JP7167045B2 - 音響センサーを位置決めするためのロケーションデバイス及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、音響センサーを位置決めするための、たとえば、対象内の埋め込まれた物体を位置決めするためのデバイス及び方法に関する。これは、ガイドワイヤ、カテーテル又は針先端の追跡に関係し、したがって、概して、誘導される脈管アクセスに関係する。

針、カテーテル及び他の介入ツールは、しばしば、超音波の下で、それらの鏡面性及び好ましくない入射角のために視覚化することが困難である。超音波誘導の下で針先端をマークするための１つのソリューションは、針の先端に小さい超音波センサーを埋め込むことである。そのようなセンサーは、超音波イメージングプローブからのイメージングビームが視野を掃引するとき、そのセンサーに当たる直接超音波信号を受信する。センサーはまた、体内の状態をモニタするために、体内に埋め込まれる。

音響センサーデバイスは、概して、外部刺激に応答して変形する膜を有し、共振周波数を有する。音響センサーデバイスは、ある周波数スペクトルをもつ音響信号を受信及び放射することができる。センサーデバイスの共振周波数は、デバイスの特性、たとえば、膜音響センサーの内圧、又はデバイスのサイズ及び材料に依存する。外部環境もデバイス共振周波数に影響を及ぼす。その結果、外部環境に関する情報が、センサーによって生成された共振周波数から抽出され得る。

音響センサーデバイスは、そのロケーションにおいて識別可能な信号を生成することによって、ロケーションのためにのみ機能する。しかしながら、センサーの周波数応答を較正することによって、外部環境に関する情報（流体流れ場における圧力など）はまた、音響センサーから受信された信号中で符号化され得る。たとえば、圧力センサーの場合、デバイス共振周波数と周辺圧力との間の関係が較正され得る。検出された周波数に基づいて、デバイスの周りの周辺圧力が決定され得る。

センサーから受信された信号を使用して超音波画像中のセンサーの位置をハイライトする様々なやり方が提案されてきた。これらは、センサーの範囲座標を推定するために、イメージングプローブからセンサーまでの超音波の飛行時間に依拠し、横方向座標を復元するために、イメージングビームが視野を掃引するときの受信される信号の強度に依拠する。

音響センサーデバイスは、しばしば、ステント又は人工心臓弁など、他の介入デバイスを用いて埋め込まれる。その結果、Ｂモード超音波の下でデバイスを位置決めすることは難しい。

超音波アレイトランスデューサが、２次元（２Ｄ）画像平面をイメージングするための１次元（１Ｄ）アレイとして、又は３次元領域をイメージングするためのトランスデューサ要素の２次元（２Ｄ）アレイとして構成される。２Ｄアレイは、方位角方向と仰角方向との両方に延びる要素を備え、これは、任意の方位角方向又は仰角方向においてビームを集束することとステアリングすることとの両方を完全に独立して行うように操作され得る。これらのアレイは、平坦な配向又は湾曲した配向のいずれかで構成され得る。

トランスデューサアレイの各要素は、送信及び受信ビームフォーミングを使用して、送信及び受信に関して個々に制御される。２Ｄアレイは、一方の次元に１００～２００行の要素と、他方の次元に１００～２００列の要素とを有し、合計数千個の個々の要素になる。この数の要素に対処するために、マイクロビームフォーマ集積回路が、トランスデューサアレイに取り付けられ得、これは、パッチと呼ばれる要素のグループの部分ビームフォーミングを実施する。各パッチの個々に遅延及び加算された信号が、標準サイズのケーブルを介して超音波システムビームフォーマに伝えられ、ここで、各パッチからの加算された信号は、システムビームフォーマのチャネルに印加され、ビームフォーミング動作が完了する。

２Ｄ超音波トランスデューサアレイを利用して、（プローブを機械的に移動する代わりに）ビームフォーミングを電子的に変形することによって、ボリュメトリック関心領域のイメージングを与えることが知られており、これは高フレームレート、効率的なワークフロー、及びロバストな仰角集束（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｆｏｃｕｓｉｎｇ）の利点を有する。平行ビームフォーミング手法が、高速イメージングを可能にする。ビームフォーミングの電子制御は、平面波ビーム、発散波ビーム並びに集束ビームが送信されることをも可能にする。

たとえば、周囲環境に関する情報を抽出する前に、超音波トランスデューサを使用して音響センサーの効果的なロケーションを可能にする手法が依然として必要である。したがって、電子ビームフォーミング制御の能力を利用して、改善されたロケーション手法を与えることが望ましい。

本発明は特許請求の範囲によって定義される。

本発明の態様による例によれば、音響センサーのロケーションを決定するためのロケーションデバイスであって、ロケーションデバイスは、
複数の超音波ビームを送信し、対応する反射されたエコー信号を受信するように構成された超音波トランスデューサアレイと、
コントローラ構成部であって、コントローラ構成部が、
超音波トランスデューサアレイの各トランスデューサからの送信を含む送信ビームを与えるように、超音波トランスデューサアレイの送信される信号を制御するための送信コントローラと、
受信された反射されたエコー信号を分析するための受信コントローラと
を備える、コントローラ構成部と
を備え、
コントローラ構成部が、複数の送信された超音波ビームの各々について、周波数分析を実施して、音響センサーから反射された信号があるかどうかを識別し、ロケーションエリアを識別し、複数の周波数分析からロケーションエリア内の漸進的により正確な最終ロケーションを導出することを含むロケーションプロセスを実施するように適応された、
ロケーションデバイスが与えられる。

分析のセットを実施することによって、複数の送信ビームの各々について、より正確なロケーション情報が取得される。本デバイスは、音響センサーデバイスを精密に位置決めするために、適応送信ビームパターンを利用する。

このようにして、本デバイスは、センサーデバイスを位置決めすることにおいて、不確実性を低減し、ワークフローを改善することが可能である。送信ビームは、トランスデューサが機械的に移動されることなしに、電子的にステアリング及び掃引され得る。

最終ロケーションは、正確さを漸進的に高める様式で取得される。これは、ロケーション情報が、最初に比較的低い精度で取得され（すなわち、ロケーションエリアのみを識別する）、次いで、その粗いロケーションエリア情報を使用して異なるイメージング手法が行われて、より高い精度のロケーションが取得されることを意味する。スキャニング手法は、異なるタイプ（集束されていないタイプ及び集束されたタイプなど）のものであるか、又は、スキャニング手法は、同じタイプのものであるが、異なるスキャニングパラメータ（スキャンラインの異なる密度など）を用いるものである。全体的に、その目的は、所望のロケーションの正確さに達するために必要とされる時間及び／又は画像処理の量を低減するやり方で、高精度のロケーションが識別されることを可能にすることである。

例の１つのセットでは、コントローラ構成部は、
第１の集束されていない送信ビームを与え、第１のロケーションエリアを取得することと、
第１のロケーションエリア内のより小さい関心領域に、少なくとも１つのさらなる集束された送信ビームを与え、少なくとも１つのより正確なロケーションを取得することと
を含むロケーションプロセスを実施するように適応される。

このプロセスでは、ロケーションの正確さは、適応送信パターンを利用して反復ステップにおいて高められる。パターンは、広いビームパターンなどの集束されていないビームとして開始し、音響センサーからの共振信号の成分を有する受信ビームに基づく、集束されたビームへと狭くなる。広いビームパターンは、粗いロケーション（すなわち、ロケーションエリア）を与え、集束されたビームの空間分解能及び帯域幅は、より精密なロケーションが決定されることを可能にする。

コントローラ構成部は、連続的により小さい被写界深度をもつ連続的により小さい関心領域に、複数の送信ビームを反復的に与えることと、連続的により正確なロケーションを取得することとを含むロケーションプロセスを実施するように適応される。被写界深度が低減されるにつれて、センサーロケーションは、送信ビームの焦点にますます近くなる。

例の第２のセットでは、コントローラ構成部は、関心領域にわたって第１の複数の集束された送信ビームをスキャンして、第１の間隔をもつ集束位置（第１のビーム密度）を与えることと、関心領域にわたって少なくとも第２の複数の集束された送信ビームをスキャンして、より間隔が密な集束位置（より密に詰まったスキャニングライン）を与えることとを含むロケーションプロセスを実施するように適応される。より大きい第１の間隔は、第１のロケーションエリアのより低い精度に対応するが、より間隔が密な集束位置は、より精密なロケーションに対応する。各スキャニングラインを収集することは時間がかかり、したがって、この実施形態は、コース精度で第１のロケーションをより高速に定義し、より密に詰まったスキャニングビーム（ライン）を用いて第１のロケーションエリア内のより小さい関心領域をさらにスキャンし、それにより、追加の時間を投資することなしに音響センサーのさらなるロケーションをさらなる正確さで取得することを可能にする。

このようにして、より低い分解能の掃引から、音響センサーデバイスに固有の信号を搬送するビームが識別され、この情報によって、より高い分解能の掃引から、より正確なロケーションが見つけられる。

コントローラ構成部は、音響センサーの配向を識別するようにさらに適応される。これは、膜共振が、垂直に向けられるエコー信号を生じるので、膜センサーについて達成され得る。送信ビーム方向及び関連付けられた受信されたエコー信号の知識に基づいて、音響センサーのロケーションとその膜配向の両方が導出される。

したがって、コントローラ構成部は、たとえば、受信されたエコー（又は反射角度に対応する信号）が最も強い、送信角度及び放射（反射）角度を決定することによって、音響センサーの配向を識別するように適応される。

本デバイスは、音響センサー反射に対して最も強いロケーション信号特性を与えるロケーションに、超音波トランスデューサアレイを移動するように、ユーザに指示するための出力を備える。これは、センサーの真上にあり得るが、角度付きセンサーについて、トランスデューサアレイのロケーションは、送信ビームが垂直に膜に向けられ、受信ビームが同じ垂直方向から受信されるように、センサーからオフセットされる。

このようにして、送信及び受信ビームフォーミングに基づいて、ロケーションプロセスの感度が改善されて、センサーに達する音響圧力を最大にし、並びに受信ビームフォーミングプロセスによって与えられるビーム加算（ｂｅａｍｓｕｍ）データを最大にする。

トランスデューサアレイは、好ましくは、３Ｄローカライゼーションのために、トランスデューサ要素の２Ｄアレイを備える。

本発明は、音響センサーと、上記で定義されたロケーションデバイスとを備える、ロケーションシステムをも与える。

音響センサーは、たとえば、音響トランスデューサアレイの受信周波数範囲内の共振周波数においてエコーを生成するための、その共振周波数を持つ膜を備える。

本発明は、音響センサーを位置決めする方法であって、方法が、
トランスデューサアレイの各トランスデューサからの送信を含む送信ビームを与えるように、トランスデューサアレイの超音波信号の送信を制御するステップと、
受信された反射された信号を分析するステップと
を有し、
方法が、複数の送信ビームの各々について、周波数分析を実施して、音響センサーから反射された信号があるかどうかを識別し、ロケーションエリアを決定し、複数の周波数分析からロケーションエリア内の漸進的により正確な最終ロケーションを導出するステップを有する、
方法をも与える。

この手法は、複数のイメージングプロセスを組み合わせることに基づいて、短時間で正確なロケーションが取得されることを可能にする。

例の１つのセットでは、本方法は、
第１の集束されていない送信ビームを与え、第１のロケーションエリアを取得するステップと、
第１のロケーションエリア内のより小さい関心領域に、少なくとも１つのさらなる集束された送信ビームを与え、少なくとも１つのより正確なロケーションを取得するステップと
を有する。

例の別のセットでは、本方法は、
関心領域にわたって第１の複数の集束された送信ビームをスキャンして、第１の間隔をもつ集束位置を与えるステップと、
関心領域にわたって少なくとも第２の複数の集束された送信ビームをスキャンして、より間隔が密な集束位置を与えるステップと
を有する。

また、音響センサーの配向が、送信角度と、受信されたエコーが最も強い対応する反射角度とを決定することと、最も強いロケーション信号を与えるロケーションに超音波トランスデューサアレイを移動するようにユーザに指示することとによって取得される。

本発明は、少なくとも部分的にコンピュータソフトウェアで実施される。

本発明のこれら及び他の態様は、以下で説明される（１つ又は複数の）実施形態から明らかになり、それらに関して解明されるであろう。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の例が詳細に説明される。

知られている超音波イメージングシステムを示す図である。 図１のシステムを使用したロケーションプロセスの第１の例を示す図である。 図１のシステムを使用したロケーションプロセスの第２の例を示す図である。 図１のシステムを使用したロケーションプロセスの第３の例を示す図である。

図を参照しながら本発明が説明される。

詳細な説明及び特定の例は、装置、システム及び方法の例示的な実施形態を示すが、単に説明のためのものであり、本発明の範囲を限定するためのものではないことを理解されたい。本発明の装置、システム及び方法のこれら及び他の特徴、態様、及び利点が、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面からより良く理解されるようになるであろう。図は概略であるにすぎず、一定の縮尺で描画されていないことを理解されたい。また、同じ又は同様の部分を示すために、図全体にわたって、同じ参照番号が使用されることを理解されたい。

本発明は、音響センサーのロケーションを決定するためのロケーションデバイスを与える。ロケーションプロセスが、音響センサーから反射された信号があるかどうかを識別するために、周波数分析とともに、複数の送信ビーム（ビームが、超音波アレイのすべてのトランスデューサからの送信として定義される）を利用する。ロケーションは、漸進的に高くなる分解能、したがって漸進的に高くなる正確さでロケーションを取得することで、複数の周波数分析から取得される。

本発明は、適応ビームフォーミングを利用する。

送信ビームフォーミングは、信号エネルギーの大部分が１つの角度方向に伝搬する干渉パターンを作成するために、トランスデューサアレイからの送信される超音波信号に遅延を与えることを伴う。適応送信ビームフォーミングは、平面波伝搬、又は、特定の点に向けられ、超音波トランスデューサアレイからの特定の深度における、集束されたビームを含む、様々な干渉パターンが作成されることを可能にする。

受信ビームフォーミングは、選定された角度方向からの受信を測定するために、各要素に関して、受信された信号の振幅及び遅延を調整することを伴う。したがって、画像を作り上げるために、受信ビームフォーミングは、各点に関してトランスデューサアレイに適用されて、その点から受信された信号強度を導出する。

画像が、複数の送信スキャンラインを組み合わせることによって形成され、１つのスキャンラインは、送信及び受信された狭ビームである。ラインのセットについて、受信されたエコーデータを組み合わせることによって、超音波画像が作成される。

本明細書では、「送信ビーム」は、トランスデューサ要素のセットから放射される音響圧力場を示すことが意図されている。送信ビームは、設計（イメージング深度、分解能など）に応じて、すべてのトランスデューサ要素又は要素のサブセットを使用することができる。送信ビームの形状は、変化することもあり、たとえば、送信ビームは、集束を有することも有しない（たとえば、発散ビーム又は平面波ビーム）こともある。

最初に、ブロック図の形態のアレイトランスデューサプローブ４をもつ超音波診断イメージングシステム２を示す図１を参照しながら、超音波イメージングシステムの一般的なアーキテクチャが説明される。

アレイトランスデューサプローブ４は、トランスデューサセル８のアレイ６を備える。旧来、超音波トランスデューサのために圧電材料が使用されてきた。例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）及びポリビニリデンジフルオリド（ＰＶＤＦ）材料があり、ＰＺＴは、選ばれる材料として特に普及している。高性能トランスデューサのための高い圧電性及び電気機械結合定数を達成するために、単結晶圧電材料が使用される。

最近の開発により、医療超音波トランスデューサが半導体プロセスによってバッチ製造され得るという見通しがもたらされた。望ましくは、これらのプロセスは、特に３Ｄ超音波の場合、ＣＭＯＳプロセスなど、超音波プローブによって必要とされる特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を製作するために使用されるのと同じであるべきである。これらの開発により、微細加工された超音波トランスデューサ又はＭＵＴが製作され、その好ましい形態は、容量性ＭＵＴ（ＣＭＵＴ）である。ＣＭＵＴトランスデューサは、受信された超音波信号の音振動を、変調されたキャパシタンスに変換する電極をもつ、小さいダイヤフラムのようなデバイスである。

ＣＭＵＴトランスデューサは、特に、広い帯域幅にわたって機能し、高分解能及び高感度イメージングを可能にし、超音波周波数において大きい被写界深度の音響信号が受信され得るように、大きい圧力の出力を生成することが可能である。

図１は、超音波を送信し、エコー情報を受信するための、上記で説明されたＣＭＵＴセル８のトランスデューサアレイ６を示す。システム２のトランスデューサアレイ６は、概して、３Ｄイメージングのために２Ｄ平面で又は３次元でスキャンすることが可能なトランスデューサ要素の１次元又は２次元アレイである。

トランスデューサアレイ６は、ＣＭＵＴアレイセルによって信号の送信及び受信を制御するマイクロビームフォーマ１２に結合される。マイクロビームフォーマは、たとえば、米国特許第５，９９７，４７９号（Ｓａｖｏｒｄら）、米国特許第６，０１３，０３２号（Ｓａｖｏｒｄ）、及び米国特許第６，６２３，４３２号（Ｐｏｗｅｒｓら）に記載されているように、トランスデューサ要素のグループ又は「パッチ」によって受信された信号の少なくとも部分的なビームフォーミングが可能である。

マイクロビームフォーマ１２は、プローブケーブル、たとえば同軸ワイヤによって送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６に結合され、Ｔ／Ｒスイッチ１６は、マイクロビームフォーマが存在しないか又は使用されず、トランスデューサアレイ６がメインシステムビームフォーマ２０によって直接操作されるとき、送信モードと受信モードとの間で切り替わり、メインビームフォーマ２０を高エネルギー送信信号から保護する。マイクロビームフォーマ１２の制御下のトランスデューサアレイ６からの超音波ビームの送信は、Ｔ／Ｒスイッチ１６によってマイクロビームフォーマと、メインシステムビームフォーマ２０とに結合されたトランスデューサコントローラ１８によって指示され、トランスデューサコントローラ１８は、ユーザインターフェース又はコントロールパネル３８のユーザの動作からの入力を受信する。トランスデューサコントローラ１８によって制御される機能のうちの１つは、ビームがステアリング及び集束される方向である。ビームは、トランスデューサアレイ６からまっすぐに（それに直角に）、又はより広い視野のために異なる角度でステアリングされる。

トランスデューサコントローラ１８は、トランスデューサアレイのための電圧源４５を制御するために結合される。たとえば、電圧源４５は、たとえば、送信モードで超音波ＲＦパルスを生成するために、ＣＭＵＴアレイ６のＣＭＵＴセルに印加される（１つ又は複数の）ＤＣ及びＡＣバイアス電圧を設定する。

マイクロビームフォーマ１２によって生成された部分的にビームフォーミングされた信号は、メインビームフォーマ２０にフォワーディングされ、ここで、トランスデューサ要素の個々のパッチからの部分的にビームフォーミングされた信号が組み合わせられて、完全にビームフォーミングされた信号になる。たとえば、メインビームフォーマ２０は、１２８個のチャネルを有し、それらの各々は、数十個又は数百個のＣＭＵＴトランスデューサセル８のパッチから、部分的にビームフォーミングされた信号を受信する。このようにして、トランスデューサアレイ４１０の数千個のトランスデューサ要素によって受信された信号は、単一のビームフォーミングされた信号に効率的に資することができる。

ビームフォーミングされた信号は、信号プロセッサ２２に結合される。信号プロセッサ２２は、帯域通過フィルタ処理、デシメーション、Ｉ及びＱ成分分離、並びに高調波信号分離など、様々なやり方で、受信されたエコー信号を処理することができ、高調波信号分離は、組織及び微小気泡から戻される、非線形（基本周波数のより高い高調波）エコー信号の識別を可能にするために、線形信号と非線形信号とを分離するように働く。

信号プロセッサ２２は、随意に、スペックル低減、信号コンパウンディング、及びノイズ除去など、追加の信号強調を実施する。信号プロセッサ２２中の帯域通過フィルタは、追跡フィルタであり、その通過帯域は、エコー信号がより深い深度から受信されるにつれて、より高い周波数帯域からより低い周波数帯域にスライドし、それにより、より深い深度からのより高い周波数におけるノイズを除去し、ここで、これらの周波数は、解剖学的情報がない。

処理された信号は、Ｂモードプロセッサ２６に、及び、随意に、ドップラープロセッサ２８に結合される。Ｂモードプロセッサ２６は、体内の器官の組織及び血管など、体内の構造のイメージングのために、受信された超音波信号の振幅の検出を利用する。体の構造のＢモード画像が、たとえば、米国特許第６，２８３，９１９号（Ｒｏｕｎｄｈｉｌｌら）及び米国特許第６，４５８，０８３号（Ｊａｇｏら）に記載されているように、高調波画像モード又は基本画像モードのいずれか或いはその両方の組合せで形成される。

ドップラープロセッサ２８は、存在する場合、画像フィールド中の血球の流れなどの物質の動きの検出のために、組織移動及び血流からの固有の信号を時間的に処理する。ドップラープロセッサは、一般に、体内の選択されたタイプの材料から戻されたエコーを通過させ及び／又は除去するように設定されるパラメータをもつウォールフィルタを含む。たとえば、ウォールフィルタは、高速度の材料からの比較的低い振幅の信号を通過させ、より低い又はゼロ速度の材料からの比較的強い信号を除去する、通過帯域特性を有するように設定され得る。

この通過帯域特性は、流れる血液からの信号を通過させ、心臓の壁などのすぐ近くの静止した又は低速で動く物体からの信号を除去する。組織ドップラーイメージングと呼ばれるものについて、逆の特性が、心臓の動く組織からの信号を通過させ、血流信号を除去し、組織の動きを検出し、表す。ドップラープロセッサは、画像フィールド中の異なる点からの時間的に離散したエコー信号のシーケンスを受信し、処理し、特定の点からのエコーのシーケンスはアンサンブルと呼ばれる。比較的短い間隔にわたって迅速に連続して受信されたエコーのアンサンブルが、流れる血液のドップラーシフト周波数を推定するために使用され、ドップラー周波数と速度の対応は、血流速度を示す。より遅く流れる血液又はゆっくり動く組織の速度を推定するために、より長い時間期間にわたって受信されたエコーのアンサンブルが使用される。

（１つ又は複数の）Ｂモード（及びドップラー）プロセッサによって生成された構造信号及び動き信号は、スキャンコンバータ３２とマルチプレーナリフォーマッタ４４とに結合される。スキャンコンバータ３２は、所望の画像フォーマットでエコー信号が受信された空間的関係に、エコー信号を構成する。たとえば、スキャンコンバータは、２次元（２Ｄ）扇形フォーマット又はピラミッド形３次元（３Ｄ）画像にエコー信号を構成する。

スキャンコンバータは、Ｂモード構造画像に、画像フィールド中の点における動きに対応する色を、それらのドップラー推定された速度とともに、オーバーレイして、画像フィールド中の組織の動き及び血流を表すカラードップラー画像を生成することができる。マルチプレーナリフォーマッタ４４は、たとえば、米国特許第６，４４３，８９６号（Ｄｅｔｍｅｒ）に記載されているように、体のボリュメトリック領域中の共通平面における点から受信されたエコーをその平面の超音波画像に変換する。ボリュームレンダラ４２は、米国特許第６，５３０，８８５号（Ｅｎｔｒｅｋｉｎら）に記載されているように、３Ｄデータセットのエコー信号を、所与の基準点から見たときの投影された３Ｄ画像に変換する。

画像ディスプレイ４０上での表示のためのさらなる拡張、バッファリング及び一時的記憶のために、２Ｄ又は３Ｄ画像は、スキャンコンバータ３２、マルチプレーナリフォーマッタ４４及びボリュームレンダラ４２から画像プロセッサ３０に結合される。イメージングのために使用されることに加えて、ドップラープロセッサ２８によって生成された血流値及びＢモードプロセッサ２６によって生成された組織構造情報は、定量化プロセッサ３４に結合される。定量化プロセッサは、血流のボリュームレートなどの異なる流れ条件の尺度、並びに器官のサイズ及び妊娠期間などの構造測定値を生成する。定量化プロセッサは、測定が行われるべきである画像の解剖学的構造における点などのユーザコントロールパネル３８からの入力を受信する。

定量化プロセッサからの出力データが、ディスプレイ４０上での画像を伴う測定グラフィックス及び値の再生のために、グラフィックスプロセッサ３６に結合される。グラフィックスプロセッサ３６はまた、超音波画像とともに表示するためのグラフィックオーバーレイを生成することができる。これらのグラフィックオーバーレイは、患者名、画像の日時、イメージングパラメータなど、標準的な識別情報を含んでいることがある。これらの目的のために、グラフィックスプロセッサは、患者名など、ユーザインターフェース３８からの入力を受信する。

ユーザインターフェースはまた、トランスデューサアレイ６からの超音波信号の生成、したがってトランスデューサアレイ及び超音波システムによって生成される画像を制御するために、送信コントローラ１８に結合される。ユーザインターフェースはまた、複数のマルチプレーナリフォーマット（ＭＰＲ）画像の平面の選択及び制御のためのマルチプレーナリフォーマッタ４４に結合され、ＭＰＲ画像は、ＭＰＲ画像の画像フィールドにおいて定量化された測定を実施するために使用される。

当業者によって理解されるように、超音波診断イメージングシステムの上記の実施形態は、そのような超音波診断イメージングシステムの非限定的な例を与えるためのものである。当業者は、超音波診断イメージングシステムのアーキテクチャにおけるいくつかの変形形態が、本発明の教示から逸脱することなく実現可能であることを直ちに了解されよう。たとえば、同じく上記の実施形態で示されているように、マイクロビームフォーマ１２は省略されることがある、超音波プローブ４は３Ｄイメージング能力を有しないことがある、などである。他の変形形態が当業者には明らかであろう。

図２は、ロケーションプロセスの第１の例を示すために使用される。

図２Ａは、平面波送信ビーム５０を生成するトランスデューサアレイ６を示す。埋め込まれた音響センサーデバイスが、５２として示されている。

音響センサーデバイスは、システム２の受信機の帯域通過周波数帯域内、たとえば１～５ＭＨｚ内の共振周波数を有する膜を備える。

放射された超音波は、音響センサーデバイスの膜を励起し、次いで、その共振周波数においてエコー信号を生成する。音響センサーの共振周波数は、圧力など、周囲環境に依存する。センサーから放射される音響信号は、トランスデューサ６から送信された入射信号の周波数成分と、センサー５２の共振周波数の周波数成分と、超音波トランスデューサアレイ６から送信された信号と比較してシフトされた周波数成分とを有する。センサーの共振周波数の成分は、必ずしも超音波アレイによってカバーされる周波数帯域幅内にある必要はないが、シフトされた周波数成分は、その周波数帯域幅内にある。各受信ビーム中のシフトされた周波数成分の存在を検出することによって、音響センサーデバイスのロケーションが識別され得る。受信された信号の周波数成分は、一般に、フーリエ変換を使用して分析される。さらに、センサーからの放射された周波数が、どの程度シフトされたかを計算することによって、共振周波数は決定され得る。前述のように、この共振周波数は、周囲圧力に関する情報を搬送する。

音響センサーは、共振エコー信号を生成することによって、入射音響波に応答する。例として、センサーは、米国特許出願公開第２０１３／００６０１３９号で開示されているタイプのものである。センサーは、局所圧力変動に対するセンサーの周波数応答の変化に基づく、圧力モニタリングのために使用される。

本発明は、特に、センサーを位置決めすることに関する。センサーの読みの取得及び処理が、知られている様式で、上記で説明されたように実施される。

受信されたビームのうち、周波数分析（すなわちフーリエ変換分析）に基づいて音響センサーの共振周波数が検出されるセットがある。それらの受信ビームは、空間的に受信されたビームを表す画像５６内の領域５４によって示されている。画像５６は、仰角対方位角を表す。

したがって、図２Ａの受信されたビームは、第１の平面波送信ビームを与えることに基づいて取得され、これから、領域５４は、超音波センサーについての第１の取得されたロケーションを定義する。この第１の取得されたロケーションは、必要とされるよりも低い精度の概略的なロケーションエリアである。平面波ビームの場合、平面波を異なる角度にステアリングするために、又はビームがどの程度発散しているかを調整するために、遅延が適用される。

集束されていない（たとえば平面波）ビームイメージングの場合、放射された音響信号（ビーム）は、より大きいエリアをカバーする。これらの送信ビームの各々について、（集束されたビームイメージングと比較して低い品質で）大きい視野が生成され得る。しかしながら、これらの大きい個々に再構成された視野（ＦＯＶ）をコヒーレントに加算することによって、送信集束されたビームに匹敵する画像品質で最終画像が生成され得る。集束されていないビームイメージングの利点は、より速いフレームレート（画像全体を再構成するために必要とされる、より少ない送信）を含むが、より大きい視野を再構成するために、より多くの平行線処理が必要とされるので、システムの複雑さが増大するという犠牲を払う。

１つの送信ビームのために使用される送信及び受信要素は、２Ｄトランスデューサアレイの複数の行及び列を含むことができる。受信された信号は、記憶され、ビームフォーミングのために使用される。

センサーからの受信されたエコー信号は、トランスデューサの複数の要素において受信される。これらの信号は、進行している経路に基づいて、異なる時間に要素に到着する。したがって、後続の受信ビームフォーミング中に、ソース信号のロケーションが識別され得る。受信ビームフォーミングは、視野中のあらゆる点について行われ、トランスデューサ要素の利用されたセットに対する遅延和動作を含む。受信された信号は、様々な振幅及び周波数を有し、それらから、センサーのロケーションが識別され得るが、センサーの外部の環境に関する情報も識別され得る（すなわち、埋め込まれた音響センサーの圧力検知機能を利用する）。

平面波送信ビームが処理された後、図２Ｂに示されているように、集束されたビーム５８が形成される。これは、平面波イメージングによって決定された粗いセンサーロケーションの背後の点に集束する。集束は、送信ビームフォーミングによって達成される。

集束されたビームイメージングは、たとえば、スキャンライン手法に基づき、それにより、このイメージングは、単一の集束を各々が有するスキャンラインのシーケンスとして実施される。受信されたエコー情報は、スキャンラインのセットとして漸進的に画像を作り上げるために使用される。

この手法は、より小さい関心領域についての第１の集束された送信ビームを与える。これから、ペイン６０として示されているように、図２Ａにおいて見つけられたロケーションエリア内のより正確なロケーションが見つけられる。

このプロセスは反復的に繰り返され、その結果、第２の集束されたビーム６２が、図２Ｃに示されているように与えられ、領域６０辺りのより集束されたビームになる。これは、ペイン６４に示されている改善されたロケーションをもたらし、領域５４は、この場合も、センサーからの共振信号を含んでいる受信ビームのロケーションを表す。

したがって、このようにして、送信ビームは、広いビーム面内パターンとして開始し、音響センサーからの共振信号の成分を有する受信ビームに基づく、集束されたビームへと漸進的に狭くなる。この適応送信パターンは、センサーを位置決めする高速なやり方を与える。広いビームは、ロケーションプロセスの最初にセンサーの粗いロケーションを与えるが、集束ビームのより大きい空間分解能及びより小さいビーム幅が、より精密なロケーションを可能にする。

また、図２の手法は、ある送信ビームによる受信されたセンサー信号ロケーションを、前の送信ビームによる受信されたセンサー信号ロケーションと比較することによって、音響センサーの移動を検出するために使用される。それらの間に重複がない場合、トランスデューサが異なるロケーションに移動したことを示す。円５４は、異なる画像におけるセンサーの可能なロケーションを示す。送信ビームパターンが変化する（集束されていないビームが集束されたビームにますます近づく）につれて、円５４は小さくなり、より精密なロケーションを与えるべきであり、したがって、円５４は、前のロケーションの円と重複する（又はそれに含まれている）べきである。イメージングプロセスが進むときにそのような重複がない場合、外部トランスデューサと内部センサーとの相対位置が変化したことを意味し、したがって、その場合、シーケンスは、集束されていない送信ビームから再開されるべきである。

一代替例は、関心領域全体にわたって送信集束ビームを掃引し、音響センサーデバイスに固有の信号を搬送するビームを識別することである。第１の掃引は、たとえば、第Ｎのスキャンラインごと（たとえば、第５のスキャンラインごと）の送信ビームを用いた、より低い分解能のものである。センサーからエコーが受信されたスキャンラインから、より高い分解能の画像が、たとえば、隣接するスキャンラインのサブセット（たとえば、スキャンライン番号１０～１５）に基づいて取得される。次いで、複数のスキャンが行われる場合、分解能が漸進的に高くなる。ちょうど２つのイメージングプロセスがあり得るが、漸進的に精度が高くなる３つのイメージングプロセスも可能である。このコンテキストでは、イメージングプロセスは、センサーをローカライズするためのいくつかの送信シーケンスとして理解されるべきである。たとえば、第１のシーケンスは、３Ｄボリューム全体について５つのスキャンラインごとに送信することを伴う。次いで、第２のシーケンスは、より小さい領域６０を用いて３つのスキャンラインごとに送信することを伴い、次いで、第３のシーケンスは、最も小さい領域５４を用いて最終シーケンスのためにスキャンラインごとに送信することを伴う。

音響センサーデバイスは、センサー膜に垂直な方向においてより強くなる圧力波を放射し、それらは、膜配向に垂直に向けられた入射超音波によって、より強く共振される。したがって、最も強いロケーション信号を受信するために、超音波トランスデューサの位置は、センサーの配向及び／又は位置を考慮に入れて選択される。

比較的静止したままであるセンサーの場合、最良の信号を取得するために超音波トランスデューサアレイを再配置することが望ましい。

図３は、超音波トランスデューサアレイ６に対して中心を外れたセンサー５２に向けられたビームを示す。図３Ａは、（センサー膜平面が、トランスデューサアレイの平面に平行であると仮定して）集束されたビーム６０が横方向に向けられ、その結果、集束されたビーム６０がセンサーの最適な励起を与えないことを示す。センサーから反射されたエコーが、６２として示されている。

トランスデューサアレイの改善された位置を導出するために、集束されたビームの知られている方向角度が使用される。次いで、ユーザは、図３Ｂに示されている、より良い位置に超音波トランスデューサアレイを移動するように命令される。

インジケータ６４は、たとえば、ユーザが、最良のロケーション信号を取得するためにトランスデューサアレイを移動するように指示され得るように、共振信号強度の測度を与える。

センサーは、トランスデューサアレイ平面に平行なセンサーの膜を有しないことがある。

図４は、センサー５２に向けられた送信ビームを示し、センサー５２は、超音波トランスデューサアレイ６に対して中心にあるが、膜は平行でない。図４Ａは、反射されたエコー信号６２が、横方向に向けられていることを示す。共振の励起は最適化されない。

トランスデューサアレイの改善された位置を導出するために、受信されたビームの知られている方向角度が使用される。次いで、ユーザは、図４Ｂに示されている、より良い位置に超音波トランスデューサアレイを移動するように命令される。次いで、送信ビームは膜に垂直に向けられて共振励起を与え、アレイ６の方向に向かう最大強度の反射されたエコー６２が生じる。

インジケータ６４は、この場合も、たとえば、ユーザが、最良のロケーション信号を取得するためにトランスデューサアレイを移動するように指示され得るように、共振信号強度の測度を与える。

垂直にエコー信号を受信することによって、センサーは、分析のための改善された信号対雑音比を有する。膜表面に垂直に送信ビームを与えることによって、共振励起は改善される。

トランスデューサ位置が、比較的長い期間の間、固定される場合、トランスデューサとセンサーとの相対位置が変化するとき、信号強度が損失することがある。信号処理は、いくつかの隣接する送信ビームから導出された信号強度を比較し、センサーからの信号強度が最も高くなるビームを選択する。これは、モニタリング期間全体にわたって間欠的に起こり得、選択されたビームは更新され、位置及び信号強度のための参照として使用され得る。

上記の例は、単一の外部トランスデューサアレイに基づく。ただし、より大きいエリアをカバーするために各々が同じように挙動する、複数のトランスデューサアレイが使用され得る。

超音波システムのイメージング能力が上記で説明された。しかしながら、ロケーションのために、エンドユーザに超音波画像を与える必要はない。したがって、本発明は、その最も基本的な形態では、たとえば、次いでセンサー測定を実施するためにロケーション情報を与えるにすぎず、実際の超音波画像は、生成される必要がない。もちろん、多くの場合、ロケーション機能はイメージング機能と連携し、その結果、識別されたロケーションは、周囲エリアの画像と組み合わせて提示される。

周波数分析は、受信された信号に関して実施される。これは、たとえば、プロセッサ１８によって実施される。周波数分析は、たとえば、送信されたビームに対する受信された信号のドップラーシフトを識別することである。超音波センサーなど、共振器の共振周波数を識別するこの一般的な方法は、たとえば、米国特許出願公開第２００４／０２１１２６０号に記載されている。

開示された実施形態に対する他の変形形態が、請求される本発明を実施する際に当業者によって、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲の検討により理解され、実施され得る。特許請求の範囲において、「備える／有する／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という単語は他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「１つの（ａ）」又は「１つの（ａｎ）」は複数を除外しない。いくつかの方策が、相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの方策の組合せが有利には使用され得ないことを示しているわけではない。特許請求の範囲中のいかなる参照符号も、その範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 音響センサーのロケーションを決定するためのロケーションデバイスであって、前記ロケーションデバイスは、
   複数の超音波ビームを送信し、対応する反射されたエコー信号を受信する超音波トランスデューサアレイと、
   コントローラ構成部とを備え、前記コントローラ構成部が、
   前記超音波トランスデューサアレイの各トランスデューサからの送信を含む送信ビームを与えるように、前記超音波トランスデューサアレイの送信される信号を制御するための送信コントローラと、
   受信された前記反射されたエコー信号を分析するための受信コントローラと
   を備え、
   前記コントローラ構成部が、複数の送信された前記超音波ビームの各々について、受信された前記反射されたエコー信号の周波数分析を実施して、前記音響センサーから反射された信号があるかどうかを識別し、前記音響センサーのロケーションエリアを識別し、前記送信ビームのパターン又はタイプを適応させることによって、複数の前記周波数分析から前記ロケーションエリア内の漸進的により正確な最終ロケーションを導出することを含むロケーションプロセスを実施する、
   ロケーションデバイス。
2. 前記コントローラ構成部が、
   第１の集束されていない送信ビームを与え、第１のロケーションエリアを取得することと、
   前記第１のロケーションエリア内のより小さい関心領域に、少なくとも１つのさらなる集束された送信ビームを与え、前記音響センサーの少なくとも１つのより正確なロケーションを取得することと
   を含むロケーションプロセスを実施する、請求項１に記載のロケーションデバイス。
3. 前記コントローラ構成部が、連続的により小さい被写界深度をもつ連続的により小さい関心領域に、複数の送信ビームを反復的に与えることと、前記音響センサーの連続的により正確なロケーションエリアを取得することとを含むロケーションプロセスを実施する、請求項２に記載のロケーションデバイス。
4. 前記コントローラ構成部が、
   関心領域にわたって第１の複数の集束された送信ビームをスキャンして、第１の間隔をもつ集束位置を与えることと、
   前記関心領域にわたって少なくとも第２の複数の集束された送信ビームをスキャンして、より間隔が密な集束位置を与えることと
   を含むロケーションプロセスを実施する、請求項１に記載のロケーションデバイス。
5. 前記コントローラ構成部が、さらに、前記音響センサーの配向を識別する、請求項１から４のいずれか一項に記載のロケーションデバイス。
6. 前記コントローラ構成部は、送信された前記ビームの送信角度と、前記音響センサーから反射された、受信された信号が最も強い対応する反射角度とを決定することによって、前記音響センサーの前記配向を識別する、請求項５に記載のロケーションデバイス。
7. 前記最も強い、前記音響センサーから反射された信号を与えるロケーションに前記超音波トランスデューサアレイを移動するように、ユーザに指示するための出力を備える、請求項５又は６に記載のロケーションデバイス。
8. 前記超音波トランスデューサアレイが、トランスデューサ要素の２Ｄアレイを備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のロケーションデバイス。
9. 音響センサーと、
   請求項１から８のいずれか一項に記載のロケーションデバイスと
   を備える、ロケーションシステム。
10. 前記音響センサーが、音響トランスデューサアレイの受信周波数範囲内の共振周波数においてエコーを生成するための、前記共振周波数を有する膜を備える、請求項９に記載のロケーションシステム。
11. 音響センサーを位置決めするためのロケーションデバイスであって、複数の超音波ビームを送信し、対応する反射されたエコー信号を受信する超音波トランスデューサアレイと、コントローラ構成部とを含むロケーションデバイスの作動方法であって、前記方法は、前記コントローラ構成部が、
    トランスデューサアレイの各トランスデューサからの送信を含む送信ビームを与えるように、前記トランスデューサアレイの超音波信号の送信を制御するステップと、
    受信された反射された信号を分析するステップと
    を有し、
    前記方法は、前記コントローラ構成部が、複数の送信ビームの各々について、受信された反射された信号の周波数分析を実施して、前記音響センサーから反射された信号があるかどうかを識別し、前記音響センサーのロケーションエリアを決定し、前記送信ビームのパターン又はタイプを適応させることによって、複数の前記周波数分析から前記ロケーションエリア内の漸進的により正確な最終ロケーションを導出するステップを有する、
    方法。
12. 前記方法は、前記コントローラ構成部が、
    第１の集束されていない送信ビームを与え、第１のロケーションエリアを取得するステップと、
    前記第１のロケーションエリア内のより小さい関心領域に、少なくとも１つのさらなる集束された送信ビームを与え、少なくとも１つのより正確なロケーションを取得するステップと
    を有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記方法は、前記コントローラ構成部が、
    関心領域にわたって第１の複数の集束された送信ビームをスキャンして、第１の間隔をもつ集束位置を与えるステップと、
    前記関心領域にわたって少なくとも第２の複数の集束された送信ビームをスキャンして、より間隔が密な集束位置を与えるステップと
    を有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記コントローラ構成部が、送信角度と、受信されたエコーが最も強い、対応する反射角度とを決定することと、最も強いロケーション信号を与えるロケーションに前記超音波トランスデューサアレイを移動するようにユーザに指示することとによって、前記音響センサーの配向を識別するステップを有する、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. コンピュータ上で実行されたとき、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法を実施するコンピュータプログラムコード手段を備える、コンピュータプログラム。

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