JP4831465B2 - 超音波検出指標に基づいた超音波収集の最適化 - Google Patents

Description

本発明は、超音波システムに関する。

以下の米国特許出願の全体を参照することによって、それぞれの完全な主題を援用する。
２００２年１２月１７日に出願された米国特許出願第１０／２４８，０９０号
２００２年６月４日に出願された米国特許出願第１０／０６４，０３２号
２００２年６月１０日に出願された米国特許出願第１０／０６４，０８３号
２００２年６月４日に出願された米国特許出願第１０／０６４，０３３号
２００２年６月１０日に出願された米国特許出願第１０／０６４，０８４号
２００２年６月１０日に出願された米国特許出願第１０／０６４，０８５号

心エコー検査は超音波分野の一部門であり、現在、主観的画像評価と主要な定量的パラメータの抽出を組み合わせて行われている。心壁機能の評価は、例えば冠状動脈疾患などの疾患の評価において、精度と客観性を向上させるために使用できる確立されたパラメータがないことによって妨げられてきた。ストレスエコーがその一例である。ストレスエコーにおける心壁運動の評価は操作者の訓練と経験に大きく依存することが明らかになっている。また、壁運動の評価が主観的な性質のものであることから、エコーセンター間での観察者による違いが受け入れ難いほど大きいことも明らかになっている。
米国特許５，６０１，０８４号 米国特許６，０９９，４７１号 米国特許５，５１５，８５６号 米国特許６，０１９，７２４号

この問題に重点をおいて、定量的パラメータを定義し検証することを目的として、多くの技術的および臨床的研究がなされてきた。例えば冠状動脈疾患などの診断において、客観性と精度を向上させるために使用できる可能性のある新しいパラメータのセットを示す有望な臨床的検証研究が報告されている。新しいパラメータの多くは、生成される超音波画像を視覚的検査でリアルタイムに直接評価することは難しく、または不可能であった。定量化は通常、必要なパラメータを抽出するために面倒な手操作による分析をともなう後処理ステップを必要とする。心臓内における解剖学的指標位置の判定も例外ではない。時間を要する後処理技法、または複雑な計算を要するリアルタイム技法は望ましくない。

Ｓｈｅｅｈａｎ他の米国特許５，６０１，０８４号に開示された一方法は、撮像データを使用して心臓の一部を撮像し３次元モデル化することを述べている。Ｔｏｒｐ他の米国特許６，０９９，４７１号に開示された別の方法は、歪み速度をリアルタイムで計算し表示することを述べている。Ｏｌｓｔａｄ他の米国特許５，５１５，８５６号に開示されたさらに別の方法は、心機能など、生きている生体学的構造物の調査を構造物が動いている間に表示する解剖学的Ｍモードの生成について述べている。Ｇｒｏｎｎｉｎｇｓａｅｔｅｒ他の米国特許６，０１９，７２４号に開示されたさらに別の方法は、超音波画像を使用して手順を導くために準リアルタイムフィードバックを生成することを述べている。

本発明の一実施形態は、心臓を撮像し、心臓内の解剖学的指標を自動的に検出した後に収集パラメータを自動的に調整するための超音波システムを提供する。超音波システム内に、心臓を撮像し、心臓内の解剖学的指標の検出に基づいてある収集パラメータを自動的に調整する装置が設けられている。このような環境において収集パラメータを自動的に調整するための装置は、超音波を構造物に送信し、経時的な構造物からの超音波後方散乱に応答して受信信号を生成するように構成されたフロントエンドを含む。プロセッサは受信信号に応答して経時的な心臓構造物の動きを表す分析的パラメータ値セットを生成し、分析的パラメータ値セットの要素を分析して解剖学的指標の位置情報を自動的に抽出し、指標の位置を追跡する。プロセッサは追跡された解剖学的指標の位置に応答し、追跡された解剖学的指標の位置に基づいて、ある収集パラメータを自動的に調整する。表示器が、位置情報に対応する標点を動いている構造物の画像上に重ね合わせるように構成されており、追跡された解剖学的指標の位置を操作者に示し、所望の場合は収集パラメータを表示する。

方法はまた、心臓を撮像し、心臓内のあらかじめ検出されたある解剖学的指標に基づいて収集パラメータを調整するための超音波機械またはデバイスで実行される。このような環境では、ある収集パラメータを自動的に調整する方法は、超音波を構造物に送信すること、および経時的な構造物からの超音波後方散乱に応答して受信信号を生成することを含む。経時的な心臓構造物の動きを表す受信信号に応答して、分析的パラメータ値のセットが生成される。解剖学的指標の位置情報が自動的に抽出され、次いで指標の位置が追跡される。追跡された解剖学的指標に基づいて、ある収集パラメータが自動的に調整される。位置情報に対応する標点が動いている構造物の画像上に重ね合わされて、操作者に追跡された解剖学的指標の位置を示し、また調整された収集パラメータを表示することもできる。本発明のある実施形態は、心尖部やＡＶ平面など、心臓の主要な解剖学的指標を自動的に検出した後、少なくとも１つの収集パラメータ（例えば、深度設定、幅設定、ＲＯＩ位置、ＰＲＦ設定、ゲイン設定など）を自動的に調整することに関する。少なくとも１つの実施形態では、少なくとも１つの収集パラメータを調整することは、少なくとも１つの解剖学的指標および解剖学的指標に関する領域で収集された超音波データに応答している。

上記の発明の開示、ならびに下記の本発明のある実施形態の詳細な説明は、添付の図面と併せて読めばより良く理解されるであろう。ただし本発明は、添付の図面に示された配置および方法に限定されるものではないことを理解されたい。

本発明の一実施形態は、心臓のある解剖学的指標を検出し追跡した後、それに続いてある臨床的関連情報を収集するために、収集パラメータを自動的に調整することを可能にする。この機能を実現するために、動いている心臓構造物および血液がモニタされる。本明細書で使用される構造物という用語は、例えば心壁組織など、非液体および非気体物質を含む。本発明の実施形態は、心臓の壁機能パラメータの改良されたリアルタイム視覚化および評価の確立を助ける。動いている構造物は、心臓の心筋セグメント内の解剖学点に対応する分析的パラメータ値セットによって特徴付けられる。分析的パラメータ値セットは、例えば組織速度値、時間積分した組織速度値、Ｂモード組織輝度値、組織歪み率値、血流値、および僧帽弁推定値を含むことができる。

図１は、本発明の様々な態様に従って製造された超音波機械５の図である。変換器（トランデューサ）１０を使用して、電気アナログ信号を超音波エネルギに変換することによって超音波を対象物に送信し、超音波エネルギをアナログ電気信号に変換することによって対象物からの超音波後方散乱を受信する。受信機、送信機、ビーム形成装置を含むフロントエンド２０を使用して、様々なイメージングモードで使用するために必要な送信波形、ビームパターン、受信機フィルタリング技法、および復調方式を作成する。フロントエンド２０はデジタルデータをアナログデータに、アナログデータをデジタルデータに変換することによって、これらの機能を実行する。フロントエンド２０は、アナログインターフェース１５で変換器１０と接続し、デジタルバス７０を介して非ドプラプロセッサ３０、ドプラプロセッサ４０、制御プロセッサ５０と接続している。デジタルバス７０はいくつかのデジタルサブバスを含むことができ、各サブバスはそれぞれ固有の構成をとり、超音波機械５の様々な部品にデジタルデータインターフェースを提供する。

非ドプラプロセッサ３０は、ＢモードやＭモードなどのイメージングモード、および高調波イメージングに使用するための振幅検出機能、およびデータ圧縮機能を含む。ドプラプロセッサ４０は、組織速度イメージング（ＴＶＩ）、歪み率イメージング（ＳＲＩ）、およびカラーＭモードなどのイメージングモードに使用するためのクラッターフィルタリング機能および動作パラメータ推定機能を含む。プロセッサ３０および４０は、デジタル信号データをフロントエンド２０から受け取り、デジタル信号を推定パラメータ値に処理し、推定パラメータ値をデジタルバス７０を介してプロセッサ５０および表示器７５に渡す。推定パラメータ値は、当業者には既知の方法で、送信信号の基本波、高調波、分数調波に集中した周波数帯の受信信号を使用して作成することができる。

表示器７５は、表示器プロセッサ８０によって実行されるスキャン変換機能、カラーマッピング機能、および組織／血流アービトレーション機能を含み、表示器プロセッサ８０はデジタルパラメータ値をプロセッサ３０、４０、および５０から受け取り、デジタルデータを表示のために処理し、マッピングし、フォーマットし、デジタル表示データをアナログ表示信号に変換し、アナログ表示信号をモニタ９０へと渡す。モニタ９０は表示器プロセッサ８０からのアナログ表示信号を受け取り、結果として得られる画像をモニタ上で操作者に表示する。

ユーザインターフェース６０は、操作者が制御プロセッサ５０を通して超音波機械５にユーザーコマンドを入力できるようにする。ユーザインターフェース６０は、キーボード、マウス、スイッチ、つまみ、ボタン、トラックボール、およびオンスクリーンメニューを含む。

タイミングイベント源６５を使用して、対象物の心臓波形を表す心臓タイミングイベント信号６６が生成される。心臓タイミングイベント信号６６は制御プロセッサ５０を通して超音波機械５に入力される。

少なくとも一実施形態では、制御プロセッサ５０は、超音波機械５の中央プロセッサであり、デジタルバス７０を介して超音波機械５の他の様々な部品と接続する。制御プロセッサ５０は様々な撮像および診断モードのための様々なデータアルゴリズムおよび機能を実行する。デジタルデータおよびコマンドは、制御プロセッサ５０と超音波機械５の他の様々な部品の間で送受信することができる。代替実施形態として、制御プロセッサ５０によって実行される機能は複数のプロセッサによって実行することもでき、プロセッサ３０、４０、または８０、あるいはそれらの組合せに統合することもできる。他の実施形態として、プロセッサ３０、４０、５０、および８０の機能を単一のＰＣバックエンドに統合することもできる。

心臓のある解剖学的指標が認識されると（例えば、２００２年１２月１７日に出願された米国特許出願第１０／２４８，０９０号に記載されているようにＡＶ平面および心尖部など）、本発明の様々な態様によれば、その後の臨床的関連情報の収集を最適化するためにある収集パラメータを超音波機械５によって自動的に調整することができる。上述の超音波機械５の様々なプロセッサを使用して様々な収集パラメータの調整および位置決めを行うことができる。

図２は、本発明の様々な態様による、図１の超音波機械５によって実行される方法２００の一実施形態のフローチャートを示す。ステップ２０１では、心臓を撮像しながら解剖学的指標（例えばＡＶ平面および心尖部）の位置が認識され、または検出される。ステップ２０２では、収集パラメータが、検出され、認識された解剖学的指標の位置に少なくとも部分的に基づいて自動的に調整される。少なくとも一実施形態では、少なくとも１つの収集パラメータを調整することは、少なくとも１つの解剖学的指標および解剖学的指標に関する領域で収集された超音波データに応答している。

本明細書で定義される収集パラメータは例えば、超音波画像の深度設定、超音波画像の幅設定、関心領域（ＲＯＩ）の位置、超音波機械のパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）設定、超音波機械のゲイン設定、超音波機械の適応ゲイン設定、超音波機械の少なくとも１つの送信フォーカス位置、および３Ｄ収集領域の位置、あるいはそれらの組合せを含む。

図３は、本発明の様々な実施形態による、図１の超音波機械５で図２の方法２００を使用して、心臓内の解剖学的指標を自動的に検出した後で収集パラメータを調整することを示す図である。図３は、表示された心臓のＢモード画像３００が心臓の解剖学的指標の位置および様々な収集パラメータも表示していることを示す。表示された解剖学的指標は、心尖部位置３０１、第１のＡＶ平面位置３０２、および第２のＡＶ平面位置３０３を含む。表示された収集パラメータは、Ｂモード画像３００の深度設定３０４、Ｂモード画像３００の幅設定３０５、位置決めされた関心領域（ＲＯＩ）または３Ｄ収集領域３０６、超音波機械５のパルス繰返し周波数（ＰＲＦ）設定３０７、超音波機械５のゲイン設定３０８、超音波機械５の位置決めされた送信フォーカス３０９、およびＢモード画像３００のグレースケールマッピング３１０を含む。

例えば、深度３０４および／または幅３０５は、実際の心臓の大きさに対して適切なＢモード画面を得るために、心尖部３０１およびＡＶ平面３０２および３０３の位置をもとにして超音波機械５で調整することができる。例えば、深度３０４および幅３０５設定は、表示されたＢモード画像が実際の大きさになるように調整することもできる。適切な深度および幅設定は心尖部およびＡＶ平面位置の相対位置から計算される。

別の例として、例えばＡＶ平面３０２を検出した後、カラー血流ＲＯＩ３０６をＡＶ平面３０２上に自動的に配置して、ＡＶ平面位置付近の僧帽弁血流を視覚化することができる。あるいは、例えばＡＶ平面３０２検出の一環として、ＡＶ平面３０２の周辺領域における最速の組織速度を判定し、それを使用してＰＲＦ設定３０７を自動的に調整し、最速の速度が例えば組織速度イメージング（ＴＶＩ）のＲＯＩ３０６になるようにすることもできる。

他の例として、ゲイン設定、適応ゲイン設定、および／またはグレースケールマッピングを調整して、画像３００内で認識された解剖学的位置での既知の伝達関数を得ることができる。このような方法はグレースケールマッピングを標準化するのに役立ち、画像の視覚的外観にとって有益であり、また例えばエッジ検出などのために実行され得るその後の自動化された手順における変動を低減するのに有益である。

送信フォーカス３０９の位置を、例えばＡＶ平面３０３の（深度の）位置を追うように自動的に調整することができる。その結果、ＡＶ平面３０３の水平方向の最良解像度を維持することができる。あるいは、複数の送信フォーカスの位置を、例えば心尖部３０１とＡＶ平面３０２の間の画質を最大化するために２つの位置の間で画像３００の深度について調整することができる。

心臓３Ｄの主な適用の１つは、心臓弁のレンダリングへの適用である。ＡＶ平面位置の認識を使用して、収集ＲＯＩ（例えば３０６）をより最適な位置に位置決めすることによって心臓弁の３Ｄ収集を向上させることができる。

図４は、本発明の実施形態による、情報を抽出する２つの長軸Ｍモードを２つのＡＶ平面位置を通して図２の方法２００を使用してプリセットする図を示している。図４は、本発明の実施形態による、心臓４００内の２つのＭモードにおける長軸のＡＶ動作を表示するために２つの長軸Ｍモード４０３および４０４を２つのＡＶ平面位置４０１および４０２を通してプリセットする方法を示している。

図５は、本発明の実施形態による、心筋セグメント内を心尖部からＡＶ平面に至る、情報を抽出する湾曲Ｍモードを図２の方法２００を使用してプリセットする図を示している。図５は、本発明の実施形態による、心筋中央部５０３内の心尖部５０１からＡＶ平面５０２に至る湾曲Ｍモード５０４を、指標を単独で使用してまたは局所画像分析と組み合わせて、心臓５００内の心筋５０３内部の湾曲５０４を保持するようにプリセットする方法を示している。

図６は、本発明の実施形態による、情報を抽出するドプラサンプルボリュームを検出された解剖学的指標に対して図２の方法２００を使用してプリセットする図を示している。図６は、ドプラ測定のためのサンプルボリューム６０３を、心臓６００内の検出された指標６０１（心尖部）および６０２（ＡＶ平面）に対して、プリセットする方法を示している。このような技法は血流の検査および心筋機能の測定のために、ＰＷおよびＣＷドプラに応用することができる。

本発明の少なくとも１つの実施形態によれば、これらの臨床的関連位置からの情報を抽出する関心領域（ＲＯＩ）を解剖学的指標に対してプリセットすることができる。抽出された情報は１つまたは複数の経時的ドプラ情報、経時的速度情報、経時的歪み率情報、経時的歪み情報、Ｍモード情報、変形情報、変位情報、およびＢモード情報を含むことができる。

本発明の実施形態によれば、Ｍモード、湾曲Ｍモード、サンプルボリューム、およびＲＯＩの位置を、その位置の動きをフォローするために追跡することができる。さらに、解剖学的指標および／または臨床的関連位置の上に標点を重ね合わせて、指標および／または位置の場所を明確に表示することができる。

図７は、本発明の実施形態による、関連する心内膜についての情報を抽出するようにエッジ検出を行う心筋セグメント内の点のセットを、図２の方法２００を使用して定義する図を示している。心内膜のエッジの自動検出は困難な作業である。図７は、エッジ検出のための良好なＲＯＩを定義する、または動的輪郭などのエッジ検出アルゴリズムとともに実際の境界を調べるために使用することができる初期推定を実行するために、本明細書で述べた技法（すなわち、湾曲Ｍモード検出と同様）を使用する方法を示している。図７は、心尖部７０１およびＡＶ平面７０２を認識する心臓７００の２つのビューを示す。解剖学的指標に基づいて心臓７００の心筋セグメントのほぼ内側を推定する輪郭７０３が、心尖部およびＡＶ平面の位置を追跡しながら描出される。次いで開始点のセットとして輪郭を使用するエッジ検出技法を使用して、心内膜のエッジ検出を実行することができる。

本発明の代替実施形態によれば、例えば中間セグメントおよび心基セグメントの下部など、他の心臓内の位置を認識し、それを使用してある収集パラメータを調整することもできる。

以上、本発明をある実施形態を参照して述べたが、本発明の範囲から逸脱せずに様々な変更を行うことができ、同等物で代替させることができることが当業者には理解されよう。さらに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の範囲から逸脱せずに多くの修正を行うこともできる。したがって、本発明は開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に該当するすべての実施形態を含むものである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明の様々な態様に従って製造される、超音波機械またはデバイスの実施形態の図である。 本発明の様々な態様による、図１の機械またはデバイスで実行される方法の一実施形態のフローチャートを示す図である。 図１の超音波機械において、本発明の様々な実施形態による、図２の方法を使用して心臓内の解剖学的指標を自動的に検出した後で収集パラメータを調整することを示す図である。 本発明の一実施形態による、２つの長軸Ｍモードを２つのＡＶ平面位置を通して図２の方法を使用してプリセットする図である。 本発明の一実施形態による、心尖部からＡＶ平面へと至る心筋セグメント内で湾曲Ｍモードを図２の方法を使用してプリセットする図である。 本発明の一実施形態による、ドプラサンプルボリュームを検出された解剖学的指標に対して図２の方法を使用してプリセットする図である。 本発明の一実施形態による、エッジ検出を行うために心筋セグメント内に点のセットを図２の方法を使用して定義する図である。

符号の説明

１０ 変換器
１５ アナログインターフェース
２０ フロントエンド
３０ 非ドプラプロセッサ
４０ ドプラプロセッサ
５０ 制御プロセッサ
６０ ユーザインターフェース
６５ タイミングイベント源
６６ 心臓タイミングイベント信号
７０ バス
７５ 表示器
８０ 表示プロセッサ
９０ モニタ

Claims (10)

1. 対象物の心臓内の動いている心臓構造物および血液に応答する画像を生成するための超音波装置（５）において、
   心臓構造物内の少なくとも１つの解剖学的指標を検出するステップと、
   前記少なくとも１つの解剖学的指標の組織速度を決定するステップと、
   前記少なくとも１つの解剖学的指標の前記組織速度に基づいて、前記超音波装置（５）のパルス繰返し周波数を自動的に調整するステップ（２０２）とを含む方法（２００）。
2. 前記調整するステップが、前記少なくとも１つの解剖学的指標および前記解剖学的指標に関連する領域で収集される超音波データに応答する、請求項１記載の方法（２００）。
3. 前記少なくとも１つの解剖学的指標が前記心臓の心尖部および前記心臓のＡＶ平面のうち少なくとも１つを含む、請求項１または２に記載の方法（２００）。
4. 前記少なくとも１つの解剖学的指標の位置情報を生成するステップと、
   前記位置情報に基づいて超音波画像の深度設定（３０４）を調整するステップとを含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法（２００）。
5. 前記位置情報に基づいて超音波画像の幅設定（３０５）を調整するステップを含む、請求項４記載の方法（２００）。
6. 対象物の心臓内の動いている心臓構造物および血液に応答する画像を生成するための超音波装置（５）において、
   超音波を前記動いている心臓構造物および血液へと送信し、前記動いている心臓構造物および血液からの超音波後方散乱に応答して受信信号を生成するように構成されたフロントエンド（２０）と、
   前記心臓構造物内の少なくとも１つの解剖学的指標を検出し、前記少なくとも１つの解剖学的指標の組織速度を決定し、前記少なくとも１つの解剖学的指標の前記組織速度に基づいて、前記超音波装置（５）のパルス繰返し周波数を自動的に調整するように、前記受信信号に応答する少なくとも１つのプロセッサ（３０、４０、５０）とを含む装置（５）。
7. 前記パルス繰返し周波数を調整するとき、前記少なくとも１つのプロセッサ（３０、４０、５０）が、前記少なくとも１つの解剖学的指標および前記解剖学的指標に関連する領域で収集される超音波データに応答する、請求項６記載の装置（５）。
8. 前記少なくとも１つのプロセッサ（３０、４０、５０）が、前記少なくとも１つの解剖学的指標の位置情報を生成し、
   前記少なくとも１つの解剖学的指標の少なくとも１つに重なる前記位置情報および表示印を処理する表示プロセッサ（８０）およびモニタ（９０）をさらに含む、請求項６または７に記載の装置（５）。
9. 前記少なくとも１つの解剖学的指標が、前記心臓の心尖部および前記心臓のＡＶ平面のうち少なくとも１つを含む、請求項６乃至８のいずれかに記載の装置（５）。
10. 前記少なくとも１つのプロセッサ（３０、４０、５０）が、前記位置情報に基づいて少なくとも１つの収集パラメータを調整（２０２）し、
    前記少なくとも１つの収集パラメータが、超音波画像の深度設定（３０４）、超音波画像の幅設定（３０５）、関連領域（ＲＯＩ）の位置（３０６）、超音波装置のゲイン設定（３０８）、超音波装置の適応ゲイン設定、超音波装置の少なくとも１つの送信フォーカス位置（３０９）、前記超音波装置のグレースケールマッピング（３１０）、および３Ｄ収集領域の位置のうち少なくとも１つを含む、請求項６乃至９のいずれかに記載の装置（５）。