JP2001137244A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成が簡単で、きわめてローコスト化できる
ものでありながら、エリアシングノイズを効果的に除去
する。 【解決手段】 生成したステレオ音響のフォワードおよ
びリバース成分のデジタルデータの列に対して、インタ
ーポレイト回路３１により所定の値を挿入することによ
りデータ間隔を、Ｄ／Ａコンバータ３３の可聴周波数よ
りは十分に高いサンプリング周波数に合わせた後、デジ
タルＦＩＲフィルタ３２に通して超音波スキャンの繰り
返しごとのサンプリングに伴うエリアシングノイズを除
去し、Ｄ／Ａコンバータ３３によりアナログ信号に変換
した後、このＤ／Ａ変換に伴うエリアシングノイズ除去
のためアナログの簡易ローパスフィルタ３４に通す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、超音波を送受し
て被検体内の様子を検査する超音波診断装置に関し、と
くに受信したエコー信号よりステレオ音響信号を生成し
スピーカからステレオ音響を発生させる機能を有する超
音波診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波診断装置では、被検体（患者身
体）内に超音波ビームを送波し、その内部で反射させ、
そのエコーを受信してデータを得て、その患者の病気の
診断に役立てる。受信したエコー信号のドップラー周波
数シフトを求めれば、臓器の動きや速度を計測すること
が可能である。このドップラー周波数シフトのデータか
らステレオ音響データを生成し、これをアナログ信号に
変換してステレオスピーカに送り、ステレオ音響を発生
させ、これを聴取することによって診断することも行わ
れている。

【０００３】ステレオ音響データは、超音波ビームによ
るスキャンの繰り返し周期ごとに生成され、このスキャ
ン周波数でサンプリングされたものということができ
る。このデジタルデータであるステレオ音響データをＤ
／Ａ変換器によってアナログ信号に変換するので、エリ
アシングノイズが生じる。ところが超音波ビームによる
スキャンの繰り返し周波数は３ｋＨｚ程度と一般に低
い。そのため、サンプリングレートのナイキスト周波数
より高い成分のエリアシングノイズの周波数は２０ｋＨ
ｚの可聴周波数域内のものとなって、人間の耳には耳障
りなノイズとして聞こえることになり、これを除去する
必要がある。

【０００４】そこで、従来では、アナログ信号に変換し
た後、アナログ式のフィルタに通してエリアシングノイ
ズを除去するようにしている。すなわち、図２に示すよ
うに、生成したステレオ音響データ（フォワード側ある
いはリバース側）をＤ／Ａコンバータ３３に入力してア
ナログ信号に変換した後、可変カットオフ周波数のロー
バスフィルタ３５に通してスピーカシステム２４に送る
ようにしている。ここでローパスフィルタ３５をカット
オフ周波数を可変できる構成としたのは、スキャンの繰
り返し周波数に対応させるためであり、スキャンの繰り
返し時間は患部や診断目的等に応じて頻繁に設定変更す
るものであるからである。そして、このローパスフィル
タ３５は非常に急峻なカットオフ特性を持つものとする
必要がある。そのため、この可変カットオフ周波数のロ
ーバスフィルタ３５には、通常、スイッチドキャパシタ
フィルタなどが用いられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ような、スキャン周期ごとに作成したステレオ音響デー
タをＤ／Ａ変換した後アナログ式アンチエリアシングフ
ィルタに通すという構成では、スキャン周波数の設定変
更に応じてローパスフィルタ特性を変える必要があるた
め、カットオフ周波数を可変できるフィルタを用いなけ
ればならず、しかも非常に急峻なカットオフ特性が要求
されるので、スイッチドキャパシタフィルタなどを用い
ざるを得ないが、このようなフィルタは構成が複雑で、
価格が高く、ノイズが発生しやすいという欠点があり、
しかも性能的にもあまり高いものは望めないため、どう
してもエリアシングノイズを十分に除去することができ
ないということも問題である。

【０００６】この発明は、上記に鑑み、簡単な構成でか
つローコストでありながら、エリアシングノイズの除去
特性が従来に比べてはるかに優れている、受信したエコ
ー信号よりステレオ音響信号を生成してスピーカからス
テレオ音響を発生させるタイプの超音波診断装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明による超音波診断装置においては、被検体
内に超音波を送波しその内部の反射波を受波する超音波
スキャンを行う超音波送信・受信手段と、超音波スキャ
ンごとに受信したエコー信号を複素検波してＩおよびＱ
成分を得て、これらの所定深さ範囲を積分することによ
りＩおよびＱのドップラー周波数シフトデータを得るド
ップラー抽出手段と、該ＩおよびＱのドップラー周波数
シフトデータからステレオ音響のフォワードおよびリバ
ース成分のデータを生成するステレオ音響生成手段と、
超音波スキャンごとに得られるフォワードおよびリバー
ス成分のデータ列に対しそれぞれ所定の値をインターポ
レイトすることによりデータレートを可聴周波数より十
分に高いものとするサンプリング周波数変換を行う手段
と、サンプリング周波数変換後のフォワードおよびリバ
ースの各成分のデータが入力される、カットオフ周波数
が超音波スキャンの周波数の２分の１とされているデジ
タルフィルタ手段と、該デジタルフィルタ手段から出力
されるフォワードおよびリバースの各成分のデータが入
力される、上記変換後のサンプリングレートに対応する
サンプリング周波数でＤ／Ａ変換を行うＤ／Ａ変換手段
と、該Ｄ／Ａ変換手段から出力されるフォワードおよび
リバースの各成分のアナログ信号が入力される、可聴周
波数よりも低いカットオフ周波数を有する比較的緩やか
なカットオフ特性のアナログローパスフィルタ手段と、
該アナログローパスフィルタ手段を通ったフォワードお
よびリバースの各成分のアナログ信号が送られる音響変
換手段とが備えられることが特徴となっている。

【０００８】生成されたステレオ音響のフォワードおよ
びリバース成分のデータは、超音波スキャンの繰り返し
ごとに１点ずつ得られることになるので、比較的低いサ
ンプリング周波数となる。これらのデータ列に対して所
定値（たとえば０）をインターポレイトすることによ
り、より高いレートのデータに変換する。このデータの
より高いサンプリング周波数というのは、後に送られる
Ｄ／Ａ変換手段のサンプリング周波数に対応しており、
可聴周波数よりも十分に高いものとされる。サンプリン
グ周波数変換後のフォワードおよびリバースの各成分の
データは、カットオフ周波数が超音波スキャンの周波数
の２分の１とされているデジタルフィルタ手段に通さ
れ、超音波スキャンに対応するサンプリングによって生
じるエリアシングが除去される。このフィルタ手段はデ
ジタル処理であり、非常に急峻なカットオフ特性のもの
を容易に得ることができるとともに、超音波スキャンの
周波数設定に合わせてカットオフ周波数を変化させるこ
とも容易である。そのため、エリアシングによって生じ
る高域のノイズ成分をほぼ完全に除去することができ
る。

【０００９】この後、フォワードおよびリバースの各成
分のデータがそれぞれＤ／Ａ変換され、さらにアナログ
のローパスフィルタ手段に通される。このＤ／Ａ変換は
サンプリング周波数が可聴周波数よりも十分に高いもの
として行われるため、そのエリアシングも高い周波数域
で生じるに過ぎず、そのため、アナログのローパスフィ
ルタ手段は、可聴周波数よりも低いカットオフ周波数と
すればよく、しかもカットオフ特性は比較的緩やかなも
のでよい。つまり、このアナログローパスフィルタは簡
易型のもので十分である。このアナログローパスフィル
タをそれぞれ経たフォワードおよびリバースの各成分の
アナログ信号が音響変換手段に送られて音響に変換され
るので、エリアシングノイズを十分に抑制した音響を聴
取することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明の実施の形態に
ついて図面を参照しながら詳細に説明する。図１に示す
超音波診断装置において、プローブ１１は多数の超音波
振動子エレメントを備える。これらエレメントの各々が
ビームフォーマー１２によってパルス駆動され、またこ
れらエレメントの各々からの超音波受信信号がビームフ
ォーマー１２に入力されて増幅される。プローブ１１か
ら超音波ビームを発射するときは、各エレメントをいっ
せいにパルス駆動し、かつそのタイミング（位相）をエ
レメントごとに少しずつずらす。これによって各エレメ
ントから発生する超音波ビームの合成波ビームの方向と
焦点とを定める。受信時には、各エレメントからの受信
信号の各々に所定の遅延時間（位相差）を与えて合成す
ることにより、合成受波超音波ビームの方向と焦点とを
定める。このようなタイミング（遅延、位相）の制御に
より、送信時および受信時の合成超音波ビームの電子的
なフォーミングを行う。

【００１１】ビームフォーマー１２から得られた受信エ
コー信号は複素検波回路１３に入力され、周波数０を中
心とした複素信号（Ｉ成分およびＱ成分）に変換され
る。これらＩ成分およびＱ成分の信号は積分器１４、１
５にそれぞれ入力されて超音波ビームの所定深さ範囲で
の積分がなされる。これにより、超音波ビームのその深
さ位置でのドップラー周波数シフト信号を得ることがで
きる。ここまでをアナログ処理で行うシステムでは、こ
の積分の後、図示しないＡ／Ｄ変換器によるＡ／Ｄ変換
がなされる。あるいは、プローブ１１の各振動子エレメ
ントからのアナログ受信信号をそれぞれ図示しないＡ／
Ｄ変換器によって高速Ａ／Ｄ変換し、ビームフォーマー
１２、複素検波回路１３および積分器１４、１５をデジ
タル処理により構成するようにしてもよい。

【００１２】ドップラー周波数シフトのＩ成分およびＱ
成分のデジタルデータは、まずデジタル前処理回路１６
に通されて、ゆっくりした動きの成分を除くようなハイ
パスフィルタ処理などを受ける。その後、Ｉ成分はヒル
ベルト変換回路１８によりヒルベルト変換され、Ｑ成分
は遅延回路１９に入力されて所定の遅延が与えられる。
これらヒルベルト変換回路１８および遅延回路１９を通
ったＩ成分およびＱ成分のデジタルデータは、加算器２
０および減算器２１に入力されて、和と差が算出され、
ステレオ音響のフォワード成分とリバース成分が生成さ
れる。

【００１３】これらフォワード成分およびリバース成分
のデジタルデータは、それぞれＤ／Ａ変換部２２、２３
に通されてアナログ信号に変換された後、スピーカシス
テム２４に送られる。これらのＤ／Ａ変換部２２、２３
は同一構成であり、それぞれインターポレイト回路３
１、デジタルＦＩＲフィルタ３２、Ｄ／Ａコンバータ３
３および簡易ローパスフィルタ３４を含む。

【００１４】ここで、Ｄ／Ａコンバータ３３は、サンプ
リング周波数がたとえば５０ｋＨｚのように可聴周波数
よりも十分に高い周波数に固定してある。これに対し
て、フォワード成分およびリバース成分のデジタルデー
タは、超音波スキャンの１回ごとに１点しか得られない
から、そのサンプリング周波数は超音波スキャンの周波
数に対応したものとなっており、一般には３ｋＨｚ程度
と低いものである。そのため、インターポレイト回路３
１により所定の値（たとえば０、あるいは直前と同じ
値、または直前と直後のデータの中間の値など）を、フ
ォワード成分およびリバース成分のデジタルデータの列
に対して挿入（インターポレイト）し、データの各点の
間隔を変換して、フォワード成分およびリバース成分の
デジタルデータの間隔をＤ／Ａコンバータ３３のサンプ
リング周波数に合わせる。たとえば、超音波スキャンの
繰返し周期を３００マイクロ秒とした場合、５０ｋＨｚ
のサンプリングレートにするには１４個の「０」を挿入
する。

【００１５】その後、デジタルＦＩＲフィルタ３２に通
してエリアシング成分を除去する。このデジタルＦＩＲ
フィルタ３２は、超音波スキャンの繰り返し周波数の２
分の１の周波数をカットオフ周波数とするもので、これ
により超音波スキャンごとのサンプリングによるエリア
シングノイズを除去する。ここでは次数３８４点のＦＩ
Ｒフィルタを用いており、超音波スキャンの繰り返し時
間が３００マイクロ秒（３．３３ｋＨｚ）の場合、サン
プリングレート５０ｋＨｚに対して０．１３３２の正規
化周波数をカットオフに持つデジタルフィルタ係数を使
用する。このデジタルＦＩＲフィルタ３２は簡単な構成
ながら非常に急峻なカットオフ特性を有するため、エリ
アシング成分をほぼ完全に除去することができる。しか
も、フィルタ係数を変更すればカットオフ周波数を変え
ることができるため、超音波スキャンの繰り返し周波数
の設定に応じることも容易である。

【００１６】このインターポレイトおよびフィルタのデ
ジタル処理は、すべてリアルタイムの演算で行う必要が
あるため、非常に高速な演算回路を用いる必要がある。
専用のフィルタデバイスを使用してもよいし、演算速度
が十分速いならＤＳＰを使用することもできる。この例
ではＤＳＰにより構成している。この例で使用したＤＳ
Ｐでは、フォワードおよびリバースの２チャンネルのフ
ィルタ演算を含めたインターポレイト処理を１５マイク
ロ秒で終了させることができたので、５０ｋＨｚのサン
プリングレートに十分間に合うものとすることができ
た。

【００１７】これらの処理の終わったフォワード成分お
よびリバース成分のデジタルデータは、それぞれＤ／Ａ
コンバータ３３によりアナログ信号に変換され、その
後、簡易ローパスフィルタ３４に通される。このローパ
スフィルタ３４は、Ｄ／Ａ変換に伴うエリアシングノイ
ズを除去するものであるが、Ｄ／Ａコンバータ３３のサ
ンプリング周波数が可聴周波数（２０ｋＨｚ）よりは十
分に高い固定のものであるため、可聴周波数より低い１
５ｋＨｚ程度にカットオフ周波数を固定した、比較的ゆ
るやかなカットオフ特性のもので十分である。そこで、
このフィルタ３４として、ＯＰアンプ１個、抵抗・コン
デンサ各３個ずつで構成された、３次のチェビシェフ型
フィルタなどの簡易型のアナログローパスフィルタを用
いることができる。

【００１８】なお、上記はこの発明の一つの実施形態に
ついての説明であり、この発明の趣旨を逸脱しない範囲
で種々に変更できることはもちろんである。具体的な回
路構成などは別の構成を採用することができる。Ｄ／Ａ
コンバータ３３の前のデジタル処理に、リバーブや残響
処理を入れることも可能であり、こうすることにより音
色の制御も可能となって、より聞き易い音響を得ること
ができる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の超音波
診断装置によれば、Ｄ／Ａ変換後のアナログ信号が通さ
れるアナログローパスフィルタは簡易なものでよい。さ
らにＤ／Ａ変換する前にフォワードおよびリバースの各
成分のデータをそれぞれ通すためのローパスフィルタが
必要であるが、このローパスフィルタはデジタル処理に
よるものであるから非常に急峻なカットオフ特性のもの
とすることが容易で、しかも超音波スキャンの周波数設
定に合わせてカットオフ周波数を変化させることも容易
である。そのため、構成が簡単で、きわめてローコスト
化できるものでありながら、エリアシングノイズを従来
よりも格段に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態を示すブロック図。

【図２】従来例を示すブロック図。

【符号の説明】

１１ プローブ １２ ビームフォーマー １３ 複素検波回路 １４、１５ 積分器 １６、１７ デジタル前処理回路 １８ ヒルベルト変換回路 １９ 遅延回路 ２０ 加算器 ２１ 減算器 ２２、２３ Ｄ／Ａ変換部 ２４ スピーカシステム ３１ インターポレイト回路 ３２ デジタルＦＩＲフィルタ ３３ Ｄ／Ａコンバータ ３４ 簡易ローパスフィルタ ３５ 可変カットオフローバスフィルタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体内に超音波を送波しその内部の反
   射波を受波する超音波スキャンを行う超音波送信・受信
   手段と、超音波スキャンごとに受信したエコー信号を複
   素検波してＩおよびＱ成分を得て、これらの所定深さ範
   囲を積分することによりＩおよびＱのドップラー周波数
   シフトデータを得るドップラー抽出手段と、該Ｉおよび
   Ｑのドップラー周波数シフトデータからステレオ音響の
   フォワードおよびリバース成分のデータを生成するステ
   レオ音響生成手段と、超音波スキャンごとに得られるフ
   ォワードおよびリバース成分のデータ列に対しそれぞれ
   所定の値をインターポレイトすることによりデータレー
   トを可聴周波数より十分に高いものとするサンプリング
   周波数変換を行う手段と、サンプリング周波数変換後の
   フォワードおよびリバースの各成分のデータが入力され
   る、カットオフ周波数が超音波スキャンの周波数の２分
   の１とされているデジタルフィルタ手段と、該デジタル
   フィルタ手段から出力されるフォワードおよびリバース
   の各成分のデータが入力される、上記変換後のサンプリ
   ングレートに対応するサンプリング周波数でＤ／Ａ変換
   を行うＤ／Ａ変換手段と、該Ｄ／Ａ変換手段から出力さ
   れるフォワードおよびリバースの各成分のアナログ信号
   が入力される、可聴周波数よりも低いカットオフ周波数
   を有する比較的緩やかなカットオフ特性のアナログロー
   パスフィルタ手段と、該アナログローパスフィルタ手段
   を通ったフォワードおよびリバースの各成分のアナログ
   信号が送られる音響変換手段とを有することを特徴とす
   る超音波診断装置。