JP2004520094A - 超音波トモグラフ - Google Patents

Abstract

透過、散乱及びパルスエコー法により作動する高分解能超音波トモグラフであって、容器壁において壁面全体に亘って固定配置された超音波変換器を有する上部開口容器、容器の中の結合媒質、ならびに作業メモリを有するコンピュータ援用制御及び評価ユニットから成る。本発明の課題は、三次元イメージの再構成の際にリアルタイムでイメージ精度の低下なしに時間分解能の大幅な改善が可能になるように高分解能超音波トモグラフを発展させることである。この課題は、制御及び評価ユニットが超音波変換器に接続され、少なくとも１つの超音波変換器から送信された超音波信号は超音波パルスであり、この超音波パルスが全ての他の超音波変換器によってパラレルに受信され、電気信号として増幅され、フィルタリングされ、デジタル化され、さらに作業メモリにデータセットとして格納されることによって解決される。

Description

【０００１】
本発明は末端部とりわけ女性胸部及び男性生殖器の組織検査のために作動する透過、散乱及びパルスエコー法による超音波トモグラフに関する。
【０００２】
医療技術において超音波検査はますます大きな意義を得ている。一方で、超音波はレントゲンビームによる透過とは対照的に被検組織を損なわない。他方で、他のイメージング方法、例えばレントゲンでは非常に小さいコントラストしか残さないような組織が識別され得る。
【０００３】
医療用超音波機器は基本的に幾つかの超音波変換器を有する音波ヘッドならびに制御及び評価ユニットから成り、この制御及び評価ユニットは超音波変換器に対する制御パルスを送信しならびにこれらの超音波変換器で受信された測定信号を電気信号として受け取り、増幅し、測定の間にディスプレイ上のリアルタイムイメージに再構成する。このようなリアルタイムでの再構成の複雑性は、この場合、医療用超音波機器の個々の超音波変換器の個数だけでなく、相当に再構成における補正可能性も限定してしまう。さらに、音波ヘッドは通常は位置固定されておらず、手動でガイドされる。これらの事実は、とりわけ高い局所分解能及び時間分解能が再構成の際に重要になる超音波マンモグラフィーの際の造影剤検査における可能性を大幅に制限する。付加的な制限は再現可能性の欠如である。
【０００４】
ＵＳ−４４７８０８３にはパルスエコー法による超音波マンモグラフィーのためのシステムが記述されており、このシステムでは女性胸部が適当なやり方で円柱状の容器に上から挿入され、位置決めされている。この容器の円柱状の壁面全体には均一に超音波変換器が固定配置されており、このことから各超音波変換器の主放射方向は容器壁から垂直に容器内部へと配向されることになる（第５段、最終節を参照）。被検胸部の三次元イメージの形成のために評価ユニットが記述されている。この評価ユニットは、被検胸部の領域が定義されて超音波が順次照射されるように接続されており、パルスエコー過程毎に超音波変換器のうちの専ら１つの変換器又は変換器群が超音波パルスの送信のためにも反射音波エコーの受信のためにも電子スイッチを介して選択され、反射音波エコーは時間窓の設定を介してフィルタリングされる。
【０００５】
さらに、ＤＥ２８２７４２３Ａ１では、音波ビームによる物体の内部構造の検出のための装置が記述されており、物体は結合媒質により充填された容器に入れられ、この容器の中で超音波透過法によって超音波を通される。この場合、１つ又は複数の超音波送信器から音波ビームが物体を貫通して受信器として少なくとも１つの超音波変換器に送られ、受信信号が評価ユニットにおいて電子的に後続処理され、格納され、次いで音波屈折率ならびに吸収係数の分布がもとめられる。これと同時に、評価ユニットにおいてドット・マトリクスに基づいて物体のモデルが形成され、このモデルが経験上の測定値と比較され、音波測定の反復繰り返しによって最適化可能であり、これによって個々の断面画像へとさらに処理することができる。提案された実施形態では、音波変換器は容器においてマトリクスをなして円柱状に配置されている。この場合、測定のためには限られた個数の変換器が送信器としても受信器としても電子スイッチによって活性化されなければならず、アクティブな受信器毎にそれぞれ後続の増幅器に場合によっては更なる電子段が設けられている（第２４頁、第２節、参照）。この装置によって、なるほど超音波パルスの透過成分、散乱成分の他にエコー成分も受信可能であるが、評価には使用されない。
【０００６】
これに類似して、ＵＳ５６７３６９７に記述された三次元イメージをもとめるための超音波装置でも物体が壁全体に固定配置された超音波変換器を有する容器に入れられて、これらの超音波変換器のうちの少なくとも１つから１ＭＨｚと５ＭＨｚとの間の超音波周波数を有する超音波が放射される。この場合、他の全ての変換器は次々と電子スイッチを介して導通接続可能な受信器として使用可能であり、その信号は次々と後続処理のために増幅され、記録される。後続処理のために、この場合、受信された超音波パルスの伝播時間、位相及び振幅が使用される。この場合、これらからもとめられた反射特性及び音波速度を介して物体の三次元イメージが生成される。しかし、このシステムは迅速な経過の再構成には適していない。なぜなら、全ての受信器の非同時的な記録が時間分解能を決定的に制限してしまうからである。この結果、この文献にはリアルタイムでの物体の時間経過の再構成可能性は指摘されていない。
【０００７】
本発明の課題は、最後に挙げた従来技術による高分解能超音波トモグラフをさらに発展させて、三次元イメージの再構成の際の時間分解能をリアルタイムでイメージ精度の低減なしに大幅に改善することを可能にすることである。
【０００８】
上記課題は、請求項１記載の高分解能超音波トモグラフによって解決される。超音波トモグラフの有利な実施形態は従属請求項の対象である。
【０００９】
本発明によれば、１つの超音波変換器又は１つの超音波変換器群から発生されるパルスが、全ての、送信器としても接続された超音波変換器によって同時に受信され、そして、測定信号として各超音波変換器毎に別個に増幅器、必要なフィルタならびにＡ／Ｄ変換器を通過した後で作業メモリに格納される。従って、一方で、１つの超音波パルスだけで同時的なデータの全データセットがつくられ、他方で、パルスの送信器として選択された別の超音波変換器による測定過程の間髪を入れない繰り返しによって、すなわち変更されたパースペクティブから、できるだけ短い時間間隔で更なるデータセットが生成され、これらの更なるデータセットは短い繰り返しの連続に基づいて僅少な時間誤差を許容することにより互いに相関される。
【００１０】
例えば、これによって、超音波を使用するマンモグラフィーの枠内で、ダイナミックな造影剤検査が高い時間分解能及び局所分解能で女性胸部の三次元表示をもとにして再構成され、評価される。
【００１１】
本発明の高分解能超音波トモグラフを次に図に基づいて詳しく説明する。
【００１２】
図１は超音波を使用するマンモグラフィーのための高分解能超音波トモグラフの全体構成を示す。
【００１３】
図２は概略的に高分解能超音波トモグラフの任意の超音波変換器２の制御及び評価ユニット８のコンピュータ１０への接続を示す。
【００１４】
図３は三次元イメージの再構成のために必要な個々の処理ステップの概略図を示す。
【００１５】
図１は実施例としてマンモグラフィーを実施するための高分解能超音波トモグラフの全体構造を示す。この全体構造は円柱状の上部開口容器１から成り、この容器１の円柱形状の外套面全体に超音波変換器２が取り付けられている。この容器の開口した側面は上記の使用目的のために患者用寝椅子３の開口部と同一平面に設けられており、マンモグラフィーの間にはうつぶせに患者用寝椅子３に横たわる女性患者５の胸部４が容器１の中に入る。超音波変換器２から胸部４への及びその逆に戻ってくる超音波信号の損失の少ない伝達のために、容器１には結合媒質６、有利にはゲル又は液体が存在し、これが被検胸部４及び超音波変換器２を浸している。
【００１６】
既存の超音波変換器２の各々は自立的に、例えば個別にそれぞれ適当な同軸ケーブル７を介して作業メモリを有するコンピュータ援用制御及び評価ユニット８に接続されている。この制御及び評価ユニット８には胸部４の再構成のイメージング出力のために出力ユニット９、有利にはモニタが装備されている。
【００１７】
図２は任意の超音波変換器２と制御及び評価ユニット８のコンピュータ１０との接続を示す。この場合、超音波変換器は同軸ケーブル７によって電子スイッチ１１に接続されており、この電子スイッチ１１によって超音波変換器２は受信変換器か又は送信変換器として活性化され、導通接続可能である。相応のスイッチング信号をこのスイッチ１１はこの場合直接的に制御線路１２を介してコンピュータ１０から受け取る。
【００１８】
超音波変換器２が送信変換器として活性化されている場合、この変換器はコンピュータのタイマ１４によりトリガされるパルスジェネレータ１３から電気的なパルスを受け取り、この電気的なパルスはこの変換器から衝撃波としてこの超音波変換器の固有周波数で結合媒質へと送出される。
【００１９】
超音波変換器２が受信変換器として活性化されている場合、受信信号がスイッチ１１により増幅器１５へ転送され、この増幅器１５において信号が増幅され、フィルタリングされ、さらにデジタル化されて、デジタルデータとしてコンピュータの作業メモリ１６に転送される。次いで、作業メモリ１６では、受信変換器として活性化された超音波変換器からの全ての同時的なデータがデータセットとして格納される。増幅器における信号のフィルタリングは、有利には、周波数フィルタを用いるバックグラウンドノイズ又は障害信号の除去ならびに例えば時間窓の設定による信号のセレクションに使用され、この場合フィルタ特性はコンピュータ１０から制御線路１７を介して増幅器１５に命令として伝達される。
【００２０】
マンモグラフィーにおける超音波測定の際には導通接続された送信変換器から送出される超音波パルスが全てのアクティブな受信変換器によって受信され、処理され、データセットのデジタルデータの形式で作業メモリに格納される。データセットの個々のデータからコンピュータにおいて被検胸部の三次元表示の再構成が行われる。この場合、１つのデータセットから三次元の瞬間撮影が発生される。
【００２１】
局所分解能は時間分解能の低減によって最適化可能である。例えば、診断のために、高められた局所分解能を有する瞬間撮影が必要である場合には、再構成のために、送信変換器として導通接続されるそれぞれ別の超音波変換器を使用してできるだけ短い時間連続で互いに直ぐに連続する複数の超音波測定からの、すなわちそれぞれ別のパースペクティブからの異なるデータセットも使用できる。しかし、この場合、被検胸部における非常に迅速に経過する現象は再構成において時間に起因する誤差影響として現れるかもしれず、必要ならば除去又は訂正しなければならない。しかし、時間に起因する大きな誤差影響は超音波測定の現実的な繰り返し周波数においては予期する必要はない。例えば、結合媒質及び胸部における約１５００ｍ／ｓの仮定された音波速度ならびに０．５０ｍの最大伝播距離の場合には毎秒２０００回の超音波測定の最大繰り返し周波数が実現可能である。
【００２２】
比較的高い局所分解能のための更に別の方法は、被検胸部における所定の領域の分離を介して提供される。この所定の領域では縮小された時間窓における信号経過だけが評価され、すなわち、相応の比較的高い分解能でデータセットとして記録される。関心領域の座標を増幅器１５への相応の制御信号へ変換することはコンピュータ１０で行われる。
【００２３】
時間経過の再構成のために超音波測定が時間的に予め選択可能な間隔で繰り返され、各データセットが固有の瞬間撮影の基礎である。フィルム投影の場合と同じように、時間経過は一連の再構成された瞬間撮影の表示によって視覚化される。
【００２４】
詳細に言えば、被検胸部又は他の身体部位の三次元イメージの再構成は次ようなパターンに基づいて行われる。
【００２５】
まず最初に、音波パルスが部分球面波として胸部に照射され、これがこの胸部において様々な地点で例えば屈折、偏向又は反射によって散乱され、様々な受信器位置で測定される。次いで、測定空間における一定の音波速度の仮定の下で及び一次反射を専ら考慮することで、音波速度が決定される。この場合、散乱地点の全ての可能な位置は送信器及び受信器を囲む楕円上にあり、その寸法は送信器から楕円上の任意の地点を介して受信器までの測定された音波伝播時間によって決定される。散乱地点の精確な決定のために、異なる受信器による（同一の超音波パルスの）同時測定からの楕円が互いに重ね合わせられる。これらの楕円の交点が散乱地点であり、再構成のためにグレー又はカラーレベルを有するピクセルに割り当てられる。
【００２６】
複数の散乱地点の場合には、１つの受信変換器によって複数の超音波パルスが受信され、これら複数の超音波パルスがまたそれぞれ楕円を生成する。さもなければ、この場合被検胸部の三次元再構成のために同様にできるだけ多数の同時測定からの楕円が使用され、もとめられた散乱地点がグレー又はカラーレベルを有するピクセルに割り当てられる。ノイズ又は他の障害の除去のためには、この場合受信された超音波パルスの位相考察が適している。信号が絶対値としてではなくベクトルとして加算されるならば、例えばこの結果からノイズが平均化される。更に別の方法では再構成の際に受信された信号を振幅及び位相においてヒルベルト変換によって実信号成分及び虚信号成分に変換し、グレーレベルが個別信号のコヒーレントな加算を用いて決定される。
【００２７】
次いでピクセルが容器における各々可能な地点毎にもとめられたグレー又はカラーレベルによって再構成された三次元画像にまとめられる。
【００２８】
この場合、再構成の精確さは次のような影響によって向上する：
−増幅器も結合媒質６及び被検胸部も線形システムとして記述される。
【００２９】
−僅少な音波速度変化。
【００３０】
−胸部の吸収率を計算で決定し、反射再構成法により補正する可能性。
【００３１】
−ホイヘンスの点光源としての散乱中心の記述。
【００３２】
実際には測定及び再構成過程は以下に記述されるステップで行われる（図３参照）。これに対する前提は、被検胸部４が容器１に挿入され、この容器１には胸部及び変換器を完全に浸すために十分な分量の結合媒質が入っていることである。
【００３３】
１． 予備測定
予備測定では数回の測定によって容器１の中の胸部４の位置が結合媒質における皮膚の反射率を利用してもとめられる。次いでサブステップにおいて送信変換器から受信変換器までの既知の伝播路における伝播時間測定を介して結合媒質における温度に依存する音波速度がもとめられ、第２のサブステップにおいて胸部における音波速度がもとめられる。
【００３４】
２． 測定
この場合、既に述べたように、測定過程が何回も予め選択された繰り返し周波数で実施される。この場合、容器１に設置された超音波変換器２が一部は送信変換器として導通接続されるが、しかし全てが受信変換器として導通接続される。この際、超音波パルスをできるだけ部分球面波として送信変換器又は相応に制御可能な変換器群によって容器に照射するようにつとめる。
【００３５】
３． 対数増幅
測定の間に測定された測定信号は、伝播区間に依存する減衰に基づく受信超音波パルスの振幅差異の補償のためにアナログ的に対数増幅される。よって、アナログ対数増幅は、デジタル化（例として８ビットＡ／Ｄ変換器）における分解能を、従って測定のために用意すべきメモリ容量を制限することを可能にする。
【００３６】
４． フィルタリング及び信号処理のパラメータ決定
予備測定のデータに基づいてコンピュータ１０によって相応のフィルタ機能が増幅器１５において活性化される。とりわけこのステップは、ピクセルラスタの選択による三次元再構成の分解能の決定ならびに再構成の際の伝播時間補正のためのこのラスタに結びつけられた音波速度テーブルの算出をも含む。再構成に必要な計算パワーの低減のために、結合媒質及び胸部に対してそれぞれ均一な音波速度をあてがうことが考えられる。さらに、このステップは必要な走査周波数の決定を含み、瞬間撮影の再構成のために同時的なデータセットが十分に足りている場合にはこの走査周波数は前述したように再構成に必要な分解能の低減によっても増大させることができる。
【００３７】
５． 伝播時間及び位相の補正
このステップは温度変化に基づく結合媒質における伝播時間誤差及び位相誤差の補正に使用される。これは測定された信号の伸長又は圧縮によって行われる。
【００３８】
６． 積み重ね（Ｓｔａｐｅｌｎ）及び振幅補正された画像計算
二重に生じる同一の個別データの除去を積み重ね（Ｓｔａｐｅｌｎ）と呼ぶ。例えば、超音波パルスの測定される伝播時間は伝播方向には依存しない、つまり、２つの変換器の間の伝達関数はこれら２つの変換器のうちのどちらが受信変換器として及びどちらが送信変換器として使用されるかには依存しない。振幅補正の際には、ステップ３で示された減衰に依存する粗い補正に対する補足として、既存の誤差影響に関してより微細な調整が、有利にはアクティブな超音波変換器の放射特性に基づいて実施される。これに続いて、三次元イメージの再構成が個別測定毎の楕円の形成による前述のアルゴリズムによって行われる。
【００３９】
７． 色値及び分解能の適応
このステップによって、再構成されるイメージの分解能が必要な程度にまで低減される。さらに、再構成の追加として、色値がより良好な表示可能性のために変更される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
超音波を使用するマンモグラフィーのための高分解能超音波トモグラフの全体構成を示す。
【図２】
概略的に高分解能超音波トモグラフの任意の超音波変換器２の制御及び評価ユニット８のコンピュータ１０への接続を示す。
【図３】
三次元イメージの再構成のために必要な個々の処理ステップの概略図を示す。
【符号の説明】
１ 上部開口容器
２ 超音波変換器
３ 患者用寝椅子
４ 胸部
５ 女性患者
６ 結合媒質
７ 同軸ケーブル
８ 制御及び評価ユニット
９ 出力ユニット
１０ コンピュータ
１１ 電子スイッチ
１２ 制御線路
１３ パルスジェネレータ
１４ タイマ
１５ 増幅器
１６ 作業メモリ
１７ 制御線路

Claims (4)

1. 身体部位及びとりわけ女性の胸部の組織検査のための透過、散乱及びパルスエコー法による高分解能超音波トモグラフであって、
   上部開口容器が設けられ、該上部開口容器には被検身体部位が挿入され、前記上部開口容器は容器壁において壁面全体に亘って固定配置された超音波変換器を有し、該超音波変換器の主放射方向はそれぞれ前記壁面から垂直に容器内部へと配向されており、結合媒質が設けられ、該結合媒質は前記容器に充填されて被検身体部位を浸し、さらに前記結合媒質は前記超音波変換器と被検末端部との間の超音波信号の結合及び伝達に使用され、ならびに作業メモリを有するコンピュータ援用制御及び評価ユニットが設けられ、前記作業メモリは前記開口容器の前記超音波変換器に接続され、
   ａ） 任意の個数の前記超音波変換器が送信器としても受信器としても電子スイッチを介して選択可能であり、
   ｂ） 選択された受信器により受信された信号が電気信号として増幅され、フィルタリングされ、デジタル化され、さらに前記作業メモリにデータとして格納され、
   ｃ） 前記作業メモリに格納されたデータから音波伝播時間がもとめられ、さらにこの音波伝播時間及び幾何学的な関係を介して個々の音波速度がもとめられ、ならびに、多数の領域への容器体積の計算上の分割ならびに異なるデータセットの適当な相関によって音波速度が個々の領域において計算され、
   ｄ）前記個々の領域における音波速度ならびに受信された信号の振幅及び位相変化によって前記容器における全ての可能な反射地点が計算され、ならびに、
   ｅ） 信号は、存在しうる反射地点に対するデータとして全測定から前記容器における各地点毎に合計され、これから各地点毎に合計値の大きさに相応する色値が割り当てられ、これが所望された分解能に応じて三次元再構成におけるそれぞれ少なくとも一つのピクセルに割り当てられる、身体部位及びとりわけ女性の胸部の組織検査のための透過、散乱及びパルスエコー法による高分解能超音波トモグラフにおいて、
   ｆ） 前記送信器から送信される超音波信号は超音波パルスであり、該超音波パルスは全ての受信器によってパラレルに受信され、電気信号として増幅され、フィルタリングされ、さらにデジタル化され、前記作業メモリにデータセットとして格納されることを特徴とする、身体部位及びとりわけ女性の胸部の組織検査のための透過、散乱及びパルスエコー法による高分解能超音波トモグラフ。
2. 作業メモリを有するコンピュータ援用制御及び評価ユニットは開口容器の超音波変換器に接続され、全ての超音波変換器が受信器として活性化されることを特徴とする、請求項１記載の高分解能超音波トモグラフ。
3. 作業メモリを有するコンピュータ援用制御及び評価ユニットは開口容器の超音波変換器に接続され、
   測定過程ができる限り短い時間的な連続においてその都度別の超音波変換器又は変換器群によって繰り返され、これにより測定過程毎にデータセットが生成され、三次元再構成に対する複数のデータセットの使用によりこの三次元再構成は増大する繰り返し周波数でデータセットを増大させる時間分解能を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の高分解能超音波トモグラフ。
4. 作業メモリを有するコンピュータ援用制御及び評価ユニットは開口容器の超音波変換器に接続され、
   再構成において色値をもとめる際に信号の振幅及び位相がヒルベルト変換によって実信号成分及び虚信号成分に変換され、グレーレベル（Ｇｒａｕｓｔｕｆｅｎ）が個別信号のコヒーレントな加算によって決定されることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載の高分解能超音波トモグラフ。

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