JP7592835B2 - 針挿入誘導を提供する超音波イメージングシステム - Google Patents

Description

本発明は、医用超音波イメージングシステムに関し、具体的には、生検針及び他の侵襲的デバイスの挿入のための画像誘導を提供する超音波システムに関する。

超音波画像誘導は、生検針といった侵襲的デバイスを体内に挿入するための簡単で効果的なやり方を提供する。イメージングは、体内の針と標的解剖学的構造との両方を見るために使用されるため、臨床医は、針が挿入されるにつれて標的への挿入経路を見て計画することができる。主要な血管や石灰化組織といったスムーズな挿入の障害を回避することができる。しかし、針の鮮明で完全な画像を得ることは、超音波の物理的特性のために問題になることがある。臨床医は、手順中、超音波画像内の標的解剖学的構造を観察して、標的に向けられ、超音波プローブの画像フィールドを通過する方向に、超音波プローブに隣接して針を挿入する。この進行経路は、超音波スキャンビームに対して比較的急な角度にある場合がある。金属製の針は、超音波を強く反射するため、画像に鮮明に現れると推定されるが、急角度の関係により、超音波エネルギーがそれて、画像収集のためにプローブに直接反射して戻るのではなく、体のより奥深くまで進んでしまう可能性がある。したがって、針のシャフトと超音波ビーム方向との角度関係によっては、針のイメージングが問題になる可能性がある。挿入中に針の鮮明で完全な画像が得られるようにイメージングシステムをデザインして、臨床医が体内の針の場所及び位置を常に知ることができるようにすることが望ましい。

超音波ビームの角度は、鮮明で完全な針のイメージングに追加の障害をもたらす可能性がある。つまり、戻りエコーが、プローブの開口に対して急な角度にある可能性があり、これは、グレーティングローブ（サイドローブ）アーチファクトを発生させる。このアーチファクトは、画像内の実際の針の場所の周りで画像内に出現する可能性があり、これにより、針を周囲のクラッタから判別することが難しくなる。

したがって、針挿入誘導中に、このクラッタアーチファクトを防止又は除去することが望ましい。

幾つかの態様では、本開示は、針挿入の画像誘導のために超音波イメージングシステムを操作する方法を含む。この方法は、超音波トランスデューサから、被験者内の画像フィールド全体にステアリングされていないビームを送信するステップと、画像フィールド内の針から最大振幅のエコー戻りを生成する送信ビームのピーク角を特定するステップと、ピーク角で複数の平行のステアリングされたビームを送信するステップと、画像フィールド内の針の超音波画像を表示するステップとを含む。特定の態様では、方法は、超音波画像内の針鏡面反射ラインを特定するステップ、及び／又は、針鏡面反射ラインに沿って最も明るい点を特定するステップを含む。幾つかの態様では、送信ビームの角度を特定するステップは、最も明るい点において、針鏡面反射ラインと交差する送信ビームを特定するステップを含み、特定された送信ビームは更に、ピーク角を示す。針の超音波画像を表示するステップは、画像内に針誘導グラフィックを表示するステップを含む。針誘導グラフィックを表示するステップは、超音波画像内の針の位置に、グラフィックラインを表示するステップを含む。針誘導グラフィックを表示するステップは、超音波画像内の針の位置の両側に針誘導グラフィックラインを表示するステップを含む。針誘導グラフィックを表示するステップは、超音波画像内の針の位置及び超音波画像内の針の位置の両側にグラフィックラインを表示するステップを含む。

幾つかの態様では、本開示は、針挿入の画像誘導のために超音波イメージングシステムを操作する方法を含む。この方法は、複数のトランスデューサ素子を用いて、針を含むと見なされる被験者内の画像フィールドから画像データを収集するステップと、２つの異なるアポダイゼーション関数で画像データを処理して画像データ内のクラッタを分離するステップと、２つの異なるアポダイゼーション関数で処理された画像データを使用して、クラッタが低減された画像データを生成するステップと、画像フィールド内の針のクラッタが低減された超音波画像を表示するステップとを含む。２つの異なるアポダイゼーション関数で画像データを処理するステップは、画像データから、異なるアポダイゼーション関数をそれぞれ使用して２つの超音波画像を形成するステップを含む。２つの異なるアポダイゼーション関数で処理された画像データを使用するステップは、２つの超音波画像からの画像データを結合する又は相関させて、クラッタが低減された画像データを生成するステップを含む。２つの異なるアポダイゼーション関数で画像データを処理するステップは、相補的なアポダイゼーション関数で画像データを処理するステップを含む。相補的なアポディゼーション関数で画像データを処理するステップは、サイドローブアーチファクトデータに異なる影響を与えるアポディゼーション関数で画像データを処理するステップを含む。サイドローブアーチファクトデータに異なる影響を与えるアポディゼーション関数で画像データを処理するステップは、サイドローブデータ又はメインローブデータのノッチフィルタとして機能するアポディゼーション関数を使用するステップを含む。２つの異なるアポダイゼーション関数で処理された画像データを使用するステップは、サイドローブデータ及びメインローブデータの両方を有する画像データを、サイドローブデータ又はメインローブデータしか有さない画像データと結合するステップを含む。

図１は、本発明の原理に従って構成された超音波システムを示す。 図２は、針と曲面アレイトランスデューサからのステアリングされていないビームとの入射角を示す。 図３は、図２に示す挿入角度での被験者への針の挿入の超音波画像である。 図４は、曲面アレイトランスデューサから、最適角度で平行にステアリングされたビームによる針画像の収集を示す。 図５は、針誘導グラフィックによってその位置が示されている針の超音波画像である。 図６は、針誘導イメージングにおけるビームステアリングに起因するクラッタを低減するために使用することができる第１の２重アポダイゼーション技術を示す。 図７ａは、針誘導イメージングにおけるビームステアリングに起因するクラッタを低減するために使用することができる第２の２重アポダイゼーション技術を示す。 図７ｂは、針誘導イメージングにおけるビームステアリングに起因するクラッタを低減するために使用することができる第２の２重アポダイゼーション技術を示す。 図８ａは、図７ａ及び図７ｂの２つのアポダイゼーション関数の使用から生じるサイドローブエネルギーを示す。 図８ｂは、図７ａ及び図７ｂの２つのアポダイゼーション関数の使用から生じるサイドローブエネルギーを示す。 図９は、図７ａ及び図７ｂの２つのアポダイゼーション関数の組み合わせによって達成されるサイドローブクラッタの低減を示す。 図１０は、本発明の原理に従って行われる超音波画像誘導針挿入手順のフローチャートである。

本発明の原理によれば、超音波システムと、凸状曲面アレイトランスデューサを有するプローブとが針挿入誘導に使用される。アレイの自然な湾曲により、ステアリングされていないそのビームは、プローブのフットプリントを超えて広がる広いセクタ角を横断し、最初に挿入されたときの針をすばやく捕捉する。針の画像は解析されて、超音波ビームと針のシャフトとの入射角が針画像収集に最適である点が決定され、針の画像は、最適なビーム角で曲面アレイから平行にステアリングされたビームを用いて収集される。画像内の針の位置は、針誘導グラフィックで示される。最適なビーム角は、手順中に定期的に更新される。本発明の更なる態様によれば、急なビームステアリング角に起因して生じるクラッタが、２つの異なるアポディゼーション関数を用いてスキャンフィールドの画像を生成した後、これらの画像を、画像クラッタを低減するように比較又は組み合わせることによって低減される。

ここで図１を参照すると、本発明の原理に従って構成された超音波診断イメージングシステムをブロック図形式で示す。超音波を送信し、エコー情報を受信するために、超音波プローブ１０内に凸状曲面トランスデューサアレイ１２が設けられる。曲面アレイトランスデューサは、プローブケーブルによって送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６に結合される。送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１６は、送信と受信とを切り替え、高エネルギー送信信号からメインビームフォーマ２０を保護する。曲面アレイ１２からの超音波ビームの送信は、Ｔ／Ｒスイッチに結合された送信コントローラ１８と、ユーザインターフェース又は制御パネル３８のユーザ操作による入力を受信するビームフォーマ２０との制御下で行われる。送信コントローラによって制御される送信特性には、送信波形の振幅、位相及び極性並びにビームフォーマ制御と共にもたらされる超音波ビームのフォーカシング及びステアリングがある。超音波送信方向に形成されるビームは、ステアリングされない（トランスデューサの正面に直交する方向）か、又は、アレイの正面に対して様々な角度でステアリングされてよい。アクティブ開口と呼ばれるトランスデューサ素子の隣接グループによって受信されたエコーは、エコーを適切に遅延させた後、それらを組み合わせてコヒーレントエコー信号を形成することにより、ビームフォーマ２０内でビーム形成される。

信号プロセッサ２６によって、コヒーレントエコー信号に、デジタルフィルタによるフィルタリング及び空間又は周波数合成によるノイズ低減を含む信号処理が行われる。信号プロセッサはまた、周波数帯域をより低い又はベースバンド周波数範囲にシフトすることができる。信号プロセッサ２６のデジタルフィルタは、例えば米国特許第５，８３３，６１３号（Ａｖｅｒｋｉｏｕ他）に開示されているタイプのフィルタであってよい。本発明の一態様によれば、クラッタプロセッサ５０が信号プロセッサに結合されて、以下でより詳しく説明するように、ビームステアリング中に生じるサイドローブクラッタが除去される。処理されたエコー信号は、信号位相情報を提供する直交復調器２８によって直交（Ｉ及びＱ）成分に復調される。

ビーム形成及び処理されたコヒーレントエコー信号は、Ｂモード組織画像を生成するＢモードプロセッサ５２に結合される。Ｂモードプロセッサは、（Ｉ^２＋Ｑ^２）^１／２の形でエコー信号振幅を計算することにより、直交復調されたＩ及びＱ信号成分の振幅（エンベロープ）検出を行う。直交エコー信号成分はまた、ドップラープロセッサ５４に結合される。ドップラープロセッサ５４は、画像フィールド内の離散点からのエコー信号のアンサンブルを格納し、これらのアンサンブルを使用して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）プロセッサで画像内の点におけるドップラーシフトを推定する。カラードップラー画像では、血管内の各点において推定されるドップラー血流値がウォールフィルタリングされ、ルックアップテーブルを使用して色値に変換される。Ｂモード画像信号及びドップラー血流値は、Ｂモードサンプル及びドップラーサンプルをそれらの収集されたＲ－θ座標からデカルト（ｘ，ｙ）座標に、所望の表示形式、直線表示形式又は例えば図３及び図５に示すようなセクタ表示形式での表示のために変換するスキャンコンバータ３２に結合される。Ｂモード画像又はドップラー画像は、単独で表示されても、２つを解剖学的に位置合わせして一緒に表示することもできる。この場合、カラードップラーオーバーレイが画像における組織及び血管構造内の血流を示す。

スキャンコンバータ３２によって生成される超音波画像データは、画像プロセッサ３０及び３Ｄ画像データメモリに結合される。画像プロセッサ３０は、画像ディスプレイ４０での超音波画像の表示のために、更なる強調、バッファリング及び一時的記憶を行う。３Ｄ画像データメモリは、画像データ値を３Ｄ空間におけるそれらの座標に関連するアドレスに格納する。３Ｄ画像データメモリから画像データ値にアクセスし３Ｄ画像を形成することができる。３Ｄ画像データメモリは、多平面リフォーマッタ４４及びボリュームレンダラ４２に結合される。多平面リフォーマッタは、米国特許第６，４４３，８９６号（Ｄｅｔｍｅｒ）に説明されているように、身体のボリュメトリック領域内の共通平面における点から受信されたエコーを当該平面の超音波画像に変換する。ボリュームレンダラ４２は、米国特許第６，５３０，８８５号（Ｅｎｔｒｅｋｉｎ他）に説明されているように、３Ｄデータセットのエコー信号を、所与の基準点から見た投影３Ｄ画像に変換する。３Ｄ画像データから生成された２Ｄ又は３Ｄ画像は、画像プロセッサ３０に結合される。超音波画像と共に表示するために、患者ＩＤといったテキスト及び他のグラフィック情報を含むグラフィック表示オーバーレイがグラフィックプロセッサ３６によって生成される。

図２は、曲面アレイトランスデューサによって送信及び受信されるステアリングされていないビーム６２によってスキャンされる画像フィールド６０を示す。ビームの方向はアレイの湾曲形状によって決定されるため、ビームはステアリングされていない。各ビームは、アレイの正面に沿ったその原点に垂直に向けられている。ビーム形成において、ステアリングされていないビームは、原点の両側のアクティブ開口の対称的な位置で受信されたエコーに等しく重み付けすることによって形成される。ビームは、ビームフォーマ内で対称的な重み付けプロファイルを有する。同じ対称重み付けプロファイルを使用して、アレイに沿って各ビームを形成することができるが、アレイの幾何学的な湾曲によって、ビームの角度方向は異なる。したがって、アレイの自然な湾曲により、各ビーム６２は、画像フィールドにわたって異なる角度に方向付けられ、したがって、セクタ形のフィールド６０をスキャンする。これは、各異なるビーム方向に沿ったスキャン及びエコー形成のためにビームフォーマに１つの重み付けテーブルしかロードしなくてよいので、針挿入イメージングには有利である。広いセクタ画像フィールドは、針がプローブの片側からスキャン面に沿って体内に挿入されるため、針挿入イメージングに有利である。針は、数ミリメートル挿入した直後からセクタの片側においてビームと交差し始めるため、広い画像のエッジにおいて素早く収集される。

しかし、ビーム角に対する挿入された針の角度が、針に衝突するビームの入射角に応じて、異なる送信ビームから検出されるエコーの程度が異なる。図２では、中央の暗い部分７２の前後で針７０と交差するビームは、針のシャフトに対して直交角度にない。これらのビームからのエコーは、ビーム経路から離れる方向に散乱し、アレイ素子に戻るそれらのエネルギーは少ない。ビーム６４の両側の暗いビームは、針７０のシャフトにより直交し、それらのエネルギーのより多くがアレイに直接反射して戻る。ビーム６４は、その交差点において針に対してほぼ直交であり、このビームからのエコーは、鏡面反射針からアレイに最も強く戻るので最適である。したがって、図３の実際の超音波画像６６に鮮明に示されているように、これらのより強いエコー戻りを生成する針部分７２は、超音波画像に最もはっきりと現れる。（この画像は、分かり易くするために、白黒を反転させて表示している。)

本発明によれば、超音波システムは、針位置プロセッサ４６を含む。針位置プロセッサ４６は、超音波画像６６内のはっきりと見える針部分７２、具体的には、最適ビーム６４の角度を特定する。針位置プロセッサは、画像処理を使用して、画像内の針部分７２からの強いエコーの直線を探し、特定する。これは、ハフ変換、ラドン変換、１次及び２次方向性テクスチャ解析又は最大輝度解析といったヒューリスティック基準といった画像処理技術を使用して行うことができる。このエコー戻り部分が画像内に特定されると、最強エコー戻り部分に沿った点が、最適なステアリングされていないビームが針と交差する点を示し、したがって、ビームのアイデンティティが、単純なジオメトリによって決定される。ビーム６４が針を最も強くイメージングするための最適角度を有するステアリングされていないビームとしてこのように特定されると、針位置プロセッサは、送信コントローラ１８及びビームフォーマ２０に命令して、アレイ１２からステアリングされたビームを送受信させる。これらのビームはすべて、ビーム６４の特定された最適角度でステアリングされる。このことは、アレイ１２がビーム６４’、…、６４、…６４’’を送信している図４に示される。これらのビームはすべて、針７０に対してほぼ直交する角度である、針７０に対して同じ角度で送受信される。比較のために、アレイ１２からのステアリングされていないビームの角度を表す矢印６２も示されている。ステアリングされたビーム６４’、…、６４、…６４’’は、ステアリングされていないビームと同じアレイの正面Ｆに沿った点から生じているように見えるが、ビームをすべて平行に向け、直交角又はほぼ直交角で針に衝突させるアレイの正面Ｆに対する異なる各自の角度でのフェーズド操作によってステアリングされている。これらの平行にステアリングされたビームで針を撮像すると、針７０から比較的強いエコーが戻り、超音波画像内により鮮明に且つはっきりと針が現れる。

曲面アレイから平行にステアリングされたビームでのスキャンは、曲面アレイの非自明の使用である。これは、曲面アレイには、その湾曲形状により、固有の優先的なラジアルスキャンパターンがあるからである。比較として、標準的なフラットリニアアレイには、固有のラジアルスキャンパターンはない。その平坦な形状により、リニアビームステアリング及びフェーズドビームステアリングのために選択されるアレイになっている。いわゆる「ステアリングされたリニア」スキャンは、フェーズドセクタスキャンのように、米国特許第５，０１４，７１０号（Ｍａｓｌａｋ他）によって例示されるように、カラードップラーイメージングのためのフラットリニアアレイのフェーズド操作によって長い間行われてきている。超音波イメージングの当業者は、ステアリングされた平行ビームスキャンでの使用ではなく、その自然なラジアルスキャンパターンを利用するために、特に曲面アレイを選択するであろう。曲面アレイはこの動作モードには幾何学的に適していないだけでなく、曲面アレイからのビームのフェーズドステアリングは、以下で詳細に説明するように、急なビームステアリング角によってサイドローブアーティファクトクラッタをすぐに発生させる。

針位置プロセッサ４６は、前述のとおりに動作して、説明したとおりに超音波画像内の針の位置を特定すると、グラフィックプロセッサ３６に更に命令して、図５に示すように超音波画像６６を針位置グラフィックでオーバーレイする。従来技術の針誘導システムは、概して、体内の針の位置に配置された点線のグラフィック８０によって示すように、針の位置自体に針位置グラフィックを配置していた。これは、針の画像がグラフィックによって不明瞭になるため、困難をもたらす可能性がある。多くの場合、臨床医は、特に針先の周りに遮るものがない状態で針が画像内にあることを好む。臨床医は、通常、挿入を誘導するために針先に最も集中する。画像内の針を遮らない好適なグラフィックは、針の画像をその間に収めるグラフィックライン８２ａ及び８２ｂを有する。グラフィック８２ａ、８２ｂは、針又は針先の画像を不明瞭にすることなく、臨床医のために針の位置を素早く特定する。一部の臨床医は、両方のグラフィックス、つまり、針の位置を囲むライン８２ａ、８２ｂと、画像内の針のシャフトを明確に特定する明るい又は破線のグラフィック８０との両方を使用することを好む場合がある。

針の挿入が進むにつれ、臨床医が血管を貫通しないように又は体内の堅い物質を回避するために針を操作すると、挿入方向が変わる可能性がある。針の向きは、針の操作又はプローブの動きによって変化する可能性があるため、画像処理、最適ビーム角特定及びビームステアリングは、針位置プロセッサ４６によって定期的に繰り返され、必要に応じてビーム６４、６４’のステアリング角を更新して、手順によって提供できる針の最も鮮明な画像が維持される。

無線アンテナのような超音波アレイは、アレイによって送受信される超音波エネルギーのエネルギープロファイルを示す。超音波アレイのこのアンテナパターンは、ローブパターンと知られている。このパターンには、ビーム方向と軸方向に整列するメインローブ、即ち、中央ローブと、軸外エコーの受信に敏感なサイドローブとがある。ほとんどの場合、臨床医は、ビーム方向における強くて細いメインローブと、実質的に存在しないサイドローブとを好む。これは、画像フィールドにおけるサイドローブで受け取られるエネルギーは、ビーム形成中に、画像にアーチファクト、即ち、針の画像を不明瞭にする可能性があるクラッタを発生させるからである。ビームフォーマは、すべてのエネルギーがビーム軸に沿って受け取られることを前提にプログラムされている。サイドローブから受け取られる軸外エネルギーは、不所望のビームを形成し、結果として得られる画像にアーチファクトとして現れる。サイドローブクラッタアーチファクトは、素子ピッチ（中心間の間隔）が超音波周波数波長の半分未満であるプローブを使用することにより防止される。曲面アレイのビームがステアリングされていない場合、半波長素子ピッチによって、サイドローブクラッタの出現が回避される。しかし、ビームが、アレイ正面に対して増加する非直交角でステアリングされると、サイドローブが大きくなり、特に、アレイの湾曲によって、フラットリニアアレイの場合よりも急であるアレイの正面におけるステアリング角をもたらす曲面アレイの場合にサイドアーチファクトの可能性が増加する。図４では、最も外側の針イメージングビーム６４’及び６４’’は、アレイ１２の正面Ｆに対して著しく非直交のステアリング角にあることが分かるが、これらのより急なステアリング角は、サイドローブ画像クラッタの原因となる可能性がある。本発明の更なる態様によれば、サイドローブクラッタは、超音波システム内のクラッタプロセッサ５０によって低減される。クラッタプロセッサ５０は、異なるアポダイゼーション関数をそれぞれ使用して、画像フィールドのスキャンから生成されるエコーから２つの超音波画像を形成する。２つの異なるアポダイズ画像のピクセル値を組み合わせて、最終画像のサイドローブクラッタアーチファクトが低減される。

図６に、クラッタ除去のためのアポディゼーション関数の１つのセットを示す。図６の下部には、方向ｙに延在するトランスデューサ素子ｅのアレイ１２がある。アレイ１２の上方に、２つの異なるアポダイゼーション関数９２及び９２を空間的に対応させて示す。１つのアポダイゼーション関数は、画像フィールドから受信したエコー信号をビーム形成して第１の画像を形成するときに使用され、もう１つのアポダイゼーション関数は、同じエコー信号をビーム形成して第２の画像を形成するときに使用される。アポディゼーション関数９２は、２つの隣接する素子からの信号に重み１で重み付けし、次の２つの素子からの信号に重み０で重み付けし、そして、次の２つの信号に重み１で重み付けし、同様に続けられることがわかる。アポダイゼーション関数９４は、開口にわたって重み１及び０を同じように交互にするが、逆である。２つの画像のビーム形成されたエコー信号は、振幅検出され、２つの画像のピクセル値が生成される。次に、２つの画像の同じ空間位置にあるピクセル値が比較又は相関される。２つの値の相関が高い（例えば５０％を超える）場合、値の一方又は両方が、結果として得られる画像のピクセル値に使用される。２つの値の相関が比較的低い（例えば５０％未満の）場合、値は画像から省略される。これは、２つの相補的なアポダイゼーション関数によって処理されるメインローブ信号がほぼ同じになるのに対し、２つの画像におけるメインローブの両側のサイドローブ（クラッタの最大の原因）からの信号は極性が逆で無相関だからである。したがって、サイドローブクラッタは、結果として得られる画像において低減される。この処理はすべて単一の画像収集で行われるため、表示のフレームレートに悪影響がない。また、このクラッタ低減処理は、振幅検出を使用するので、結果として得られるピクセル値は、Ｂモードプロセッサ５２によってＢモード画像に直ぐに処理することができる。

図７ａ及び図７ｂに、針画像のクラッタ低減のための好適なアポダイゼーション関数を示す。これら２つの図のグラフは、超音波トランスデューサアレイの中心からの距離ｙに対する電圧の重みｖとしてプロットされている。図７ａのグラフ４１０は、矩形アポダイゼーション関数の形の第１のアポダイゼーション関数の一例を示す。このアポダイゼーション関数により、トランスデューサアレイのすべての素子からの信号が、１といった等しい重みを受け取る。図８ａに、この関数を受信エコーデータに適用した結果を示す。

図８ａは、ステアリング角θに対するｄＢで測定された振幅のプロット５００を示す。このプロットは、アレイの視野内のすべてのステアリング角にわたるトランスデューサアレイの各トランスデューサ素子によって受信されたすべてのエコー信号の合計を示す。より具体的には、このプロットは、図７ａに示す第１のアポダイゼーション関数４１０を使用してビーム形成された画像データ内のメインローブ及びサイドローブの応答を示す。これは、標準的なアポダイズされていないＢモード超音波画像の応答特性であり、０°のステアリング角５１０において高強度応答、即ち、メインローブ応答５２０を有する。０°のステアリング角からの信号は、トランスデューサアレイにコヒーレントに到着し、均一なアポディゼーション関数４１０を使用して画像のメインローブ応答を形成する。空間分解能の制限により、メインローブ５２０は、０度の両側に小さい範囲の角度を含む有限の幅を有する。この特性を有する画像データはまた、メインローブから広がる減少する強度の複数の信号、即ち、サイドローブ５３０も含む。サイドローブは、メインローブの範囲外のステアリング角を有する信号の応答である。様々な角度での建設的干渉効果及び相殺的干渉効果により、サイドローブにピーク及びトラフが作成される。サイドローブは、超音波画像内にクラッタを引き起こす一方で、メインローブは、超音波画像標的からの所望の信号を提供する。

図７ｂの第２のグラフ４２０は、図８ｂに示すように、画像データ応答にヌルポイントを導入するために使用される、ｙ＝１／ｘといった逆関数の形の第２のアポダイゼーション関数の一例を示す。このノッチフィルタがパスフィルタとしてローブ特性５００に適用されると、アレイのビームパターンのメインローブからの信号は、高い重みを受け取り、これは、より横側のサイドローブからの信号に向かって指数関数的に減少する。図９に、この関数を受信エコーデータに適用した結果を示す。使用されるアポダイゼーション関数の形状は、超音波システムのユーザによってデザインされるか、システムに事前にロードされ、ユーザによって選択されて、所望の関数を行うようにされてもよい。アポダイゼーション関数の形状は、選択又はデザインされると、単一の制御パラメータを介して調整することができる。このパラメータは、超音波システムの使用を通じてユーザによって経験的に決定することができるスケーリング係数ｋである。

線形音響学により、超音波ビームパターンは、使用されるアポダイゼーション関数のフーリエ変換と同等である。この関係は、解析及びビームパターンデザインのためのツールを提供する。より具体的には、所望のビームパターンを達成するように、アポディゼーション関数をデザインすることができる。例えば図８ｂに示すように、アポディゼーション関数４２０を使用することによって生成される画像データは、メインローブ位置における鋭いヌルと、軸外ステアリング角における減少した振幅とを示す。アポディゼーション関数４２０と第２の画像データのビームパターンとのフーリエ変換関係を使用して、所望のビームパターンを達成するために使用すべきアポダイゼーション関数のタイプを判別することができる。

逆数の第２のアポディゼーション関数４２０をエコー信号データに適用することにより、アポディゼーション関数４１０を使用して処理された画像データのメインローブ５２０と同じステアリング角においてヌル５６０が生成される。この例では、第２のアポダイゼーション関数４２０は、ノッチフィルタとして機能しているが、用途に応じて、多くの異なる形状のアポダイゼーション関数を利用することができる。

図９は、画像ピクセルについて第１のアポダイゼーション関数４１０及び第２のアポダイゼーション関数４２０を使用することにより得られる画像データを示す図８ａ及び図８ｂからのプロットの重ね合わせを示すプロット６００を示す。アポディゼーション関数によって処理された第１の画像及び第２の画像のピクセルを比較することにより、ステアリング角全体での最小の信号振幅が分かる。これは、サイドローブ応答の破線６３０によって強調表示される。所望のメインローブ６１０の信号は、第２のアポダイゼーション関数６２０の特性であるノッチに入る。このようにして、サイドローブ６３０のクラッタ信号が選択され、メインローブ６１０の信号から分離される。次に、サイドローブ応答６３０からの不所望の値が、図８ａに示す応答を有する第１のアポダイゼーション関数４１０を使用して得られた画像データから差し引かれる。結果として、メインローブ応答５２０から主に返された信号が得られ、ローブパターンのサイドローブ５３０の信号は実質的に除去され、つまり、画像形成に使用される結果として得られる信号は、主にローブ特性のメインローブ応答からの信号である。このようにして、サイドローブクラッタは超音波画像から実質的に除去される。

図７ｂのグラフ４２０に示す第２のアポディゼーション関数の形状は、第２の画像データにおけるヌル関数５６０の幅を変更するために変えることができる。このようにすると、残りの信号の角度の広がりを制御することができる。このノッチ関数の幅を小さくすることにより、最終的な超音波画像の空間分解能を高めることができる。

図１０に、本発明による超音波画像誘導針挿入の手順を概説する。臨床医は、曲面アレイトランスデューサプローブを被験者の体に配置し、手順の標的解剖学的構造が視野に入るまでプローブを操作することによって手順を開始する。標的解剖学的構造は、例えば針を使用して生検を行う嚢胞である。標的解剖学的構造が超音波画像内にある状態で、ステップ１０２に示すように、臨床医は、画像の平面に沿って針を挿入し始める。ステップ１０４に示すように、挿入が進むにつれて、曲面アレイトランスデューサは、ステアリングされていないビームを視野全体に送信して、視野を画像化し、針の挿入を捕捉する。ステップ１０６において、超音波システムの針位置プロセッサが、画像内に、曲面アレイから放射状に向けられたビームが最も好適な角度の周辺で針と交差する針の鏡面反射ラインを特定する。ステップ１０８において、針位置プロセッサは、針反射ラインに沿った最も明るい点を特定する。これにより、ステップ１１０に示すように、当該明るい点を生成した送信ビームの角度が特定される。次に、ステップ１１２に示すように、針位置プロセッサは、送信コントローラに、特定されたビーム角において、針に向けて平行なステアリングされたビームを送信するように曲面アレイトランスデューサを制御させる。平行なステアリングされたビームを用いてスキャンすると、針の最も強い画像が生成され、ステップ１１４において、画像と共に針誘導グラフィックが、好適には、超音波画像内の針の位置の両側に表示される。次に、前述したように、２重アポダイゼーション処理手法の１つを使用して、クラッタを低減することができる。

なお、本発明の実施態様における使用に適した超音波システム、特に図１の超音波システムのコンポーネント構造は、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせで実施することができる。超音波システムの様々な実施形態及び／又はコンポーネント、例えば針位置プロセッサ４６及びクラッタプロセッサ５０又はその中のコンポーネント及びコントローラも、１つ以上のコンピュータ又はマイクロプロセッサの一部として実施することができる。コンピュータ又はプロセッサは、コンピューティングデバイス、入力デバイス、表示ユニット及び例えばインターネットにアクセスするためのインターフェースを含む。コンピュータ又はプロセッサは、マイクロプロセッサを含む。マイクロプロセッサは、例えばＰＡＣＳシステム又はトレーニング画像をインポートするためのデータネットワークにアクセスするための通信バスに接続される。コンピュータ又はプロセッサはまた、メモリを含む。３Ｄ画像データメモリ４８といったメモリデバイスは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）を含む。コンピュータ又はプロセッサは更に、ハードディスクドライブ、又は、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、光学ディスクドライブ、ソリッドステートサムドライブ等といったリムーバブルストレージドライブであってよいストレージデバイスを含む。ストレージデバイスはまた、コンピュータ又はプロセッサにコンピュータプログラム又は他の命令をロードするための他の同様の手段であってもよい。

本明細書において使用する場合、「コンピュータ」、「モジュール」、「プロセッサ」又は「ワークステーション」との用語には、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、ＡＳＩＣ、論理回路及び本明細書に説明される機能を実行可能な任意の他の回路又はプロセッサを使用するシステムを含む任意のプロセッサベース又はマイクロプロセッサベースのシステムを含んでよい。上記例は単なる例示であり、したがって、これらの用語の定義及び／又は意味を決して限定するものではない。

コンピュータ又はプロセッサは、入力データを処理するために、１つ以上のストレージ要素に格納されている命令セットを実行する。ストレージ要素はまた、所望通りに又は必要に応じてデータ又は他の情報を格納することもできる。ストレージ要素は、情報源又は処理マシン内の物理メモリ要素の形であってもよい。

上述したような超音波画像の収集、処理及び送信を制御する命令を含む超音波システムの命令のセットは、本発明の様々な実施形態の方法及びプロセスといった特定の動作を行うように、処理マシンとしてのコンピュータ又はプロセッサに命令する様々なコマンドを含んでよい。命令のセットは、ソフトウェアプログラムの形式であってよい。ソフトウェアは、システムソフトウェア又はアプリケーションソフトウェアといった様々な形であってよく、また、有形及び非一時的なコンピュータ可読媒体として具現化されてよい。更に、ソフトウェアは、別個のプログラム又は針位置モジュール、クラッタモジュールといったモジュールの集合、より大きなプログラム内のプログラムモジュール又はプログラムモジュールの一部の形であってもよい。ソフトウェアはまた、オブジェクト指向プログラミングの形のモジュラープログラミングを含んでもよい。処理マシンによる入力データの処理は、オペレータのコマンドに応答するものであっても、前の処理の結果に応答するものであっても、別の処理マシンによる要求に応答するものであってもよい。

更に、以下の請求項の限定は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、当該請求項の限定が更なる構造のない機能の記述が続く「ｍｅａｎｓ ｆｏｒ」との語句を明示的に使用していない限り、米国特許法第１１２条第６段落に基づいて解釈されることを意図していない。

Claims (5)

1. 被験者への針挿入の画像誘導のための超音波イメージングシステムであって、前記超音波イメージングシステムは、
   曲面アレイトランスデューサを含むプローブであって、前記曲面アレイトランスデューサは、前記被験者内の画像フィールド全体に、ステアリングされていないビームを送信し、これにより前記ステアリングされていないビームを使用して前記画像フィールドの超音波画像を得る、プローブと、
   前記超音波画像への画像処理の適用に基づいて、前記画像フィールド内の針から最大振幅のエコー戻りを生成する送信ビームのピーク角を特定する針位置プロセッサと、を有し、
   前記針位置プロセッサは更に、前記曲面アレイトランスデューサを制御して前記ピーク角で複数の平行のステアリングされたビームを送信し、
   前記針位置プロセッサは更に、前記超音波画像内の針鏡面反射ラインを特定し、
   前記針位置プロセッサは更に、前記針鏡面反射ラインに沿って最も明るい点を特定し、
   前記送信ビームの前記ピーク角を特定することは、前記最も明るい点において、前記針鏡面反射ラインと交差する前記送信ビームを特定することを含み、
   特定された前記送信ビームは、前記ピーク角を示す、
   超音波イメージングシステム。
2. 前記超音波イメージングシステムは、画像ディスプレイを更に含み、
   前記画像ディスプレイは更に、前記画像フィールド内の前記針の更なる超音波画像を表示し、前記更なる超音波画像は、前記ステアリングされたビームに基づいて得られ、
   前記画像ディスプレイは更に、前記超音波画像内に、針誘導グラフィックを表示する、請求項１に記載の超音波イメージングシステム。
3. 前記画像ディスプレイは更に、前記超音波画像内の前記針の位置に、グラフィックラインを表示する、請求項２に記載の超音波イメージングシステム。
4. 前記画像ディスプレイは更に、前記超音波画像内の前記針の位置の両側に針誘導グラフィックラインを表示する、請求項２に記載の超音波イメージングシステム。
5. 前記画像ディスプレイは更に、前記超音波画像内の前記針の位置及び前記超音波画像内の前記針の前記位置の両側にグラフィックラインを表示する、請求項２に記載の超音波イメージングシステム。

Images