JP2006255118A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス状超音波送受信の繰り返し時間を長く設定したときの周波数スペクトル表示画像の時間方向分解能を改善する。
【解決手段】超音波プローブ１１からの受信信号を検波回路２４で検波して周波数シフトを表わすデータを得、その一部をレンジゲート２５で抽出するという動作をパルス状超音波送受信ごとに繰り返し、その繰り返しごとに得たデータを多数点用いてＦＦＴを信号処理回路２７で行い、各ＦＦＴによって得た周波数スペクトルをディスプレイ装置２９で表示し、設定器１５でパルス状超音波送受信の繰り返し時間を長く設定したとき、制御装置１４の制御の下で、実際は短時間で繰り返しつつ、その繰り返しの何回かに１回の割合で飛び飛びに抽出したデータのセットでＦＦＴを行うとともにその抽出する繰り返しの順番をＦＦＴ用データセットごとに順次後方にずらしていくようにする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、医学的な診断に用いられる超音波診断装置に関し、とくに被検体内の流体運動の速度の時間的変化を画像化する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、超音波ビームを被検体（被診察者の身体）内に入射し、その反射波を受波することによって身体内の断層像を得たり、ドプラ現象を利用して血流などの速度を表す画像を描出したりするものであり、医学的診断用途に広く普及している。超音波ドプラの基本的な原理は、流体からの反射波が受けたドプラ効果を超音波キャリア周波数の偏移として検出することにより流体の速度情報を得るというものである。

具体的には、たとえば下記の特許文献１などに示されているように、通常、超音波振動子を備えたプローブ（探触子）を用い、これを被検体の表面に密着させる。このプローブ内の振動子を所定周波数の送信信号でパルス的に励振することによってパルス状の超音波を発生し、このパルス状の超音波を被検体内部に放射する。この超音波は被検体内部で反射して戻ってくるので、この反射超音波をプローブで受け、超音波振動子を振動させて電気信号を得る。
特開平８−１０２５７号

１個のパルス状超音波を入射した場合、その反射波がつぎつぎに戻って来て、浅い部分からの反射波は早く到来し、深い部分からの反射波ほど到来時刻が遅くなる。入射超音波が鋭い指向性を持ち、細いビーム状のものとなっていれば、そのビームに沿う深さ方向の細長い領域での反射波がつぎつぎに受信される。このようにビーム状の超音波送受信を行うため、これをラインということができる。１ラインの反射波受信信号にゲートをかけて特定の到来時点の信号のみを抽出すればその超音波ビーム上の所望の深さからの反射波受信信号だけが得られる。

この受信信号を検波してキャリア周波数からのシフト成分のみ取り出し、それを周波数分析しスペクトルを得る。この周波数スペクトルのピークは流体の速度を示す。これにより、その超音波ビームのその深さにおける速度、たとえばその位置での血管中の血流速度を表わすデータが得られることになる。

この周波数シフトのスペクトルを得るのに通常、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）が用いられ、それに必要なデータ点数Ｃは２の階乗（たとえば１２８点あるいは２５６点）とされる。この点数のデータを集めるため、ライン繰り返し時間にＣを乗じただけの時間がかかることになる。たとえば、１２８点のデータセットを用いてＦＦＴを行い周波数スペクトルを得る場合、ライン繰り返し時間が１００μｓｅｃであるとすると、１００μｓｅｃ×１２８＝１２．８ｍｓｅｃかかって１つのデータセットが得られることになる。なお、ラインの繰り返し時間は、速度がドプラ効果による周波数シフトとして現れてくる関係上、測定したい流体の最大速度に対応するドプラ周波数シフトが、繰り返し時間で表わされる周波数の１／２（ナイキスト周波数）内に収まるよう選択する必要がある。

こうして順次得られる周波数スペクトルを縦方向に表わし、横方向を時間軸として並べれば図３のようになる。この図３では順次得られるスペクトルのピークは黒丸印３１で示されており、これが周波数シフトΔｆ（速度）を表わすことになる。これにより、たとえば特定血管中の血流速度の時間変化カーブ３２が表わされる。ディスプレイ装置により表示する場合には、画像表示領域３３内のみ表示することになるので、この領域３３が時間経過にともなって右方向に移動していくことになり、実際はディスプレイ装置の画像表示領域３３内にカーブ３２が左方向にスクロールして見えることになる。

このようなスクロール画像が１０ｍｓｅｃごとにスペクトルを必要としているとすると、上記の例でいえば２．８ｍｓｅｃ分のデータ（２８ライン分のデータ）が前後２つのスペクトルを得るのに重複して使用されるというように、通常、データセットの一部は重複してＦＦＴに使用されることになる。これをもう少し詳しく説明すると、図４のＡで示すように、１００μｓｅｃごとにラインを繰り返してそのラインごとに１点ずつデータを得る。そして、（ａ１）のように１２８点そろった時点でＦＦＴを行い、周波数スペクトルを求め、つぎに（ａ２）のように１０ｍｓｅｃ経過した時点でつぎの１２８点のデータセットを用いてＦＦＴを行って周波数スペクトルを求める。この場合（ａ１）の１２８点のデータセットと（ａ２）の１２８点のデータセットは、２８点のデータにつき共通となっている。

ここで、流体運動する物体の速度が低い場合、より周波数分解能を上げるためにラインの繰り返し時間を大きくとるが、その場合も表示スクロール速度は変わらず１０ｍｓｅｃごとにスペクトルを必要としているため、前後の周波数スペクトルで使用されるデータセットの重複度合いが高くなる。たとえば、図４のＢで示すように３００μｓｅｃでラインの繰り返しが行われる場合、（ｂ１）のように３００μｓｅｃ×１２８＝３８．４ｍｓｅｃかかって１２８点のデータセットがそろい、ＦＦＴによる周波数スペクトルが求められる。つぎに１０ｍｓｅｃが経過した時点で（ｂ２）のように１２８点のデータを用いてＦＦＴを行うとすると、（ｂ１）の１２８点のデータセットと（ｂ２）の１２８点のデータセットとでは、２８．４ｍｓｅｃ分つまり９５本のラインで求めた９５点のデータについて共通となっている。

そのため、このように測定対象速度が遅くラインの繰り返し時間を長くとる場合には、スペクトルデータの時間方向の分解能が低下することとなり、すなわちスクロール画像の横方向の分解能が劣化した全体的にぼやけた画像になってしまうという問題がある。

この発明は、上記に鑑み、測定対象速度が遅くラインの繰り返し時間を長くとるような場合でもドプラ周波数シフトのスペクトルの時間分解能を低下させないよう改善した超音波診断装置を提供することを課題とする。

上記の目的を達成するため、請求項１の発明による超音波診断装置においては、超音波プローブと、該超音波プローブを介してパルス状超音波送受信を繰り返して行う超音波送受信手段と、各回のパルス状超音波送受信ごとに受信した超音波反射波信号の周波数シフトデータを求める検波手段と、上記の求められた所定個数ずつのデータセットから周波数スペクトルを順次得るフーリエ変換手段と、パルス状超音波送受信の繰り返し時間を設定する設定手段と、長いパルス状超音波送受信の繰り返し時間が設定されたときにも短い繰り返し時間でパルス状超音波送受信を繰り返しつつ、その繰り返しの所定回数間隔で飛び飛びに抽出した所定個数ずつのデータのセットを用いて周波数スペクトルを順次得るようにするとともに時間的に隣接する周波数スペクトルを得るために用いたデータセットが相互に重ならないように飛び飛びに抽出するデータを時間方向にずらすように制御する制御手段とが備えられていることが特徴となっている。

請求項１の発明では、パルス状超音波送受信（ライン）の繰り返し時間を設定することができるようになっているが、そのラインの繰り返し時間が長く設定されたときにも、短い繰り返し時間でラインごとにデータを得るようにし、そのラインごとに得られるデータを所定のライン間隔で飛び飛びに抽出し、この飛び飛びのデータをフーリエ変換のために用いるデータセットとしている。そのため、短い繰り返し時間でも実質的には長い繰り返し時間で得たデータと同じデータをフーリエ変換することができる。これとともに、時間的に隣接して得られる周波数スペクトルを得るために用いたデータセットが重ならないように飛び飛びに抽出するデータを時間方向にずらすようにしている。このように時間的に隣接して得られる周波数スペクトルを得るためのデータセットを構成する各データは重複することがないので、これらの周波数スペクトルが時間軸方向に並べられて表示されたときに見かけ上時間分解能が改善される。

つぎに、この発明を実施した超音波診断装置について図面を参照して説明する。

この発明の実施例にかかる超音波診断装置は図１に示すように構成されており、この図において、超音波プローブ１１は被検体（被検者の腹部などの身体）にあてられるもので、超音波振動子を有し、超音波ビームの身体内への送信と身体内部からの反射波の受信を行う。送信ドライバ回路１３は、パルス制御回路１２からのパルスに応じて超音波帯域の周波数の駆動信号をパルス状に発生する。このパルス状の駆動信号が超音波プローブ１１に送られることにより、その超音波振動子がパルス的に駆動されて励振される。これにより超音波プローブ１１から超音波がパルス状に発生して、被検体内に放射される。

被検体内で反射した超音波はプローブ１１に戻ってきてその振動子を振動させて受信信号を出力させる。この受信信号は受信プリアンプ２１を経てＡ／Ｄ変換器２２に送られデジタル信号に変換される。この受信超音波反射波のデジタル信号はビームフォーマ２３に送られ、鋭い指向性の受信超音波ビームの電子的な形成がなされることにより、そのビーム上の信号が取り出され、検波回路２４に送られて、超音波キャリアの周波数で複素検波され、ＩとＱのデータが得られる。このＩ，Ｑのデータはレンジゲート２５を経て所定の時間範囲内のみ通過させられることにより、所定の反射深さのデータのみ取り出される。この受信超音波ビームの指向性と反射深さの限定により、所望の血管部分などの特定領域からの反射波のキャリア周波数からのドップラシフトを表すデータが取り出されることになる。なお、このデータのＳ／Ｎ比を改善するために数データを積算して使用する。

このレンジゲート２５を経た信号はクラッタ除去回路２６に送られ、流体以外の信号が低減された後、信号処理回路２７に送られ、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理やＦＩＲ（Finite Impulse Response）フィルタ処理などを受ける。ビデオ表示装置２８およびディスプレイ装置２９は、ＦＦＴ処理によって得られた周波数スペクトルを時間的にスクロールしながら表示することによって、図３に示すような流速の時間的な変化を表す波形３２を表示する。

この超音波診断装置には設定器１５が備えられており、ユーザーがこの設定器１５を操作することによりパルス状超音波送受信（ライン）の繰り返し時間などの種々のパラメータや撮像モード等の自由な設定ができるようになっている。なおこの設定器１５は、通常、キーボードやマウス等の入力装置とディスプレイ装置２９の画面上に現れる設定画面およびこれらを制御する設定プログラムより構成される。

この設定器１５によってラインの繰り返し時間を設定すると、制御装置１４がパルス制御回路１２やＡ／Ｄ変換器２２、ビームフォーマ２３、レンジゲート２５等を制御し、その設定繰り返し時間通りにパルス状超音波送受信を繰り返す。ここで、ラインの繰り返し時間を１００μｓｅｃと短く設定し１２８点のデータセットでＦＦＴを行う場合は、上記で図４のＡを参照して説明したものと同じ動作となる。

これに対して、ラインの繰り返し時間を３００μｓｅｃと長くし１２８点のデータセットでＦＦＴを行うよう設定した場合、図４のＢに示すようにライン繰り返し時間を実際に３００μｓｅｃにすることもできるが、選択によって、実際のライン繰り返し時間を１００μｓｅｃと短いままとして図２の（ａ）のようにラインを繰り返し、図２の（ｂ１）のようにラインの２回置きにつまり３回に１回の割合で飛び飛びに検波回路２４の出力を抽出するようレンジゲート２５を制御するようにもできる。この場合、１００μｓｅｃ×３＝３００μｓｅｃに１個データを得るので、擬似的に繰り返し時間を３００μｓｅｃとした場合と同じレートでＦＦＴ用データを得ることになる。その結果、３００μｓｅｃ×１２８＝３８．４ｍｓｅｃの時間をかけて１２８点のデータをそろえてＦＦＴを行うことになる。

つぎに１０ｍｓｅｃ経過したとき、同様にラインの２回置きに１回の割合で得た１２８点のデータセットを用いて２回目のＦＦＴを行う。この２回目のＦＦＴで用いる１２８点のデータセットのうち２８．４ｍｓｅｃ分つまり９５点のデータについては、第１回目のＦＦＴで用いた１２８点のデータと時間的に重なることは避けられないが、ここでは図２の（ｂ２）に示すように、１回目のＦＦＴで用いたデータに対して１ライン分時間的に後方にずれたデータを抽出するようにして、その９５点のデータが完全に同じものとなることを回避している。３回目のＦＦＴでも、同様に１ライン分時間的に後にずらしながらラインの２回置きに１回の割合でデータを抽出し、この抽出されたデータによって構成される１２８点のデータセットを用いる。

その結果、図３の画像表示領域３３で示されるようなスクロール画像の各周波数スペクトル（スペクトル自体は縦方向に表示されこれが横方向に並べられる）の時間分解能が見かけ上向上し、そのスペクトルによって表わされる速度変化カーブ３２の時間分解能が改善されたように見える。

なお、上記は一つの実施例に関する説明にすぎず、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で具体的な構成などは種々に変更できることはいうまでもない。ラインの繰り返し時間やラインごとのデータ抽出割合などの具体的に数値についても同様に種々の値をとり得る。ライン繰り返し時間を長く設定したとき、その繰り返し時間と実際に行う短いライン繰り返し時間との比率は３：１としたが、これ以外に２：１や４：１など整数の比率にすることができるとともに、５：２などの整数以外の比率とすることも可能であり、ラインごとのデータ抽出割合もこの比率に応じて定めることができる。

この発明にかかる超音波診断装置によると、ラインの繰り返し時間を長くとるような場合、ドプラ周波数シフトのスペクトルの時間分解能を見かけ上低下させないよう改善することができる。

この発明の一実施例にかかる超音波診断装置のブロック図。 上記実施例におけるライン繰り返し時間とデータ取得シーケンスとの関係を示すタイムチャート。 表示される周波数スペクトル、速度変化カーブおよび画像表示領域を示すグラフ。 従来例でのライン繰り返し時間とデータ取得シーケンスとの関係を示すタイムチャート。

符号の説明

１１……超音波プローブ
１２……パルス制御回路
１３……送信ドライバ回路
１４……制御装置
１５……設定器
２１……受信プリアンプ
２２……Ａ／Ｄ変換器
２３……ビームフォーマ
２４……検波回路
２５……レンジゲート
２６……クラッタ除去回路
２７……信号処理回路
２８……ビデオ表示装置
２９……ディスプレイ装置
３１……周波数スペクトルのピーク
３２……速度変化カーブ
３３……画像表示領域

Claims (1)

1. 超音波プローブと、該超音波プローブを介してパルス状超音波送受信を繰り返して行う超音波送受信手段と、各回のパルス状超音波送受信ごとに受信した超音波反射波信号の周波数シフトデータを求める検波手段と、上記の求められた所定個数ずつのデータセットから周波数スペクトルを順次得るフーリエ変換手段と、パルス状超音波送受信の繰り返し時間を設定する設定手段と、長いパルス状超音波送受信の繰り返し時間が設定されたときにも短い繰り返し時間でパルス状超音波送受信を繰り返しつつ、その繰り返しの所定回数間隔で飛び飛びに抽出した所定個数ずつのデータのセットを用いて周波数スペクトルを順次得るようにするとともに時間的に隣接する周波数スペクトルを得るために用いたデータセットが相互に重ならないように飛び飛びに抽出するデータを時間方向にずらすように制御する制御手段とを備えることを特徴とする超音波診断装置。

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