周波数変調の影響を考慮し、その高精度なビーム方向の変位成分や速度成分、歪成分の計測を実現する。その計測においては、任意直交座標系が使用される。上記の通り、エコーデータは開口面合成により得られることもある。計測結果のイメージングの際に、画素位置に合わせた表示データを得るべく、計測結果を補間することもあるし、表示系を計測結果の座標に合わせて使用することもある。補間方法は、先に記載したもの等が適切に使用される。
d(x,y)=Δθ(x,y)/(fx2+fy2)1/2 ・・・(A)
として求められる。これにより、例えば、組織変位が超音波画像や他の形態画像等から図12中の角度β方向であるとわかれば、その変位dβは、
dβ(x,y)=d(x,y)/cos(β-α)
=Δθ(x,y)/(fxcosβ+fysinβ) ・・・(A')
として求められる。この様に、座標の回転処理を行うこと無く、実時間で計算できる。基本として、電気的又は機械的にステアリングビームを生成する場合に、そのビーム方向は従来通り組織変位の方向に極力向けることが望ましい。瞬時位相の時間変化と各方向の瞬時周波数の計算は、多次元自己相関法と多次元ドプラ法にて計算する方法と同様である(非特許文献3参照)と説明したが、1方向変位計測法(通常の自己相関法かドプラ法)をx軸方向とy軸方向(図10)の各々に施す場合に、移動平均処理は多次元処理にした場合と同様であると説明することもできる。
dβ(x,y)=d(x,y)/sinα
=Δθ(x,y)/fy
であり、深さ方向の変位成分は、dx(x,y)=0又はdx(x,y)≒0、すなわち、dβ(x,y)≒dy(x,y)(横方向変位)であるので、この場合は、本願発明者が発明したLateralドプラ(特許文献1)と等価である。この様に、方法(1)は、Lateral Dopplerを含み、横軸を横方向変位の方向に合わせる必要が無い。また、任意方向の変位を計測できる。なお、式(A)による方法(1)は、任意のビーム角度αにおいて使用できる。任意の開口形状をしているトランスデューサの使用時において、ステアリングせずに正面方向にビームを構成した場合(α=0°)においても使用できる(但し、この場合に、β=90°は対象外とすることが望ましい)。
d(x,y,z)=Δθ(x,y,z)/(fx2+fy2+fz2)1/2
として求められ、回転角φと極角θは、
tanφ=fy/fx
cosθ=fz/(fx2+fy2+fz2)1/2
を満足するものとして求められる。組織変位dβの方向がわかれば、2次元のときと同様に組織変位dβが求まる。
d(x,y)=Δθ(x,y)/f0 又は、 d(x,y)=Δθ(x,y)/f0'
として求められ、角度β方向の変位が、精度の無い角度α'を用いて、
dβ(x,y)=d(x,y)/cos(β-α')
として求められる。また、実際の処理上においては、正面方向にビームフォーミングを行い、α'とfyを零として計測することが広く行われており、その場合、組織変位は、
dβ(x,y)=d(x,y)/cosβ
=Δθ(x,y)/fxcosβ
と計算されるのに対し、方法(1)によれば、Δθ(x,y)を(fxcosβ+fysinβ)で割るので、正面方向のビーム角度の空間分解能のある計測に基づけば、fysinβが零では無いことによる計測誤差を生じない。従って、以下の方法も用いることができる。
なお、スペクトルの分割、又は、抽出において、適切に窓を用いることもある。
なお、スペクトルの分割、又は、抽出において、適切に窓を用いることもある。
また、多方向ビームフォーミング法においては、各関心点において、生成された各ビーム方向を計測し、例えば、上記方法(1)から(4)の各々を適用することにより、精度の高いビーム方向の変位成分dを高精度に計測することができ、それらを合成して任意方向の変位ベクトルの高精度な計測を実現できる。
cosα1dx+sinα1dy=d1
cosα2dx-sinα2dy=d2 ・・・(B)
を解くことにより求められる。
dx=(sinα2d1+sinα1d2)/(sinα2cosα1+sinα1cosα2)
dy=(cosα2d1-cosα1d2)/(sinα2cosα1+sinα1cosα2)
を解くことにより求められる。特に、骨等の障害物が存在しない場合には、横方向に対称であるステアリングビームが使用されることもある(α1=α2)。3本以上の方向の異なるステアリングビームを使用した場合には、最小二乗法に基づいて2次元変位ベクトルが求められる。
fx1dx+fy1dy=Δθ1
(但し、fx1とfy1の各々はビーム角度α1=tan-1(fy1/fx1)なる関係を持つ関心点(x,y)における深さ方向と横方向の瞬時周波数、Δθ1は同位置における瞬時位相の時間変化)
と表されたとすると、これを(fx2+fy2)1/2で割ることにより、
(fx1/(fx2+fy2)1/2)dx+(fy1/(fx2+fy2)1/2)dy=d1
が求められ、式(B)の1つ目の式と等しいことが確認される。また、同様にビーム角度α2のビームに関しては、式(B)の2つ目の式と等しいことが確認される。従って、この多方向ビームフォーミング法において方法(1)を使用した場合には、横方向変調法と等価であることが確認される。
sinθ1cosφ1dx+sinθ1sinφ1dy+cosθ1dz=d1
sinθ2cosφ2dx+sinθ2sinφ2dy+cosθ2dz=d2
sinθ3cosφ3dx+sinθ3sinφ3dy+cosθ3dz=d3
を解くことにより求められる。但し、図15に示した2次元ベクトル計測の時の角度α1とα2の様に逆方向に正方向は取らずに、図11に示した3次元座標系における方位角と極角の各々の正方向を全てのビームの方位角と極角の正方向としている。この3次元ベクトル計測においても、2次元ベクトル計測の場合と同様に、横方向変調と等価であることを確認できる。
また、エコーイメージングに関し、横方向変調を1つの動作モードとする場合においては、上記の幾つかの横方向変調エコーデータの生成法があるが、通常の正面方向のビームフォーミング又はこの単一ステアリング角度ビームフォーミング法を基礎とした中で、短時間に容易に横方向変調を実現する。
2 データ格納部
3 計測制御部
4、4'、4" 位置調整部
5 変位・歪検出センサ
5a 超音波振動子
5' 駆動・出力調整部
6 計測対象物
7 関心領域
8、8'、8" 力源
9 液体槽
10 表示部
11 遅延素子
12 アポダイゼーション素子又はスイッチ
13 加算器
Claims (20)
- 計測対象物の略深さ方向と深さ方向に略直交する2方向とを3軸とする任意の3次元の直交座標系、又は、略深さ方向と深さ方向に略直交する1方向とを2軸とする任意の2次元の直交座標系を取り、少なくとも1つの超音波素子を使用して、少なくとも1つのステアリング角度を有する超音波ステアリングビームで計測対象物を前記深さ方向に略直交する方向に走査することにより得られる3次元又は2次元の超音波エコーデータフレームを生成するステップ(a)と、
関心領域内の各関心点において超音波エコーデータの多次元解析信号から求まる各軸方向の瞬時周波数又は関心点を含む局所領域内の超音波エコーデータのスペクトルから求まる各軸方向の第1次モーメントとしての重心周波数が3次元空間周波数ベクトル(fx,fy,fz)を表す場合に、回転角φ=tan-1(fy/fx)、極角θ=cos-1[fz/(fx2+fy2+fz2)1/2]に基づいてビーム方向を求めると共に、該ビーム方向における空間周波数(fx2+fy2+fz2)1/2 を求め、又は、該瞬時周波数又は該重心周波数が2次元空間周波数ベクトル(fx,fy)を表す場合に、角度φ=tan-1(fy/fx)に基づいてビーム方向を求めると共に、該ビーム方向における空間周波数(fx2+fy2) 1/2 を求めるステップ(b)と、
複数の異なる時相において生成される超音波エコーデータフレームから求められる複数の異なる時相間の瞬時位相の変化と、ステップ(b)において求められるビーム方向及び該ビーム方向における空間周波数とに基づいて、該ビーム方向における変位成分を算出するステップ(c)と、
を具備する変位計測方法。 - ステップ(b)が、各関心点を含む局所領域内の超音波エコーデータの各スペクトルからではなく、関心領域内のエコーデータ全体のスペクトルから求まる各軸方向の第1次モーメントとしての重心周波数が3次元空間周波数ベクトル(fx,fy,fz)を表す場合に、回転角φ=tan-1(fy/fx)、極角θ=cos-1[fz/(fx2+fy2+fz2)1/2]に基づいて、又は、該重心周波数が2次元空間周波数ベクトル(fx,fy)を表す場合に、角度φ=tan-1(fy/fx)に基づいて、ビーム方向を求めることを含む、請求項1記載の変位計測方法。
- ステップ(a)が、機械的なステアリングを行った場合に、任意の方法又は装置によりステアリング角度を感知して、ビームフォーミング時又はビームフォーミング後に座標系を設定する処理を行うことを含む、請求項1又は2記載の変位計測方法。
- ステップ(c)が、各関心点において求められる複数の異なる時相間の瞬時位相の変化を前記ビーム方向における空間周波数で割ることにより、前記ビーム方向における変位成分を算出することを含む、請求項1記載の変位計測方法。
- ステップ(c)が、前記ビーム方向に基づいて関心点からの超音波エコーデータを含む超音波エコーデータを回転させ、前記ビーム方向を正面とする新たな直交座標系において前記ビーム方向における変位成分を算出することを含む、請求項1記載の変位計測方法。
- ステップ(c)が、前記ビーム方向に基づいて関心点からの超音波エコーデータを含む超音波エコーデータの多次元スペクトルを分割し、分割された多次元スペクトルから求まる多次元解析信号又はエコーデータフレームからドプラ方程式を得て、それらを連立して解いて求められる変位ベクトルから前記ビーム方向における変位成分を算出することを含む、請求項1記載の変位計測法。
- ステップ(a)が、0度のステアリング角度を設定して超音波ステアリングビームを生成することを含む、請求項1〜6のいずれか1項記載の変位計測方法。
- 各関心点において、ステップ(b)において求まる前記ビーム方向と、ステップ(c)において求まる前記ビーム方向における変位成分と、任意の方法又は装置により与えられる変位の方向データとを用いて、変位方向における変位を算出するステップ(d)をさらに具備する、請求項1〜7のいずれか1項記載の変位計測方法。
- ステップ(a)が、複数の異なる時相において同一の複数のステアリング角度を有する超音波ステアリングビームで計測対象物を前記深さ方向に略直交する方向に走査することにより得られる複数の3次元又は2次元の超音波エコーデータフレームを生成することを含み、
ステップ(b)及び(c)が、各関心点において、各々のステアリング角度を有する超音波ステアリングビームについて生成される超音波エコーデータフレームに適用され、
各関心点において求まる複数のビーム方向における変位成分を合成することにより変位ベクトルを算出するステップ(d)をさらに具備する、請求項1〜7のいずれか1項記載の変位計測方法。 - 駆動信号に従って超音波を送信すると共に、超音波エコーを受信して受信信号を出力する少なくとも1つの超音波振動子を含む超音波探触子と、
少なくとも1つの駆動信号を生成すると共に、少なくとも1つの受信信号を処理する駆動・出力調整手段と、
計測対象物の計測対象物の略深さ方向と深さ方向に略直交する2方向とを3軸とする任意の3次元の直交座標系、又は、略深さ方向と深さ方向に略直交する1方向とを2軸とする任意の2次元の直交座標系を取り、少なくとも1つのステアリング角度を有する超音波ステアリングビームで計測対象物を前記深さ方向に略直交する方向に走査することにより得られる3次元又は2次元の超音波エコーデータフレームを生成するように各部を制御する計測制御手段と、
請求項1〜9のいずれか1項記載の変位計測方法におけるステップ(b)及び(c)、又は、ステップ(b)〜(d)を実行するデータ処理部と、
を具備する変位計測装置。 - 前記計測制御手段が、ビームフォーミングに関して、(i)超音波トランスデューサの物理開口の正面方向への超音波ビームを使用することと、(ii)1つのステアリング角度を有する超音波ステアリングビームを使用することと、(iii)該ステアリング角度を基礎とする複数方向の超音波ビームを使用することとの内の少なくとも1つを含むビームフォーミングを、計測対象を決めることにより、変位計測法との組み合わせとして選択可能である、又は、変位計測法との組み合わせとして自動的に選択する機能を有する、請求項10記載の変位計測装置。
- 前記計測制御手段が、(i)又は(ii)が選択された場合に、前記データ処理手段によってビームフォーミングが行われた後、得られる単一スペクトルの横方向の低周波スペクトル又はビーム方向中心付近のスペクトルを除くことによりビーム方向に直交する方向に変調し、(iii)が選択された場合に、前記データ処理手段によってビームフォーミングが行われた後、得られる複数のスペクトルの中心側のスペクトルを除くことにより中心方向に直交する方向の変調周波数を高くする機能を有する、請求項11記載の変位計測装置。
- 前記計測制御手段が、前記データ処理手段によってビームフォーミングが行われた後、フーリエ空間において、任意方向の軸に対して対称の位置に存在する独立したスペクトルのいずれか一方の符号を反転させることにより、前記任意方向の軸に対する横方向変調において余弦変調と正弦変調とを反転させる機能を有する、請求項10〜12のいずれか1項記載の変位計測装置。
- 前記データ処理部が、超音波エコー信号の高調波信号を用いる、請求項10〜13のいずれか1項記載の変位計測装置。
- 前記データ処理部が、造影剤からの超音波エコー信号を用いる、請求項10〜14のいずれか1項記載の変位計測装置。
- 前記データ処理部が、算出された変位ベクトル成分又は変位、又はその分布、又はその時系列データに空間微分フィルタ又は時間微分フィルタを施すことにより、歪テンソル成分又は歪、又は、歪速度テンソル成分又は歪速度、又は、加速度ベクトル成分又は加速度、又は、速度ベクトル成分又は速度、又はその分布、又はその時系列をも求める、請求項10〜15のいずれか1項記載の変位計測装置。
- 前記データ処理部が、算出された変位ベクトル成分又は変位、歪テンソル成分又は歪、歪速度テンソル成分又は歪速度、主歪又は主歪速度、加速度ベクトル成分又は加速度、速度ベクトル成分又は速度、瞬時位相の変化、ずり波伝搬速度又は伝搬方向、又は、ずり波の振動変位又は振動振幅又はそれらの分布又はそれらの時系列と、超音波エコーデータフレームそのもの又はそれらの重ね合わせを検波して得られる信号又は検波後に重ね合わせして得られる信号と、それら異なる画像の重畳データとの内の少なくとも1つに基づく画像を、計測結果として表示部に表示させる、請求項10〜16のいずれか1項記載の変位計測装置。
- 核磁気共鳴信号、電磁波、及び、光の内の少なくとも1つを検出する検出器をさらに具備する、請求項10?17のいずれか1項記載の変位計測装置。
- 前記任意の直交座標系が、デカルト座標系又は極座標系を含む曲線座標系、又は、任意開口面形状に合う直交座標系又は任意開口面形状に捉われない直交座標系である、請求項1?18のいずれか1項記載の変位計測装置。
- 請求項10〜19のいずれか1項記載の変位計測装置を具備する超音波診断装置。
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