JP2005168570A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 時間経過に応じてフィルタの濾波特性を変化させることによって良好な画像を表示させることのできる超音波診断装置を提供する。
【解決手段】 送受波素子１０ａによって診断対象からエコー信号を受波する。その受波信号を濾波するフィルタ３１は、送受波素子１０ａを励起する励起パルス１００を参照信号として動作するマスタ部３１１と、周波数特性が時間の経過に応じて変化するようにマスタ部３１１によって制御されるスレーブ部３１２とによって構成される。フィルタ３１の濾波出力をＡＤ変換回路３２による変換後のディジタル信号を用いて、診断対象を画像表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波診断装置に関し、特に診断対象からのエコーを用いて画像表示する超音波診断装置に関する。

一般的な超音波診断装置について、図６を参照して説明する。同図に示されている超音波診断装置は、非特許文献１に開示されている。同図に示されている超音波診断装置において、送信器２０から出力されるパルス波は、探触子を介して診断対象に向けて送出される。診断対象からのエコー信号は、同じ探触子によって受信され、受信器３０に入力される。受信器３０では、受信信号が増幅され、検波器４０に送られる。検波器４０では受信信号についてアナログ信号からディジタル信号への変換が行われる。この検波器４０から出力されるディジタル信号は、ラインメモリ５０に記憶される。ラインメモリ５０に記憶されたデータは、読出されてスキャンコンバージョンメモリ６０に記憶され、それが読出されてディスプレイ画面７０等に表示される。

ところで、診断対象中を伝搬する超音波は、生体がもっている周波数依存性減衰（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ；以下ＦＤＡと略称する）の影響を受ける。このため、探触子から診断対象までの距離によっては、診断対象から得られるエコーの周波数成分が送信波のスペクトルを保持することはできない。すなわち、探触子から診断対象までの距離が短い場合、送信波のスペクトルを保持したエコーが得られる。これに対し、探触子から診断対象までの距離が長い場合、ＦＤＡの影響により、高い周波数ほど大きく減衰し、エコーの周波数成分は低いほうへシフトしたスペクトラムとなる。

そこで、この性質を考慮して、超音波診断装置では、近距離での分解能を高め、遠距離でのＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を上げる工夫がなされている。これはダイナミックフィルタと呼ばれる。このダイナミックフィルタの特性について図７を参照して説明する。図７（ａ）〜（ｆ）において、横軸は周波数ｆ、縦軸は周波数スペクトルＳ（ｆ）である。同図（ａ）〜（ｃ）には固定式フィルタのスペクトラム、同図（ｄ）〜（ｆ）にはダイナミックフィルタのスペクトラム、が示されている。同図には、ノイズのスペクトラムＮ、エコーのスペクトラムＳ、が示されている。また、同図（ａ）及び（ｄ）には近距離でのスペクトラム、同図（ｂ）及び（ｅ）には中距離でのスペクトラム、同図（ｃ）及び（ｆ）には遠距離でのスペクトラム、が示されている。

固定式のフィルタを採用した場合、エコー信号のスペクトラムＳを全て通し、かつ、その帯域外のノイズを制限する。この場合、上述したように、同図（ａ）に示されているように、近距離からのエコー信号のスペクトルＳは、送信波のスペクトル成分をほぼそのまま保持するため、広い帯域幅を有する。しかしながら、遠距離になるに従って高い周波数成分が減衰するため、同図（ｂ）、（ｃ）中の矢印で示されているように、全体に低い周波数のほうへシフトする。

固定式フィルタを用いると、近距離の場合、エコー信号が幅広いスペクトラム成分を含むため、超音波伝搬方向のパルス幅が短くなる。つまり、距離方向の分解能が上がる。しかし、低域の周波数成分を多く含むため、超音波ビームの収束率はあまり上がらず、結果として太いビームとなる。つまり、方位方向の分解能が上がらない。これは点ターゲットからのエコーが点として表示されずに、横に広い形の像として表示されることを意味する。

一方、ダイナミックフィルタを用いた場合、図７（ｄ）に示されているように、近距離での帯域を狭くして低周波成分をカットする。近距離ではＦＤＡの影響をあまり受けないことから、低周波領域のエネルギーがカットされても、画像化に必要な感度は十分に確保できる。このダイナミックフィルタを用いることにより、距離方向の分解能は少し低下するが方位方向のそれは上がるので、分解能の縦横のバランスが良くなる。つまり、点ターゲットからのエコーが点に近い形の像として表示されることになる。

遠距離の場合、一般に受信器で発生するノイズは広いスペクトル分布を有する。フィルタで帯域制限を受けた後のノイズのスペクトラムＮは、図７中に示されているような分布となる。このノイズの帯域幅は、エコーの得られる距離に無関係で一定であるので、フィルタで制限された幅となる。したがって、スペクトラムＮは一定である。一方、エコーのスペクトラムの勢力は、上述したように診断対象までの距離に応じて低域にシフトし小さくなる。このため、遠距離では近距離に比べてＳＮ比が悪化する。ところが、ダイナミックフィルタではフィルタの帯域幅は変化せず、フィルタの中心周波数Ｆｆｃが診断対象までの距離に応じて低いほうへ変化する。このため、帯域内に占めるエコーの勢力はあまり変化しない。このように、ダイナミックフィルタは、固定式フィルタに比べてＳＮ比が悪化しない利点を持っている。
伊東正安、望月剛共著「超音波診断装置」コロナ社 ２００２年８月、ｐ．８３〜９０

上述したダイナミックフィルタを超音波診断装置に採用した場合、フィルタの中心周波数Ｆｆｃが診断対象までの距離に応じて変化する。このことは、診断対象に向けて超音波信号を送信したタイミングからエコー信号を受波するまでの時間の経過に応じて、中心周波数Ｆｆｃが変化することを意味している。したがって、時間経過に合わせてフィルタの濾波特性を変化させれば、より良好な画像を得ることができると考えられる。しかしながら、非特許文献１に記載されているダイナミックフィルタでは、そのように濾波特性を変化させることが困難である。
本発明は上述した従来技術の欠点を解決するためになされたものであり、その目的は時間経過に応じてフィルタの濾波特性を変化させることによって良好な画像を表示させることのできる超音波診断装置を提供することである。

本発明の請求項１による超音波診断装置は、診断対象からエコー信号を受波する探触子（図１中の送受波素子１０ａに対応）と、前記探触子による受波信号を濾波するフィルタ（図１中のフィルタ３１に対応）とを含み、前記フィルタの濾波出力を用いて前記診断対象を画像表示する超音波診断装置であって、前記フィルタは、前記探触子を励起する励起パルスを参照信号として動作するマスタ部（図１中のマスタ部３１１に対応）と、周波数特性が時間の経過に応じて変化するように前記マスタ部によって制御されるスレーブ部（図１中のスレーブ部３１２に対応）と、を含むことを特徴とする。フィルタの周波数特性を時間の経過に応じて変化させることにより、良好な画像を表示させることができる。

本発明の請求項２による超音波診断装置は、請求項１において、前記マスタ部から送出される制御信号を外部から制御される増幅率で増幅する増幅部（図４中のプログラマブルゲインアンプ１３に対応）を更に含み、前記増幅部の出力信号によって前記スレーブ部を制御することを特徴とする。スレーブ部への制御信号について、外部から制御される増幅率で増幅することにより、時間経過に合わせてフィルタの濾波特性を変化させることができる。

本発明によれば、診断対象からのエコーの受波信号を濾波するフィルタの周波数特性を、時間の経過に応じて変化させることにより、診断対象について良好な画像を表示させることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
（超音波診断装置の主要部分の構成）
図１は本発明による超音波診断装置の主要部分の構成例を示すブロック図である。同図に示されているように、超音波診断装置は、励起パルス１００によって振動して診断対象に音波を出力すると共に診断対象からのエコーを受波する送受波素子１０ａと、この送受波素子１０ａによる受波信号１０１を濾波するフィルタ３１と、このフィルタ３１の濾波出力をディジタル信号に変換するＡＤ変換回路（Ａ／Ｄ）３２とを含んで構成されている。本装置では、ＡＤ変換回路３２による変換後のディジタル信号Ｄｏｕｔを用いて診断対象を画像表示する。

送受波素子１０ａが複数用いられることにより、探触子（図６中の探触子１０に相当）が構成される。そして、複数の送受波素子１０ａそれぞれに対応してフィルタ３１、ＡＤ変換回路３２が設けられている。
フィルタ３１やＡＤ変換回路３２は、例えば図６中の受信器３０や検波器４０内に設けられる。
ＡＤ変換回路３２は、クロックＡＤＣＫをサンプリング信号とし、その遷移タイミングでＡＤ変換処理を行う。

（フィルタの構成）
フィルタ３１は、マスタ部３１１と、スレーブ部３１２とを含んで構成され、例えば周知のＧｍ−Ｃフィルタ構成になっている。マスタ部３１１は、励起パルス１００を参照信号として動作する。スレーブ部３１２は、送受波素子１０ａの受波信号１０１を入力とし、制御信号１０２によって制御され濾波出力をＡＤ変換回路３２に与える。
スレーブ部３１２は、周波数特性が時間の経過に応じて変化するようにマスタ部３１１によって制御される。先述したように、診断対象までの距離に応じて中心周波数Ｆｆｃが変化するので、本例のように、フィルタの濾波特性を時間経過に応じて変化させれば、より良好な画像を得ることができる。

（フィルタの内部構成例）
図１中のフィルタ３１は、例えば図２に示されているように構成される。すなわち、図２に示されているように、フィルタ３１のマスタ部３１１は、Ｇｍアンプと容量とから構成されるＧｍ−Ｃフィルタ１５１と、遅延回路１５６と、比較器１５４及び１５５と、排他的論理和回路（ＥＸＯＲ）によって実現される位相比較器１５２と、Ｇｍアンプと容量とから構成され積分器として動作するＧｍ−Ｃ型低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１５３とを含んで構成され、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路として機能する。

Ｇｍ−Ｃフィルタ１５１は、低域通過フィルタ特性を有すると共に、図３に示されているように低域では位相シフトが０°、高域では位相シフトが１８０°、カットオフ周波数ｆｃのところで位相シフトが９０°となる特性を有する。すなわち、入力信号の周波数がカットオフ周波数に一致している場合には、フィルタ入力信号及びフィルタ出力信号が比較器１５４及び１５５を通過し、さらに位相比較器１５２を通過することにより、周波数が入力信号の２倍でかつ高レベル論理と低レベル論理それぞれの期間が等しくなる、いわゆるデューティ比５０％の出力信号となる。このときには、位相比較器１５２から出力された信号を、低域通過フィルタ１５３を通しても、低域通過フィルタ１５３の直流出力レベルには変動はなく、位相ロック状態が実現できる。

このような構成において、Ｇｍ−Ｃフィルタ１５１のカットオフ周波数が設計値よりも小さいときには位相遅れが設計値（９０°）よりも大きくなり、位相比較器１５２の出力信号は高レベル論理の期間が低レベル論理の期間よりも短くなるため、積分器として動作するＧｍ−Ｃ型低域通過フィルタ１５３の出力レベルを下げる方向に動作する。この結果、Ｇｍ値を上げるようなバイアス電圧がＧｍ−Ｃフィルタ１５１に入力され、カットオフ周波数が上昇することになる。

一方、Ｇｍ−Ｃフィルタ１５１のカットオフ周波数が設計値よりも大きいときには、逆に、高レベル論理の期間が低レベル論理の期間よりも長くなるため、Ｇｍ−Ｃ型低域通過フィルタ１５３の出力レベルを上げる方向に動作する。この結果、Ｇｍ値を下げるようなバイアス電圧がＧｍ−Ｃフィルタ１５１に入力され、カットオフ周波数が低下することになる。
このように、Ｇｍ−Ｃ型低域通過フィルタ１５３から出力されるバイアス電圧は、Ｇｍ−Ｃフィルタ１５１のカットオフ周波数が設計値に等しくなる方向にシフトし、最終的に位相比較器１５２の出力信号のデューティ比が５０％になったとき、すなわちＧｍ−Ｃフィルタ１５１のカットオフ周波数が設計値に等しくなったときに、Ｇｍ−Ｃ型低域通過フィルタ１５３の出力は一定レベルに落ちつくことになる。

ここで、図４に示されているように、マスタ部３１１とスレーブ部３１２との間に、プログラマブルゲインアンプ（以下、ＰＧＡと略称する）１３を追加し、このＰＧＡ１３の出力信号によってスレーブ部３１２を制御しても良い。カウンタ１２は、励起パルス同士の間において、クロックＡＤＣＫによってカウント動作を行う。そして、ＰＧＡ１３は、カウンタ１２のカウント値によって増幅率が制御される。

また、必要であれば、図５に示されているように、ＰＧＡ１３とカウンタ１２との間に、カウンタ１２のカウント値を読出しアドレスとするメモリ１５を更に設け、このメモリ１５から読出されたデータを制御入力としてＰＧＡ１３に与えても良い。この場合には、メモリ１５から読出されたデータにより、ＰＧＡ１３の増幅率が制御される。
これらのように構成すれば、診断対象までの距離すなわち診断対象に向けて超音波信号を送信したタイミングからエコー信号を受波するまでの時間の経過に応じて、スレーブ部３１２の周波数特性すなわち濾波特性を変化させることができる。よって、このように構成されたフィルタを超音波診断装置に用いれば、より良好な画像を得ることができることになる。

以上説明したように本発明では、時間経過に合わせて濾波特性の変化するフィルタを超音波診断装置に採用することにより、診断対象について、より良好な画像を得ることができる。

本発明による超音波診断装置の実施の一形態の主要部分構成を示すブロック図である。 図１中のフィルタの内部構成例を示す図である。 Ｇｍ−Ｃフィルタ１５１の周波数特性を示す図である。 図１中のフィルタの他の内部構成例を示す図である。 図４のフィルタの変形例を示す図である。 一般的な超音波診断装置の構成例を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は固定式フィルタの特性を示す図、（ｄ）〜（ｆ）にはダイナミックフィルタの特性を示す図である。

符号の説明

１０ 探触子
１０ａ 送受波素子
１２ カウンタ
１３ プログラマブルゲインアンプ
１５ メモリ
２０ 送信器
３０ 受信器
３１ フィルタ
３２ ＡＤ変換回路
４０ 検波器
４１ マルチフェーズジェネレータ
４２ 位相セレクタ
５０ ラインメモリ
６０ スキャンコンバージョンメモリ
７０ ディスプレイ画面
１００ 励起パルス
１０１ 受波信号
１０２ 制御信号
１５１ Ｇｍ−Ｃフィルタ
１５２ 位相比較器
１５３ 低域通過フィルタ
１５４、１５５ 比較器
１５６ 遅延回路
３１１ マスタ部
３１２ スレーブ部
ＡＤＣＫ クロック
Ｄｏｕｔ ディジタル信号

Claims (2)

1. 診断対象からエコー信号を受波する探触子と、前記探触子による受波信号を濾波するフィルタとを含み、前記フィルタの濾波出力を用いて前記診断対象を画像表示する超音波診断装置であって、前記フィルタは、前記探触子を励起する励起パルスを参照信号として動作するマスタ部と、周波数特性が時間の経過に応じて変化するように前記マスタ部によって制御されるスレーブ部と、を含むことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記マスタ部から送出される制御信号を外部から制御される増幅率で増幅する増幅部を更に含み、前記増幅部の出力信号によって前記スレーブ部を制御することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。

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