(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維状媒体をマッピングするための方法であって、
（ａ）トランスデューサＴｉｊのセット（２）が、繊維を含む媒体（１）の視野（１ａ）内に、異なる波面を有するＮ個の非集束入射超音波ｌを放出し、前記媒体によって反射した超音波を表す各信号ＲＦｒａｗｌ、ｉｊ（ｔ）が、前記入射波ｌからトランスデューサＴｉｊによって取得される、測定段階と、
（ｂ）視野内のＭ個の仮想の焦点Ｐｋについて、Ｎセットの取得された信号ＲＦｒａｗｌ，ｉｊ（ｔ）からコヒーレントデータが決定されるコヒーレントデータを合成する段階であって、点Ｐｋにおいて集束される波が前記トランスデューサによって放出されたかのように、コヒーレント信号ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋ，ｉｊ（ｔ）が、前記トランスデューサＴｉｊによって受信した信号に対応する、段階と、
（ｃ）各点Ｐｋにおける繊維の存在及び配向が、複数の方向におけるコヒーレント信号ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋ，ｉｊ（ｔ）の間の空間的コヒーレンスを比較することによって決定される、媒体（１）の繊維をマッピングする段階と、を含む、繊維状媒体をマッピングするための方法。
【請求項２】
前記段階（ａ）において、使用される前記トランスデューサのセット（２）が、２次元トランスデューサアレイである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記段階（ｃ）において、前記トランスデューサ間の空間的コヒーレンスの関数の積分が複数の方向で決定され、前記繊維の方向が、前記積分を最大化する方向として決定される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記入射超音波が、異なる伝搬方向を有する平面波である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記入射超音波が発散波である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記媒体（１）内で検出された繊維の画像が表示される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記視野（１ａ）の超音波画像が決定され、前記超音波画像が、前記繊維の重畳された画像とともに表示される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記超音波画像が、前記段階（ｂ）で決定されたコヒーレント信号をビーム形成することによって決定される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
画像化される媒体が、人間の組織または動物の組織である、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載のマッピング方法を実装するためのデバイスであって、
（ａ）トランスデューサＴｉｊのセット（２）に、繊維を含む媒体（１）の視野（１ａ）内に、異なる波面を有するＮ個の入射超音波ｌを放出させ、前記トランスデューサＴｉｊに、前記入射波はｌから反射した超音波を表すそれぞれの信号ＲＦｒａｗｌ，ｉｊを取得させ、
（ｂ）視野内のＭ個の仮想の焦点Ｐｋについて、Ｎセットの取得された信号ＲＦｒａｗｌ，ｉｊ（ｔ）から、点Ｐｋにおいて集束される波が前記トランスデューサによって放出されたかのように前記トランスデューサＴｉｊによって受信されることとなる信号に対応するコヒーレント信号ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋ，ｉｊ（ｔ）を決定し、
（ｃ）複数の方向における前記コヒーレント信号ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋ，ｉｊ（ｔ）間の空間的コヒーレンスを比較することによって、各点Ｐｋにおける繊維の存在及び配向を決定する、
ように適合されたトランスデューサＴｉｊのセット（２）及び制御処理手段（８、４）を含む、デバイス。
【請求項１１】
前記トランスデューサのセット（２）が２次元である、請求項１０に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維状媒体のマッピングの方法及びデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような方法は、例えばＤｅｒｏｄｅ及びＦｉｎｋによって非特許文献１にすでに説明されており、この文献は、複合材料表面上に配置され、複数の配向を有するトランスデューサアレイによって、集束された超音波を連続的に照射することを教示している。超音波の発出のそれぞれについて、伝送された超音波の反射後にトランスデューサによって取得された信号間の空間的コヒーレンスの関数が計算され、複合材料の繊維の方向が、空間的コヒーレンス関数の最大値に対応するトランスデューサアレイの方向として決定される。
【０００３】
この周知の方法は、内部に繊維が均一に配置された複合材料のような単純な媒体に適している。生体組織などのより複雑な媒体を調べる場合には適切ではない。
【０００４】
しかし、心筋、筋肉及び脳組織などの、繊維からなる生体組織構造をマップする必要性が存在する。この構造は、これらの組織の機械的機能（筋肉組織）及び電気的機能（脳、筋肉、心臓）の両方において重要な役割を果たし、そのため、繊維の空間的配向は、診断目的及びこれらの臓器の機能的診査について決定すべき非常に重要なパラメータである。
【０００５】
例えば、脳の画像化において、異なる脳の領域を接続する神経線維の経路を特定することは非常に重要である。現在は、繊維の組織の３次元画像を提供することが可能であるただ１つの技術は、拡散テンソルによる磁気共鳴画像化（拡散ＭＲＩ）のみである。この非常に低速な技術は、大人の脳の診査に使用されるが、心臓のような動く臓器を画像化することについては制約が大きすぎる。また、ＭＲＩは非常に若い子供、特に不幸にも現在の技術で診断することが不可能な脳発達異常を有する恐れのある早産児の脳の画像化には使用されない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２１０１１９１号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Spatial coherence of ultrasonic speckle in composites, Derode A., M. Fink, IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 1993; 40(6):666-75
【非特許文献２】“Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography” (IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 2009 Mar; 56(3): 489-506
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、これらの欠点を解消することを意図される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために、本発明は、繊維状媒体をマッピングするための方法であって、
（ａ）トランスデューサＴｉｊのセットが、繊維を含む媒体の視野内に、異なる波面を有するＮ個の非集束入射超音波ｌ（視野内で集束されないことを意味する）を放出し、媒体によって反射した超音波を表す各信号ＲＦｒａｗｌ、ｉｊ（ｔ）が、入射波ｌからトランスデューサＴｉｊによって取得される、測定段階と、
（ｂ）視野内のＭ個の仮想の焦点Ｐｋについて、Ｎセットの取得された信号ＲＦｒａｗｌ，ｉｊ（ｔ）からコヒーレントデータが決定されるコヒーレントデータを合成する段階であって、点Ｐｋにおいて集束される波がトランスデューサによって放出されたかのように、コヒーレント信号ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋ，ｉｊ（ｔ）が、トランスデューサＴｉｊによって受信した信号に対応する、段階と、
（ｃ）各点Ｐｋにおける繊維の存在及び配向が、複数の方向におけるコヒーレント信号ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋ，ｉｊ（ｔ）の間の空間的コヒーレンスを比較することによって決定される、媒体の繊維をマッピングする段階と、を含む、繊維状媒体をマッピングするための方法を提供する。
【００１０】
そのため、後方散乱信号が、超音波画像内に直接見えない組織の微細構造についての情報を含む（Ｂモード）という事実によって、心筋、その他の筋肉及び脳などの繊維からなる生体組織の構造を、非常に素早く容易にマップすることが可能になる。組織の異方性が、異なる方向で測定されたコヒーレンス関数内に発見されるので、これは、繊維の配向を明らかにする空間的コヒーレンス分析である。
【００１１】
本発明に従う方法の様々な実施形態において、以下の構成の１つまたは複数を使用することが可能でありうる。
【００１２】
−段階（ａ）において、使用されるトランスデューサのセットが、２次元トランスデューサアレイである。
【００１３】
−段階（ｃ）において、トランスデューサ間の空間的コヒーレンスの関数の積分が複数の方向で決定され、繊維の方向が、積分を最大化する方向として決定される。
【００１４】
−入射超音波が、異なる伝搬方向を有する平面波である。
【００１５】
−入射超音波が（異なる発生源の点から来たかのように、超音波アレイによって放出される）発散波である。
【００１６】
−入射超音波が連続的に放出される。
【００１７】
−入射超音波が、空間的時間的にエンコードされ、同時に放出され、次いで反射波が同時に取得され、デコーディングによって分離される。
【００１８】
−媒体内で検出された繊維の画像が表示される。
【００１９】
−視野の超音波画像が決定され、この超音波画像が、繊維の重畳された画像とともに表示される。
【００２０】
−超音波画像が、段階（ｂ）で決定されたコヒーレント信号をビーム形成することによって決定される。
【００２１】
−画像化される媒体が、人間の組織または動物の組織である（特に哺乳類）。
【００２２】
本発明はまた、上述のマッピング方法を実装するためのデバイスであって、
（ａ）トランスデューサＴｉｊのセットに、繊維を含む媒体の視野内に、異なる波面を有するＮ個の入射超音波ｌを放出させ、トランスデューサＴｉｊに、入射波ｌから反射した超音波を表すそれぞれの信号ＲＦｒａｗｌ，ｉｊ（ｔ）を取得させ、
（ｂ）視野内のＭ個の仮想の焦点Ｐｋについて、Ｎセットの取得された信号ＲＦｒａｗｌ，ｉｊ（ｔ）から、点Ｐｋにおいて集束される波がトランスデューサによって放出されたかのようにトランスデューサＴｉｊによって受信されることとなる信号に対応するコヒーレント信号ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋ，ｉｊ（ｔ）を決定し、
（ｃ）複数の方向における信号ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋ，ｉｊ（ｔ）間の空間的コヒーレンスの関数を比較することによって、各点Ｐｋにおける繊維の存在及び配向を決定する、
ように適合されたトランスデューサＴｉｊのセット及び制御処理手段を含む、デバイスに関する。
【００２３】
有利には、トランスデューサのセットが２次元である。
【００２４】
本発明のその他の特徴及び利点は、添付した図面の参照とともに、限定的でない例で与えられたその実施形態の１つの以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に従う方法を実装するためのデバイスの概略図である。
【図２】図１のデバイスの一部のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
様々な図において、同一の参照符号は、同一または類似の要素を示す。
【００２７】
図１は、例えば、２から４０ＭＨｚの周波数範囲の超音波圧縮波を送信し、受信することによって動作する例示的な画像化デバイスを示す。
【００２８】
図１に示される画像化デバイスは、繊維状の媒体１、例えば患者の組織、特に筋肉（心筋またはその他の筋肉）または脳の、視野１ａの合成超音波画像化を実行するように適合される。
【００２９】
画像化デバイスは、例えば、
−ｎ個の超音波トランスデューサのアレイ２、例えば数百個のトランスデューサを含み、視野１ａの３次元（３Ｄ）画像を得るように適合された２次元アレイと、
−トランスデューサアレイ２を制御し、トランスデューサアレイによって取得された信号を得るように適合された電子部品ベイ３または類似のものと、
−電子部品ベイ３を制御し、上述の取得された信号から得られた超音波画像を表示するためのコンピュータ４または類似のものと、を含む。
【００３０】
トランスデューサアレイ２は、例えば、２つの垂直な軸Ｘ、Ｙに沿って延設する平面マトリクスであってよく、Ｘ、Ｙ軸に対して垂直なＺ軸は、視野の深さ方向を表す。以下において、トランスデューサは、Ｔｉｊで表され、ｉ及びｊはそれぞれＸ及びＹ軸に沿った、各トランスデューサの位置を表す２つのインデックスである。トランスデューサアレイ２は、具体的にはＸ方向にｎ１個のトランスデューサ及びＹ方向にｎ２個のトランスデューサを含み、ｎ＝ｎ１＊ｎ２でありうる。以下の説明では、この種類のトランスデューサアレイ２を例として使用するが、その他の形態のトランスデューサアレイも、本発明の範囲内において可能である。
【００３１】
図２に示されるように、電子部品ベイ３は、例えば、
−トランスデューサアレイ２のｎ個のトランスデューサＴｉｊに個別に接続されたｎ個のアナログデジタルコンバータ５（Ａ／Ｄｉｊ）と、
−ｎ個のアナログデジタルコンバータ５にそれぞれ接続されたｎ個のバッファ６（Ｂｉｊ）と、
−バッファ６及びコンピュータ４と通信する中央処理ユニット８（ＣＰＵ）と、
−ＣＰＵ８に接続されたメモリ９（ＭＥＭ）と、
−ＣＰＵ８に接続されたデジタル信号処理部１０（ＤＳＰ）と、
を含みうる。
【００３２】
このデバイスは、媒体１の繊維をマッピングするための方法を実装することができ、これは、具体的にはデジタル信号処理部９に支援されて、ＣＰＵ８によって実行される以下の３つの段階、
ａ）測定（放出／受信及び生データの記録）、
ｂ）コヒーレントデータの合成、
ｃ）繊維配向の分析、
ｄ）任意選択的に、Ｂモードにおける媒体の画像の決定及び繊維マッピングの重畳、
を含む。
【００３３】
段階ａ：測定（放出／受信及び生データの記録）は、以下の通りである。
トランスデューサアレイは、媒体１に接触して配置され、Ｎ個の入射超音波が、トランスデューサＴｉｊによって媒体１内に放出される（Ｎは、例えば２から１００の間、特に５から１０の間であってもよい）。問題にしている入射波は、集束されておらず（より具体的には、視野内に集束されず）、それぞれ異なる波面、すなわち異なる形状及び／または異なる配向の波面を有する。有利には、入射波は様々な異なる傾きの平面波であり、それぞれ平面（Ｘ、Ｚ）及び（Ｙ、Ｚ）における、Ｚ軸に対する傾斜角αＸ、αＹを特徴とし、または入射波は空間内の異なる点から発生したかのように放出された発散波である。
【００３４】
入射波は、一般的にはマイクロ秒未満のパルスであり、典型的には中心周波数における超音波の約一周期である。入射波の発出は、例えば約５０から２００マイクロ秒だけ間隔を開けられうる。
【００３５】
各入射波は、媒質１内の反射体に衝突し、反射体は入射波を反射させる。反射した超音波は、アレイのトランスデューサＴｉｊによって取得される。入射波は放出時において集束されていないため、各トランスデューサＴｉｊによって取得されたこの信号は、媒体１内の全体から来る。
【００３６】
ｎ個のトランスデューサＴｉｊによって取得された反射信号は、次いで、対応するアナログデジタルコンバータＡ／Ｄｉｊによってデジタル化され、対応するバッファＢｉｊ内に保存される。各入射波の発出後にバッファ内に保存されたこれらの信号は、以下、ＲＦ生データと呼ぶ（「ＲＦ」は、当技術分野で通常使用される用語であり、単純に、使用される超音波周波数による）。これらのＲＦ生データは、入射超音波ｌの発出後にトランスデューサＴｉｊによってそれぞれ取得されたｎ１＊ｎ２回の信号ＲＦｒａｗｌ，ｉｊ（ｔ）の配列からなる。
【００３７】
入射波ｌの各発出後、バッファＢｉｊ内に保存された信号は、単一のプロセッサ８のメモリ９に伝送され、プロセッサによって処理される。そのため、段階（ａ）の最後において、メモリ９はＲＦ生信号のＮ個のアレイを含む。
【００３８】
様々な入射波は、空間的時間的にエンコードすることができ、それによって、入射波のいくつかまたはすべての同時放出及び反射波の同時受信が可能になり、これらは保存前にデコーディングによって分離される。
【００３９】
段階ｂ：コヒーレントＲＦデータの合成
ＲＦ生データのＮ個の配列から、合成コヒーレントＲＦデータのＭ個の配列が、視野１ａのＭ個の点Ｐｋ（ｘ、ｙ、ｚ）のそれぞれにおいて、プロセッサ８によって計算される（ｋは１からＭの間の整数であり、ｘ、ｙ、ｚはＸ、Ｙ、Ｚ軸上の点Ｐｋの座標である）。合成コヒーレントＲＦデータのこれらＭ個の配列のそれぞれは、トランスデューサが点Ｐｋにおいて集束された入射波を放出している場合にトランスデューサＴｉｊによってそれぞれ取得されることとなる信号に対応するｎ１＊ｎ２回の信号ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋ，ｉｊ（ｔ）を含む。
【００４０】
コヒーレントＲＦデータの配列は、例えば、特に特許文献１またはＭｏｎｔａｌｄｏらによる非特許文献２に説明された原理に従い、超音波圧縮波について媒体１を通して均一な伝搬速度ｃを仮定することによって得られうる。
【００４１】
各発出ｌに対応する平面波の伝搬の方向が分かり、伝搬速度ｃが分かれば、プロセッサ８は、各点Ｐｋについて、点Ｐｋへの入射波ｌの伝搬時間τｅｃ（ｌ，ｋ）及び点ＰｋからトランスデューサＴｉｊへの反射波の伝搬時間τｒｅｃ（ｌ，ｋ，ｉ，ｊ）、すなわち両方向を伝搬する全時間を計算することができ、以下の通りとなる。
τ（ｌ，ｋ，ｉ，ｊ）＝τｅｃ（ｌ，Ｐｋ）＋τｒｅｃ（ｌ，Ｐｋ，ｉ，ｊ）
【００４２】
次いで、トランスデューサＴｉｊについての空間的にコヒーレントな信号は、仮想的な焦点Ｐｋに対応して、以下の数式を用いて計算される。
【００４３】
【数１】
0006321162.tif 000002
【００４４】
ここで、Ｂ（ｌ）は、入射波ｌの各発出の寄与に関する重み付け関数である（この場合には、Ｂ（ｌ）の値は全て１に等しくなりうる）。
【００４５】
次いで、コヒーレントデータＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋの配列は、例えば前述の特許文献１またはＭｏｎｔａｌｄｏらの文献において説明されたように、媒体１内の収差の効果を修正することによって改善されることもありうる。
【００４６】
段階ｃ：繊維配向の分析
次いで、空間的コヒーレンスが、各配列ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔについて決定され、これは同じ点Ｐｋについて信号ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋｉｊ（ｔ）の間のコヒーレンスを示す。
【００４７】
この空間的コヒーレンスは、例えば、平面（Ｘ、Ｙ）内の所定の方向でｍ個の要素の遠隔トランスデューサ対の間の全ての相関を合計することにより、トランスデューサｉｊ及びｐｑで受信された信号ｃｋ（ｉｊ，ｐｑ）の相関を用いて計算された空間的コヒーレンス関数Ｒ（ｍ）によって測定可能である。
【００４８】
【数２】
0006321162.tif 000003
【００４９】
ここで、
【００５０】
【数３】
0006321162.tif 000004
【００５１】
はＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋ，ｉｊの時間平均であり、Ｔ１、Ｔ２は２つの時間である。
【００５２】
平面（Ｘ，Ｙ）の同じ方向内に互いに配列されたトランスデューサのみを考慮し、これらのトランスデューサＴｑをｑについて１からＱまで番号を再び割り当てることによって、これらの相関はｃ（ｐ、ｑ）として書くことができ、以下の数式を得る。
【００５３】
【数４】
0006321162.tif 000005
【００５４】
【数５】
0006321162.tif 000006
【００５５】
Ｖａｎ  Ｃｉｔｔｅｒｔ−Ｚｅｒｎｉｋｅ理論は、単色ビームについてランダムに反射する媒体（すなわち等方性）内のこの関数Ｒ（ｍ）の形状を確立する。Ｒ（ｍ）は、焦点の２乗の空間フーリエ変換である。水平方向の延長が関数ｓｉｎ（ａｘ）／ｘによって与えられる焦点について、Ｒ（ｍ）は頂点がｍ＝０（自己相関）であり、ｍ＝Ｑで打ち消す三角形である。
【００５６】
非等方性媒体に関して、トランスデューサの配列の方向が繊維に沿って配列している場合には、追加的な空間的コヒーレンスが得られる。
【００５７】
平面（Ｘ，Ｙ）における配列の考慮される方向におけるこの関数の積分Ｓｋは、空間的コヒーレンスのパラメータを与え、これは繊維の配列の方向で最大となる。トランスデューサの複数の配列方向における空間的コヒーレンスのこのパラメータを計算することにより、最大空間的コヒーレンスパラメータＳｋを発生させる方向を発見することができ、そのため、点Ｐｋにおける繊維の方向を推定することができる。
【００５８】
前述の空間的コヒーレンス関数Ｒ（ｍ）または空間的コヒーレンスパラメータＳｋは、いくつかの隣接する点Ｐｋに渡って、従って注目する点の周囲の視野の小さな体積内で平均することができることに注意すべきである。
【００５９】
別の可能な空間的コヒーレンスパラメータは、コヒーレントエネルギーと非コヒーレント後方散乱エネルギーとの間の比を与える集束基準Ｃｋである。上記において、換言すれば、平面（Ｘ、Ｙ）内で同じ方向に沿って配列されているトランスデューサを、ｑ＝１からＱまで番号を振ることによって、以下の数式を得る。
【００６０】
【数６】
0006321162.tif 000007
【００６１】
ここで、ｔｑは、全ての信号ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋｑ（ｔ）を再位相化することができる遅延である。
【００６２】
前述の場合のように、この空間的コヒーレンスパラメータは、各点Ｐｋに関していくつかの方向で計算され、繊維の方向が、パラメータＣｋを最大化する方向であるとして決定される。
【００６３】
そのため、視野１ａ内の媒体の繊維の３次元マッピングを非常に素早く決定することができる。このマッピングは、有利には媒体１の断面画像の形態で、デバイスの使用者に提示することができ、例えば、コンピュータ４の画面に表示することができる。所望する場合、これらの画像は異なる点Ｐｋで検出された繊維間の連続性の復元を伴って計算可能である。
【００６４】
段階ｄ：画像形成
段階（ｂ）で計算された配列ＲＦｃｏｈｅｒｅｎｔｋから、例えば前述の特許文献１に記載されたように、ビーム形成によって視野１ａの３次元Ｂモード画像を形成することが可能である。
【００６５】
段階（ｃ）で決定された繊維マッピングをこのＢモード画像上に重畳することができ、Ｂモード画像及びこの画像上に重畳された繊維の両方を示す、視野の断面画像をコンピュータの画面上に表示することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１  媒質
１ａ  視野
２  トランスデューサアレイ
３  電子部品ベイ
４  コンピュータ
５  アナログデジタルコンバータ
６  バッファ
８  中央処理ユニット
９  メモリ
１０  デジタル信号処理部
【図１】
0006321162.tif 000008
【図２】
0006321162.tif 000009