(57)【要約】  超音波撮像システムは、複数の連続的な送信サブ開口に分割されたトランスデューサ素子のアレイを持つ超音波プローブを含む。前記超音波トランスデューサの前記サブ開口に結合された複数の送信器は、それぞれの送信信号を異なる周波数において及び前記サブ開口から出るそれぞれの送信ビームに関心領域において重複させる遅延とともに前記サブ開口に印加する。前記トランスデューサ素子に結合されたマルチラインビームフォーマは、超音波エコーに対応する信号を処理して画像信号を出力する。プロセッサは、前記マルチラインビームフォーマから前記画像信号を受信し、前記画像信号に対応する画像データを出力する。前記画像データは、画像プロセッサにより処理され、ディスプレイに印加される対応する表示信号を出力する。
2009542286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波画像を取得する方法において、
少なくとも２つの送信ビームを関心領域に向けるステップであって、前記送信ビームの少なくとも一部が前記関心領域において重複し、前記重複する送信ビームが異なる周波数帯域にある、当該向けるステップと、
前記関心領域における複数のラインから超音波エコーを受信するステップと、
画像データを生成するように前記受信された超音波エコーを処理するステップと、
前記超音波画像を表示するのに前記画像データを使用するステップと、
を有する方法。
【請求項２】
全ての前記重複する送信ビームの周波数スペクトルが、大きなスペクトルギャップなしで連続的である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
各重複するビームの周波数が、前記関心領域の一方の側から他方の側まで線形に増加する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも２つの送信ビームを関心領域に向けるステップが、少なくとも２つの送信ビームを２次元関心領域に向けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも２つの送信ビームを関心領域に向けるステップが、体積超音波画像が表示されることを可能にするように少なくとも２つの送信ビームを３次元関心領域に向けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
マルチラインビーム形成の方法において、
少なくとも２つの送信ビームを関心領域に向けるステップであって、前記送信ビームの少なくとも一部が前記関心領域において重複し、前記重複する送信ビームが異なる周波数帯域にある、当該向けるステップと、
前記関心領域における複数の領域から超音波を受信するステップと、
受信信号のそれぞれのラインを形成するように前記領域の各々から受信された前記超音波エコーに対応する信号を処理するステップと、
を有する方法。
【請求項７】
全ての前記重複する送信ビームの周波数スペクトルが、大きなスペクトルギャップなしで連続的である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
各重複するビームの周波数が、前記関心領域の一方の側から他方の側まで線形に増加する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも２つの送信ビームを関心領域に向けるステップが、少なくとも２つの送信ビームを２次元関心領域に向けるステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも２つの送信ビームを関心領域に向けるステップが、体積超音波画像が表示されることを可能にするように少なくとも２つの送信ビームを３次元関心領域に向けるステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
超音波撮像システムにおいて、
複数の送信サブ開口に分割されたトランスデューサ素子のアレイを持つ超音波プローブと、
前記送信サブ開口に結合された複数の送信器であって、前記送信器が、それぞれの前記送信サブ開口に、他の送信器が他のそれぞれの送信サブ開口に印加する送信信号の周波数帯域とは異なるそれぞれの周波数帯域において送信信号を印加し、前記送信器の各々が前記それぞれの送信サブ開口に印加する前記信号が、前記送信サブ開口から出るそれぞれの送信ビームが関心領域において互いに重複するように集束される、当該複数の送信器と、
前記トランスデューサ素子に結合され、前記関心領域におけるそれぞれの受信ラインに対応する画像信号を出力するように超音波エコーに対応する信号を処理するマルチラインビームフォーマと、
前記マルチラインビームフォーマから前記画像信号を受信するように結合され、前記画像信号に対応する画像データを出力する信号プロセッサと、
前記信号プロセッサから前記画像データを受信するように結合され、前記画像データに対応する表示信号を生成する画像プロセッサと、
前記画像プロセッサから前記表示信号を受信するように結合され、前記表示信号に対応する超音波画像を提供するのに前記表示信号を使用するように動作可能であるディスプレイと、
を有する超音波撮像システム。
【請求項１２】
前記マルチラインビームフォーマが整合フィルタを有する、請求項１１に記載の超音波撮像システム。
【請求項１３】
前記整合フィルタが、深度依存整合フィルタを有する、請求項１２に記載の超音波撮像システム。
【請求項１４】
前記超音波プローブ内の前記トランスデューサ素子のアレイが、トランスデューサ素子の１次元アレイを有する、請求項１１に記載の超音波撮像システム。
【請求項１５】
前記超音波プローブ内の前記トランスデューサ素子のアレイが、トランスデューサ素子の２次元アレイを有する、請求項１１に記載の超音波撮像システム。
【請求項１６】
前記信号プロセッサが、ドップラープロセッサを有する、請求項１１に記載の超音波撮像システム。
【請求項１７】
前記信号プロセッサが、Ｂモード検出器を有する、請求項１１に記載の超音波撮像システム。
【請求項１８】
前記それぞれの送信器が前記それぞれのサブ開口に印加する前記送信信号の周波数が、前記アレイの一方の側から他方の側まで１つの送信サブ開口から次の送信サブ開口まで連続的である、請求項１１に記載の超音波撮像システム。
【請求項１９】
前記それぞれの送信器が前記それぞれのサブ開口に印加する前記送信信号の周波数が、前記アレイの一方の側から他方の側まで１つの送信サブ開口から次の送信サブ開口まで線形に増加する、請求項１１に記載の超音波撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波撮像システムに関し、より具体的には、マルチライン取得技術を使用して画像を取得する超音波撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断撮像システムは、送信ビームに沿って収束及び操縦される超音波を送信することにより体の内部の画像を生成する。エコーが、前記送信ビーム経路に沿って受信され、前記ビーム経路に沿って遭遇された構造又は運動の画像を生成するのに使用される。複数の隣接した送信ビーム及びそれらのエコーは、体の平面領域を探索し、前記エコーは、前記体の平面画像を生成するのに使用されることができる。前記ビームは、３次元において互いに隣接して体積領域を通過されることもでき、結果として生じるエコーは、前記体積領域における構造又は流れの３次元画像を生成するのに使用される。
【０００３】
超音波画像は、伝統的に、送信ビームを生成し、前記送信ビームにより超音波照射された（insonified）領域又は体積からエコーを受信することにより得られる。隣接した領域又は体積は、この場合、送信ビームにより超音波照射され、エコーが、前記超音波照射された領域又は面積から再び受信される。このようにして、エコーが受信される領域又は体積が、連続して走査される。不幸なことに、エコーが受信されることができるレートは、前記送信ビームが伝搬し、結果として生じるエコーが検査される領域又は体積内の組織から戻るのに必要とされる時間により制限される。結果として、"フレームレート"、すなわち、全体的な画像が取得されることができるレートが制限される。制限されたフレームレートは、特に運動する組織を撮像する場合に、問題になる可能性がある。制限されたフレームレートの問題は、送信ビームが２次元において走査されなければならない３次元超音波撮像に対して更に深刻である。
【０００４】
超音波画像のフレームレートを増加する１つのアプローチは、超音波エコーを取得するのに"マルチライン"ビームフォーマを使用している。マルチラインビーム形成において、比較的広い送信ビームパターンが、領域又は体積に超音波照射するのに使用され、結果として生じるエコーは、複数の離間された受信ラインに沿って同時に受信される。マルチラインビーム形成は、エコーの複数のラインが各送信ビームに対して同時に受信されることができるので、線密度を減少することなく高いフレームレートを提供することができる。結果として、多くの場合に、３次元でさえ、運動する組織のリアルタイム画像を得ることが可能である。
【０００５】
上述のように、マルチライン撮像は、複数の受信ラインを含むのに十分に広い送信ビームパターンを必要とする。大きな送信ビームパターンは、従来、複数の受信ラインを形成するのに使用される受信開口より大幅に小さい送信開口を使用することにより生成される。これらの送信ビームパターンを提供する従来の手段は、前記送信ビームを形成するのに、各受信ラインを形成するのに使用されるトランスデューサ素子の数より小さい数のトランスデューサ素子を使用することである。不幸なことに、前記送信ビームのパワーは、一般に、前記送信ビームを生成するトランスデューサ素子の結合された面積に比例するので、小さな開口から良好な組織透過性を持つ送信ビームを生成することは難しい。従来のマルチライン超音波撮像システムにおいて使用される送信ビームの制限されたパワーの結果として、各ラインに沿って受信されるエコーに対応する信号は、低い信号対雑音比を持つかもしれず、これにより時々低画質に帰着する。この問題は、前記送信ビームパターンが２次元において幅広くなるために前記送信開口が２次元において小さくなくてはらないので、３次元マルチライン撮像システムにおいて更に深刻である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、大きな高パワー送信ビームパターンを生成することができ、これにより高フレームレートで高品質超音波画像を提供するマルチライン超音波撮像システムに対する要望が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
それぞれのサブ開口からの少なくとも２つの送信ビームを関心領域に向ける超音波プローブを含む超音波撮像システム及び方法が記載される。少なくとも一部の前記送信ビームは、前記関心領域において互いに重複する。前記重複する送信ビームの全てが、異なる周波数における超音波を含む。前記関心領域における複数のラインからの超音波エコーは、次いで、マルチラインビームフォーマにより受信及び処理される。前記受信された超音波エコーは、次いで、画像データを生成するように処理される。前記画像データは、次いで、超音波画像を表示するのに使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
マルチラインビーム形成を可能にする大きな高パワー送信ビームを生成する技術の一例が、図１に示される。超音波プローブ１０は、５つのサブ開口１４ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅに分割されたトランスデューサ素子１２を含む。第１のサブ開口１４ａを形成するトランスデューサ素子１２は、第１の送信ビームパターン１６ａを生成するのに第１の周波数ｆ1におけるそれぞれの送信信号を使用する。第１のサブ開口１４ａにおける前記送信信号は、それぞれの遅延を持ち、これは、ビームパターン１６ａが右に操縦されるようにする。第２のサブ開口１４ｂを形成するトランスデューサ素子は、第１の送信ビームパターン１６ａが右に操縦されるより低い程度で右に操縦される第２の送信ビームパターン１６ｂを生成するのにそれぞれの遅延を持つ第２の周波数ｆ2におけるそれぞれの送信信号を使用する。第３のサブ開口１４ｃを形成するトランスデューサ素子１２は、トランスデューサ素子１２に垂直である第３の送信ビームパターン１６ｃを生成するのにそれぞれの遅延を持つ第３の周波数ｆ3におけるそれぞれの送信信号を使用する。同様に、第４及び第５の開口１４ｄ、ｅを形成するトランスデューサ素子は、ビームパターンを異なる度合いで左に操縦するそれぞれの操縦方向でそれぞれ第４及び第５の周波数ｆ4及びｆ5におけるそれぞれのビームパターン１６ｄ、ｅをそれぞれ送信する。結果として、送信ビームパターン１６ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、全て関心領域２０に集束される。極限において、各素子は、前記素子のアレイにわたり進行するにつれて連続的に変化する周波数を持つサブ開口であることができる。複数の受信ライン２４ａ−ｎを形成するようにエコーが受信されるのは、この領域２０からである。
【０００９】
異なる周波数における複数の送信ビームの使用は、複数の利点を持つ。第一に、送信ビーム１６ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅに対して異なる周波数を使用することにより、前記ビーム内の信号は、積極的にかつ破壊的に互いに干渉して意図されないビーム形成効果を提供することがない。第二に、関心領域２０における超音波の振幅は、全てのサブ開口送信ビームの個別の振幅の和である。図１に示される例において、領域２０における超音波のピーク振幅は、単一のサブ開口送信ビームのピーク振幅のおおよそ５倍である。本発明の原理によると、このピーク振幅は、マルチライン受信に適した横に広い送信ビーム幅に対して達成される。第三に、以下に詳細に説明されるように、各送信パルスは、従来のマルチライン"扇ビーム"を生成するのに典型的に使用されるパルスの長さより長い有効パルス長を持つ。より長い送信パルスは、各結果として生じるサブ帯域が、典型的なマルチライン扇ビームと比較してより狭い帯域幅になるようにする。複数のこのような重複するサブ帯域の和は、合計されるエコー振幅を持つ所望の広い帯域幅に及び、結果として良好な解像度及び信号対雑音比を生じる。図１に示される例は、５つの送信ビームを生成する超音波プローブを使用するが、少なくとも２つの重複する送信ビームパターンを生成するプローブも、程度の差はあるが、これらの利点を提供する。
【００１０】
関心領域２０における異なる周波数の重複する送信ビームパターンが、広い有効帯域幅を提供する態様は、ここで、図２Ａ及び２Ｂ並びに図３Ａ及び３Ｂを参照して説明される。図２Ａに示されるように、単一の送信ビームパターンにおける超音波のパルスは、ｆ1を中心とする狭い範囲の周波数スペクトルを持つ。図２Ｂは、図２Ａに示される周波数スペクトルに対応する時間領域信号Ｓ1を示す。信号Ｓ1の比較的長い持続時間のため、信号Ｓ1の帯域幅は、ｆ1中心周波数の周りで比較的狭いことに注意すべきである。
【００１１】
図２Ａ、Ｂに示される信号Ｓ1とは対照的に、図１に示される５つの送信ビームパターン１６ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの結合は、図３Ａに示されるように、ｆ3を中心とした非常に広い周波数スペクトルを持つ。図３に示される結合されたサブ帯域の対応する有効信号Ｓ2は、比較的短いパルス長を持つ。ほぼ一定の連続的な周波数スペクトルを提供するために、重複する送信ビームパターンにおいて使用される超音波の周波数は、スペクトルギャップを持たずに連続的であるべきである。また、前記周波数は、好ましくは、超音波プローブの一方の側から他方の側まで線形に増大すべきであるが、このようなことは必要ではない。周波数が一方の側から他方の側まで線形に増大又は減少する開口を使用することにより、異なる開口から出る前記送信ビームからエコーを受信する唯一の効果は、各送信ビームからの焦点深度のわずかな差である。結合された波形は、横方向の主ローブ全体を通して実質的に同じであるが、有効深度は、前記ビームを横切る横方向において少量の時間／深度だけ軸方向にシフトされる。この効果は、軸方向解像度に関して重大ではなく、良好な画像を作るために補正を必要としないが、これは、前記信号のコヒーレント処理中の深度位置合わせに対して考慮されることができる。前記周波数が、前記結合された波形において端から端へ線形に分布していない場合、結合された帯域幅は、結合された送信ビーム主ローブを通して実質的に同じであるが、前記結合された波形の形状及び時間の長さは、前記送信ビーム主ローブ内の横方向位置に依存する。前記送信ビーム内の横方向位置に依存する適切なフィルタを受信に使用することにより、全ての受信マルチライン波形が、実質的に同じ短い波形に圧縮されることができる。適切なフィルタの一例は、画像点ごとに点目標から予測される信号に整合された整合フィルタである。
【００１２】
マルチラインビームフォーマを使用して３次元超音波画像を生成するのに使用されることができる２次元超音波トランスデューサ４０の一例が、図４に示される。トランスデューサ４０は、１６のセグメントに分割されたトランスデューサ面４４を持ち、前記セグメントの各々は、比較的広い送信ビームパターンを持つそれぞれの周波数ｆ1-16における超音波を送信する。送信ビームパターンは、トランスデューサ面４４の下の関心体積に超音波照射するように重複する。エコーは、この場合、前記関心体積において複数の受信ラインから受信される。
【００１３】
本発明の一例による超音波撮像システム１００は、図５に示される。システム１００は、１次元又はラインアレイのトランスデューサ素子１１２を使用して２次元撮像を可能にする超音波プローブ１１０を含む。トランスデューサ素子１１２は、従来の制御回路（図示されない）により動作される送信／受信スイッチ１２４にそれぞれのラインを介して結合される。トランスデューサ素子１１２は、送信サブアレイに配置され、各サブアレイは、スイッチ１２４によりそれぞれのライン１２８を介してそれぞれの送信器１２６ａ−ｎに接続される。送信器１２６ａ−ｎは、それぞれの周波数における送信信号を各々生成し、各送信器１２６ａ−ｎがそれぞれのサブアレイにおいてトランスデューサ素子１１２に印加する信号は、図１を参照して上で説明されたように前記送信ビームパターンを操縦するように適切に時間調節される。前記送信ビームパターンは、したがって、トランスデューサ素子１１２の下の２次元の関心領域において重複する。
【００１４】
重複する送信ビームパターンがプローブ１１０により生成された後に、スイッチ１２４は、トランスデューサ素子１１２をそれぞれの信号ライン１３０を介して従来設計のマルチラインビームフォーマ１３８に接続する。前記送信ビームに応答してトランスデューサ素子１１２により受信されるエコー信号は、この場合、マルチラインビームフォーマ１３８に結合される。ビームフォーマ１３８は、前記受信されたエコー信号を処理して複数の受信ラインに対するエコーデータを提供する。この目的に適したマルチラインビームフォーマは、米国特許６６９５７８３に記載されている。マルチラインビームフォーマ１３８は、上で説明されたように、前記重複する送信ビームから受信されたエコー信号のわずかな時間的焦点ぼけを補正するために整合フィルタ１４０をも含むことができる。加えて、マルチラインビームフォーマ１３８は、拡張被写界深度を得て、これにより最適な深度解像度を達成するように深度依存整合フィルタ１４４を含んでもよい。マルチラインビームフォーマ１３８により形成された複数の受信ラインに対応するエコーデータは、ビームフォーマ１３８から別々のビームフォーマ出力ラインｂ１、ｂ２、...ｂｎに出力されるが、より少ないラインに対する時間インタリーブ信号、単一のラインに対する周波数多重化、又は光ファイバを通る光学信号としての出力のような、他の形式で出力されてもよい。
【００１５】
前記複数の受信ラインに対応するエコーデータは、前記エコーデータを２次元ドップラーパワー又は速度情報に処理するドップラープロセッサ１５０に印加されることができる。２次元ドップラー情報は、２Ｄデータメモリ１５２に記憶され、ここからの情報が様々なフォーマットで表示されることができる。前記複数の受信ラインに対するエコーデータは、前記エコー信号がエンベロープ検出されるＢモード検出器１６２に結合されることができる。前記検出されたエコーデータに対応するデータは、この場合、２Ｄデータメモリ１５２に記憶されることができる。
【００１６】
２Ｄデータメモリ１５２に記憶された２次元画像データは、複数の従来の手段により表示用に処理されることができる。結果として生じる画像に対応する信号は、画像プロセッサ１６８に結合され、ここからの画像が画像ディスプレイ１７０に表示される。
【００１７】
本発明の他の例において、図６に示される超音波撮像システム２００は、３次元体積領域内の解剖学的構造を示す超音波画像を生成することができる。撮像システム２００は、図５に示される２次元撮像システム１００において使用された同じ構成要素の多くを含む。したがって、簡略にするために、本質的に同じように動作する構成要素の構造及び機能の説明は繰り返されない。システム２００は、２次元アレイのトランスデューサ素子２１２を持つ超音波プローブ２１０を使用することによりシステム１００とは異なる。結果として、前記送信ビームパターンは、３次元関心領域において重複する。
【００１８】
システム２００は、２次元ドップラープロセッサ１５０ではなく、３次元ドップラー情報を生成する３次元ドップラープロセッサ２５０を使用することによってもシステム１００とは異なる。加えて、システム２００は、前記３次元ドップラー情報を記憶するのに３Ｄデータメモリ２５２を使用し、ここからの情報が３Ｄパワードップラー表示のような様々なフォーマットで表示されることができる。例えば、３Ｄデータメモリ２５２に記憶された３次元画像データは、前記体積の複数の２Ｄ面を生成することにより表示用に処理されることができる。体積領域のこのような平面画像は、マルチプラナリフォーマッタ（multi-planar reformatter）２５４により生成される。前記３次元画像データは、体積レンダラ２５６により３Ｄ表示を形成するようにレンダリングされることもできる。結果として生じる画像は、画像プロセッサ１６８に結合され、ここからの画像が画像ディスプレイ１７０に表示される。
【００１９】
本発明は、開示された実施例を参照して記載されているが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく形式及び細部において変更を行うことができることを認識する。例えば、本発明の広いビームの効果は、広い帯域幅信号を画像フィールドに送信し、異なるサブ帯域の周波数を受信し、次いで受信されたサブ帯域信号を結合することにより受信において形成されることができる。このような修正は、当業者のスキルの範囲内である。したがって、本発明は、添付の請求項によるものを除き限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】マルチライン撮像に対して広い高パワー送信ビームを生成する技術の一例を示す概略図である。
【図２Ａ】本発明の原理によるパルス及びサブ帯域を示す。
【図２Ｂ】本発明の原理によるパルス及びサブ帯域を示す。
【図３Ａ】本発明の原理によるサブ帯域を結合した結果を示す。
【図３Ｂ】本発明の原理によるサブ帯域を結合した結果を示す。
【図４】本発明の一例によるマルチラインビーム形成技術を使用して３次元超音波画像を生成するのに使用されることができる２次元超音波トランスデューサの等角図である。
【図５】本発明の一例による超音波撮像システムのブロック図である。
【図６】本発明の他の例による超音波撮像システムのブロック図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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