JP2005342140A - 超音波送受信装置及び超音波送受信方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイと、複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生部と、複数の超音波トランスデューサから送信される超音波が超音波ビームを形成するように駆動信号発生部を制御する走査制御部と、複数の超音波トランスデューサによって検出された複数の検出信号に対して受信フォーカス処理を施すことにより被検体内の複数の領域に関する1組の計測値を求める位相整合部と、該1組の計測値を格納する音線メモリと、超音波ビームを送信することによって形成される音圧強度分布と信号処理手段において施される受信フォーカス処理とに基づいて設定された複数の異なる音圧強度プロファイルを格納する強度プロファイル記憶部と、1組の計測値と複数の異なる音圧強度プロファイルとに基づいて、複数の領域に関する画像データを算出する行列演算部とを含む。
【選択図】 図1
Description
以下において、このように同時に送受信される複数の超音波ビームのことを、マルチビームという。
しかしながら、この手法は、異なる複数の透過経路における投影値(透過経路の積分値)から、これらの透過経路が交わる格子点における信号を推定するものであり、このような技術を、被検体から反射された超音波エコーの音圧強度から被検体に関する情報を得る超音波撮像にそのまま適用することはできない。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る超音波送受信装置を示すブロック図である。この超音波送受信装置は、超音波を送受信する超音波トランスデューサアレイ10と、超音波の送受信を制御すると共に、取得された超音波検出信号に基づいて超音波画像を生成する超音波送受信装置本体とを含んでいる。
制御部20は、CPUとソフトウェア(制御プログラム)とによって構成されており、超音波送受信装置の各部を制御している。
A/D変換器25は、信号処理部24において処理されたアナログ信号をディジタル変換することにより、検出データを生成する。
表示部34は、例えば、ラスタスキャン方式のCRTディスプレイ又はLEDディスプレイであり、アナログ変換された画像信号に基づいて超音波画像を表示する。
操作卓35は、超音波送受信装置本体に種々の命令や情報を入力する際に用いられる。操作卓35は、キーボード、タッチパネル等の入力デバイスや、マウス等のポインティングデバイスや、可変STC用の調節ツマミや、入力ボタン等を含んでいる。
なお、画像データ生成部30よりも後段に、ゲイン調整及びコントラスト調整を含む線形の階調処理や、γ補正を含む非線形な階調処理等の画像処理を施す画像処理部を設けても良い。
図2に示すように、あるセクタ領域を超音波ビームによって所定のピッチで走査することにより、等時間面SF上に存在する物体(反射体)OB0〜OB59に関する超音波情報を取得する場合を考える。この場合に、そのセクタ領域に関する超音波情報は、60個の音線SB0〜SB59に対応する音線データによって表される。ここで、等時間面とは、超音波ビームが送信されてから所定の時間経過後に到達する面のことをいう。等時間面に含まれる複数の領域においては、超音波ビームの送信位置からの距離がほぼ等しいと考えられる。
SL25=PL(25,0)×TL0+PL(25,1)×TL1+…
…+PL(25,25)×TL25+…PL(25,59)×TL59…(1)
ここで、PL(m,n)は、音線SBm方向に超音波ビームを送受信することによって形成された音圧空間における音線SBn方向の音圧強度を示しており、TLnは、音線SBn方向に存在する物体OBnの反射率を示している。
即ち、音線SB0〜SB59方向に関する計測値SL0〜SL59を、それぞれの方向に関する強度プロファイルPL0〜PL59における音圧強度PL(0,0)〜PL(59,59)と、等時間面SF上に存在する物体OB0〜OB59の反射率TL0〜TL59とによって表すことにより、次式(3)に示す連立方程式が得られる。
SL=G×TL …(4’)
TL=G−1×SL …(4’’)
逆行列G−1の求め方としては、例えば、掃き出し法(ガウスの消去法)やこれを用いたLU分解法を含む直接法や、SOR法を含む反復法等を用いることができる。なお、行列Gが正則でない場合における線形方程式(4’)の解き方については、後で説明する。
このような演算を、図2に示すセクタ領域内の各等時間面について行うことにより、あるフレームに関する超音波情報を得ることができる。
計測値算出部1は、音線メモリ27に記憶されている音線データに基づいて、行列演算に用いられる計測値SLを算出する。ここで、超音波エコーの検出信号はノイズの影響を受け易いので、行列演算を行う際に音線データの値をそのまま用いると、計算精度が低下するおそれがある。そこで、本実施形態においては、図3に示すように、反射率算出用の計測値として、等時間面SFkに対応する時刻tkを含む所定の範囲(例えば、時刻tkを中心とする範囲)Δtにおける積分値を用いている。それにより、SN比を高くして、算出された反射率の精度を向上させることができる。
演算制御部4は、制御部20の制御の下で、計測値算出部1において用いられる積分範囲Δtの値を設定すると共に、画像データ生成部30の各部1〜3の動作を制御する。
さらに、ステップS10において、図1に示す制御部20は、超音波送受信装置をフリーズするか否かを判定し、フリーズしない場合には、動作はステップS2に移行し、ステップS2〜S9において、異なるフレームに関する画像データの生成が行われる。
図7は、本実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。この超音波送受信装置は、図1に示す超音波送受信装置に対して、演算制御部4の制御の下で動作するプロファイル補正部40をさらに有している。その他の構成については、図1に示す超音波送受信装置と同様である。
図8のステップS20において、ユーザは、図1に示す操作卓35を用いて反射率の閾値TLSを指定する。ユーザは、被検体に関する様々な条件(例えば、撮像部位等)に応じて、この閾値SLSの大きさを随時調整することができる。これに応じて、画像データ生成部30の演算制御部4は、プロファイル補正部40に対して反射率の閾値SLSを設定する。
このように、本実施形態においては、直前の等時間面における反射率に基づいて強度プロファイルを補正するので、反射率の高い物体の影になる領域についても、正確な超音波情報を取得することができる。
先に説明した本発明の第1の実施形態においては、式(3)や(4)を用いて反射率が算出される。これらの式(3)や(4)においては、未知数(反射率)の数と方程式の数が一致しているので、未知数が一意に定まる。しかしながら、複数の計測値の内には信頼性の低いデータが含まれている可能性があり、1つのデータの信頼性が低い場合においても、全ての反射率の推定精度が落ちてしまう。そこで、本実施形態においては、解の安定性を高めるために、方程式の数が未知数の数よりも多くなるように連立方程式を構成する。
図9に示すように、取得された一連の検出信号について、音線SBA方向に受信ビーム(実線)が形成されるように受信フォーカス処理を行うことにより、計測値SLAを得ることができる。また、同じ一連の検出信号について、音線SBB方向に受信ビーム(破線)が形成されるように位相遅延量を変化させて受信フォーカス処理を行うことにより、計測値SLA’を得ることができる。さらに、それらの受信フォーカス処理において用いられた遅延パターンに対応する強度プロファイルを表す行列GA及びGBをそれぞれ作成することにより、等時間面SFk上の音線SBA方向における反射率TL(k)を未知数とする連立方程式(5)を作成することができる。
SL(k)A=G(k)A×TL(k)
SL(k)A’=G(k)B×TL(k) …(5)
図10に示すように、取得された一連の検出信号について行われる受信フォーカス処理において、超音波エコーを受信する超音波トランスデューサアレイの開口径を変化させることにより、受信ビーム径の異なる計測値SL(k)及びSL(k)’を取得する。また、それらの開口径に対応する強度プロファイルを表す行列G(k)及びG(k)’を作成する。これにより、等時間面SFkにおける反射率TL(k)を未知数とする連立方程式(6)を作成することができる。
SL(k)=G(k)×TL(k)
SL(k)’=G(k)’×TL(k) …(6)
図11に示すように、取得された一連の検出信号について、等時間面SFkとその近傍の等時間面SFk1及びSFk2に受信焦点を形成するように焦点深度の異なる受信フォーカス処理を施すことにより、等時間面SFk上の領域に関する3種類の計測値SL(k)、SLk1(k)、及び、SLk2(k)を取得することができる。また、それらの受信フォーカス処理に対応する強度プロファイルをそれぞれ表す行列G(k)、Gk1(k)、及び、Gk2(k)を作成する。これにより、等時間面SFkにおける反射率TL(k)を未知数とする連立方程式(7)を作成することができる。
SLk1(k)=Gk1(k)×TL(k)
SL(k)=G(k)×TL(k)
SLk2(k)=Gk2(k)×TL(k) …(7)
b=Ax …(8)
XAX=X …(9)
(XA)T=XA …(10)
(AX)T=AX …(11)
ここで、行列KTは、行列Kの転置行列を意味する。
これらの条件(9)〜(11)を全て満足する行列Xをムーア−ペンローズ(MP)の一般逆行列と呼び、A+と表す。MP一般逆行列A+は、行列Aの最小自乗解が不定の場合に、ベクトルxのノルム最小という条件を用いて一般逆行列を一意に定めるものである。即ち、MP一般逆行列を用いることにより、連立方程式の精度の高い解を求めることができる。
A=UΣVT …(12)
このとき、MP一般逆行列A+は、次(13)のように表される。
A+=VΣ+UT …(13)
ここで、Σ+はn×m対角行列であり、Σの対角要素をσiとしたとき、Σ+の対角要素σi +は、次にように表される。
σi +=1/σi (σi≠0)
σi +=0 (σi=0)
x=A+b=VΣ+UTb …(14)
実際の計算においては、行列Aのランクを落とし、圧縮された行列AQを用いてMP一般逆行列を求めることが望ましい。連立方程式における不安定条件緩和、即ち、項に含まれるノイズを抑制するためである。
誤差を含まない真のベクトルをb0、求めるべき真のベクトルをx0、ノイズを含まない真のボケ関数をA0とする。真のベクトルx0にボケ関数A0を作用させることにより、真の既知ベクトルb0が得られる。
b0=A0x0 …(8’)
これに対して、式(8)におけるベクトルb及びボケ関数Aは、次のように表される。
b=b0+k …(15)
A=A0+δA …(16)
ここで、kはベクトルbの誤差を成分とするベクトルである。また、δAはボケ関数の誤差であり、A0は真のボケ関数である。
b=b0+k=A0x0+k
=(A−δA)x0+k
=Ax0−δAx0+k
b=Ax0+ε …(17)
ここで、εは等価雑音であり、ε=−δAx0+kと表される。
このように、ボケ画像から原画像を求める線形逆問題は、ベクトルbから未知のベクトルx0を推定することに置き換えられる。
x=A+b=A+Ax0+A+ε …(18)
式(18)より明らかなように、例えば、Aが少し振られるとxが大きく変化してしまう場合には、A+εが極端に大きくなってしまう。そのような場合に、x=A+b=x0+A+εをx0の推定値として用いることは適当でない。そこで、精度の高い解を求めるために、行列のランクを低減することが望ましい。
xQ=AQ +b …(22)
なお、本発明の第1の実施形態においても、行列Aが正則でない正方行列の場合には、MP一般逆行列を用いることにより、反射率の算出することができる。さらに、行列Aが正方且つ正則の場合にも、MP一般逆行列を用いても良い。
2 行列演算部
3 ディジタルスキャンコンバータ(DSC)
4 演算制御部
10、100 超音波トランスデューサアレイ
20 制御部
21 走査制御部
22 駆動信号発生部
23 送受信切換部
24 信号処理部
25 A/D変換器
26 位相整合部
27 音線メモリ
30 画像データ生成部
31 強度プロファイル記憶部
32 画像メモリ
33 D/A変換器
34 表示部
40 プロファイル補正部
101 超音波トランスデューサ
Claims (12)
- 被検体に超音波を送信し、被検体から反射された超音波エコーを受信する複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイと、
前記複数の超音波トランスデューサをそれぞれ駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、
前記複数の超音波トランスデューサから送信される超音波が少なくとも1つの超音波ビームを形成するように、前記駆動信号発生手段を制御する送信制御手段と、
前記複数の超音波トランスデューサによって受信された超音波エコーに基づいて得られた複数の検出信号に対して被検体内の複数の領域に受信焦点を順次形成するように受信フォーカス処理を施すことにより、前記複数の領域に関する少なくとも1組の計測値を求める信号処理手段と、
前記信号処理手段によって求められた少なくとも1組の計測値を格納する第1の格納手段と、
超音波ビームを送信することによって形成される音圧強度分布と前記信号処理手段において施される受信フォーカス処理とに基づいて設定された複数の異なる音圧強度プロファイルを格納する第2の格納手段と、
前記少なくとも1組の計測値と、前記複数の異なる音圧強度プロファイルとに基づいて、前記複数の領域に関する画像データを算出する算出手段と、
を具備する超音波送受信装置。 - 前記複数の異なる音圧強度プロファイルが、超音波ビームが送信されてから所定の時間経過後に到達する面である等時間面に含まれる複数の領域における音圧強度又は音圧強度比を表す、請求項1記載の超音波送受信装置。
- 前記送信制御手段が、同時に複数の方向に複数の超音波ビームがそれぞれ送信されるように、前記駆動信号発生手段を制御する、請求項1又は2記載の超音波送受信装置。
- 前記信号処理手段が、被検体内の複数の領域に関する1組の計測値を求め、
前記算出手段が、前記1組の計測値と、前記1組の計測値を求めるためにそれぞれ施された受信フォーカス処理に対応する複数の音圧強度プロファイルとを用いて、前記複数の領域に関する画像データを算出する、請求項1〜3のいずれか1項記載の超音波送受信装置。 - 前記信号処理手段が、被検体内の複数の領域について、異なる複数の受信フォーカス処理を行うことにより複数組の計測値を求め、
前記算出手段が、各組の計測値と、各組の計測値にそれぞれ施された受信フォーカス処理に対応する複数の音圧強度プロファイルとを用いて、前記複数の領域に関する画像データを算出する、
請求項1〜3のいずれか1項記載の超音波送受信装置。 - 前記算出手段が、前記少なくとも1組の計測値と前記複数の異なる音圧強度プロファイルとに基づいて、前記複数の領域に関する少なくとも1組の反射率を画像データとして算出する、請求項1〜5のいずれか1項記載の超音波送受信装置。
- 前記算出手段が、受信フォーカス処理が施された複数の検出信号を積分することにより少なくとも1組の積分値を算出し、該少なくとも1組の積分値に基づいて画像データを算出する、請求項1〜6のいずれか1項記載の超音波送受信装置。
- 前記算出手段において少なくとも1組の積分値を算出する際に用いられる積分範囲を設定する制御手段をさらに具備し、
前記算出手段が、設定された積分範囲に基づいて少なくとも1組の積分値を算出し、該少なくとも1組の積分値と設定された積分範囲に対応する音圧強度プロファイルとに基づいて画像データを算出する、
請求項7記載の超音波送受信装置。 - 所定の領域に関する計測値と、第1の等時間面に対応する音圧強度プロファイルとに基づいて、第2の等時間面に対応する音圧強度プロファイルを補正する補正手段をさらに具備する、請求項2〜8のいずれか1項記載の超音波送受信装置。
- 前記第1の等時間面に含まれる少なくとも1つの領域に関する計測値に基づいて求められた反射率が、予め設定された閾値よりも大きいか否かを判定する判定手段をさらに具備し、
前記補正手段が、前記反射率が前記閾値よりも大きい場合に、前記第2の等時間面に対応する音圧強度プロファイルを補正する、
請求項9記載の超音波送受信装置。 - ユーザの指示に従い、前記閾値を設定する手段をさらに具備する請求項10記載の超音波送受信装置。
- 被検体に超音波を送信し、被検体から反射された超音波エコーを受信する複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイを用いて超音波を送信及び受信する方法であって、
前記複数の超音波トランスデューサを駆動することにより、少なくとも1つの方向に向けて超音波ビームを送信するステップ(a)と、
前記複数の超音波トランスデューサによって受信された超音波エコーに基づいて得られた複数の検出信号に対して被検体内の複数の領域に受信焦点を順次形成するように受信フォーカス処理を施すことにより、前記複数の領域に関する少なくとも1組の計測値を求めると共に、求められた少なくとも1組の計測値を格納するステップ(b)と、
超音波ビームを送信することによって形成される音圧強度分布とステップ(b)において施される受信フォーカス処理とに基づいて設定された複数の異なる音圧強度プロファイルと、前記少なくとも1組の計測値とに基づいて、前記複数の領域に関する画像データを算出するステップ(c)と、
を具備する超音波送受信方法。
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