(57)【要約】装置は、超音波エネルギを放射するエミッタと、前記超音波エネルギによって生成された応答を受信するレシーバと、前記生成された応答を３次元超音波画像に変換する信号プロセッサと、前記３次元超音波画像を表示する表示ユニットとを有する携帯用超音波デバイスを含む。
2005517515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波エネルギを放射するエミッタと、
放射された前記超音波エネルギによって生成された応答を受信するレシーバと、
前記生成された応答を３次元超音波画像に変換する信号プロセッサと、
前記３次元超音波画像を表示する表示ユニットと、
を有する携帯用超音波デバイス、
を有する装置。
【請求項２】
前記信号プロセッサが、前記生成された応答から３次元検出データを生成する生成器と、前記３次元検出データを前記３次元超音波画像に変換するスキャンコンバータとを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記スキャンコンバータ及び前記表示ユニットが、単一のユニットに収容される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記エミッタ及び前記レシーバが、トランスデューサを有する、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項５】
前記トランスデューサが、前記超音波エネルギを放射し且つ前記生成された応答を受信する複数の素子を有し、前記素子が、軸に沿って延在する１次元アレイ若しくは２次元アレイ又は複数の次元において配置される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記トランスデューサを軸に沿って移動させる移動ユニットを更に有する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記信号プロセッサが、好ましくはＰＣカードを有するラップトップ又はハンドヘルド・コンピュータを有し、前記表示ユニットが、ラップトップコンピュータを有する、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項８】
前記携帯用超音波デバイスに電力を供給する電池を更に有する、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項９】
前記単一のユニットが、更に、前記携帯用超音波デバイスに電力を供給する電池と、前記エミッタと、前記レシーバと、前記生成器とを有する、請求項３に記載の装置。
【請求項１０】
前記トランスデューサが、更に、前記生成された応答を遅延する静的送信遅延素子のセットと、複数の前記生成された応答を遅延する静的受信遅延素子のセットと、複数の合計音響信号を生成するために複数の遅延された前記生成された応答を合計する第１合計器とを有する複数のサブアレイ・ビームフォーマを有する、請求項４に記載の装置。
【請求項１１】
前記生成器が、前記複数の合計音響信号を遅延する複数の動的受信遅延素子と、ビーム形成データのアレイを生成するために、遅延された前記複数の合計音響信号を合計する第２合計器とを有する動的ビームフォーマを有する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記生成器が、更に、前記ビーム形成データのアレイを受信し、前記ビーム形成データのアレイから前記３次元検出データを生成する画像検出器を有する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記３次元超音波画像が、バイプレーン画像、マルチプレーン画像、ユーザ定義方位における単一の画像、容積画像及びホログラフィック画像の１つである、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記３次元検出データが、３次元における複数の走査線を有し、前記静的送信遅延素子が、放射された前記超音波エネルギに焦点を合わせて３次元における前記複数の走査線を生成し、及び／又は前記動的受信遅延素子が、受信された前記応答に焦点を合わせて３次元における前記複数の走査線を生成する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
携帯用又はハンドヘルド・デバイスを用いて物体を走査するステップと、前記携帯用又はハンドヘルド・デバイスから超音波エネルギを送信するステップと、送信された前記超音波エネルギによって生成された応答を前記携帯用又はハンドヘルド・デバイスを用いて受信するステップと、前記携帯用又はハンドヘルド・デバイスを用いて前記応答を３次元超音波画像に変換するステップと、前記携帯用又はハンドヘルド・デバイスにおいて前記３次元超音波画像を表示するステップとを有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯用超音波デバイスに関し、特には、３次元画像を表示するハンドヘルド又は持ち運び式の超音波デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
以前は、３次元超音波画像を生成するために、大きな機械が必要とされた。これらの機械は、素子の１次元アレイを持つトランスデューサを使用し、これらは、３次元画像を生成するために、複雑な回路及び前記トランスデューサの複雑な揺動又は前後運動を必要とした。サイズ及び複雑さにより、これらの機械は、大きな電源及び重い電源コードを必要とし、これは、これらの機械の携帯性を低下させた。更に、これらの機械は、複雑な信号処理が小さなチップ素子を用いて達成されることを可能にするコンピュータ技術における近年の進歩を使用していない。従って、以前の３次元超音波機械は、完全に固定型であり、３００乃至４００ポンドの重さになるカート上で移動可能であるか、又は車のトランクで移動される大きなケース内に取り付けられるかの何れかであったが、これらは、手で持ち運ぶには重過ぎた。これらの機械は、造り、作動するのに高価であり、これらのサイズのため、超音波解析は、特定の場所においてのみ実行されることができた。以前の携帯用超音波デバイスは、２次元画像を生成することができたが、３次元画像を生成するために必要なビーム形成、レンダリング及び他の処理を実行するのに必要な回路は、携帯性を可能にするには大きすぎた。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、超音波エネルギを放射するエミッタと、放射された前記超音波エネルギによって生成された応答を受信するレシーバと、生成された前記応答を３次元超音波画像に変換する信号プロセッサと、前記３次元超音波画像を表示する表示ユニットとを有する携帯用超音波デバイスを有する装置に関する。
【０００４】
本発明は、更に、超音波エネルギを送信し且つ前記超音波エネルギによって生成された応答を受信する複数の音響素子、及び前記生成された応答から複数のサブアレイ合計音響信号を生成する複数のサブアレイ・ビームフォーマを有するトランスデューサと、前記サブアレイ合計音響信号を遅延する複数の動的受信遅延素子、及び遅延された前記サブアレイ合計音響信号を合計してビーム形成データのフルセットを生成するフルアレイ合計器を有する動的ビームフォーマと、前記ビーム形成データのフルセットから３次元検出データを生成する画像検出器と、前記３次元検出データを３次元超音波画像に変換するスキャンコンバータと、前記３次元超音波画像を表示する表示ユニットとを有する携帯用超音波デバイスを有する装置に関する。
【０００５】
本発明は、更に、携帯用又はハンドヘルド・デバイスを用いて物体を走査するステップと、前記携帯用又はハンドヘルド・デバイスから超音波エネルギを送信するステップと、送信された前記超音波エネルギによって生成された応答を前記携帯用又はハンドヘルド・デバイスを用いて受信するステップと、前記携帯用又はハンドヘルド・デバイスを用いて前記応答を３次元超音波画像に変換するステップと、前記携帯用又はハンドヘルド・デバイスにおいて前記３次元超音波画像を表示するステップとを有する方法に関する。
【０００６】
本発明の利点は、添付図面と併せて好ましい実施例の以下の記述から明らかになり、より容易に認識されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ここで、本発明のこの好ましい実施例が詳細に参照され、この例は、添付図面に図示され、同様の参照符号は、最後まで同様な要素を参照する。
【０００８】
図１は、本発明による携帯用３次元超音波デバイス１００の動作を図示するブロック図であり、これは、ハンドキャリー（hand carry）、ハンドユース（hand use）、又はハンドヘルド・デバイスを含む。トランスデューサ１０は、超音波信号を放射し、前記超音波信号は、物体（図示されていない）からトランスデューサ１０に戻る応答を生成する。トランスデューサ１０は、静的ビーム形成をも提供して複数のサブアレイ合計ＲＦ音響信号を生成し、前記複数のサブアレイ合計ＲＦ音響信号は、動的ビームフォーマ２０により受信される。動的ビームフォーマ２０は、動的ビーム形成を実行してビーム形成ＲＦデータのフルアレイを生成し、前記ビーム形成ＲＦデータのフルアレイは、検出された音響データを生成する画像検出器３０により受信される。動的ビームフォーマ２０及び画像検出器３０は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）カード２５に形成される。スキャンコンバータ４０は、前記検出された音響データを３次元画像に変換し、前記３次元画像は、表示ユニット５０において表示される。
【０００９】
図２Ａは、図１のトランスデューサ１０の斜視図である。トランスデューサ１０は、２次元アレイ１４に配置された複数の音響素子１２及びプローブケーブル１６に形成される。音響素子１２は、前記超音波信号を送信し、生成された前記応答を受信する。
【００１０】
図２Ｂは、１０００乃至６０００の音響素子１２を有する、図２Ａの２次元アレイ１４の上面図である。一例として、約３０００の音響素子１２を有するトランスデューサ１０が、記述されるだろう。２次元アレイ１４は、図２Ｂにおける正方形のマトリックスとして示される。しかしながら、長方形、湾曲した、楕円、又は円形のアレイのような異なる形状も使用されてもよく、最適な形状は、主に解析される対象に依存する。
【００１１】
図３は、図１、２Ａ及び２Ｂのトランスデューサ１０のブロック図である。トランスデューサ１０は、複数のサブアレイ・ビームフォーマ１８からなり、複数のサブアレイ・ビームフォーマ１８は、素子１２を通る音響パルスの送信及び受信の両方を制御し、前記サブアレイ合計ＲＦ音響信号を形成するために、走査された媒体により生成された音響応答を結合し、前記サブアレイ合計ＲＦ音響信号は、この場合、信号ライン１７を介してトランスデューサ１０から転送される。各信号ラインは、１つのサブアレイ・ビームフォーマ１８から出ている。信号ライン１７は、プローブケーブル１６内に一緒に集められる。本例において、１２８の信号ライン１７がある。全てのサブアレイ・ビームフォーマ１８が、ケーブル１６に接続される必要があるわけではないことに注意する。幾つかのサブアレイは、送信のみに使用され、受信には使用されなくてもよく、これにより信号ライン１７の数を増加することなくトランスデューサ１０の送信開口を増加することができる。
【００１２】
図４は、図３のサブアレイ・ビームフォーマ１８のブロック図である。ビーム形成の２つの主要な段階があり、即ち、送信及び受信がある。送信中、音響パルスは、トランスデューサ１０の素子１２から生成される。前記受信段階の間、前記走査される媒体におけるこれらのパルスからのエコーは、トランスデューサ１０の素子１２により受信され、増幅され、結合される。前記送信段階におけるビーム形成に対して、送信遅延素子１１及びＨＶ（高電圧）パルサ１３は、遅延された高電圧パルスを生成する。前記遅延された高電圧パルスは、図４の受信位置に示されるＴ／Ｒ（送信／受信）スイッチ９に行くが、信号送信のときにはＨＶパルサ１３に接続されるだろう。図４に示されていないものは、個々の送信遅延を設定する制御部と、送信遅延素子１１及びＨＶパルサ１３の電圧を設定する制御部とである。音響パルスは、音響素子１２により送信される。前記音響パルスは、互いに相対的に時間を調整され、空間において焦点を生成する。
【００１３】
前記受信段階において、以前に送信された前記音響パルスは、前記物体における構造によりエコーされる。前記音響パルスが送信される時間と、生成された前記パルスが音響素子１２により受信される時間との間に、Ｔ／Ｒスイッチ９は、受信位置に切り替える。音響パルスは、前記物体のたくさんの点から音響素子１２により受信され、受信サンプラ１５は、結果として生じる音響波の周期的なサンプルを取り、小さな電圧であるアナログサンプルを生成する。前記アナログサンプルは、この場合、受信遅延素子１９により遅延される。受信遅延素子１９は、静的遅延素子であり、これらは、音響的な受信の進行中に不変であることを意味する。受信遅延素子１９は、プログラム可能であってもよい。
【００１４】
別々に遅延された受信された信号は、第１合計器７により一緒に合計され、合計の後、可変利得増幅器５は、ＴＧＣ（時間利得補償）を実行する。より遅い時間から音響素子１２により受信された信号は、前記物体のより深い深さに対応するので、可変利得が必要とされ、従って、減衰する。可変利得増幅器５は、出力を増すことによりこの減衰を補償する。前記サブアレイ合計ＲＦ音響信号は、信号ライン１７により送信される。
【００１５】
図５は、図１のＰＣカード２５のブロック図、及びＰＣカード２５において生成された波形であり、ＰＣカード２５は、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）である動的ビームフォーマ２０と、画像検出器３０とを有する。前記サブアレイ合計ＲＦ音響信号は、ＰＣカード２５上にあるＡＤＣ（アナログ・ツー・デジタル）コンバータ２２に送信され、前記サブアレイ合計ＲＦ音響信号は、デジタルワードのストリームに変換される。ＡＤＣ２２は、動的受信遅延素子２４を有する動的ビームフォーマ２０に流れ込む１０メガビット毎秒のサブアレイ・ビーム形成データを生成するために１０ＭＨｚで計時する入力クロックを有する。動的受信ビーム形成は、音響エコーの全体的な受信期間の間にＡＤＣ２２からのデジタル信号サンプルの遅延を調節する。繰り返された遅延調節の結果として、トランスデューサ素子アレイの音響焦点は、前記走査された媒体において反射により生成されたエコーにより形成されたラインに沿って移動される。動的遅延は、前記エコーがトランスデューサ１０の面に向かって前記媒体を伝播するにつれて前記エコーの経路を追跡するために予め決定され、これによりあらゆる点において検出された信号の解像度を最大化する。これは、サブアレイ素子グループにおいて実行される静的ビーム形成と対称をなす。なぜならば、これらの遅延は、一定に保たれ、従って前記エコー経路における単一の深さのみにおいて焦点解像度を最大化する。静的遅延は、好ましくは、一連のサンプル／ホールド増幅器のようなアナログ回路を用いて実施されうるのに対し、動的受信遅延素子２４は、デジタルであり、更に、サブアレイ・ビーム形成受信信号を遅延し、焦点調節を向上させるために近隣の信号に対して各全体的な遅延を調節する。動的受信遅延素子２４により遅延された後に、全ての前記サブアレイ・ビーム形成信号は、第２合計器２６により単一のフルセットのビーム形成ＲＦデータに合計される。
【００１６】
前記フルセットのビーム形成ＲＦデータは、画像検出器３０により受信され、画像検出器３０は、ＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタであってもよいＲＦフィルタ３２を有する。ＲＦフィルタ３２は、受信された前記信号の意図された送信波形から生じていないらしい部分を抑制し、受信された前記信号における検出すると組織構造の最大解像度を提供する周波数を分離する。フィルタ３２の出力部においてＲＦフィルタ処理された前記信号は、依然として送信キャリア周波数を含むが、走査される前記組織構造からの反射により振幅において変調される。フィルタ処理された前記信号は、エンベロープ検出器３４に移動し、エンベロープ検出器３４は、高速移動するＲＦフィルタ処理された信号の最大の範囲、即ちエンベロープを追跡する更にゆっくり変化する信号を生成する。エンベロープ検出信号は、前記送信キャリア周波数及び移動された音響伝播により生成された他の周波数を持つ受信されたエコーの強度のみを表す。エコーは、前記走査される媒体において異なる音響インピーダンスの組織と液体との間の境界で形成され、前記エンベロープ検出信号は、これらの境界において相対的に高い強度を持ち、前記組織と液体との境界自体の表示可能な画像を形成するために、前記スキャンコンバータ並びに表示ハードウェア及びソフトウェアにより使用されることができる。画像検出器３０は、前記エンベロープ検出信号の動的範囲を人間の目により処理されることができる範囲に減少する対数コンプレッサ３６をも有する。これは、対数圧縮前のエコーの数値振幅が、自然に見られる又は聞かれる同様な信号と比較して拡大されるので、必要である。
【００１７】
音響検出データは、画像検出器３０により出力され、この場合、スキャンコンバータ４０により曲座標から３次元デカルト・グリッドに走査変換され、スキャンコンバータ４０は、少なくともＣＰＵ及びメインメモリからなるＰＣでありうる。走査変換及びレンダリング（図示されていない）の後に、前記３次元画像は、生成され、表示ユニット５０により表示される。前記レンダリングは、シアワープ、３次元テクスチャ・マッピング及びレイ・キャスティングのようなレンダリング・アルゴリズムを使用して前記ＰＣメインメモリにより実行されうる。コンピュータ分野における最近の進歩により、ＰＣハードウェアは、ここで、携帯用システムにおいて、これらのレンダリング・アルゴリズム及び走査変換を実行するのに十分効果的であり且つ十分小さい。
【００１８】
前記検出データは、長期にわたり測定される３次元体積を有する。この３次元体積は、前に述べられたように、２次元アレイ１４に配置された音響素子１２の使用により、及び前記信号の各素子への送信及び各素子からの受信を個々に遅延することにより可能にされる。特に、静的送信遅延素子１１及び静的受信遅延素子１９は、動的受信遅延素子２４のプログラミングと結合し、一緒に音響走査線の方向を決定し、（前記走査される媒体を通して）３次元空間において方向を合わせられたラインに沿ってエコーを生成し且つ受信しうる。３次元空間を通る複数のラインを走査することにより、３次元画像データのセットが生成され、前記３次元画像データのセットは、この場合、走査される構造の３次元表示を形成するために既知の３次元レンダリング方法により処理される。従って、前記３次元画像は、携帯用又はハンドヘルド超音波装置内で生成されることができ、トランスデューサ１０は、揺動される又は前後に移動させられる必要がない。前記３次元画像は、バイプレーン（bi-plane）（同時に表示される異なる角度からの同じ対象の２つの画像）、マルチプレーン（multiplane）（異なる深度における同じ対象の複数の画像）、体積測定（volumetric）（データのピラミッドが表示され、幾つかのデータは透明である）、若しくはホログラフィックであってもよく、又は幾つかの面が、選択された面、若しくは代替的に不透明なユーザ選択された形状を持つ表面を用いて走査されてもよい。
【００１９】
更に、前記３次元画像は、リアルタイムで表示される。リアルタイムにより、前記システムが前記情報を処理及び表示するのに非常に小さいが測定可能な時間量を要するにしても、前記画像が、時間の如何なる瞬間においても患者の実際の状態を表すことが、ユーザの視点から見えることを意味する。従って、前記ユーザが検出することができる限り、前記超音波画像は、解析されている前記対象を同時に表示している。
【００２０】
図６は、ラップトップコンピュータ１４２を有する携帯用３次元超音波デバイス１００の斜視図である。ＰＣカード２５は、ラップトップコンピュータ１４２に挿入され、前記システムをアセンブルする。ＰＣカード２５は、動的ビーム形成及び画像検出を提供する。ラップトップコンピュータ１４２のＣＰＵ、メインメモリ、及び実行可能なプログラム（図示されていない）は、走査変換及びレンダリングを提供し、表示ユニット５０は、ラップトップコンピュータ１４２の画面である。従って、図６の携帯用３次元超音波デバイス１００は、約１０ポンド以下の重さしかない。
【００２１】
図７Ａは、本発明の他の実施例によるトランスデューサ２１０の斜視図である。トランスデューサ２１０は、１次元アレイ２１４に配置された複数の音響素子２１２を有する。
【００２２】
図７Ｂは、図７Ａの１次元アレイ２１４の上面図であり、１次元アレイ２１４は、約１００の音響素子２１２を有する。１次元アレイ２１４は、単一の２次元面において限定された角度のセットのみにおいて走査ビームを形成することができる長方形の素子の線形系列である。従って、１次元アレイ２１４は、前記３次元画像を構成する異なる角度における複数のスライスを生成するために、移動ユニット２２０により回動又は揺動されなければならない。トランスデューサ２１０は、プローブケーブル２１６をも有する。１次元アレイ即ち素子の線形に配置された系列を使用した以前の設計とは異なり、２次元超音波画像表示を生成するために、本発明は、上述されたように、向上されたレンダリング・アルゴリズム及びより強力なコンピュータと結合された機械的なアレイ運動を有する１次元アレイのこの使用のために、携帯用又はハンドヘルド装置において３次元超音波画像を生成することができる。
【００２３】
図８は、本発明によるハンドヘルド３次元超音波デバイス１１０の概略図である。ハンドヘルド３次元超音波デバイス１１０は、外観及び使用においてハンドヘルド・ビデオ記録デバイスに似ている。動的ビームフォーマ２０、画像検出器３０及びスキャンコンバータ４０は、ハンドヘルド３次元超音波デバイス１１０内に配置され、従って図示されていない。トランスデューサ１０は、使用中でない場合にはハンドヘルド３次元超音波デバイス１１０のメインユニット１１１に格納されることができ、患者に対して使用するためにメインユニット１１１から取り外されることができる。ハンドル１１３は、ハンドヘルド３次元超音波デバイスの運搬及び手に持つことを容易化し、制御部１１２は、図８におけるバイプレーン画像である前記画像を調節するのに使用される。蝶番１１４は、ハンドヘルド３次元超音波デバイス１１０が使用中でない場合に閉じられることを可能にし、これにより携帯性を増大させる。
【００２４】
図９は、ハンドヘルドＰＣ１２４を有する携帯用３次元超音波デバイス１２０の概略図である。ハンドヘルドＰＣ１２４は、表示ユニット５０と、画像を調節するボタン１２２とを有し、画像検出、走査変換、及びレンダリングを実行する。電池パック１２３は、ハンドヘルドＰＣ１２４に電力を供給し、画像検出を実行する回路を含みうる。ハンドヘルドＰＣ１２４は、商業上、ＰＤＡ即ち“パーソナル・デジタル・アシスタント”と称される種類のものであってもよい。
【００２５】
図１０は、一体設計（uni-body design）を使用する携帯用３次元超音波デバイス１３０の概略図である。内蔵型一体設計において、全ての要素は、単一のユニットに収容され、前記単一のユニットは、電池１３６及び制御ボタン１３２を含む。
【００２６】
本発明は、容易に手で運ばれ且つ使用され、如何なる場所においても使用されることができる真に携帯用の３次元超音波デバイスを提供する。向上されたトランスデューサ設計、向上されたレンダリング・アルゴリズム、及びより強力なコンピュータ性能のこの使用により、本発明は、以前の設計の制限を克服する。
【００２７】
本発明の少数の好ましい実施例が示され、記述されているが、これらの実施例において本発明の原理及び精神から外れることなく、変更が行われうると当業者により認識されるだろう。本発明の範囲は、請求項及び同等のものに定められる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明による携帯用３次元超音波デバイスの動作を図示するブロック図である。
【図２Ａ】本発明による図１のトランスデューサの斜視図である。
【図２Ｂ】本発明による図２Ａの２次元アレイの図解である。
【図３】本発明による図１、２Ａ及び２Ｂのトランスデューサのブロック図である。
【図４】本発明による図３のサブアレイ・ビームフォーマのブロック図である。
【図５】本発明による図１のＰＣカードのブロック図、及びここで生成される波形である。
【図６】本発明によるラップトップコンピュータを有する図１の携帯用超音波デバイスの斜視図である。
【図７Ａ】本発明の他の実施例によるトランスデューサの斜視図である。
【図７Ｂ】本発明による図７Ａの１次元アレイの上面図である。
【図８】本発明によるハンドヘルド３次元超音波デバイスの概略図である。
【図９】本発明による、ハンドヘルドＰＣを有する携帯用３次元超音波デバイスの概略図である。
【図１０】本発明による、一体器具設定を使用する携帯用３次元超音波デバイスの概略図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
2005517515.tif 000011
【図８】
2005517515.tif 000012
【図９】
2005517515.tif 000013
【図１０】
2005517515.tif 000014
【国際調査報告】
2005517515.tif 000015
2005517515.tif 000016
2005517515.tif 000017