(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御処理モジュールとドプラ処理モジュールとを有し、ドプラ・スペクトル画像を作成するための超音波システム（５）において、ドプラ・スペクトル画像の表示に関連して使用するパラメータを自動的に確定させる方法（３００）であって、
収集したドプラ・データの複数のスペクトル線からドプラ・データの無信号サブセットを前記制御処理モジュールが決定するステップと、
前記ドプラ・データの無信号サブセットから少なくとも１つのノイズレベルを前記制御処理モジュールが推定するステップと、
前記少なくとも１つのノイズレベルに基づいてドプラ・スペクトル画像のパラメータを前記制御処理モジュールが自動で調整するステップと、
前記ドプラ・データの複数のスペクトル線からエイリアシングの存在を前記制御処理モジュールが判定するステップと、
前記ドプラ・データの複数のスペクトル線に関する周波数ビンを前記ドプラ処理モジュールが作成するステップと、
前記ドプラ・データの複数のスペクトル線からのドプラ・データのサブセットを平均することによって周波数ビンに対する強度レベルを前記制御処理モジュールが計算するステップと、
エイリアシングの存在の判定に応答してパルス繰返し周波数（２３０／２４０）を前記制御処理モジュールが自動で調整するステップと、を含み、
前記エイリアシングの存在の判定が、次式：
Ｄ（ｆｍｉｎ）＞Ｄ（ｆ）ｍｉｎ＊ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１
が成り立つか否かにより判断され、
ここで、
ｆｍｉｎ：Ａ（ｆ）が最小値となる周波数ビン
Ａ（ｆｍｉｎ）：周波数ビンｆｍｉｎにおける画像強度
Ｄ（ｆ）ｍｉｎ：ある周波数ビンｆにおける画像強度の最小偏差
Ｄ（ｆｍｉｎ）：周波数ビンｆｍｉｎにおける画像強度の偏差
ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１：所定のしきい値である、方法。
【請求項２】
前記ドプラ・データの複数のスペクトル線に関する正及び負の周波数ビン（４２０／４３０）を前記制御処理モジュールが作成するステップと、前記正及び負の周波数ビン（４２０／４３０）を前記制御処理モジュールが配列し直すステップと、をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ドプラ・データの複数のスペクトル線からのドプラ・データのサブセットを平均することによって、スペクトル線に対する強度レベルを前記制御処理モジュールが計算するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ドプラ・データの複数のスペクトル線から最大強度レベルのスペクトル線（５６０）を前記制御処理モジュールが決定するステップと、
エイリアシングの存在が確認された場合に前記パルス繰返し周波数（２３０／２４０）を増加し、前記エイリアシングの存在の判定を繰り返すステップと、
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ドプラ・データの複数のスペクトル線に関する周波数ビンを作成するステップと、最小強度レベルを有する周波数ビン（５１０）を前記制御処理モジュールが決定するステップと、最小強度レベルを有する周波数ビン（５１０）に関連するドプラ・データがノイズ情報のみとは反対に信号情報を含むか否かを前記制御処理モジュールが判定するステップと、をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ドプラ・データの複数のスペクトル線及び前記少なくとも１つのノイズレベルから最も正の信号境界（５８０）及び最も負の信号境界（５９０）を前記制御処理モジュールが決定するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記超音波システム（５）が表示処理モジュールを有しており、前記ドプラ・データの複数のスペクトル線の各スペクトル線（５７５）ごとに正の信号境界（５８０）及び負の（５９０）信号境界を前記制御処理モジュールが決定するステップと、前記信号境界に沿ってスペクトル・トレースを前記表示処理モジュールが作成しかつ表示するステップと、をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ドプラ・スペクトル画像を作成するための超音波システム（５）において、ドプラ・スペクトル画像の表示に関連して使用するパラメータを自動的に確定させる装置であって、ドプラ・データの複数のスペクトル線を収集すること、前記ドプラ・データの複数のスペクトル線からドプラ・データの無信号サブセットを決定すること、前記ドプラ・データの無信号サブセットから少なくとも１つのノイズレベルを推定すること、前記少なくとも１つのノイズレベルに基づいてドプラ・スペクトル画像のパラメータを自動で調整すること、を行うデータ処理モジュール（８０）と、
前記ドプラ・データの複数のスペクトル線に関する周波数ビンを作成するドプラ処理モジュール（１００）とを備え、
前記データ処理モジュール（８０）が、前記ドプラ・データの複数のスペクトル線からエイリアシングの存在を判定し、かつエイリアシングの存在の判定に応答してパルス繰返し周波数（２３０／２４０）を自動で調整しており、
前記データ処理モジュール（８０）は前記ドプラ・データの複数のスペクトル線からのドプラ・データのサブセットを平均することによって周波数ビンに対する強度レベルを計算し、
前記エイリアシングの存在の判定が、次式：
Ｄ（ｆｍｉｎ）＞Ｄ（ｆ）ｍｉｎ＊ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１
が成り立つか否かにより判断され、
ここで、
ｆｍｉｎ：Ａ（ｆ）が最小値となる周波数ビン
Ａ（ｆｍｉｎ）：周波数ビンｆｍｉｎにおける画像強度
Ｄ（ｆ）ｍｉｎ：ある周波数ビンｆにおける画像強度の最小偏差
Ｄ（ｆｍｉｎ）：周波数ビンｆｍｉｎにおける画像強度の偏差
ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１：所定のしきい値である、装置。
【請求項９】
前記ドプラ処理モジュール（１００）が、前記ドプラ・データの複数のスペクトル線に関する正及び負の周波数ビン（４２０／４３０）を作成し、前記データ処理モジュール（８０）は前記正及び負の周波数ビン（４２０／４３０）を配列し直している、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記データ処理モジュール（８０）は、前記ドプラ・データの複数のスペクトル線からのドプラ・データのサブセットを平均することによって、スペクトル線（１９０）に対する強度レベルを計算し、
エイリアシングの存在が確認された場合に前記パルス繰返し周波数（２３０／２４０）を増加し、前記エイリアシングの存在の判定を繰り返す、請求項１１に記載の装置。
【請求項１１】
前記ドプラ処理モジュール（１００）が、前記ドプラ・データの複数のスペクトル線に関する周波数ビンを作成すると共に、前記データ処理モジュール（８０）は最小強度レベルを有する周波数ビン（５１０）を決定している、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記データ処理モジュール（８０）は、前記ドプラ・データの複数のスペクトル線から最大強度レベルのスペクトル線を決定している、請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
前記ドプラ処理モジュール（１００）が前記ドプラ・データの複数のスペクトル線に関する周波数ビンを作成すると共に、前記データ処理モジュール（８０）は最小強度レベルを有する周波数ビンを決定し、かつ最小強度レベルを有する周波数ビンに関連するドプラ・データがノイズ情報のみとは反対に信号情報を含むか否かを判定している、請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
前記データ処理モジュール（８０）は、前記ドプラ・データの複数のスペクトル線及び前記少なくとも１つのノイズレベルから最も正の信号境界（５８０）及び最も負の信号境界（５９０）を決定している、請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
前記データ処理モジュール（８０）は、前記ドプラ・データの複数のスペクトル線の各スペクトル線ごとに正の信号境界（５８０）及び負の（５９０）信号境界を決定していると共に、さらに、前記信号境界に沿ってスペクトル・トレースを作成しかつ該スペクトル・トレースを表示するための表示アーキテクチャ（１２０）を備える請求項８に記載の装置。
【請求項１６】
被検体の走査面（１５０）内で超音波信号の送信及び受信を行うトランスジューサ（２０）と、前記走査面（１５０）内のサンプル・ゲート（１６０）に関して前記超音波信号を表すデータ・サンプルを導出するビーム形成器（６０）と、請求項８乃至１５のいずれかに記載の装置とを備え、該装置は、更にドプラ・データの未処理周波数ビンの前記組を走査変換する走査変換モジュール（１１０）と、前記走査面（１５０）内の前記サンプル・ゲート（１６０）に対応した前記ドプラ・スペクトル画像を表示する表示アーキテクチャ（１２０）と、を備える医学診断用超音波システム（５）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明のある種の実施形態は、被検者内部の血流を画像化するための医学診断用超音波システムに関する。さらに詳細には、ある種の実施形態は、走査面内でサンプル・ゲートに関するスペクトル・ドプラ・イメージングを自動で制御するための方法及び装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ドプラ効果に基づいて血流を検出して画像化するための超音波システムが確立されている。オペレータは、被検体内の計測しようとする画像内のある場所にわたるように１つのサンプリング・ゲートを配置させるのが一般的である。例えば、サンプリング・ゲートは被検者の腎臓内の動脈を覆うように配置させることがある。放出するトランスジューサによって被検体内に超音波エネルギーが送り込まれ、反射したエネルギーは該トランスジューサによって波の形態で受信される。被検体内のサンプリング・ゲート内の血流速度を計測するためには、反射波の位相及び振幅を検出して情報を基準周波数と比較し、サンプリング・ゲート内部の移動する血球により反射波が受けるドプラ・シフト（周波数シフト）を識別する。
【０００３】
所与の一瞬時に関して、所与のサンプリング・ゲートに対するドプラ情報はある周波数範囲にわたって広がっていることがある。この情報は超音波システムによって周波数または速度情報のスペクトル線として表現される。この情報のスペクトル線は、そのサンプリング・ゲート内における推定される瞬時血流速度を表している。例えば１つの心拍周期にわたって各瞬時ごとにスペクトル線をプロットしたスペクトル表示を形成させることがある。得られる表示形式は、ドプラ周波数（または、速度）対時間である。このスペクトル情報は、様々な周波数におけるスペクトル信号の信号強度すなわちパワーを表すようなグレースケール・コード化を用いてリアルタイムで表示することができる。
【０００４】
各スペクトル線のデータは複数の周波数ビンを含むと共に、各周波数ビンに関連する信号強度（パワー）はディスプレイ上の対応する画素位置に表示される。スペクトル線のすべてを合わせて取得して１つのスペクトログラムを形成させている。このスペクトログラムは時にエイリアシングを生じることがある。スペクトログラムにエイリアシングが生じると、表示したスペクトログラムは速度スケール限界で折り返され（ｗｒａｐｐｅｄ  ａｒｏｕｎｄ）、正の速度値が負の値で現れたり、負の速度値が正の値で現れたりすることがある。信号の全スペクトル帯域がパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）より小さければ、ベースラインを単純にシフトさせることによってスペクトルの折返しを効果的に解くことができる。スペクトル帯域がＰＲＦより大きいと、そのスペクトルはベースライン位置の調整によって折返しを解くことができない。その代りに、速度スケール（ＰＲＦ）を大きくする必要がある。さらに、スペクトルが反転（ｉｎｖｅｒｔｅｄ）している場合は垂直方向の向きによってドプラ・スペクトルを直感性により優れた描出とすることができる。
【０００５】
ある種の標準的な診断用ドプラ・インデックスは、収縮最高期や拡張終期など心拍周期内のある具体的なセグメントにおける周波数推定値に基づいている。オペレータは、このインデックスを計算できるようにディスプレイ全体にわたってスペクトル線のピークを追跡したいと希望することが多い。手動式の追跡は極めて困難であり、時間がかかり、かつ不正確であることが多い。
【０００６】
事前算定したノイズレベルに基づいてＰＲＦ（速度スケール）を調整することによってドプラ・スペクトル画像内のエイリアシングを自動的に除去するような超音波システムが提案されている。この事前算定したノイズレベルは、スペクトル波形にエイリアシング発生及び／または反転が生じているか否かを予測するために使用される。このアルゴリズムは、時間軸表示の所望の部分にスペクトル波形が配置されるようにベースラインをシフトさせかつ／または速度スケールを反転させるか、あるいは、スペクトル画像内のエイリアシングを除去するためにＰＲＦを大きくして速度スケールを拡張させている。予測ノイズレベルは、スペクトル線のピークを決定してディスプレイ上にトレースを描くためにも使用される。この方法の成績は事前算定したノイズレベル推定値の正確さに依存する。
【０００７】
例えば、【特許文献１】米国特許第５，９３５，０７４号に記載されている一方法では、スペクトル画像のバックグラウンド内の平均（ｍｅａｎ）ノイズレベルを予測している。プリアンプのジョンソン・ノイズを計算している。このノイズは、ドプラ信号経路内のすべてのフィルタに関して調整される。このノイズ推定値にはアナログ対ディジタル変換による量子化雑音が加算される。ノイズは、トランスジューサ・アレイのアポダイゼーション効果を考慮しながらすべての有効受信チャンネルにわたって合計される。このノイズはダイナミックレンジ圧縮を通じてスペクトル表示の平均ノイズレベルに変換される。しかしこの方法は、システム構成に依存する。さらに、信号経路のいずれかの段階においてノイズ予測が不正確であると、予測全体があやしくなる。
【０００８】
ドプラ・スペクトル・データの各線内に実際に存在するノイズレベル及び信号レベルにのみ基づくことによって、様々なシステム段階での事前算定の任意のノイズ予測に依存することなく、かつ画像のある領域がノイズのみを含むことを前提とすることなしに、スペクトル・ドプラ・イメージングに関連するある種のパラメータを自動で制御するための方式に対する必要性が存在する。エイリアシングを自動的に除去し、また必要に応じて、スペクトル信号のベースライン及び向きを調整して、スペクトル信号の視覚的に望ましい表示をオペレータに提示するような方法に対する必要性が存在する。さらに、スペクトル・ドプラ・データの各線及び推定ノイズレベルにのみ基づいてスペクトル信号のスペクトル・トレースを作成する必要性が存在する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施の一形態では、サンプリング・ゲートにより指定される被検体内のある場所に関する速度情報を、その場所に対応するドプラ・スペクトル・イメージングに影響を及ぼすようなある種のパラメータを自動で制御することによって画像化するための超音波システムを提供する。ドプラ・スペクトル・イメージングに関連するある種のパラメータを自動調整することによって、エイリアシングの除去、ディスプレイ上のより望ましい位置へのベースラインの設定、並びにドプラ・スペクトル画像の反転（ｉｎｖｅｒｔ）が得られる。本超音波システムは生成されるドプラ・データのスペクトル線を収集する。このドプラ・データのスペクトル線から、本システムは、エイリアシングの存在、並びにノイズレベルの推定値及び信号境界を決定する。本システムは、エイリアシング、ノイズレベル及び信号境界に応答して、パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）、ベースラインシフト、スペクトル方向などある種のパラメータを自動で調整する。本システムはさらに、ドプラ・データの各スペクトル線に関して正の信号境界と負の信号境界を決定し、この信号境界データを処理してスペクトル線のエッジに対応したスペクトル・トレースを表示する。
【００１０】
サンプル・ゲートで指定される走査面内の場所に対応して超音波システムにより作成されるドプラ・スペクトル表示に関連するある種のパラメータを制御するための装置を提供する。本装置は、超音波信号を送信及び受信するトランスジューサと、走査面内の指定された場所から反射された超音波信号を表すデータ・サンプルを導出するためのビーム形成器と、を含む。さらに、このデータ・サンプルから未処理スペクトル・ドプラ・データを作成するためのドプラ処理モジュールを設けている。走査変換モジュールにより未処理スペクトル・ドプラ・データを走査変換すると共に、データ処理モジュールによりドプラ・データの複数のスペクトル線を解析し、かつドプラ・スペクトル画像の描出を制御するようにある種のシステム・パラメータを自動で調整している。表示アーキテクチャにより、走査面内の指定された場所に対応したドプラ・スペクトル画像を表示している。データ処理モジュールはさらにドプラ・データのスペクトル線のエッジに対応した信号境界データを生成させており、また表示アーキテクチャはスペクトル線のエッジに対応したスペクトル・トレースを作成して表示している。
【００１１】
さらに、走査面内のサンプル・ゲートで指定される場所に対応して超音波システムにより作成されるドプラ・スペクトル表示に関連するある種のパラメータを制御するための方法を提供する。本方法は、超音波システムにより作成されるドプラ・データの複数のスペクトル線を収集することを含む。このドプラ・データの複数のスペクトル線からエイリアシングの存在を判定する。ドプラ・データの複数のスペクトル線からさらに、ノイズレベル及び信号境界を推定する。パルス繰返し周波数、ベースラインシフト及びスペクトル方向を含むシステム・パラメータは、エイリアシングの存在の判定並びにノイズレベル及び信号境界の推定に応答して、必要に応じて自動で調整している。さらに、スペクトル線のエッジに対応するスペクトル・トレースを作成して表示することがある。
【００１２】
本発明のある種の実施形態では、ドプラ・スペクトル画像の作成に関連するある種のパラメータを自動で制御するための一方式を提供する。自動制御によってシステムは、指定された場所に対応したドプラ・データのスペクトル線のみを処理することによって、エイリアシングの除去、ベースラインの設定及び画像の反転を必要に応じて行うことができる。さらに、スペクトル線のエッジに対応したスペクトル・トレースの作成が実現される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態に従ってスペクトル・ドプラ画像を作成かつ制御するための超音波システム５のブロック概要図である。超音波システム５の図示した要素は、フロントエンド１０、処理アーキテクチャ７０及び表示アーキテクチャ１２０である。フロントエンド１０は、トランスジューサ・アレイ２０（複数のトランスジューサ・アレイ素子２５からなる）と、送信／受信切換回路３０と、送信器４０と、受信器５０と、ビーム形成器６０と、を備えている。処理アーキテクチャ７０は、制御処理モジュール８０と、復調モジュール９０と、ドプラ処理モジュール１００と、走査変換モジュール１１０と、を備えている。表示アーキテクチャ１２０は、表示処理モジュール１３０及びモニタ１４０を備えている。
【００１４】
これらのアーキテクチャ及びモジュールは、ディジタル信号プロセッサを有する回路基板などの専用のハードウェア要素とすることや、商用で市販のＰＣなど汎用のコンピュータまたはプロセッサ上で動作するソフトウェアとすることがある。これらの様々なアーキテクチャ及びモジュールは本発明の様々な実施形態に従って組み合わせたり分離させたりすることができる。
【００１５】
フロントエンド１０では、トランスジューサ・アレイ２０を送信／受信（Ｔ／Ｒ）切換回路３０に接続している。Ｔ／Ｒ切換回路３０は送信器４０の出力及び受信器５０の入力に接続している。受信器５０の出力はビーム形成器６０に入力している。ビーム形成器６０はさらに、送信器４０の入力に接続すると共に、処理アーキテクチャ７０内の制御処理モジュール８０及び復調モジュール９０の入力に接続している。
【００１６】
処理アーキテクチャ７０では、復調モジュール９０の出力をドプラ処理モジュール１００の入力に接続している。制御処理モジュール８０は、ドプラ処理モジュール１００、走査変換モジュール１１０、並びに表示アーキテクチャ１２０内の表示処理モジュール１３０とインタフェースをとっている。ドプラ処理モジュール１００の出力は走査変換モジュール１１０の入力に接続している。走査変換モジュール１１０の出力は表示アーキテクチャ１２０内の表示処理モジュール１３０の入力に接続している。表示アーキテクチャ１２０では、表示処理モジュール１３０の出力をモニタ１４０の入力に接続している。
【００１７】
送信する超音波ビームを生成するために、制御処理モジュール８０は、あるステアリング角でトランスジューサ・アレイ２０の表面のある点から放出されるある形状のビームを生成させるような送信パラメータをビーム形成器６０に作成させるように命じるコマンドデータをビーム形成器に送っている。この送信パラメータはビーム形成器６０から送信器４０に送られる。送信器４０はこの送信パラメータを用いて、Ｔ／Ｒ切換回路３０を介してトランスジューサ・アレイ２０に送られる送信信号を適正にエンコードしている。この送信信号は、互いに対してあるレベル及び位相になるように設定されていると共に、トランスジューサ・アレイ２０の個々のトランスジューサ素子２５に加えられている。この送信信号は、同じ位相及びレベル関係をもった超音波を放出するようにトランスジューサ・アレイ２０のトランスジューサ素子２５を励起している。その結果、トランスジューサ・アレイ２０を例えば超音波ゲルを用いて被検体と音響的に結合させた際に、超音波エネルギーの送信ビームが走査面１５０内で走査線１５５に沿って被検体内に形成される（図２参照）。この過程は電子走査として知られている。
【００１８】
トランスジューサ・アレイ２０は双方向トランスジューサである。被検体内に超音波を送信させた後で、超音波は構造内の組織や血液サンプルから後方散乱を受ける。この後方散乱を受けた波は、波を反射させる組織までの距離、並びに波を反射させるトランスジューサ・アレイ２０の表面に対する角度に応じて、異なる時点でトランスジューサ・アレイ２０に到達する。トランスジューサ・アレイ２０のトランスジューサ素子２５は、後方散乱を受けた波に応答し、後方散乱波からの超音波エネルギーを受信電気信号に変換する。
【００１９】
この受信電気信号はＴ／Ｒ切換回路３０を経由して受信器５０に導かれる。受信器５０はこの受信信号を増幅しディジタル化すると共に、ゲイン補償などの別の機能も備えている。このディジタル化した受信信号は、各トランスジューサ素子２５が様々な時点で受信した後方散乱波に対応すると共に、後方散乱波の振幅及び位相情報を保持している。
【００２０】
ディジタル化した受信信号はビーム形成器６０に送られる。制御処理モジュール８０はコマンドデータをビーム形成器６０に送っている。ビーム形成器６０はこのコマンドデータを用いて、あるステアリング角でトランスジューサ・アレイ２０の表面上のある点から放出される（典型的には、走査線１５５に沿って送信された直前の超音波ビームの点及びステアリング角に対応する）受信ビームを形成している。ビーム形成器６０は、制御処理モジュール８０からのコマンドデータの命令に従って時間遅延及び集束を実行し被検体内で走査面１５０内の走査線１５５に沿ったサンプル・ボリュームに対応した受信ビーム信号を生成させることによって、適当な受信信号に基づいて動作している。様々なトランスジューサ素子２５からの受信信号の位相、振幅及びタイミング情報を用いて受信ビーム信号が生成される。スペクトル・ドプラ・イメージングのモードでは、サンプル・ゲート１６０内のサンプル・ボリューム位置に対応したこれらの受信信号は、さらに処理してスペクトル・ドプラ時間軸表示を作成している。
【００２１】
この受信ビーム信号はディジタル式インタフェース１１７を介して処理アーキテクチャ７０に送られる。復調モジュール９０はこの受信ビーム信号に対して復調を実行し、サンプル・ゲート１６０内のサンプル・ボリュームに対応したＩ及びＱの復調データ値からなる対を生成させている。この復調は、受信ビーム信号の位相及び振幅を基準周波数と比較することによって実現される。Ｉ及びＱの復調データ値は、受信信号内のドプラ・シフトによって誘導される位相及び振幅の情報を保持している。
【００２２】
この復調データはドプラ処理モジュール１００に伝送される。ドプラ処理モジュール１００は離散形フーリェ変換（ＤＦＴ）処理など標準的な技法を用いて、サンプル・ゲート１６０から受け取った信号に対応した一組のスペクトル・ドプラ・データを作成している。このスペクトル・ドプラ・データは、図３に示すようなスペクトル線としてメモリ内に保存する。図３は、スペクトル線の部分組を時間１７０対ドプラ周波数１８０の形式で表している。水平方向の次元は時間１７０であり、また垂直方向の次元はドプラ周波数１８０である。スペクトル線（例えば、１９０）は、ある特定の瞬時におけるサンプル・ゲート１６０内の血流のドプラ周波数成分（すなわち、速度成分）を意味している。各スペクトル線（例えば、１９０）は一組の周波数（速度）ビンに分類される。例えば、周波数ビン２００は、サンプル・ゲート１６０に対応したある特定の速度に関するある期間にわたる信号データを含んでいる。
【００２３】
ドプラ周波数データのスペクトル線は走査変換モジュール１１０に渡される。走査変換モジュール１１０は、走査シーケンス形式から表示形式への変換を実行することによってドプラ周波数データのスペクトル線を処理している。この変換には、スペクトル表示画素データを時間対周波数の表示形式で作成するためのドプラ周波数データのスペクトル線に対する補間演算が含まれる。
【００２４】
走査変換した画素データは表示アーキテクチャ１２０に送られる。表示アーキテクチャ１２０は表示処理モジュール１３０を備えており、走査変換した画素データに対する最終的な任意の空間的または時間的フィルタ処理の実行、走査変換画素データに対するグレイスケールまたは色相の付与、並びにモニタ１４０上での表示のためのディジタル画素データのアナログデータへの変換を行っている。典型的なスペクトル・ドプラ時間軸表示は、図４のスペクトル２２０のように現れる。この表示は、サンプル・ゲート１６０に対応したある期間にわたるデータのスペクトル線を表すスペクトル２２０を含んでいる。この表示はさらに、＋ＰＲＦ／２及び−ＰＲＦ／２のそれぞれに対応した最大及び最小の速度スケール２３０及び２４０を含んでおり、これによりベースライン２５０が画像内の５０％点に表示されることを示している。ベースライン２５０はこの表示のドプラ周波数のゼロ基準となっている。しかし、ベースライン２５０を常に表示の中心に位置させる必要はない。オペレータによるこのスペクトル２２０の描出は、スペクトルにエイリアシングがないようにスペクトルが調整されており、ベースラインが表示の中心に設定されており、かつスペクトルが反転していない（すなわち、正のドプラ・シフトはベースラインの上側に来るように表示され、かつ負のドプラ・シフトはベースラインの下側に来るように表示されている）ために、極めて良好とすることができる。
【００２５】
しかし多くの場合、このスペクトル表示は不適切であり、スペクトル画像は図５ａ、５ｂまたは５ｃのように表示される。図５ａは、エイリアシングを生じたスペクトル画像を示している。正のピーク２６０は速度スケール限界２３０及び２４０で折り返されベースライン２５０の下側の負の周波数領域内に入り込んでいる。エイリアシングは、ベースラインをもっと下に配置することによって除去することができる。図５ｂは、スペクトル２７０の周波数が負値でありかつ多くの場合直感に反してベースライン２５０の下側に表示されるような反転したスペクトル２７０を示している。解決策の１つは、スペクトル２７０を反転させることである。図５ｃは、スペクトルのある正の周波数２８０が速度スケール限界で折り返されてベースラインの下側の負の周波数領域内に入り込んでおり、さらに別のある正の周波数２９０は再度ベースラインの上側に折り返されているような激しいエイリアシングの場合を示している。この状況は、ＰＲＦを増加させ、かつ恐らくはベースライン２５０をもっと下に来るように調整することによって解決することができる。望ましい特徴の１つは、このシステムがスペクトル・ドプラ表示に影響を及ぼすようなある種のパラメータを自動で制御し、オペレータによりスペクトルのより適当な描出が提供されると共にオペレータの関与が最小限となり、これにより走査期間の効率が増大することである。
【００２６】
図６は、本発明の実施の一形態に従ってスペクトル・ドプラ画像の表示を自動で調整するために利用される方法３００を表している。ステップ３１０では、制御処理モジュール８０は少なくとも１回の心拍周期にわたるデータの最新のＮ本のスペクトル線（典型的には、約１秒分のデータに対応する）を表示処理モジュール１３０のメモリから取り込んでいる。別法として、そのデータは制御処理モジュール８０により、走査変換モジュール１１０内のメモリまたはドプラ処理モジュール１００内のメモリから取り込まれることがある。
【００２７】
ステップ３２０では、方法３００を単純化させるためにメモリ内でデータを配列し直す。図７に示すように、正及び負の周波数ビンをより好都合な座標系に配列し直している。別の座標系により同じアルゴリズムに対応することもできるが、提示した座標系は、画像内でエイリアシングを生じた前進方向または逆方向の任意のフロー・スペクトルを解析のために自動的に展開（ｕｎｆｏｌｄ）させているという点で都合がよい。スペクトルの負の部分４２０は最終的に座標系の最上部に来ることになり、またスペクトルの正の部分４３０は最終的に最下部に来る。周波数ビン４４０と４５０の間の壁状の棄却領域（ｗａｌｌ  ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ  ｒｅｇｉｏｎ）は配列し直したデータから除去する。周波数ビンには、配列し直したデータ内の最底部から最上部に進むに従って０からＶまで番号を付け替える。図では、周波数ビンを垂直軸１８０の方向とし、またスペクトル線（時間ビン）を水平軸１７０の方向としている。
【００２８】
次に、本方法はエイリアシングを検索し、発見されたあらゆるエイリアシングを以下のようにして除去しようと試みる。ステップ３３０において、制御処理モジュール８０は配列し直したデータ全体にわたって画像強度Ａ（ｆ）及び画像偏差Ｄ（ｆ）を周波数ビンｆの関数として計算する。Ａ（ｆ）は、Ｎ本のスペクトル線とＭ個の周波数ビンからなるカーネル全体にわたって平均化した所与の周波数ビンｆに関する画素強度である。Ｄ（ｆ）は、同じＭ×Ｎのカーネル全体にわたる所与の周波数ビンｆに関する画素強度の標準偏差または平均絶対偏差である。図３は、カーネル２１０（影を付けた領域）が周波数ビン２００全体の中心に位置するように示した一例である。この例では、周波数ビン２００に対するＡ（ｆ）は、カーネル２１０内の各スペクトル線／周波数ビン位置（ｎ，ｍ）の画素強度値を用いて計算される。この計算は次式となる。
【００２９】
【数１】
0004266659.tif 000002
【００３０】
上式において、Ｐnmはカーネル２１０内の位置（ｎ，ｍ）（例えば、２０５）における画素強度である。同様の方法により、偏差Ｄ（ｆ）を次式に従って計算することができる。
【００３１】
【数２】
0004266659.tif 000003
【００３２】
または、
【００３３】
【数３】
0004266659.tif 000004
【００３４】
データ内の各周波数ビンｆごとに、周波数ビンｆ全体の中心にあるカーネル２１０について（式１）と、（式２）または（式３）とを用いてＡ（ｆ）及びＤ（ｆ）を計算する。次いで、制御処理モジュール８０は以下のパラメータを決定する。
【００３５】
ｆmin：Ａ（ｆ）が最小値となる周波数ビン
Ａ（ｆmin）：周波数ビンｆminにおける画像強度
Ａ（ｆ）max：ある周波数ビンｆにおける最大画像強度値
Ｄ（ｆ）min：ある周波数ビンｆにおける画像強度の最小偏差
Ｄ（ｆmin）：周波数ビンｆminにおける画像強度の偏差
ステップ３４０及び３５０では、制御処理モジュール８０は周波数ビンｆminに信号が存在するか否かを以下のようにして検索する。先ず、本方法は次式が成り立つか否かをチェックする。
【００３６】
Ｄ（ｆmin）＞Ｄ（ｆ）min＊ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１
上式において、ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１は所定のしきい値である。
Ｄ（ｆmin）＞Ｄ（ｆ）min＊ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１であれば、ｆminに信号が存在する。このスペクトルは完全なエイリアシングが生じていると見なされる。本方法はＰＲＦを増加させるステップ３６０に進み、続いて本方法はステップ３１０に戻り新たなＰＲＦで本方法を再度開始する。一方、Ｄ（ｆmin）＜Ｄ（ｆ）min＊ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１であれば、本方法はｆminでの信号の存否に間違いないかどうかをより厳密にチェックし（例えば、ｆminにおいて信号を含む画素が極めて少ない場合、幾らかの量のエイリアシングが続いていることがある）、さらに以下のように続く。
【００３７】
図８を参照すると、制御処理モジュール８０は、ｆmin５１０を中心とするカーネル４９０においてＮ本のスペクトル線の各々（例えば、５００）に関するＡ（ｔ）及びＤ（ｔ）を計算する。Ａ（ｔ）は画像強度であり、またＤ（ｔ）は、各スペクトル線ｔ（例えば、５００）に関してＲ個の周波数ビンとＳ本のスペクトル線からなるカーネル４９０全体にわたって計算した画像強度偏差である。Ａ（ｔ）及びＤ（ｔ）は制御処理モジュール８０によって次のように計算される。
【００３８】
【数４】
0004266659.tif 000005
【００３９】
【数５】
0004266659.tif 000006
【００４０】
または、
【００４１】
【数６】
0004266659.tif 000007
【００４２】
上式において、Ｐrsはカーネル４９０内の位置（ｒ，ｓ）（例えば、４８０）における画素強度である。データ内の各スペクトル線ｔごとに、ｆmin５１０を中心とするカーネル４９０について（式４）と、（式５）または（式６）とを用いてＡ（ｆ）及びＤ（ｆ）を計算する。次いで、以下のパラメータを特定することができる。
【００４３】
Ａ（ｔ）max：あるスペクトル線ｔにおける最大画像強度
Ａ（ｔ）min：別のあるスペクトル線ｔにおける最小画像強度
【００４４】
【外１】
0004266659.tif 000008
【００４５】
Ｄ（ｔ）max：あるスペクトル線ｔにおける最大画像強度偏差
【００４６】
【外２】
0004266659.tif 000009
【００４７】
次に、制御処理モジュール８０は以下の条件、
｛Ｑ本の連続するスペクトル線に対して、Ａ（ｔ）mean＋Ｇ［Ｄ（ｔ）max，Ｄ（ｔ）mean］＜Ａ（ｔ）であること｝（ここで、Ｑは所定の数であり、またＧ［Ｄ（ｔ）max，Ｄ（ｔ）mean］はＤ（ｔ）maxとＤ（ｔ）meanの関数である）
｛Ａ（ｔ）max−Ａ（ｔ）min＞ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿２であること｝
｛Ｄ（ｔ）max＞ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿３であること｝（ここで、ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿２及びｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿３は所定のしきい値である）
のいずれかが成り立つか否かをチェックする。
【００４８】
上述の条件のうちのいずれか１つを満足すれば、ｆminには信号が存在する。ｆminに信号が存在する場合、本方法はＰＲＦを増加させるステップ３６０に進み、続いて、本方法はステップ３１０に戻り新たなＰＲＦで本方法を再度開始する。条件がすべて満たされていない場合は、ｆminに信号が存在せず、本方法はステップ３７０に進む。
【００４９】
ステップ３７０〜４００では、本方法３００は正及び負の信号境界であるそれぞれｆb+及びｆb-を検出しようと試みる。これらの信号境界は画像内でスペクトルのピークとして規定される。先ず、ステップ３７０及び３８０において、大まかな検索を実行する。制御処理モジュール８０によって第１のノイズしきい値を以下のようにして設定する。
【００５０】
ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１＝Ａ（ｆmin）＋Ｄ（ｆ）min    （式７）
上式において、Ａ（ｆmin）及びＤ（ｆ）minは最終算出値である。しかし、Ｄ（ｆ）minが所定のしきい値Ｔ1より小さい場合には次式となる。
【００５１】
ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１＝Ａ（ｆmin）＋Ｔ1    （式８）
一方、ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１＞Ａ（ｆmin）＊Ｔ2の場合には次式となる。
【００５２】
ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１＝Ａ（ｆmin）＊Ｔ2    （式９）
上式において、Ｔ1及びＴ2は所定のしきい値である。Ｔ1及びＴ2は、Ｄ（ｆ）minが大きすぎるか小さすぎるかのいずれかであるような極端な場合にｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１が制限されるように設定する。
【００５３】
次に、ステップ３７０及び３８０では、制御処理モジュール８０は周波数ビンのゼロ５５０（図９参照）から開始して、連続するｚ個の周波数ビンがＡ（ｆ）＜ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１（ここで、ｚはある所定の数）であるような第１の周波数ビンの検出を試みる。この周波数ビンをｆ+５３０と指定する。同様に、制御処理モジュール８０は続いて、最高の周波数ビンから開始して下方向に進みながら連続するｚ個の周波数ビンがＡ（ｆ）＜ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＿１であるような別の周波数ビンの検出を試みる。この周波数ビンをｆ-５２０と指定する。ｆ+及びｆ-が見つからなければ、ステップ３８０により本方法はＰＲＦを増加させるステップ３６０に戻り、さらに、本方法はステップ３１０に戻る。この反復過程はｆ+及びｆ-が検出されるまで継続する。
【００５４】
ステップ３７０及び３８０でｆ+及びｆ-を検出した後、本方法はステップ３９０に進み、信号境界ｆb+及びｆb-に対する最終的な検索を実行する。先ず、制御処理モジュール８０は、図９に示すようにｆ+５３０とｆ-５２０の間にあるこれらの周波数ビンに対するＡ（ｆ）の平均値を次式のようにして計算する。
【００５５】
【数７】
0004266659.tif 000010
【００５６】
次に、制御処理モジュール８０によって次式のようにして信号対雑音比を計算する。
【００５７】
ＳＮＲ＝［Ａ（ｆ）max−Ａ（ｆmin）］／Ａ（ｆmin）、Ａ（ｆmin）＞０    （式１１）
上式において、ＳＮＲは信号対雑音比であり、またＡ（ｆ）max及びＡ（ｆmin）は上で規定した最終の算出値である。
【００５８】
次いで、ノイズしきい値を次式に従って計算する。
【００５９】
ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＝Ａ（ｆ）avg＊［１＋ＳＮＲ＊Ｃ1］  （Ａ（ｆmin）＞０の場合）    （式１２）
または、
ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＝Ａ（ｆ）avg＋Ａ（ｆ）max＊Ｃ1  （Ａ（ｆmin）＝０の場合）    （式１３）
上式において、Ｃ1はある所定の定数である。しかし、ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄは、Ｃ2をある所定の定数であるとしてｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄが次式、
ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ＝Ａ（ｆ）avg＊Ｃ2    （式１４）
を超えないように制限している。
【００６０】
ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄを決定した後、本方法は次いでステップ４００において、最終の信号境界を決定する。先ず、周波数ビンｆ+５３０を中心とした時間次元１７０の方向でＬ本のスペクトル線とＫ個の周波数ビンからなるカーネルにわたって平均した画素強度Ａ（ｔ）f+を計算する。走査線ｔmax５６０はＡ（ｔ）f+が最大である場所に見いだされる。図９を参照すると、次いでＩ本のスペクトル線とＪ個の周波数ビンからなるカーネル全体にわたって平均したスペクトル線ｔmax５６０を中心とする各周波数ビンｆに対する画素強度Ａ’（ｆ）を計算する。次に、ｆ+５３０の上側で次式を満たす連続するｈ個の周波数ビンを有する第１の周波数ビンｆb+５８０を検出する。
【００６１】
Ａ’（ｆ）＜ｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ    （式１５）
上式において、ｈはある所定の数である。
【００６２】
第１の周波数ビンｆb+５８０はスペクトルの一部分５６５に関する正の信号境界である。負の信号境界ｆb-はスペクトルの一部分５９５に関するｆ-５２０及びｎｏｉｓｅ＿ｔｈｒｅｓｈｏｌｄを用いて同様の方法で検出する。信号境界ｆb+及びｆb-は、現在のＰＲＦにおける周波数ビン軸１８０に沿った全スペクトルの最終範囲を画定している。
【００６３】
信号境界ｆb+及びｆb-により画定される範囲を決定した後、ステップ４１０において制御プロセッサ８０により、必要に応じてＰＲＦ、ベースライン及び／または向きに合わせた最終調整を行い、オペレータによる視覚化のためのスペクトル表示を最終決定する。次いで、得られたスペクトル画像を表示アーキテクチャ１２０によって通常の座標系で表示させる。
【００６４】
スペクトルのピークに対応したこれらのスペクトル線に対するｆb+及びｆb-を検出したのと全く同じように、各スペクトル線に対する正及び負の限界を検出するためにも同様の方法を使用することができる。これにより、この情報を用いてスペクトルのエッジに沿ったスペクトル・トレースを作成することができる。図９を参照すると、ノイズ領域６００は、ｆb+及びｆb-を上で計算した値として周波数ビンｆb+５８０の上側でありかつ周波数ビンｆb-５９０の下側にあると規定されるものと仮定している。このノイズレベルはｆb+５８０とｆb-５９０の間にあるＡ（ｆ）の平均と規定し、これをｎｏｉｓｅ＿ｌｅｖｅｌと呼ぶことにする。
【００６５】
画像内の各スペクトル線（例えば、５７５）に沿って、各周波数ビンｆに対するＡ’（ｆ）を計算し、Ｉ本のスペクトル線とＪ個の周波数ビンからなるカーネル全体にわたって平均する。ｆb+５８０の下側でＡ’（ｆ）の最大値を検出し、これを所与のスペクトル線（例えば、５７５）に対するＡ’（ｆ+max）と呼ぶ。信号対雑音（ＳＮＲ）比は制御処理モジュール８０によって次式のようにして計算する。
【００６６】
ＳＮＲ＝［Ａ’（ｆ+max）−ｎｏｉｓｅ＿ｌｅｖｅｌ］／ｎｏｉｓｅ＿ｌｅｖｅｌ、ｎｏｉｓｅ＿ｌｅｖｅｌ＞０    （式１６）
次いで、ノイズしきい値は制御処理モジュール８０によって次式のようにして計算する。
【００６７】
Ｔnoise＝ｎｏｉｓｅ＿ｌｅｖｅｌ＊（１＋ＳＮＲ＊Ｃ1）    （式１７）
または、
Ｔnoise＝Ａ’（ｆ+max）＊Ｃ1  （ｎｏｉｓｅ＿ｌｅｖｅｌ＝０の場合）    （式１８）
上式において、Ｃ1はある所定の定数である。
【００６８】
制御処理モジュール８０はｆ+maxの上側で、ｈをある所定の数としてＡ’（ｆ）＜Ｔnoiseであるような連続するｈ個の周波数ビンを有する第１の周波数ビンｆtrace５８５を検出する。周波数ビンｆtrace５８５は、解析中のスペクトル線（例えば、５７５）に関する正のトレースを表示させる位置を規定している。同様の方法によって、スペクトル線（例えば、５７５）に関する負のトレース５８６の位置に対応した周波数ビンを検出する。この過程は各スペクトル線ごとに実行し、正及び負の両方についてドプラ・スペクトルのエッジ全体に沿ったトレース位置を生成させる。次いで、表示アーキテクチャ１２０はスペクトログラムの最上部にトレースを表示することができる。
【００６９】
結論として、その利点及び特徴には、とりわけ、ドプラ・スペクトル・データの各線内に実際に存在するノイズレベル及び信号対雑音比にだけ基づいて、視覚的に望ましいスペクトル・ドプラ画像が作成されるようにパラメータを自動で制御するための方式が含まれる。システムの様々な段階において事前算定した任意のノイズ予測に頼ることがなく、またスペクトル線または周波数ビンの組内のノイズの存在に関していかなる前提も置いていない。ノイズの位置は信号の位置と慎重に区別している。パラメータの自動制御によって必要に応じて、エイリアシングの除去、並びにスペクトル信号のベースライン及び向きの調整が得られ、オペレータに対して視覚的に望ましいスペクトル信号の表示が提供される。さらに、スペクトル線のエッジに対応したスペクトル・トレースの作成は、スペクトル・ドプラ・データの各線にのみ基づいて達成している。
【００７０】
ある種の実施形態を参照しながら本発明を記載してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更が可能であると共に等価物による代用が可能であることは当業者であれば理解するであろう。さらに、多くの修正形態により、本発明の範囲を逸脱することなく具体的な状況や材料を本発明の教示に適応させることができる。したがって、開示した具体的な実施形態に本発明を限定しようという意図ではなく、本発明が添付の特許請求の範囲の域内に属するすべての実施形態を包含するように意図したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に従って形成した超音波システムのブロック概要図である。
【図２】ある走査線に沿ったサンプル・ゲートを用いたスペクトル・ドプラ・モードのセクタ走査の図である。
【図３】１つの周波数ビンを中心としたスペクトル線、周波数ビン及びカーネルの概念を表した図である。
【図４】エイリアシングのないスペクトル・ドプラ画像の図である。
【図５】エイリアシング（５ａ）、反転（５ｂ）、並びに激しいエイリアシング（５ｃ：全体が折り返されたスペクトル）を示す受容しがたいスペクトル・ドプラ画像である。
【図６】本発明の実施の一形態に従ってスペクトル・ドプラ画像の作成に関連したある種のパラメータを制御するために利用される方法を表した流れ図である。
【図７】本発明の実施の一形態に従って正及び負の周波数ビンを配列し直している方法ステップを表した図である。
【図８】時間ビン（すなわち、スペクトル線）並びにある時間ビンを中心としたカーネルの概念を表した図である。
【図９】本発明の実施の一形態に従った信号境界の検出を表した図である。
【符号の説明】
５  超音波システム
１０  フロントエンド
２０  トランスジューサ・アレイ
２５  トランスジューサ素子
３０  送信／受信切換回路、Ｔ／Ｒ切換回路
４０  送信器
５０  受信器
６０  ビーム形成器
７０  処理アーキテクチャ
８０  制御処理モジュール
９０  復調モジュール
１００  ドプラ処理モジュール
１１０  走査変換モジュール
１１７  ディジタル式インタフェース
１２０  表示アーキテクチャ
１３０  表示処理モジュール
１４０  モニタ
１５０  走査面
１５５  走査線
１６０  サンプル・ゲート
１７０  時間
１８０  ドプラ周波数
１９０  スペクトル線
２００  周波数ビン
２０５  画素位置
２１０  カーネル
２２０  典型的なスペクトル・ドプラ時間軸表示
２３０  最大速度スケール、速度スケール限界
２４０  最小速度スケール、速度スケール限界
２５０  ベースライン
２８０  正の周波数
２９０  別のある正の周波数
４２０  負のスペクトル部分
４３０  正のスペクトル部分
４４０  周波数ビン
４５０  周波数ビン
４８０  画素位置
４９０  カーネル
５００  スペクトル線
５２０  ｆ-
５３０  ｆ+
５５０  周波数ビンのゼロ
５６０  ｔmax
５６５  スペクトルの一部分
５７５  スペクトル線
５８０  周波数ビンｆb+
５８５  周波数ビンｆtrace
５９０  周波数ビンｆb-
５９５  スペクトルの一部分
６００  ノイズ領域
【図１】
0004266659.tif 000011
【図２】
0004266659.tif 000012
【図３】
0004266659.tif 000013
【図４】
0004266659.tif 000014
【図５】
0004266659.tif 000015
【図６】
0004266659.tif 000016
【図７】
0004266659.tif 000017
【図８】
0004266659.tif 000018
【図９】
0004266659.tif 000019