(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
関心領域（ＶＥ）内の流体流（Ｆ）の体積を測定する超音波システムであって、
超音波を発生するトランスデューサであって、走査平面（ＩＰ）を画定する送信方向（Ｄ１及びＤ２）で前記関心領域（ＶＥ）に超音波を送信すると共に、前記関心領域内の前記流体から後方散乱した超音波に応答して、超音波データを定義するトランスデューサ信号を発生するトランスデューサ（２）と、
前記超音波データを処理するプロセッサ（３０）とを具備する超音波システムであって、
このプロセッサ（３０が、
前記走査平面（ＩＰ）内の第１方向における前記流体流の第１成分を表わす第１速度値を有する第１速度信号（ＶＸ）と、前記走査平面（ＩＰ）内の第２方向における前記流体流の第２成分を表わし前記第１速度値と異なる第２速度値を有する第２速度信号（ＶＹ）とを算出し、
前記超音波データの各部分を相関させ、
前記各部分の非相関率（Ｄ）を算出し、
前記第１速度値と前記第２速度値と前記非相関率（Ｄ）とに応答して、前記流体流（Ｆ）の前記走査平面（ＩＰ）に対して直交する第３成分を表す第３速度値を有する第３速度信号（ＶＺ）を計算し、
前記第３速度信号に応答して前記流体流（Ｆ）の体積を推定する、ように構成されていることを特徴とする超音波システム。
【請求項２】
前記送信方向は、前記走査平面における少なくとも２つの異なる角度により画定され、
前記トランスデューサ（２）は、分割開口走査により前記超音波を送信する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記超音波データはグレイ・スケール・データを画定しており、前記プロセッサは前記グレイ・スケール・データの前記各部分を相関させ、かつ前記グレイ・スケール・データの前記各部分の非相関率を算出し、
前記グレイ・スケール・データは超音波ＲＦデータ、超音波Ａ線データ、又は、超音波Ｂ走査フレームを表わしている請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記データはカラー・フロー・パワーを画定している請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２の方向は前記第１の方向に垂直である請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記トランスデューサ信号は、前記第１の方向にある第１のビーム相関幅（ＢＸ）と、前記第２の方向にある第２のビーム相関幅（ＢＹ）と、前記第３の方向にある第３のビーム相関幅（ＢＺ）とを画定するビーム（Ｂ）を画定しており、
前記プロセッサ（３０）は、前記第１、第２及び第３のビーム相関幅に少なくとも部分的に応答して前記第３の速度信号を発生し、
前記プロセッサは、前記走査平面が交差する前記関心領域の断面積にわたって前記第３の値を加算することにより前記流体流の体積を推定し、
前記プロセッサは、前記走査平面が交差する前記関心領域の断面積にわたって前記第３の値を加算することにより前記流体流の体積を推定する請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記流体は血液を含んでおり、前記関心領域は血管（ＶＥ）を含んでいる請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記流体は造影剤（ＣＡ）を含んでいる請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
超音波システムにおいて関心領域（ＶＥ）内の流体流（Ｆ）の体積を測定する方法であって、
走査平面（ＩＰ）を画定する送信方向（Ｄ１及びＤ２）で前記関心領域（ＶＥ）に超音波を送信する工程と、
前記関心領域内の前記流体から後方散乱した超音波に応答して、超音波データを画定するデータ信号を発生する工程と、
前記超音波データに応答して、前記走査平面（ＩＰ）内の第１方向における前記流体流の第１成分を表わす第１速度値を有する第１速度信号（ＶＸ）と、前記走査平面（ＩＰ）内の第２方向における前記流体流の第２成分を表わし前記第１速度値と異なる第２速度値を有する第２速度信号（ＶＹ）とを精製する工程と、
前記超音波データの各部分を相関させる工程と、
前記各部分の非相関率（Ｄ）を算出する工程と、
前記第１速度値と前記第２速度値と前記非相関率（Ｄ）とに応答して、前記流体流（Ｆ）の前記走査平面（ＩＰ）に対して直交する第３成分を表す第３速度値を有する第３速度信号（ＶＺ）を発生する工程と、
前記第３速度信号に応答して前記流体流の体積（Ｆ）を推定する工程とを備えた方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
発明の背景を、明細書のこの項目の終わりに示している参考文献をその番号で援用して説明する。流体（例えば血液）の体積流の定量化は、心疾患、頸動脈狭窄、冠状動脈硬化及び腎不全の診断等の臨床的応用を含めた多くの応用に有益である。ドプラ法は、超音波によって血流を測定する現在の臨床医学における標準である。超音波ビーム・パルスへ近付く流体の運動又は遠ざかる流体の運動によって、送信音波パルスの波長が変化する。ビームと、流体を運ぶ管（vessel、例えば血管）との間の角度が既知であると仮定すると、管内での流体の流速は、得られたドプラ周波数シフトから算出される。体積流測定のための現状の手法は、管の中心軸を超音波ビームの走査平面内に配向させ、次いで、円形対称の管腔を仮定して全流れ体積を算出する超音波検査装置を必要としている。これらの仮定は往々にして真ではなく、多大な誤差をもたらして、この方法の適用を極めて困難にしている。
【０００２】
平面内流速（すなわち超音波ビーム走査平面内での速度）を決定するための多数（マルチプル）ドプラ・ビームの利用法は、数十年来知られている（Wang、１９８２年）［文献番号１］。平面を共有する２つのビーム及び三角法の関係を用いると、導出される測定速度は角度に非依存的になる。
【０００３】
連続した超音波Ａ線を相互相関させると、ドプラのエイリアシングによる曖昧さが解消する（Bonnefous 、１９８６年）［文献番号１３］。
【０００４】
１次元及び２次元の流れベクトルを決定するためには、スペックル追跡すなわち連続したフレーム間でのパターンの相関が用いられている（Trahey、１９８７年）［文献番号２］。体積測定超音波走査の発展により、相関検索アルゴリズムが３次元で適用されて、何らかの成功を収めている（Morsy 、１９９９年）［文献番号３］。
【０００５】
軸方向以外の流れ成分の大きさを定量化する最初の手法の一つはNewhouseによって開発されており（１９８７年）［文献番号４］、この方法は、超音波ＲＦ信号のスペクトルの拡がりに基づいている。
【０００６】
より近年では、Anderson（１９９８年）［文献番号５］が点拡がり関数の空間的加重を用いて、横方向の運動を定量化した。類似の研究で、Jensen（１９９８年）［文献番号６］は、トランスデューサ素子のアポダイゼーションによって発生される横断方向の空間変調を応用して、軸方向の流れを横断する１つ又は２つの方向での流れを定量化した。これら両手法とも、２次元の流れを決定するに留まっている。
【０００７】
エコー信号の非相関(decorrelation) を用いた血液速度の推定もかなり詳細に報告されている。Bamber（１９９８８年）［文献番号７］は、Ａ線の時間変化率を用いて、非相関を利用して組織の運動及び血流を画像化し得ることを実証した。より定量的には、Li等（１９９７年）［文献番号８］は、ＲＦ信号の非相関が横方向変位に線形で関係付けられることを示した。グレイ・スケール非相関を用いた造影剤強調を施された血流における変化の検出も、動物研究で以前に示されている（Rubin、１９９９年）［文献番号９］。
【０００８】
（参考文献）
［１］  Wang W、Yao L ：「定量的血流速度測定のための二重ビーム・ドプラ超音波法（A double beam Doppler ultrasound method for quantitative blood flow velocity measurement）」、Ultrasound Med. Biol. 、１９８２年、第８巻、第４２１頁〜第４２５頁。
【０００９】
［２］  Trahey GE、Allison JW、von Ramm OT：「血流の角度非依存的な超音波検出（Angle independent ultrasonic detection of blood flow）」、IEEE Trans. Biomed. Eng.、１９８７年、第３４巻、第９６５頁〜第９６７頁。
【００１０】
［３］  Morsy AA、von Ramm OT ：「ＦＬＡＳＨ相関：３次元超音波による組織運動の追跡及び血液速度推定の新たな方法（FLASH correlation: A new method for 3-D ultrasound tissue motion tracking and blood velocity estimation）」、IEEE Trans. Ultra. Ferro. Freq. Con. 、１９９９年、第４６巻、第７２８頁〜第７３６頁。
【００１１】
［４］  Newhouse VL、Censor D、Vontz T、Cisneros JA、Goldberg BB :「ビーム軸に関して横断方向にある流れの超音波ドプラ精査（Ultrasound Doppler probing of flows transverse with respect to beam axis）」、IEEE Trans. Biomed. Eng.、１９８７年、第３４巻、第７７９頁〜第７８９頁。
【００１２】
［５］  Anderson ME ：「空間的直角成分を用いた超音波による多次元速度推定（Multi-dimensional velocity estimation with ultrasound using spatial quadrature）」、IEEE Trans. Ultra. Ferro. Freq. Con.、１９９８年、第４５巻、第８５２頁〜第８６１頁。
【００１３】
［６］  Jensen JA、Munk P  :「速度ベクトルの推定のための新たな方法（A new method for estimation of velocity vectors）」IEEE Trans. Ultra. Ferro. Freq. Con.、１９９８年、第４５巻、第８３７頁〜第８５１頁。
【００１４】
［７］  Bamber J、Hasan P、Cook-Martin G、Bush N：「Ｂスキャン非相関率を用いた組織の剪断及び流動のパラメトリック撮像（要約）（Parametric imaging of tissue shear and flow using B-scan decorrelation rate (abstr)）」、J. Ultrasound Med.、１９８８年、第７巻、第Ｓ１３５頁。
【００１５】
［８］  Li WG、Lancee CT、Cespedes EI、vanderSteen AF、Bom N :「脈管内エコー信号の非相関：血液速度推定への可能性（Decorrelation of intravascular echo signals: Potentials for blood velocity estimation）」、J. Acoust. Soc. Am.、１９９７年、第１０２巻、第３７８５頁〜第３７９４頁。
【００１６】
［９］  Rubin JM、Fowlkes JB、Tuthill TA、Moskalik AP、Rhee RT、Adler RS、Kazanjian S、Carson PL：「ファントム及びウサギの腎臓におけるＢモード超音波による造影剤流のスペックル非相関流れ測定（Speckle decorrelation flow measurement with B-mode US of contrast agent flow in a phantom and in rabbit kidney」、Radiology 、１９９９年、第２１３巻、第４２９頁〜第４３７頁。
【００１７】
［１０］  Tuthill TA、Krucker JF、Fowlkes JB、Carson PL ：「仰角方向スペックル非相関から算出される３次元超音波フレーム自動配置（Automated three-dimensional US frame positioning computed from elevational speckle decorrelation）」、Radiology 、１９９８年、第２０９巻、第５７５頁〜第５８２頁。
【００１８】
［１１］  Wear KA、Popp RL :「心筋からの超音波エコーの包絡線の統計的性質の推定方法（Methods for estimation of statistical properties of envelopes of ultrasonic echoes from myocardium）」、IEEE Trans. Med. Imag.、１９８７年、第６巻、第２８１頁〜第２９１頁。
【００１９】
［１２］  Adler RS、Rubin JM、Fowlkes JB、Carson PL、Pallister JE ：「組織灌流の超音波推定：確率論的アプローチ（Ultrasonic estimation of tissue perfusion: a stochastic approach）」、Ultrasound Med. Biol. 、１９９５年、第２１巻、第４９３頁〜第５００頁。
【００２０】
［１３］  Bonnefous O、Pesque P ：「相互相関によるパルス・ドプラ超音波及び血液速度推定の時間領域での定式化（Time domain formulation of pulse-Doppler ultrasound and blood velocity estimation by cross correlation）」、Ultrasonic Imag.、１９８６年、第８巻、第７３頁〜第８５頁。
【００２１】
［１４］  Chen J、Fowlkes JB、Carson PL、Rubin JM ：「スペックル非相関を用いた走査平面での運動の決定：理論的考察と初期試験（Determination of scan-plane motion using speckle decorrelation: theoretical considerations and initial test）」、Int. J. Imaging Syst. Technol.、１９９７年、第８巻、第３８頁〜第４４頁。
【００２２】
［１５］  Chen JR、Fowlkes JB、Carson PL、Rubin JM、Adler RS：「積分型パワー・ドプラ信号の自己相関及びその応用（Autocorrelation of integrated power Doppler signals and its application）」、Ultrasound Med. Biol.、１９９６年、第２２巻、第１０５３頁〜第１０５７頁。
【００２３】
【発明の概要】
好適実施例は、超音波システムにおいて関心領域内での流体の流れの体積を測定するのに有用である。かかる環境においては、超音波は、好ましくは超音波トランスデューサによって、走査平面を画定する送信方向で管に向けて送信される。管内の流体から後方散乱した超音波に応答してデータ信号が発生される。データ信号から生成されたデータに応答して、流体の流れの走査平面内での速度の成分を表わす速度値を有する速度信号が発生される。データの各部分を相関させて、各部分の非相関率を算出する。流体の流れの体積は、速度信号及び非相関率に応答して推定される。本手法は好ましくは、超音波トランスデューサ及びデータ・プロセッサによって具現化される。
【００２４】
以上の手法を用いることにより、走査角度に依存しないで、且つ管形状又は流れの幾何的形状に関する仮定を一切用いずに、管内の流体の流れの体積を決定することができる。例えば、本手法は、前述の従来方法が典型的に用いていた仮定を一切用いずに真の血液体積流を推定することを可能にする。好適実施例の手法は、現在市場に出回っている殆どの標準的超音波トランスデューサ・アレイの走査ヘッドに組み入れることができる。この手法はロバストであり、また、実時間で具現化することができる。
【００２５】
図１を参照して述べると、本発明の実施例に適したカラー・フロー及びグレイ・スケール・イメージング・システムの基本的な信号処理鎖が超音波トランスデューサ・アレイ２を含んでおり、超音波トランスデューサ・アレイ２は、長さＰの超音波のトーン・バーストを含むパルス系列を送信するように起動され、これらのトーン・バーストは、典型的にはキロヘルツの範囲にあるパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）で繰り返しファイアリングされる。パルス系列は、バースト長Ｐを含めてカラー・フロー処理とＢモード処理とで異なっている。カラー・フロー撮像の場合には、Ｐは４サイクル〜８サイクルであってよく、トーン・バーストは同じ送信特性で同じ送信焦点位置に集束させられる。
【００２６】
同じ送信焦点位置に集束した一連のカラー・フロー送信ファイアリングを「パケット」と呼ぶ。各々の送信ビームは、被走査物体を通して伝播して、物体内の超音波散乱体によって反射される。
【００２７】
帰投したＲＦ信号は、トランスデューサ素子によって検出されて、ビームフォーマ４内に設けられているそれぞれの受信チャネルによって受信される。ビームフォーマは、遅延付きのチャネル・データを加算して、ビーム加算された信号を出力し、この信号は復調器６によって同相及び直角位相（Ｉ／Ｑ）の信号成分へ復調される。復調器６からのＢモードのＩ及びＱ出力は、グレイ・スケールＢモード処理用の中間プロセッサ８Ｇへ送信され、復調器６からのカラー・フローのＩ及びＱ出力は、カラー処理用の中間プロセッサ８Ｃへ送信される。
【００２８】
図２に中間プロセッサ８Ｃを示す。復調器６からのＩ／Ｑ信号成分は、インタリーブされている可能性のあるファイアリングからのデータをバッファリングして所与のレンジのセルにおいて各ファイアリングに跨がる点から成るベクタとしてデータを出力することを目的とするコーナ・ターナ・メモリ７に記憶される。データは「ファスト・タイム(fast time) 」式で受信され、すなわち各回のファイアリング毎に（ベクタに沿って）レンジを下降する順に受信される。コーナ・ターナ・メモリの出力は、「スロー・タイム(slow time) 」式に再配列され、すなわち各々のレンジ・セル毎にファイアリング順に再配列される。結果として得られた「スロー・タイム」式Ｉ／Ｑ信号サンプルはウォール・フィルタ９を通過し、ウォール・フィルタ９は静止した組織又は極めて低速で運動する組織に対応するあらゆるクラッタを除去する。次いで、フィルタ処理後の出力は、パラメータ推定器１１へ供給され、パラメータ推定器１１は、レンジ・セル情報を中間的な自己相関パラメータＮ、Ｄ及びＲ（０）へ変換する。Ｎ及びＤは、自己相関方程式の分子及び分母であり、次のように示される。
【００２９】
【数１】
0004716346.tif 000002
【００３０】
ここで、Ｉi 及びＱi は、ファイアリングｉについての復調後のベースバンド化された入力データであり、Ｍはパケット内のファイアリングの回数である。Ｒ（０）は、パケット内のファイアリングの回数にわたる有限の和として近似され、次の通りになる。
【００３１】
【数２】
0004716346.tif 000003
【００３２】
Ｒ（０）は、カラー・フロー送信ファイアリングからの後方散乱体のカラー・フロー・パワーを表わす。
【００３３】
プロセッサが、Ｎ及びＤを各々のレンジ・セル毎の大きさ及び位相へ変換する。用いられる方程式は次の通りである。
【００３４】
｜Ｒ（Ｔ）｜＝（Ｎ2＋Ｄ2）1/2                             （Ｄ）
φ（Ｔ）＝ｔａｎ-1（Ｎ／Ｄ）                              （Ｅ）。
【００３５】
Ｒ（Ｔ）及びφ（Ｔ）は、第１遅れ自己相関関数のそれぞれ大きさ及び位相である。遅れという用語は、時間間隔を示すのに用いられる。例えば、遅れはフレーム−フレーム間の増分であってもよいし、又はファイアリング−ファイアリング間の増分であってもよい。式（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、パケット内のファイアリングの回数の範囲内での既知のデータにわたる有限の和によって、正確な自己相関関数が近似される。
【００３６】
パラメータ推定器は、これらの大きさ及び位相の値を処理して、パワー、速度、及び乱流又は分散の推定値を表わす値を有する信号として、それぞれ導体１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃ上へ送信する。位相は平均ドプラ周波数を算出するのに用いられ、平均ドプラ周波数は後に示すように速度に比例している。また、Ｒ（０）及び｜Ｒ（Ｔ）｜（大きさ）は乱流を推定するのに用いられる。
【００３７】
ヘルツ単位での平均ドプラ周波数は、Ｎ及びＤの位相、並びにパルス繰り返し時間Ｔから得られる。
【００３８】
【数３】
0004716346.tif 000004
【００３９】
平均速度は、下記のドプラ・シフト方程式を用いて算出される。流れの方向とサンプリングの方向との間の角度であるθは未知であるので、ｃｏｓθは１．０であるものと仮定される。
【００４０】
【数４】
0004716346.tif 000005
【００４１】
好ましくは、パラメータ推定器は、平均ドプラ周波数を中間的な出力として算出するのではなく、ルックアップ・テーブルを用いてプロセッサの位相出力から直接にベクトルｖを算出する。但し、後述する式（１）〜（６）に示す計算の目的のためには任意の速度推定器を用いることができる。速度推定には、遅延相互相関及び自己回帰等が含まれ得る。
【００４２】
乱流は、平均ドプラ周波数の分散の２次級数展開として時間領域において算出することができる。乱流の時間領域表現は、ゼロ遅れ及び１段遅れの自己相関関数Ｒ（０）及びＲ（Ｔ）をそれぞれ算出することを含んでいる。
【００４３】
乱流の時間領域表現は次のように表わすことができる。
【００４４】
【数５】
0004716346.tif 000006
【００４５】
平均値信号φ（Ｔ）は、流動する反射体の平均ドプラ周波数シフトの推定値であり、延いては平均血流速度に比例している。分散信号σ2 は、ベースバンド・エコー信号の流れ信号成分の周波数の拡がりを示している。この値は、多くの速度の混成を含む流れの乱れを示す。流動する反射体からの信号の強度を示すためには、信号Ｒ（０）が、ドプラ・シフトした流れ信号における帰投パワーの量を示している。
【００４６】
導体１１Ａ上の信号パワーはデータ圧縮モジュール１３へ渡されて、モジュール１３は複数の群を成すデータ圧縮曲線に従ってデータを圧縮する。異なる走査応用のために異なる群の曲線を用意することができる。例えば、１つの群の曲線を腎臓走査のために用意する一方、他の群の曲線を頸動脈走査のために用意する。利用者が走査応用を選択すると、制御器２６が既定の曲線を設定する。ダイナミック・レンジは、表示器１８上に形成される強度又はルーメンの範囲を制御する。
【００４７】
図３を参照して述べると、グレイ・スケールＢモード中間プロセッサ８Ｇは、量（Ｉ2＋Ｑ2）1/2 を算出することにより、ビーム加算された受信信号の包絡線を形成する包絡線検波器１０を含んでいる。信号の包絡線に対数圧縮（図３のブロック１２）等の何らかの追加のＢモード処理を施して表示データを形成し、スキャン・コンバータ１４（図１）へ出力する。
【００４８】
再び図１を参照して述べると、カラー・フロー推定値及びグレイ・スケール表示データがスキャン・コンバータ１４へ送られると、スキャン・コンバータ１４はデータをビデオ表示用のＸＹフォーマットへ変換する。走査変換（スキャン・コンバート）されたＸＹフォーマットのフレームはビデオ・プロセッサ１６へ渡されて、ビデオ・プロセッサ１６は基本的には、ビデオ・データをビデオ表示のための表示用カラー・マップ及びグレイ・スケール画像フレームへマッピングする。次いで、画像フレームは、ビデオ・モニタ１８へ送られて表示される。典型的には、カラー画像については、速度もしくはパワーのいずれかが単独で表示されるか、又は速度がパワーもしくは乱流のいずれかと組み合わされて表示される。システム制御はホスト・コンピュータ（図示されていない）に集中化されており、ホスト・コンピュータは操作者インタフェイス（例えばキーボード）を介して操作者入力を受け取って、様々なサブシステムを制御する。
【００４９】
ビデオ・モニタ１８によって表示される画像は画像フレームを成すデータから形成され、画像フレーム内の各々のデータが、表示器におけるそれぞれのピクセルの強度又は輝度を示しており、且つ流速を示している。画像フレームは例えば、その各々の強度データがピクセルの色及び輝度を示す２進数であるようなデータのアレイで構成されている。表示モニタ１８上の各々のピクセルの輝度は、周知の態様でデータ・アレイ内の対応する要素の値を読み込むことにより絶えず更新される。各々のピクセルが強度値を有しており、該強度値は呼び掛けを行なった超音波パルスに応答したそれぞれのサンプル空間の後方散乱体の断面積と、用いられているグレイ・マップと、平均流速及び／又はパワーを示すカラー値との関数となっている。
【００５０】
図４を参照して述べると、システム制御はマスタ・コントローラ又はホスト・コンピュータ２６に集中化されており、マスタ・コントローラ２６は操作者インタフェイス（図示されていない）を介して操作者入力を受け取って、様々なサブシステムを制御する。マスタ・コントローラ２６はまた、システムのタイミング信号及び制御信号を発生する。マスタ・コントローラ２６は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）３０とランダム・アクセス・メモリ３２とを含んでいる。キーボード２９を用いてＣＰＵ３０にデータを入力する。ＣＰＵ３０は、取得された生データに基づいてグレイ・マップ及びカラー・マップを構築するのに用いられるルーチンを記憶する読み出し専用メモリを内部に組み入れている。
【００５１】
スキャン・コンバータ１４は、音線メモリ２２とＸＹメモリ２４とを含んでいる。音線メモリ２２に極座標（Ｒ−θ）セクタ・フォーマットで記憶されているＢモード強度データ及びカラー・モード強度データは、適当にスケーリングされたデカルト座標ピクセル表示データへ変換されて、ＸＹメモリ２４に記憶される。カラー・データはメモリ位置２４Ｃに記憶され、グレイ・スケール・データはメモリ位置２４Ｇに記憶される。走査変換されたフレームはビデオ・プロセッサ１６に渡されて、ビデオ・プロセッサ１６はデータをビデオ表示用のグレイ・マップへマッピングする。次いで、グレイ・スケール画像フレームはビデオ・モニタへ送られて表示される。
【００５２】
音波サンプル・データの連続したフレームは、先入れ先出し方式でシネ・メモリ２８に記憶される。カラー・フレームはメモリ位置２８Ｃに記憶され、グレイ・スケール・フレームはメモリ位置２８Ｇに記憶される。カラーの関心領域においては、表示ピクセルに対応するカラー・データの各々のワード毎に、該ピクセルに対応するＢモード・グレイ・スケール・データの対応するワードが存在している。シネ・メモリは、バックグラウンドで稼働する循環的な画像バッファのようなものであり、音波サンプル・データを絶えず取り込んで、実時間で利用者に対して表示する。利用者がシステムをフリーズさせると、利用者は、シネ・メモリに以前に取り込まれている音波サンプル・データを見る能力を有するようになる。
【００５３】
ＣＰＵ３０は、システム制御バス３４を介してＸＹメモリ２４及びシネ・メモリ２８を制御する。具体的には、ＣＰＵ３０は、ＸＹメモリ２４からビデオ・プロセッサ１６及びシネ・メモリ２８への生データの流れを制御すると共に、シネ・メモリからビデオ・プロセッサ１６及びＣＰＵ２６自体への生データの流れを制御する。ＣＰＵはまた、グレイ・マップ及びカラー・マップをビデオ・プロセッサにロードする。
【００５４】
画像フレームは、連続的な方式でシネ・メモリ２８に収集される。シネ・メモリ２８は、単一画像閲覧及び多数画像ループ閲覧のための常駐のディジタル画像記憶容量、並びに様々な制御機能を提供している。単一画像のシネ再生時に表示される関心領域は、画像取得時に用いられた領域である。シネ・メモリはまた、画像をマスタ・コントローラ２６を介してディジタル保管装置（図示されていない）へ転送するためのバッファの役割も果たしている。
【００５５】
好適実施例は、図１〜図４に記載する形式のシステムを用いて、標準的なドプラ測定にエコー振幅非相関を組み合わせた体積血流測定の手法を具現化する。単一の臨床用トランスデューサ２を用いて、流体の体積流を測定すべき管の配向の知識は用いずに、超音波撮像平面の全体にわたって３次元ベクトルの流れの場を算出する。一般的には、体積流は、管の断面（すなわち撮像平面と管との交差面）にわたって平面外流れ（例えば撮像平面を横断する流れ）を積分することにより算出される。
【００５６】
［平面内速度］
図５は、関心領域（管ＶＥ、例えば血管であってよい）における流体（例えば血液）の流れ方向ＦＬ及びトランスデューサ２の配向を示している。流体は好ましくは、造影剤ＣＡを含有している。ビームＢとしてのドプラ超音波は、方向Ｄ１及びＤ２（例えば、トランスデューサの面３に垂直な軸Ａ１からθ＝＋２０°及び−２０°）にステアリング（方向制御）される。方向制御は、別個のＢモード・ビーム・パルス・ファイアリングを用いて行なわれる。方向Ｄ１及びＤ２は、撮像及び走査平面ＩＰを画定しており、平面ＩＰは何らかの決定されていない角度で管ＶＥと交差する。角度は例えば、６０°であってよいが、利用者はこの角度を知らない。平面ＩＰ内でビームＢを方向決定する三角法、相互相関等の任意の２次元方法を用いてよい。代替的には、ビームＢの走査は、米国特許第５，３９８，２１６号（Hall等、１９９５年３月１４日に付与）に記載されている分割開口法を用いて行なってもよい。尚、該特許はここに参照されるべきものである。分割開口アプローチを用いると、ビームＢは異なる角度から管ＶＥ内の共通の点に方向決定される。
【００５７】
図５のｘ軸及びｙ軸の両方が平面ＩＰ内に位置している。ｚ軸は仰角方向に延在し、ｙ軸は軸方向に延在し、ｘ軸は横方向に延在する。軸ｘ、ｙ及びｚは直交している。
【００５８】
方向Ｄ１及びＤ２に方向制御されたビームに応答して管ＶＥから後方散乱した超音波は、トランスデューサ２によって受け取られて、これらの超音波を用いてデータが生成される。このデータから２つの対応する「軸方向」流体速度Ｖ1 及びＶ2 が測定される。次いで、平面内（すなわち平面ＩＰ内）流体速度成分Ｖx 及びＶy を次のようにして算出することができる。
【００５９】
【数６】
0004716346.tif 000007
【００６０】
Ｖy の測定誤差は、ｃｏｓ（θ）の逆数への依存性を有しているので、角度を大きくするとさらに正確な結果が得られることに留意されたい。
【００６１】
［非相関(decorrelation)］
流体におけるスペックル非相関率は、流速又はビーム・パルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）（処理方法に依存する）と、トランスデューサ２のビーム特性との関数である。非相関率は、前述の形式のカラー・フロー送信ファイアリングから算出することができる。より明確に述べると、非相関率は、ゼロ遅れ自己相関式（Ｃ）によって表わされているカラー・フロー・パワーに基づくことができる。非相関率は、ファイアリングの１つのパケットから他のパケットまでの時間にわたるＲ（０）の値の変化によって決定される。
【００６２】
また、非相関率は、管ＶＥから後方散乱した超音波ＲＦデータを表わしているグレイ・スケール・データからも算出することができる。グレイ・スケール・データに基づく非相関率について以下で詳述するが、当業者であれば、この原理をカラー・フロー送信ファイアリングからの非相関率の算出に適用することができる。スペックル形成のさらに詳細な統計的解析が前述の論文（ Tuthill等、１９９８年）［文献番号１０］に与えられているが、本質的な点及び仮定についてここで述べておく。
【００６３】
完全拡散型スペックル(fully developed speckle) については、３次元点拡がり関数によって画定されるサンプル空間には少なくとも１０の散乱体が存在していなければならない。超音波強度の空間的分布は、１．０という一定の平均対標準偏差（ＭＳＤ）比を有する指数分布となる筈である。パルスからパルスにかけて（フレームからフレームにかけて）のスペックルの変化量はスペックル・パターンの２次統計に直に関係している。
【００６４】
仰角次元（すなわち平面ＩＰに垂直な次元）におけるスペックル相関関数の導出法についてここで記載するが、この導出法は平面ＩＰ内に位置する横方向次元及び軸方向次元に容易に拡張することができる。コヒーレントに形成されたスペックルの場合には、強度相関関数は振幅相関関数に直に関係し、振幅相関関数はまた、点拡がり関数（ＰＳＦ）自己相関に比例する。集束式トランスデューサ２を仮定すると、ビームが焦点領域に出入りするのに伴って深さ依存性の幅を有するガウシアンによってビーム・パターンを近似することができる。結果的に、横方向での強度自己相関もまた、取得されたフレームの間での流体の平行移動に関するガウス関数として書くことができ、標準偏差σx （ｚ）すなわち深さ依存性のビーム相関幅（ＢＣＷ）を有するものとなる。トランスデューサの物理的特性によって焦点における相関幅を算出することもできるし、完全拡散型スペックルを生成する散乱体を含むファントムを用いてさらに長距離のレンジについて相関幅を較正することもできる。
【００６５】
すると、単一のピクセル位置についての時間で正規化された強度共分散Ｃは、ガウス形を有する（Wear、１９８７年）［文献番号１１］。
【００６６】
【数７】
0004716346.tif 000008
【００６７】
ここで、Ｖx は横方向速度であり、σx （ｚ）はトランスデューサの特性によって決定される深さ依存性のビーム相関幅である。次いで、ビームＢのパルス・ファイアリング速度Ｒfについて、連続したＡ線から取得される特定の深さに位置するピクセルの集合からの正規化された共分散を、ファイアリング回数ｎの関数としてのガウシアンにフィットした曲線とすることができる。
【００６８】
【数８】
0004716346.tif 000009
【００６９】
ここで、Ｄすなわち秒の逆数の単位の非相関率の値は、速度を当該深さについてのビーム相関幅で除算したものと等価である。最終的な結果は、グレイ・スケールＡ線の集合又はグレイ・スケールＢ走査フレームの集合からのスペックル領域についての相関関数をガウス曲線にフィットさせることにより、この集合についての平均速度を算出することができることになる。非相関率は、特に、Tuthill（１９９８年）［文献番号１０］及びRubin（１９９９年）［文献番号９］に記載されている方法によって算出することができる。非相関はまた、ドプラ情報から算出することもできる（Adler、１９９５年）［文献番号１２］及び（Chen、１９９６年）［文献番号１５］が、応用によっては好ましい方法とならない場合がある。
【００７０】
ここで、体積流のために非相関を３つの次元すべてを含むように拡張することができる。楕円形のサンプル空間を仮定すると、曲線にフィットされた非相関値Ｄは、速度成分に直に関係する。
【００７１】
Ｄ2＝（Ｖx2／Ｂx2）＋（Ｖy2／Ｂy2）＋（Ｖz2／Ｂz2）        （６）
ここで、Ｂi は第ｉの方向でのビーム相関幅（ＢＣＷ）である。ＢＣＷは、スペックル・ファントムを用いて較正され、深さ及びトランスデューサの集束パラメータに依存しているが、撮像平面の全体にわたって測定可能である。
【００７２】
［３次元流れベクトル及び体積流］
平面内速度Ｖx 及びＶy （すなわち平面ＩＰ内での速度）を決定したら、ドプラ測定値から（又はスペックル追跡から）、走査平面ＩＰに垂直な速度成分の大きさＶz を式（６）から算出することができる。このようにして、３次元流れベクトルを、３つの測定値（例えば２つのドプラ及び１つのグレイ・スケール非相関）について２つの異なるモードで動作する単一のトランスデューサ２から決定することができる。データ収集の方法、並びに値Ｖx 、Ｖy 及びＤの各々を得るためのデータ処理は多くの形態を有し得ることを理解されたい。
【００７３】
また、管ＶＥを通過する全体積流を算出することができる。ガウスの定理は、閉曲面から流出する束又は体積流は、閉じ込められた空間からのベクトル場の発散の積分に等しいとしている。従って、全体積流Ｆは、断面積にわたって積分された垂直速度成分となり、すなわち
【００７４】
【数９】
0004716346.tif 000010
【００７５】
となる。撮像及び走査平面ＩＰが交差する管の面積の全体にわたってＶz すなわち平面ＩＰに垂直な速度成分を加算することにより、全体積流を算出することができる。式（Ａ）〜（Ｈ）及び式（１）〜（７）の計算は、ＣＰＵ３０（図４）によって実行することができる。ＣＰＵ３０は、式（Ａ）〜（Ｈ）及び式（１）〜（７）の様々なパラメータに対応する信号を発生する。
【００７６】
本明細書に記載されている計算を実行するためには多様なディジタル・プロセッサを用いることができる。例えば、マイクロプロセッサ又はディジタル信号プロセッサを用いてもよいし、また論理演算及び算術演算を実行することが可能な応用特定的集積回路を用いてよい。かかるプロセッサは、図１〜図４に記載したシステムの任意の位置に位置していてもよいし、又はシステムの外部に位置していてもよい。
【００７７】
[具体例]
以下は、実験によって確認されたという意味で本発明の最良の態様を表わす。但し、カラー・フロー送信ファイアリングによって非相関を測定する等の本発明のその他の形態の方が応用によっては具現化が容易である場合もあるものと考えられる。
【００７８】
７．５ＭＨｚのリニア・アレイ・トランスデューサを備えたＧＥ  Ｌｏｇｉｑ７００臨床用スキャナ（ウィスコンシン州ミルウォーキー、GE Medical Systems社）を単一の焦点で用いた。ＧＥ  Ｌｏｇｉｃ７００スキャナは一般的には図１〜図４によって表わすことができ、７．５ＭＨｚのリニア・アレイ・トランスデューサはトランスデューサ２によって表わすことができる。エッジ強調及び平均等の内部後処理設定はすべてオフにして、深さは最小値の３ｃｍに設定して最大許容フレーム・レートの３０Ｈｚを得るようにした。出力パワーは最低レベルに設定して、音波照射力に起因する付加的な非相関からの影響を減じるようにした。Ｂモードについては、リニア・グレイ・スケール・マッピングを適用して、走査を圧縮復元して、振幅に比例したピクセル値を有する画像を得るようにした。ドプラ取得については、最低の速度及びウォール・フィルタ９の最低の設定を適用した。画像はすべて、スキャナ上に８ビットでディジタル式で記憶されて、ＣＰＵ３０（図４）によって表わすことのできるＵＮＩＸコンピュータへ転送された。３ｃｍ×４ｃｍのディジタル画像をメモリ３２（図４）に、長さ８４．５μｍの正方形のピクセル寸法で３５５×４７８ピクセルとして記憶した。
【００７９】
トランスデューサ・サンプル空間は、組織を模したファントム（ヴァージニア州ノーフォーク、ＣＩＲＳ、Computerized Imaging Reference Systems社）について、一連のＢモード走査を各々の方向（横方向、仰角方向及び軸方向）において漸増する間隔で収集することにより較正された。ファントムは、稠密に充填され乱雑に分布した散乱体で構成されており、完全拡散型スペックルを形成する。リニア・マイクロポジショナにより、横方向及び仰角方向については５０μｍの間隔、並びに軸方向については２５μｍの間隔が可能となった。各々のトランスデューサ配向毎に、６０から成る画像の集合が取得され、次いで、対応するビーム相関幅が深さの関数として算出された。
【００８０】
流管実験については、６．４ｍｍ直径の分子寸法で有孔性の膜組織管（カリフォルニア州ラグナ・ヒル、Spectrum Laboratories社）を脱泡水を満たした水浴内に載置した。注射ポンプ（マサチューセッツ州ホリストン、Harvard Apparatus 社）を用いて、１２ｍｌ／分〜２０ｍｌ／分の流れを形成した。管系に気泡が入らないように注意した。系の出口はタンクから１０ｃｍ上方に保って、圧力を維持すると共に確実に膜組織管が十分に拡がるようにした。
【００８１】
血液を模した流体は、５：１の水／グリセロール混合物内に１μｍ〜３５μｍ直径のポリスチレン球を分散させたもので形成された。高濃度を用いて後方散乱体を増大させ、より一様なスペックルを得るようにした。
【００８２】
トランスデューサ２は、図５に示すようにｙ軸及びｘ軸の両方の周りでの独立の回転が可能になるように固定された。トランスデューサは、３つの異なる体積流の各々についてｙ軸の周りに３０°ずつの増分で回転させた。
【００８３】
各々の体積流設定について、６０から成るグレイ・スケール画像のシネ・ループを先ず収集してメモリ２８Ｇ（図４）に記憶させ、続いて、ドプラ画像の集合を収集した。２つのドプラ角度（＋／−２０°）の各々について１０の未相関画像を収集して平均した。
【００８４】
記憶された画像は、ＭＡＴＬＡＢ（マサチューセッツ州ナトウィック、Mathworks 社）に書かれているプログラムを用いて後処理された。スペックル非相関については、各々のピクセル毎に共分散関数を計算して、５×５のピクセル・ウィンドウについて平均した。次いで、共分散関数を正規化して、ガウシアン・フィットには最初の２段の遅れのみを用いて非相関値を決定した。
【００８５】
得られた非相関画像を閾値処理して、管の輪郭を決定した。式６を用いて、平面外速度（すなわち図５に示すｚ軸に沿った速度）を算出し、閉じた管ＶＥにおいて加算して、全体積流を決定した。
【００８６】
超音波ＲＦ信号での本手法の効力を実証するために、５．０ＭＨｚのリニア・アレイをトランスデューサ２として用いたDiasonics スキャナ（カリフォルニア州ミルピタス、Diasonics Ultrasound社）を用いて、第２の設定で流管を用いた。シネ・ループのＲＦ取得は極端に遅いフレーム・レートを有していたので、非相関処理のためにＭモード・データのみを収集した。この収集では、取得されたＡ線についてのファイアリング速度は７８６Ｈｚであった。
【００８７】
[結果]
単一の焦点を有する所与のスキャナ設定については、ＧＥの７．５ＭＨｚトランスデューサは、焦点の近くで横方向、仰角方向及び軸方向についてそれぞれ１７０μｍ、２８０μｍ及び１５０μｍのＢＣＷを有していた。図６は、仰角方向／横方向平面の周りでの１５°増分について算出されたＢＣＷ、並びにＢx （横方向）及びＢy （仰角方向）からの理論的な楕円形フィットを示している。
【００８８】
ＲＦデータを用いたDiasonicsのトランスデューサ２の較正から、仰角方向及び横方向の両方について、深さ依存性のＢＣＷが、包絡線検波後のＢＣＷ曲線と有意には異なっていないことが分かった。予期された通り、軸方向ＲＦ信号は、包絡線検波後の走査線よりもかなり速くに非相関となった。焦点の近くでは、ＲＦのＢＣＷは約２５ｕｍであって、全波長の１／６である。包絡線信号についての対応するＢＣＷは１３５ｕｍであって、多数波長パルスに整合している。
【００８９】
−２０°の方向制御及び＋２０°の方向制御（図５）の両方のドプラ画像を用いて、表示可能な合計全平面内速度の大きさの画像を形成する。
【００９０】
閾値処理された非相関画像をマスクとして適用して、垂直速度を閉じた領域で加算して、全体積流を算出した。非相関マスクは、ドプラとは異なって流れの角度にかかわらず管ＶＥの管腔の検出可能な画像を形成するので、非相関マスクを選択した。マスク後の断面積における加算された体積流は０．２５ｍｌ／秒であった。
【００９１】
本明細書に記載されているアルゴリズムについては、利用者は、閾値処理された非相関画像から決定されるべき管ＶＥの全断面積について、管ＶＥの内部の区域を指示するだけでよい。角度依存性が減少した非相関閾値処理（Rubin 、１９９９年）［文献番号９］を用いると、ドプラの場合よりも信頼性の高い流れの境界の描写が可能になる筈である。
【００９２】
本発明の手法によって算出される速度推定値の空間分解能は主として、Ｂモード画像よりも低い分解能を有するドプラ信号によって制限される。非相関手法は、Ｂ走査における各々のピクセルについて、又はＡ線の各々の点について算出されるので、空間分解能はディジタル化サンプリング速度によって決定される。但し、正確な相関曲線を算出するためには何らかの空間平均が必要である。
【００９３】
時間分解能は、非相関及びドプラ周波数シフトの正確な推定値に必要とされる連続したＡ線の数によって決定される。殆どの臨床用スキャナにおいては、ドプラ出力を算出するためには約１０〜１５のファイアリング線が用いられる。平面内速度はまた、２つの時間相関又はスペックル追跡を用いて決定され得ることに留意されたい。
【００９４】
人体の血流は、激しい運動中の大動脈での３０ｌ／分から単一の毛細血管での１０ｎｌ／分までにわたる（ｍｍ／秒のオーダの速度）。本発明の手法は、測定可能な速度範囲の上限及び下限の両方を有している。低速の流れをドプラを用いて検出することは困難である。というのは、「ウォール・サンプ（wall thump）」フィルタが相対的に低速の組織運動からの信号を除去するように適用されるからである。同様に、運動に起因する軟組織の非相関が下限を画定する。
【００９５】
高速においては、解析の非相関成分は崩壊する。流れ運動がファイアリングの間で２つのＢＣＷよりも大きい場合には、信号は完全に非相関となり、速度推定を行なうことはできない。従って、ＰＲＦ及びサンプル空間のＢＣＷが速度の上限を決定し、すなわち最大速度＜ＰＲＦ＊（２ＢＣＷ）となる。例えば、１０ｋＨｚのファイアリング速度で相関幅が４００μｍである場合には、測定可能な最大速度は８０ｃｍ／秒となる。ＲＦ解析においては、軸方向ＢＣＷは仰角成分又は横方向成分のいずれよりも小さい大きさのオーダとなる。ドプラ測定の場合とは反対に、相対的に速い速度を検出するためにはビームに垂直な流れが好適な方向にある。
【００９６】
この好ましい手法はまた、流れがすべて１つの方向にあるものと仮定している。剪断運動又は乱流は、体積流測定を上方に偏らせるような付加的な非相関を生ずる可能性がある。前述のように、σ2 を検査することによりこの条件を示して、本方法の不適切な利用を回避することができる。
【００９７】
流れの符号は非相関測定では決定することができない。従って、平面外流れの方向は未知のままである。このことは、心搏周期中に流れの反転が生じ得る動脈流で問題となる場合がある。流れの方向を決定する１つの可能性は、１．７５Ｄアレイによる仰角方向での位相直角解析であろう。
【００９８】
当業者は、特許請求の範囲に画定されている本発明の要旨及び範囲から逸脱せずに好適実施例が変更され改変され得ることを理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】好適実施例と関連した利用に適したカラー・フロー及びＢモード超音波イメージング・システムの信号処理鎖を示す概略的なブロック図である。
【図２】図１に示す中間プロセッサ・カラー・フロー装置を示す概略的なブロック図である。
【図３】図１に示す中間プロセッサＢモード装置を示す概略的なブロック図である。
【図４】図１に示すシステムの部分の更なる細部を示す概略的なブロック図である。
【図５】流体が流れている管に関する図１に示す超音波トランスデューサの例示的な配向を示す概略的なブロック図である。
【図６】仰角方向／横方向平面の周りでの１５°の増分について図５に示すトランスデューサによって発生される超音波ビームの算出されたビーム相関幅、及びＢx （横方向）及びＢy （軸方向）からの理論的な楕円フィットを示すグラフである。
【部材一覧】
Ｂ  ビーム
ＦＬ  流れ方向
ＶＥ  関心領域（例えば、管）
ＩＰ  走査平面
Ｆ  流体の流れの体積
Ｄ１、Ｄ２  走査角度
Ｄ  非相関率
２  超音波トランスデューサ・アレイ
４  ビームフォーマ
６  復調器
７  コーナ・ターナ・メモリ
８Ｇ  中間プロセッサ
８Ｃ  中間プロセッサ
９  ウォール・フィルタ
１０  包絡線検波器
１１  パラメータ推定器
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ  導体
１２  対数圧縮
１３  データ圧縮モジュール
１４  スキャン・コンバータ
１６  ビデオ・モニタ
１８  ビデオ・モニタ
２２  音線メモリ
２４  ＸＹメモリ
２４Ｃ、２４Ｇ  メモリ位置
２６  マスタ・コントローラ
２８Ｃ、２８Ｇ  メモリ位置
２９  キーボード
３０  中央処理ユニット
３２  ランダム・アクセス・メモリ
３４  制御バス
【図１】
0004716346.tif 000011
【図２】
0004716346.tif 000012
【図３】
0004716346.tif 000013
【図４】
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【図５】
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【図６】
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