CN103945773B - 超声波观测装置、超声波观测装置的动作方法以及超声波观测装置的动作程序 - Google Patents

超声波观测装置、超声波观测装置的动作方法以及超声波观测装置的动作程序 Download PDF

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Abstract

为了能够通过简单的结构来准确地检测被插入到被检体内的人工物的位置并且提高超声波图像中的人工物的视觉识别性，具备：频率分析部，其对从超声波探头接收到的回波信号的频率进行分析，由此计算频谱；特征量计算部，其计算出反映了空间上具有规则结构的人工物所特有的频谱形状的特征量；以及人工物强调图像数据生成部，其根据该特征量来生成对人工物进行了强调显示的图像。

Description

超声波观测装置、超声波观测装置的动作方法以及超声波观测装置的动作程 序
技术领域
本发明涉及一种使用超声波来观测检体的组织的超声波观测装置、超声波观测装置的动作方法以及超声波观测装置的动作程序。
背景技术
在使用超声波来观测被检体内的组织的超声波观测系统中，有时使用用于对被检体的关心部位进行穿刺的作为处置器具的穿刺针。在使用穿刺针的情况下，一边实时地确认其针尖的位置一边准确地对关心部位进行穿刺是非常重要的，要求超声波图像中的针尖的良好的视觉识别性。
以往，作为用于准确地掌握穿刺针的针尖位置的技术，公开了以下技术：通过拍摄人工物得到的参照用信号与接收信号之间的相关运算来对人工物进行强调处理(例如参照专利文献1)。另外，公开了一种通过位置传感器来确定穿刺针的位置的技术(例如参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开2006-175006号公报
专利文献2：日本特开2005-323669号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述专利文献1所记载的技术中，在穿刺针从规定的区域偏离的情况下难以取得相关，用户有可能在图像中看不见针尖。
另外，在上述专利文献2所记载的技术中，由于需要位置传感器，因此系统变得复杂，且价格高昂。
本发明是鉴于上述情况而完成的，目的在于提供一种能够通过简单的结构来准确地检测被插入到被检体内的人工物的位置并且具有能够提高超声波图像中的人工物的视觉识别性的显示参数的超声波观测装置、超声波观测装置的动作方法以及超声波观测装置的动作程序。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题并达到目的，本发明所涉及的超声波观测装置对检体发送超声波并且从接收由上述检体反射的超声波的超声波探头接收超声波的回波信号，对该回波信号实施信号处理，该超声波观测装置的特征在于，具备：频率分析部，其通过对上述回波信号的频率进行分析来计算频谱；特征量计算部，其计算反映了空间上具有规则结构的人工物所特有的频谱形状的特征量；以及人工物强调图像数据生成部，其根据上述特征量来生成对上述人工物进行了强调显示的图像。
本发明所涉及的超声波观测装置的特征在于，在上述发明中，还具备人工物检测部，该人工物检测部根据上述特征量计算部计算出的特征量来检测上述人工物的信息，上述人工物强调图像数据生成部根据上述特征量和上述人工物检测部的检测结果来生成对上述人工物进行了强调的图像。
本发明所涉及的超声波观测装置的特征在于，在上述发明中，上述人工物为在前端部的表面上多个凹部在空间上形成规则图案的穿刺针。
本发明所涉及的超声波观测装置的特征在于，在上述发明中，在将邻接的上述凹部的间隔设为d、将上述超声波的波长设为λ、将对上述穿刺针的表面入射的超声波的入射角设为θ时，上述超声波探头能够接收满足2dsinθ＝nλ的超声波，其中，n为整数。
本发明所涉及的超声波观测装置的特征在于，在上述发明中，上述特征量计算部计算提供从上述频谱的强度的最大值起包含在规定范围内的强度的频带作为特征量。
本发明所涉及的超声波观测装置的特征在于，在上述发明中，上述特征量计算部通过回归分析以二次曲线对处于上述频谱中且包含使上述人工物具有特征的频率的频带进行近似，计算该二次曲线的二次系数作为特征量。
本发明所涉及的超声波观测装置的特征在于，在上述发明中，上述特征量计算部通过回归分析以直线对处于上述频谱中且包含使上述人工物具有特征的频率的频带进行近似，计算该直线的斜率作为特征量。
本发明所涉及的超声波观测装置的特征在于，在上述发明中，上述特征量计算部通过回归分析以直线对处于上述频谱中且包含使上述人工物具有特征的频率的频带进行近似，计算该直线的截距作为特征量。
本发明所涉及的超声波观测装置的特征在于，在上述发明中，还具备特征量信息存储部，该特征量信息存储部存储作为上述特征量计算部计算特征量时所需的信息的特征量信息，上述特征量计算部根据上述特征量信息存储部所存储的信息来计算特征量。
本发明所涉及一种超声波观测装置的动作方法，该超声波观测装置对检体发送超声波并且从接收由上述检体反射的超声波的超声波探头接收回波信号，对该回波信号实施信号处理，该超声波观测装置的动作方法的特征在于，包括：频率分析步骤，通过由频率分析部对上述回波信号的频率进行分析来计算频谱；特征量计算步骤，由特征量计算部计算反映了空间上具有规则结构的人工物所特有的频谱形状的特征量；以及人工物强调图像数据生成步骤，由人工物强调图像数据生成部根据上述特征量来生成对上述人工物进行了强调显示的图像。
本发明所涉及一种超声波观测装置的动作程序，该超声波观测装置对检体发送超声波并且从接收由上述检体反射的超声波的超声波探头接收回波信号，对该回波信号实施信号处理，该超声波观测装置的动作程序的特征在于使该超声波观测装置执行以下步骤：频率分析步骤，通过由频率分析部对上述回波信号的频率进行分析来计算频谱；特征量计算步骤，由特征量计算部计算反映了空间上具有规则结构的人工物所特有的频谱形状的特征量；以及人工物强调图像数据生成步骤，由人工物强调图像数据生成部根据上述特征量来生成对上述人工物进行了强调显示的图像。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种超声波观测装置、超声波观测装置的动作方法以及超声波观测装置的动作程序，计算反映了空间上具有规则结构的人工物所特有的频谱形状的特征量，根据该特征量来生成对人工物进行了强调显示的图像，因此能够通过简单的结构来准确地检测被插入到被检体内的人工物的位置，并且具有能够提高超声波图像中的人工物的视觉识别性的显示参数。
附图说明
图1是示意性地表示具备本发明的一个实施方式所涉及的超声波观测装置的超声波观测系统的结构的图。
图2是示意性地表示超声波内窥镜的插入部前端部的结构的图。
图3是表示本发明的一个实施方式所涉及的超声波观测装置的结构的框图。
图4是表示回波信号的接收深度与放大率之间的关系的图。
图5是表示由本发明的一个实施方式所涉及的超声波观测装置所具备的放大校正部进行的放大处理中的接收深度与放大率之间的关系的图。
图6是表示由本发明的一个实施方式所涉及的超声波观测装置所具备的频率分析部计算出的频谱的例子的图。
图7是示意性地表示由本发明的一个实施方式所涉及的超声波观测装置所具备的衰减校正部进行的衰减校正处理的概要的图。
图8是表示穿刺针的前端部的结构的局部放大图。
图9是示意性地表示穿刺针的前端部中的散射波相互增强的状况的图。
图10是表示B模式图像中的点状区域的回波信号的频谱(第一例)的图。
图11是表示B模式图像中的点状区域的回波信号的频谱(第二例)的图。
图12是说明本发明的一个实施方式中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要(第一例)的图。
图13是说明本发明的一个实施方式中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要(第二例)的图。
图14是表示超声波内窥镜系统的处理概要的流程图。
图15是表示由频率分析部进行的处理概要的流程图。
图16是示意性地表示一个声线的数据排列的图。
图17是表示由显示装置显示的人工物强调图像的显示例的图。
图18是说明本发明的一个实施方式的变形例1中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要(第一例)的图。
图19是说明本发明的一个实施方式的变形例1中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要(第二例)的图。
图20是说明本发明的一个实施方式的变形例2中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要(第一例)的图。
图21是说明本发明的一个实施方式的变形例2中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要(第二例)的图。
图22是说明本发明的一个实施方式的变形例3中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要(第一例)的图。
图23是说明本发明的一个实施方式的变形例3中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要(第二例)的图。
图24是表示由本发明的一个实施方式的变形例4所涉及的超声波观测装置的特征量信息存储部存储的特征量信息(第一例)的图。
图25是表示由本发明的一个实施方式的变形例4所涉及的超声波观测装置的特征量信息存储部存储的特征量信息(第二例)的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明用于实施本发明的方式(以下称为“实施方式”)。
图1是示意性地表示作为具备本发明的一个实施方式所涉及的超声波观测装置的超声波观测系统的一例的超声波内窥镜系统的结构的图。该图示出的超声波内窥镜系统1具备：超声波内窥镜2，其能够插入到被检体内，具有发送脉冲状的超声波、另一方面接收在外部反射的超声波(回波)的功能，并且具有通过拍摄被摄体来生成图像信号的功能；超声波观测装置3，其对从超声波内窥镜2接收到的电回波信号实施规定的处理来生成超声波图像；内窥镜观察装置4，其根据由超声波内窥镜2生成的图像信号来生成内窥镜图像；显示装置5，其使用由液晶或者有机EL等构成的显示面板来实现，能够显示由超声波观测装置3和内窥镜观察装置4生成的图像；光源装置6，其用于提供从超声波内窥镜2的前端向外部射出的照明光；超声波线缆7，其用于将超声波内窥镜2与超声波观测装置3电连接；视频线缆8，其用于将超声波内窥镜2与内窥镜观察装置4电连接；以及光纤线缆9，其用于将超声波内窥镜2与光源装置6连接，具有将由光源装置6产生的照明光提供给超声波内窥镜2的光纤。
超声波内窥镜2具有被插入到体内的插入部21、与插入部21的基端侧连结的操作部22、从操作部22延伸的通用线缆23以及设置于通用线缆23的前端部的连接器24。
插入部21具有被设置于前端的超声波探头211、与超声波探头211相连结并由硬质部件构成的硬性部212、以能够弯曲的方式与硬性部212的基端侧相连结的弯曲部213以及被设置于弯曲部213的基端侧并且具有挠性的挠性管部214。在插入部21的内部设置有用于传送照明光的光导件以及用于传送各种电信号的多个信号线，并且形成有用于使处置器具贯通的处置器具贯通通道(未图示)。
图2是示意性地示出插入部21的前端部的结构的图。超声波探头211为凸面型的超声波探头，具有多个超声波振子按规则排列而成的振子部215。超声波振子具有声透镜、压电元件和整合层，获取对比被检体的体壁更靠内部的超声波断层图像作出贡献的超声波信号。多个超声波振子被排列为形成凸型的圆弧。
在硬性部212的前端部形成有用于使各种处置器具伸出的处置器具通道212a。在图2中示出作为处置器具的穿刺针101从处置器具通道212a伸出的情况。根据插入部21的种类来决定穿刺针101从处置器具通道212a伸出的伸出角度。此外，还能够将用于调整穿刺针101的伸出角度的机构设置于插入部21。
超声波探头211具有将从超声波观测装置3接收到的电脉冲信号变换为超声波脉冲(声脉冲信号)并且将在外部的检体处反射的超声波回波变换为电回波信号的功能。由超声波探头211变换得到的回波信号经由超声波线缆7被发送到超声波观测装置3。此外，超声波探头211中的超声波振子的扫描方式可以是电子扫描方式也可以是机械扫描方式。
在硬性部212的前端部设置有摄像元件(未图示)，该摄像元件对位于规定的视野区域的被摄体进行拍摄而生成内窥镜图像用的图像信号。由摄像元件生成的摄像信号经由视频线缆8被发送到内窥镜观察装置4。
从硬性部212的前端部能够照射由光源装置6提供的照明光。具体地说，在硬性部212的前端部设置有照明窗(未图示)，该照明窗用于照射从光源装置6传送过来的照明光。
操作部22具有：弯曲手柄221，其在上下方向或者左右方向上对弯曲部213进行弯曲操作；多个操作部件222，其用于进行各种操作；以及处置器具插入口223，其与形成于插入部21内的处置器具用贯通通道连通，用于将处置器具插入到处置器具用贯通通道。
在通用线缆23中贯通有用于传递电信号的多个信号线、用于传送照明光的光纤等(未图示)。
连接器24用于与超声波观测装置3、内窥镜观察装置4以及光源装置6之间分别经由超声波线缆7、视频线缆8以及光纤线缆9进行信号的发送和接收。
接着，说明超声波观测装置3的结构。图3是表示超声波观测装置3的结构的框图。该图示出的超声波观测装置3是从超声波探头211接收回波信号并对该回波信号实施信号处理的装置。超声波观测装置3具备：发送和接收部31，其与超声波内窥镜2和显示装置5之间进行电信号的发送和接收；运算部32，其对从超声波内窥镜2接收到的回波信号实施规定的运算；图像处理部33，其生成与回波信号对应的图像数据；输入部34，其使用键盘、鼠标、触摸面板等的接口来实现，接收各种信息的输入；存储部35，其存储用于进行利用超声波的检体观测的各种信息；以及控制部36，其对超声波观测装置3进行动作控制。
发送和接收部31与超声波探头211电连接，将脉冲信号发送到超声波探头211，并且从超声波探头211接收回波信号。具体地说，发送和接收部31根据预先设定的波形和发送定时来生成脉冲信号，将所生成的该脉冲信号发送到超声波探头211。
发送和接收部31具有对回波信号进行放大的回波信号放大部311。具体地说，回波信号放大部311进行STC(Sensitivity Time Control：灵敏度时间控制)校正，回波信号的接收深度越大，以越高的放大率进行放大。图4是表示回波信号的接收深度与放大率之间的关系的图。图4示出的接收深度z是根据从超声波的接收开始时间点起的经过时间而计算出的量。如图4所示，在接收深度z小于阈值zth的情况下，放大率β(dB)随着接收深度z的增加而从β0向βth(>β0)线性增加。另外，在接收深度z为阈值zth以上的情况下，放大率β取固定值βth。阈值zth的值是从检体接收的超声波信号大部分衰减而噪声处于支配地位的值。更通常地，在接收深度z小于阈值zth的情况下，放大率β随着接收深度z的增加而单调增加即可。
发送和接收部31在对由回波信号放大部311放大得到的回波信号实施滤波等处理之后，通过实施A/D变换来生成数字RF信号并输出。此外，在超声波探头211为使多个超声波振子进行电扫描的探头的情况下，发送和接收部31具有与多个超声波振子对应的束合成用的多通道电路。
运算部32具有：放大校正部321，其对由发送和接收部31输出的数字RF信号进行放大校正，该放大校正使放大率与接收深度无关地成为固定；频率分析部322，其对进行了放大校正的数字RF信号实施高速傅立叶变换(FFT)来进行频率分析，由此计算出频谱；衰减校正部323，其对由频率分析部322计算出的频谱进行衰减校正处理，该衰减校正处理用于削减依赖于超声波的接收深度和频率的超声波的衰减的贡献；特征量计算部324，其计算反映了空间上具有规则结构的人工物所特有的频谱形状的特征量作为反映了由衰减校正部323实施衰减校正所得到的频谱的特征量；以及人工物检测部325，其根据由特征量计算部324计算出的特征量，将来自空间上具有规则结构的人工物的反射信号检测为该人工物的信息。
图5是表示由放大校正部321进行的放大处理中的接收深度与放大率之间的关系的图。如图5所示，由放大校正部321进行的放大处理中的放大率在接收深度z为零时成为最大值βth-β0，直到接收深度z从零到达阈值zth为止线性减少，在接收深度z为阈值zth以上时为零。放大校正部321通过这样决定的放大率对数字RF信号进行放大校正，由此抵消回波信号放大部311中的STC校正的影响，能够输出固定放大率βth的信号。此外，放大校正部321的接收深度z与放大率β之间的关系根据回波信号放大部311中的接收深度与放大率之间的关系不同而不同，这是不言而喻的。
频率分析部322对于各声线(行数据)，对由规定的数据量构成的FFT数据群进行高速傅立叶变换，由此计算出声线上的多个位置(数据位置)处的频谱。频谱示出根据检体的组织性状不同而不同的趋势。这是由于，频谱与作为散射超声波的散射体的检体的大小、密度、声阻抗等具有相关性。在本实施方式中，“组织性状”是指例如癌症、内分泌肿瘤、粘液性肿瘤、正常组织、脉管等中的任一个。
图6是表示由频率分析部322计算出的频谱的例子的图。在图6中，横轴f为频率，纵轴I为强度。此外，在此所指“强度”是电压、电力、声压、声能等参数中的任一个。在图6示出的频谱曲线C1中，频谱的下限频率fLOW和上限频率fHIGH是根据超声波探头211的频带、由发送和接收部31发送的脉冲信号的频带等而决定的参数，例如fLOW＝3MHz、fHIGH＝10MHz。在本实施方式中，曲线和直线由离散的点的集合构成。
图7是示意性地示出由衰减校正部323进行的衰减校正处理的概要的图。如图7所示，衰减校正部323进行以下校正：在频谱曲线C1中，对频带内的所有频率f(fLOW<f<fHIGH)的强度I，分别加上通过以下式(1)决定的衰减量A。
A＝2αzf …(1)
在此，α为衰减率，z为超声波的接收深度，f为频率。根据观察对象的种类来决定衰减率α的值。例如，在观察对象为生物体的情况下，为α＝0.0～1.0(dB/cm/MHz)，更优选为α＝0.3～0.7(dB/cm/MHz)。另外，在观察对象为胰腺的情况下，决定为α＝0.6(dB/cm/MHz)。此外，在本实施方式中，还能够设为能够根据来自输入部34的输入来变更衰减率α的值这种结构。
这样通过衰减校正部323进行衰减校正，得到削减了随着超声波的传播产生的衰减的贡献的新频谱曲线C1’。其结果，抑制了在接收深度大的区域内由于衰减的影响而信号强度下降从而图像变暗，能够得到整个画面具有均匀的明亮度的图像。
特征量计算部324计算与以衰减校正部323实施衰减校正后的频谱的峰强度为上限的规定范围(以下称为强度宽度)对应的频率的带宽作为特征量。
人工物检测部325根据由特征量计算部324计算出的特征量，将来自空间上具有规则结构的人工物的反射信号检测为人工物的信息。作为空间上具有规则结构的人工物，例如可举出后述的穿刺针101、超声波标记器等。
图像处理部33具有：B模式图像数据生成部331，其根据回波信号来生成B模式图像数据；以及人工物强调图像数据生成部332，其在人工物检测部325检测出来自人工物的反射信号的情况下，生成对该人工物的位置进行强调显示的人工物强调图像数据。从超声波内窥镜2接收的回波信号是基于极坐标的数据。因此，图像处理部33生成将极坐标变换为正交坐标而附加到各像素的图像数据。
B模式图像数据生成部331对数字信号进行带通滤波、对数变换、增益处理、对比度处理等使用了公知技术的信号处理，并且进行数据的间隔剔除等，由此生成B模式图像数据，其中，与根据显示装置5中的图像的显示范围而决定的数据步长相应地进行数据的间隔剔除。B模式图像例如是使作为颜色空间采用RGB表色系的情况下的变量即R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)的值一致的灰度图像。用户能够通过输入部34来任意地设定B模式图像中的关心区域。
人工物强调图像数据生成部332通过对人工物附加容易与其周围部分区分的颜色或者将人工物的亮度设为大于其周围的部分的亮度来生成人工物强调图像数据。
输入部34使用键盘、鼠标、触摸面板等的接口来实现。输入部34接收信息的输入，该信息是观察由图像处理部33生成的图像的超声波观测装置3的用户指定关心区域的信息。
存储部35具有：放大率信息存储部351，其存储回波信号放大部311和放大校正部321进行放大处理时参照的放大率的信息；窗函数存储部352，其存储频率分析部322进行频率分析处理时使用的窗函数；校正信息存储部353，其存储衰减校正部323进行处理时参照的校正信息(包含式(1))；以及特征量信息存储部354，其存储人工物检测部325检测人工物时参照的与特征量有关的信息。
放大率信息存储部351存储图4和图5示出的放大率与接收深度之间的关系。窗函数存储部352存储Hamming、Hanning、Blackman等窗函数中的至少一个窗函数。
存储部35使用预先存储了超声波观测装置3的动作程序、启动规定的OS的程序等的ROM以及存储各处理的运算参数、数据等的RAM等来实现。
控制部36使用具有运算和控制功能的CPU来实现。控制部36从存储部35读出由存储部35存储、保存的信息以及包含超声波观测装置3的动作程序的各种程序，执行与超声波观测装置3的动作方法相关联的各种运算处理，从而统一控制超声波观测装置3。
此外，也能够将超声波观测装置3的动作程序记录到硬盘、快闪存储器、CD-ROM、DVD-ROM、软盘等计算机可读取的记录介质而广泛流通。
接着，说明作为应用于超声波内窥镜系统1的处置器具的穿刺针101的前端部的结构。图8是穿刺针101的前端部的局部放大图。在穿刺针101的前端部，多个大致呈凹球面状的微小的凹部102在空间上形成规则图案。为了高效率地散射从超声波探头211发送的超声波使得容易通过B模式图像来描绘而设置多个凹部102。在图8示出的情况下，以邻接的凹部102的间隔完全相等的方式形成有多个凹部102。
当对穿刺针101发送超声波时，各凹部102使声波散射而如点声源那样发挥功能。当将由超声波探头211发送的超声波(发送波)的波长设为λ、将相邻的凹部102的间隔设为d、将对穿刺针101的表面入射的发送波的入射角(发送波的入射方向与穿刺针101的表面的法线方向所形成的角)设为θ时，关于穿刺针101的前端部的散射波，仅满足以下条件式(2)的波长相互增强(参照图9)。
2dsinθ＝nλ …(2)
在此，右边的n为整数。超声波探头211能够高效率地接收满足式(2)的条件的散射波。
通常，发送波包含各种频率的波，但是满足式(2)的整数n的数量顶多几个。因此，在如穿刺针101的前端部那样空间上具有规则结构的部分处散射的超声波具有窄频带的频谱。因而，超声波观测装置3通过使用频谱进行信号处理，能够将来自穿刺针101的前端部那样的人工物的回波信号与来自生物体组织等的回波信号加以区别。
在以下说明中，设为空间上具有规则结构的人工物为穿刺针101，但是这仅是一例，这是不言而喻的。
接着，说明由超声波观测装置3进行的处理的特征。图10和图11是表示B模式图像中的点状区域的回波信号的频谱的图。具体地说，图10示出点状区域与生物体组织对应的情况下的频谱，图11示出点状区域与穿刺针101的前端部对应的情况下的频谱。该两个频谱是从相同深度获取到的频谱，由传播引起的衰减、向谐波的能量移动等的影响为相同程度。因而，能够说频谱的差异主要是由反射体的性状差异引起的。此外，在此所指的“点状区域”意味着极微小且还包括周围的具有展宽的区域。因此，例如即使是穿刺针101的前端部所处的区域，有时也包含少许其周围的生物体组织的信息。
当将图10示出的谱曲线L1与图11示出的谱曲线L2进行比较时，谱曲线L2呈以频率f0的位置P为峰的形状，与此相对，谱曲线L1在频率f0附近呈向右下的直线状。谱曲线L2的形状是在来自在空间上形成规则图案的部分的反射信号中产生的，认为是由穿刺针101的多个凹部102引起的散射波相互增强的结果。与此相对，在谱曲线L1中，看不到谱曲线L2那样窄频带的峰。这是由于，生物体组织不像穿刺针101的前端部那样在空间上具有规则结构。
图12和图13是说明本实施方式中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要的图。特征量计算部324计算与以频谱的峰值为上限的强度宽度ΔI对应的频率f的带宽Δf作为特征量。人工物检测部325将由特征量计算部324作为特征量而计算出的带宽Δf与阈值Δfth进行比较，由此判断频谱是否为穿刺针101的前端部。具体地说，在带宽Δf小于Δfth的情况下，人工物检测部325判断为该频谱为穿刺针101的前端部的频谱。
图12示出的谱曲线L1的带宽Δf1大于Δfth(Δf1>Δfth)。与此相对，图13示出的谱曲线L2的带宽Δf2小于Δfth(Δf2<Δfth)。在该情况下，人工物检测部325检测为与谱曲线L2对应的物质为穿刺针101的前端部。
这样，超声波观测装置3通过使用频谱，能够在B模式图像中可靠地检测如穿刺针101的前端部那样空间上具有规则结构的人工物。
图14是表示具有上述结构的超声波内窥镜系统1的处理的概要的流程图。首先，超声波内窥镜2通过超声波探头211进行新检体的测量(步骤S1)。
接着，从超声波探头211接收到回波信号的回波信号放大部311对该回波信号进行放大(步骤S2)。在此，回波信号放大部311根据图4示出的放大率β与接收深度z之间的关系来进行放大。
之后，B模式图像数据生成部331使用从发送和接收部31输出的B模式图像用回波信号来生成B模式图像数据(步骤S3)。
接着，控制部36进行控制，使显示装置5显示与由B模式图像数据生成部331生成的B模式图像数据对应的B模式图像(步骤S4)。
之后，在经由输入部34进行关心区域的设定的情况下(步骤S5：“是”)，放大校正部321对从发送和接收部31输出的信号进行校正，使放大率与接收深度无关地成为固定(步骤S6)。在此，放大校正部321根据图5示出的放大率β与接收深度z之间的关系来进行放大处理，此外，还能够将关心区域设定为与B模式图像整体相当的区域。
另一方面，在没有进行关心区域的设定的情况下(步骤S5：“否”)，在通过输入部34输入了结束处理的指示时(步骤S7：“是”)，超声波观测装置3结束处理。与此相对，在没有进行关心区域的设定的情况下(步骤S5：“否”)，在没有通过输入部34输入结束处理的指示时(步骤S7：“否”)，超声波观测装置3返回到步骤S5。
在步骤S6之后，频率分析部322通过FFT运算来进行频率分析，由此计算出频谱(步骤S8)。在该步骤S8中，还能够将图像的全部区域设定为关心区域。
在此，参照图15示出的流程图来详细说明由频率分析部322进行的处理(步骤S8)。首先，频率分析部322将最初成为分析对象的声线的声线编号L设为初始值L0(步骤S21)。例如可以对发送和接收部31最初接收到的声线附加初始值L0，也可以对与通过输入部34设定的关心区域的左右一侧的边界位置对应的声线附加初始值L0。
接着，频率分析部322计算出设定于一个声线上的多个数据位置的全部位置的频谱。首先，频率分析部322设定代表用于进行FFT运算而获取的一系列数据群(FFT数据群)的数据位置Z(相当于接收深度)的初始值Z0(步骤S22)。图16是示意性地示出一个声线的数据排列的图。在该图示出的声线LD中，白色或者黑色的长方形意味着一个数据。以与发送和接收部31进行的A/D变换中的采样频率(例如50MHz)对应的时间间隔使声线LD离散化。在图16中，示出将声线LD的第一个数据设定为数据位置Z的初始值Z0的情况。此外，图16严格来说仅是一例，能够任意地设定初始值Z0的位置。例如，也可以将与关心区域的上端位置对应的数据位置Z设定为初始值Z0。
之后，频率分析部322获取数据位置Z的FFT数据群(步骤S23)，使由窗函数存储部352存储的窗函数作用于获取到的FFT数据群(步骤S24)。通过这样使窗函数作用于FFT数据群，能够避免FFT数据群在边界处不连续，从而能够防止产生伪像。
接着，频率分析部322判断数据位置Z的FFT数据群是否为正常的数据群(步骤S25)。在此，FFT数据群需要具有2的乘方个数据数。以下，将FFT数据群的数据数设为2n(n为正的整数)。FFT数据群为正常是指数据位置Z在FFT数据群中位于从前方起第2n-1个位置处。换言之，FFT数据群为正常是指在数据位置Z的前方存在2n-1-1(设为＝N)个数据而在数据位置Z的后方存在2n-1(设为＝M)个数据。在图16示出的情况下，n＝4(N＝7，M＝8)，FFT数据群F2、F3、FK-1正常，另一方面，FFT数据群F1、FK异常。
在步骤S25中的判断结果是数据位置Z的FFT数据群为正常的情况下(步骤S25：“是”)，频率分析部322转移到后述的步骤S27。
在步骤S25中的判断结果是数据位置Z的FFT数据群不正常的情况下(步骤S25：“否”)，频率分析部322对不足部分插入零数据，由此来生成正常的FFT数据群(步骤S26)。在追加零数据之前使窗函数作用于在步骤S25中判断为不正常的FFT数据群。因此，即使对FFT数据群插入零数据，也不产生数据的不连续。在步骤S26之后，频率分析部322转移到后述的步骤S27。
在步骤S27中，频率分析部322使用FFT数据群来进行FFT运算，由此得到频谱(步骤S27)。作为这种频谱的例子，可举出图6示出的谱曲线C1。
接着，频率分析部322对数据位置Z加上规定的数据步长D而计算出下一个分析对象的FFT数据群的数据位置Z(步骤S28)。期望数据步长D与B模式图像数据生成部331生成B模式图像数据时利用的数据步长一致，但是在想要削减频率分析部322中的运算量的情况下，也可以是比B模式图像数据生成部331所利用的数据步长大的值。在图16中示出D＝15的情况。
之后，频率分析部322判断数据位置Z是否大于最终数据位置Zmax(步骤S29)。最终数据位置Zmax可以是声线LD的数据长度，也可以是与关心区域的下端对应的数据位置。在判断的结果是数据位置Z大于最终数据位置Zmax的情况下(步骤S29：“是”)，频率分析部322对声线编号L增加1(步骤S30)。另一方面，在数据位置Z为最终数据位置Zmax以下的情况下(步骤S29：“否”)，频率分析部322返回到步骤S23。这样，频率分析部322针对一个声线LD，对[{(Zmax-Z0)/D}+1](＝K)个FFT数据群进行FFT运算。在此，[X]表示不超过X的最大整数。
在通过步骤S30增加之后的声线编号L大于最终声线编号Lmax的情况下(步骤S31：“是”)，频率分析部322返回到图14示出的主例程。另一方面，在通过步骤S30增加之后的声线编号L为最终声线编号Lmax以下的情况下(步骤S31：“否”)，频率分析部322返回到步骤S22。
这样，频率分析部322对(Lmax-L0+1)个声线各自进行K次的FFT运算。此外，例如可以对由发送和接收部31接收到的最终的声线附加最终声线编号Lmax，也可以对与关心区域的左右的任一个边界对应的声线附加最终声线编号Lmax。
接在上述说明的步骤S8的频率分析处理之后，衰减校正部323对由频率分析部322进行FFT运算计算出的频谱进行衰减校正(步骤S9)。衰减校正部323根据数据的采样频率求出数据位置Z，将该数据位置Z代入到上述式(1)的接收深度z，由此计算出超声波的衰减量A。之后，衰减校正部323使用针对每个频率计算出的衰减量A来进行频谱的衰减校正。作为表示由衰减校正部323进行衰减校正得到的结果的具体例，可举出图7示出的谱曲线C1’。
在此，说明由衰减校正部323求出数据位置Z的运算的具体例。在数据的采样频率为50MHz的情况下，采样的时间间隔为1/50(MHz)＝20(nsec)。在此，当将声速设为1530(m/sec)时，数据的采样距离间隔成为1530(m/sec)×20(nsec)/2＝0.0153(mm)。当将从声线LD的第一个数据起到处理对象的FFT数据群的数据位置为止的数据步长数设为k时，将数据位置Z求出为0.0153k(mm)。
接着，特征量计算部324根据在步骤S9中得到的频谱来计算特征量(步骤S10)。具体地说，特征量计算部324计算与以频谱的最大值为上限的强度宽度ΔI对应的带宽Δf作为特征量。
之后，人工物检测部325使用由特征量计算部324计算出的带宽Δf来检测人工物(步骤S11)。具体地说，人工物检测部325将由特征量计算部324计算出的带宽Δf与阈值Δfth的大小进行比较，将Δf<Δfth这样的频谱检测为来自人工物的反射信号的频谱。
接着，人工物强调图像数据生成部332使用由B模式图像数据生成部331生成的B模式图像数据以及人工物检测部325的检测结果来生成人工物强调图像数据(步骤S12)。
之后，控制部36将由人工物强调图像数据生成部332生成的人工物强调图像数据发送到显示装置5(步骤S13)。图17是表示由显示装置5显示的人工物强调图像的显示例的图。该图示出的人工物强调图像201包含强调部202，该强调部202对与穿刺针101的前端部相当的位置进行强调。在人工物强调图像201中，在检测出人工物的情况下，强调显示该人工物，因此在被检体内操作穿刺针101的情况下，用户能够容易且准确地掌握穿刺针101的前端部的位置。
此外，超声波内窥镜系统1也可以周期性地反复进行上述说明的步骤S1～S13的处理。
根据上述说明的本发明的一个实施方式，能够提供一种超声波观测装置、超声波观测装置的动作方法以及超声波观测装置的动作程序，其计算反映了空间上具有规则结构的人工物所特有的频谱形状的特征量，根据该特征量来生成对人工物进行了强调显示的图像(人工物强调显示图像)，因此能够以简单的结构来准确地检测被插入到被检体内的人工物的位置，并且具有能够提高超声波图像中的人工物的视觉识别性的显示参数。
另外，根据本实施方式，生成针对与人工物有关的检测结果进行强调显示的人工物强调图像数据，因此能够提高超声波图像中的人工物的视觉识别性。
另外，根据本实施方式，为了检测人工物而仅在装置内进行信号处理即可，不需要使用其它外部设备、药剂等。因此，也不会强迫用户进行烦杂的操作。
(变形例1)
图18和图19是说明本实施方式的变形例1中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要的图。在本变形例1中，特征量计算部324通过规定的频带FB1＝{f|fmin≤f≤fmax}中的频谱回归分析，使用二次式(抛物线)进行近似，作为特征量计算近似抛物线的平方系数。在此，将频带FB1设定为作为要素包含峰频率f0，在该峰频率f0处提供穿刺针101前端部的频谱中的强度的峰。此外，设为在特征量信息存储部354中预先存储峰频率f0和频带FB。
使用以下式(3)来提供频带FB1的近似抛物线。
I＝p(f-fa)2+q …(3)
在此，为fa∈F。另外，平方系数p的绝对值|p|越大，则抛物线呈越展开的形状。例如，当将图18示出的生物体组织的近似抛物线Pb1与图19示出的穿刺针101的前端部的近似抛物线Pb2进行比较时，近似抛物线Pb1的|p|的值大。
在本变形例1中，人工物检测部325将阈值|pth|与平方系数p的绝对值|p|进行比较，将满足|p|<|pth|的近似抛物线的频谱检测为来自人工物的频谱。
(变形例2)
图20和图21是说明本实施方式的变形例2中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要的图。在本变形例2中，特征量计算部324通过回归分析，用直线近似以峰频率f0为最大值的频带FB2＝{f|f1≤f≤f0}，作为特征量计算出近似直线的斜率(一次系数)。此外，设为在特征量信息存储部354中预先存储峰频率f0和频带FB2。
使用以下式(4)来提供频带FB2的近似直线。
I＝af+b …(4)
在此，当将图20示出的生物体组织的近似直线Sl1与图21示出的穿刺针101前端部的近似直线Sl2进行比较时，近似直线Sl2具有正的斜率(a>0)，另一方面，近似直线Sl1具有负的斜率(a<0)。
在本变形例2中，人工物检测部325将阈值ath(>0)与近似直线的斜率a进行比较，将满足a>ath的近似直线的频谱检测为来自人工物的频谱。
(变形例3)
图22和图23是说明本实施方式的变形例3中的特征量计算处理和人工物检测处理的概要的图。在本变形例3中，特征量计算部324通过回归分析，用直线近似以峰频率f0为最小值的频带FB3＝{f|f0≤f≤f2}(参照式(4))，作为特征量计算出近似直线的截距b。此外，设为在特征量信息存储部354中预先存储峰频率f0和频带FB3。
当将图22示出的生物体组织的近似直线Sl3与图23示出的穿刺针101前端部的近似直线Sl4进行比较时，近似直线Sl4的从峰起的负的斜率的绝对值大，因此截距的值比近似直线Sl3的大。
在本变形例3中，人工物检测部325将阈值bth(>0)与近似直线的截距b进行比较，将满足b>bth的近似直线的频谱检测为来自人工物的频谱。
此外，在本变形例3中，也可以将求出近似直线的频带设为与变形例2相同的频带FB2。另外，在本变形例3中，也能够将斜率a设为特征量。
(变形例4)
图24是表示本实施方式的变形例4中由特征量信息存储部354存储的特征量信息的图。在本变形例4中，特征量信息存储部354根据超声波内窥镜2(观测器)与穿刺针101的组合来存储强度宽度与带宽的阈值的组合。例如，在将穿刺针A插入到观测器I来使用的情况下，用于检测穿刺针A的强度宽度与带宽的阈值的组合是(ΔI1，Δfth1)。另外，在将穿刺针B插入到观测器II来使用的情况下，用于检测穿刺针B的强度宽度与带宽的阈值的组合是(ΔI3，Δfth3)。
这样，特征量信息存储部354根据超声波内窥镜2与穿刺针101的种类的组合来存储特征量，因此能够根据超声波内窥镜2与穿刺针101的种类进行更高精度的人工物的检测。
图25是表示本变形例4中由特征量信息存储部354存储的特征量信息的其它例的图。在图25示出的情况下，特征量信息存储部354根据超声波内窥镜2(观测器)与穿刺针101的组合设定频带和抛物线的展开(二次系数)的阈值。例如，在将穿刺针A插入到观测器I来使用的情况下，用于检测穿刺针A的频带为{fa，fb}，近似抛物线的二次系数的阈值为|pth1|。另外，在将穿刺针B插入到观测器I来使用的情况下，用于检测穿刺针B的频带为{fc，fe}，抛物线的展开的阈值为|pth3|。在此，{A，B}是指频带为{f|A≤f≤B}。
此外，特征量信息存储部354也可以存储频带与近似直线的斜率或者截距的阈值作为特征量信息。
另外，特征量信息存储部354也可以存储在本变形例4中说明的全部组合作为特征量信息。在该情况下，可以设为能够由用户通过输入部34来任意地选择人工物检测用的特征量，也可以设为由人工物检测部325对所有特征量进行处理，根据其处理结果来检测人工物。在人工物检测部325根据对所有特征量的处理结果来检测人工物的情况下，将针对多个特征量中规定数的特征量判断为是人工物的检测为人工物即可。
此外，与超声波内窥镜2的机型相应地，穿刺针101伸出的角度是固定的，因此也可以存储该伸出的角度作为特征量信息。在该情况下，还能够预先设定穿刺针101伸出的方向的附近区域，将该附近区域设为由特征量计算部324计算特征量的计算对象区域或者设为由人工物强调图像数据生成部332生成人工物强调图像数据的生成对象区域。
(其它实施方式)
目前为止，说明了用于实施本发明的方式，但是本发明并不仅限定于上述实施方式。例如在本发明中，也可以使用频谱的强度的峰值来检测人工物。
另外，在本发明中，鉴于在穿刺针的前端没有形成凹部，也可以与最接近前端的凹部同前端位置之间的距离相应地进行校正而生成人工物强调图像数据。
另外，在本发明中，超声波观测系统也可以是使超声波探头与被检体的体表面接触来进行观察的类型。在该情况下，作为由超声波观测装置设为检测对象的人工物，例如能够举出从被检体的体表面插入到内部的穿刺针。
此外，本发明能够应用为空间上具有规则结构的所有结构的强调显示技术。因而，例如即使是生物体组织，如果空间上具有规则结构，则也能够进行强调显示。
这样，本发明在不脱离权利要求书所记载的技术思想的范围内能够包含各种实施方式。
附图标记说明
1：超声波内窥镜系统；2：超声波内窥镜；3：超声波观测装置；4：内窥镜观察装置；5：显示装置；6：光源装置；7：超声波线缆；8：视频线缆；9：光纤线缆；21：插入部；22：操作部；23：通用线缆；24：连接器；31：发送和接收部；32：运算部；33：图像处理部；34：输入部；35：存储部；36：控制部；101：穿刺针；102：凹部；201：人工物强调图像；202：强调部；211：超声波探头；212：硬性部；212a：处置器具通道；213：弯曲部；214：挠性管部；215：振子部；221：弯曲手柄；222：操作部件；223：处置器具插入口；311：回波信号放大部；321：放大校正部；322：频率分析部；323：衰减校正部；324：特征量计算部；325：人工物检测部；331：B模式图像数据生成部；332：人工物强调图像数据生成部；351：放大率信息存储部；352：窗函数存储部；353：校正信息存储部；354：特征量信息存储部。

Claims (8)

1.一种超声波观测装置，对检体发送超声波并且从接收由上述检体反射的超声波的超声波探头接收超声波的回波信号，对该回波信号实施信号处理，该超声波观测装置的特征在于，具备：
频率分析部，其通过对上述回波信号的频率进行分析来计算频谱；
特征量计算部，其计算反映了空间上具有规则结构的人工物所特有的频谱形状的特征量；以及
人工物强调图像数据生成部，其根据上述特征量来生成对上述人工物进行了强调显示的图像，
其中，上述人工物为在前端部的表面上多个凹部在空间上形成规则图案的穿刺针，以及
在将邻接的上述凹部的间隔设为d、将上述超声波的波长设为λ、将对上述穿刺针的表面入射的超声波的入射角设为θ时，上述超声波探头能够接收满足
2dsinθ＝nλ
的超声波，其中，n为整数。
2.根据权利要求1所述的超声波观测装置，其特征在于，
还具备人工物检测部，该人工物检测部根据上述特征量计算部计算出的特征量来检测上述人工物的信息，
上述人工物强调图像数据生成部根据上述特征量和上述人工物检测部的检测结果来生成对上述人工物进行了强调的图像。
3.根据权利要求1所述的超声波观测装置，其特征在于，
上述特征量计算部计算提供从上述频谱的强度的最大值起包含在规定范围内的强度的频带作为特征量。
4.根据权利要求1所述的超声波观测装置，其特征在于，
上述特征量计算部通过回归分析以二次曲线对处于上述频谱中且包含使上述人工物具有特征的频率的频带进行近似，计算该二次曲线的二次系数作为特征量。
5.根据权利要求1所述的超声波观测装置，其特征在于，
上述特征量计算部通过回归分析以直线对处于上述频谱中且包含使上述人工物具有特征的频率的频带进行近似，计算该直线的斜率作为特征量。
6.根据权利要求1所述的超声波观测装置，其特征在于，
上述特征量计算部通过回归分析以直线对处于上述频谱中且包含使上述人工物具有特征的频率的频带进行近似，计算该直线的截距作为特征量。
7.根据权利要求1所述的超声波观测装置，其特征在于，
还具备特征量信息存储部，该特征量信息存储部存储作为上述特征量计算部计算特征量时所需的信息的特征量信息，
上述特征量计算部根据上述特征量信息存储部所存储的特征量信息来计算特征量。
8.根据权利要求2所述的超声波观测装置，其特征在于，
还具备特征量信息存储部，该特征量信息存储部存储作为上述人工物检测部检测人工物的信息时所需的信息的特征量信息，
上述人工物检测部根据上述特征量信息存储部所存储的特征量信息来检测人工物的信息。
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