長谷川 英之^{1, 2}, 金井 浩^{1, 2}

Hideyuki HASEGAWA^{1, 2}, Hiroshi KANAI^{1, 2}

¹東北大学大学院医工学研究科医工学専攻, ²東北大学大学院医工学研究科電子工学専攻

¹Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University, ²Graduate School of Engineering, Tohoku University

キーワード : diverging beam, parallel beam forming, high-frame-rate imaging, echocardiography

目的：心臓超音波断層法は心臓の診断に広く用いられている．心臓超音波検査により心臓の形状を観察することができ，BモードおよびMモード画像に基づいて駆出率など心臓全体としての機能を評価することができる．また，局所の心機能を評価するために心筋ストレインおよびストレインレートを評価する方法も開発されている．さらに最近，心筋の収縮/弛緩時の壁の変位や心臓弁閉鎖により惹起される振動の伝搬の計測が心筋機能や粘弾性の評価に有用であることが示されている．しかしながら，これらの測定方法は従来の超音波診断装置よりもはるかに高いフレームレートを必要とする．本研究では高フレームレート（300 Hz以上）の心臓超音波断層法を実現するため，並列受信ビームフォーミングに基づいた方法を開発した．方法：フレームレートを高めるために送信角度間隔を6°，1送信当たりの受信ビーム数を16として送信回数を15に減らし，従来のセクタ走査と同等の数および密度の走査線を得られるようにした．さらに，走査線間での送受信感度の差を低減するために，複数の送信をコンパウンドすることによって各走査線を得た．コンパウンドに用いた送信回数は送信ビームの幅を考慮して決定した．送信ビームに関しては，平面波および拡散波について検討を行った．セクタ走査では走査線の間隔がプローブからの距離とともに大きくなるのに対し，平面波の幅は距離とともに増加しないため，距離とともに広くなるセクタ走査における描画範囲に対応できない．一方，拡散波はプローブからの距離とともにビーム幅が広くなるため，平面波よりもセクタ走査における送信ビームに適していることが分かった．結果：ナイロンワイヤを用いて提案法による空間分解能を評価した．拡散波により得られた点拡がり関数の半値幅は従来のビームフォーミングおよび平面波を用いた並列ビームフォーミングにより得られたものよりもやや大きかったが，従来のビームフォーミングにより得られるものに非常に近い点拡がり関数が，送信拡散ビームとコンパウンドによる並列ビームフォーミングにより実現できた．しかし，平面波および拡散波を用いた並列ビームフォーミングの場合には横方向のサイドローブレベルの上昇は認められた．本研究では，23歳健常男性の心臓についても断層像の測定を行った．結論：上昇したサイドローブレベルのために，提案法により得られたBモード断層像のコントラストは劣化したが，横方向描画範囲90°のBモード断層像を，従来のセクタ走査により得られる数十Hzよりははるかに高い316 Hzのフレームレートで測定することができた．

Purpose: Echocardiography is a widely used modality for diagnosis of the heart. It enables observation of the shape of the heart and estimation of global heart function based on B-mode and M-mode imaging. Subsequently, methods for estimating myocardial strain and strain rate have been developed to evaluate regional heart function. Furthermore, it has recently been shown that measurements of transmural transition of myocardial contraction/relaxation and propagation of vibration caused by closure of a heart valve would be useful for evaluation of myocardial function and viscoelasticity. However, such measurements require a frame rate much higher than that achieved by conventional ultrasonic diagnostic equipment. In the present study, a method based on parallel receive beamforming was developed to achieve high-frame-rate (over 300 Hz) echocardiography. Methods: To increase the frame rate, the number of transmits was reduced to 15 with angular intervals of 6 degrees, and 16 receiving beams were created for each transmission to obtain the same number and density of scan lines as realized by conventional sector scanning. In addition, several transmits were compounded to obtain each scan line to reduce the differences in transmit-receive sensitivities among scan lines. The number of transmits for compounding was determined by considering the width of the transmit beam. For transmission, plane waves and diverging waves were investigated. Diverging waves showed better performance than plane waves because the widths of plane waves did not increase with the range distance from the ultrasonic probe, whereas lateral intervals of scan lines increased with range distance. Results: The spatial resolution of the proposed method was validated using fine nylon wires. Although the widths at half-maxima of the point spread functions obtained by diverging waves were slightly larger than those obtained by conventional beamforming and parallel beamforming with plane waves, point spread functions very similar to those obtained by conventional beamforming could be realized by parallel beamforming with diverging beams and compounding. However, there was an increase in the lateral sidelobe level in the case of parallel beamforming with plane and diverging waves. Furthermore, the heart of a 23-year-old healthy male was measured. Conclusion: Although the contrast of the B-mode image obtained by the proposed method was degraded due to the increased sidelobe level, a frame rate of 316 Hz, much higher than that realized by conventional sector scanning of several tens of Hertz, was realized with a full lateral field of view of 90 degrees.