JP2007082733A - Acoustic image imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被検者の体内組織に関する情報等を取得するために用いられる音像イメージング装置に関するものである。 The present invention relates to a sound image imaging apparatus used for acquiring information related to a body tissue of a subject.
被検者の体内に挿入して検査や診断を行うための装置として、内視鏡及び超音波診断装置がある。内視鏡は、体内に挿入される挿入部を備えており、この挿入部の先端には照明部と観察部とからなる内視鏡観察手段が設けられている。従って、挿入部を体内に挿入し、照明部からの照明光により体腔内を照明することによって、観察部による体内画像が取得できる。 2. Description of the Related Art An endoscope and an ultrasonic diagnostic device are available as devices for inserting into a subject's body and performing examinations and diagnoses. The endoscope includes an insertion portion that is inserted into the body, and an endoscope observation means that includes an illumination portion and an observation portion is provided at the distal end of the insertion portion. Therefore, the in-vivo image by the observation unit can be acquired by inserting the insertion unit into the body and illuminating the body cavity with the illumination light from the illumination unit.
また、超音波診断装置は、超音波トランスデューサを有し、この超音波トランスデューサから体内に向けて超音波パルスを送信し、体内組織の断層部からの反射エコーを受信して、所定の信号処理を行うことによって、超音波画像を構築するものである。この超音波の送受信は体外皮から行う場合と、体内に挿入して体内壁から超音波の送受信を行う構成としたものも使用されている。体内に挿入する場合には、内視鏡と同様、体内への挿入部を備えるが、この挿入部は単独若しくは内視鏡その他の装置をガイド手段として体内に挿入されることになる。 The ultrasonic diagnostic apparatus also has an ultrasonic transducer, transmits an ultrasonic pulse from the ultrasonic transducer toward the body, receives a reflected echo from a tomographic part of the body tissue, and performs predetermined signal processing. By doing so, an ultrasound image is constructed. This ultrasonic transmission / reception is performed from the outer skin of the body, and the one inserted into the body to transmit / receive ultrasonic waves from the body wall is also used. In the case of insertion into the body, an insertion portion into the body is provided as in the case of an endoscope, but this insertion portion is inserted into the body alone or using an endoscope or other device as guide means.
所定の範囲にわたって超音波画像を構築するためには、超音波トランスデューサにより超音波走査を行うが、走査方式としては機械走査式と電子走査式とがある。電子走査式の超音波トランスデューサは、例えば特許文献1に開示されているように、多数の超音波振動子をライン状または平面状に配列することにより超音波振動子アレイを構成する。これら各超音波振動子はそれぞれ個別的に駆動されるか、また同時にまたは所定の時間差をもって複数の超音波振動子が駆動されることになる。従って、電子走査を行う超音波トランスデューサを構成する各超音波振動子には個別的に配線を接続され、かつそれぞれに遅延回路が接続される。
ところで、前述したように、超音波トランスデューサの超音波振動子アレイを構成する各超音波振動子に配線を接続すると、多数の配線が必要となり、この超音波トランスデューサを作動させることによって取得される超音波画像の解像度を向上させるためには、極めて多くの超音波振動子を配列しなければならず、このために超音波トランスデューサに接続される配線の数は膨大なものとなってしまう。これらの配線はケーブルとして1本化されるが、配線数が多くなれば、それだけケーブルが太径化する。体外皮から超音波走査を行う超音波診断装置では、ケーブルが太くなったとしても、このケーブルが極端に太くならない限り、操作する上で格別差し支えはない。しかしながら、体内に挿入される挿入部の先端に超音波トランスデューサを設けるように構成した体内挿入型の超音波診断装置にあっては、ケーブルが太径化すると、挿入部の挿入操作の操作性が悪くなるだけでなく、被検者に苦痛を与えることになり、またケーブルが甚だしく太径化すると、体内に挿入することができなくなる可能性もある。従って、挿入部に装着される超音波トランスデューサにあっては、超音波振動子アレイを構成する超音波振動子の数には限度があり、超音波画像の解像度をある程度犠牲にしなければならないことがある。 By the way, as described above, when wiring is connected to each ultrasonic transducer constituting the ultrasonic transducer array of the ultrasonic transducer, a large number of wirings are required, and the ultrasonic wave obtained by operating this ultrasonic transducer is obtained. In order to improve the resolution of the sound image, an extremely large number of ultrasonic transducers must be arranged. For this reason, the number of wirings connected to the ultrasonic transducer becomes enormous. These wirings are integrated into one cable, but as the number of wirings increases, the cable diameter increases accordingly. In an ultrasonic diagnostic apparatus that performs ultrasonic scanning from the outer skin, even if the cable becomes thick, there is no particular problem in operation unless the cable becomes extremely thick. However, in an intracorporeal ultrasonic diagnostic apparatus configured to provide an ultrasonic transducer at the distal end of an insertion portion to be inserted into the body, when the diameter of the cable is increased, the operability of the insertion operation of the insertion portion is reduced. Not only will it worsen, it will cause pain to the subject, and if the cable becomes too thick, it may not be able to be inserted into the body. Therefore, the number of ultrasonic transducers constituting the ultrasonic transducer array is limited in the ultrasonic transducers attached to the insertion portion, and the resolution of the ultrasonic image must be sacrificed to some extent. is there.
本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、超音波振動子アレイを構成する超音波振動子の数を多くしても、超音波トランスデューサから引き出される配線の数が少なく、ケーブルを細径化できるようにすることにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide wiring drawn from an ultrasonic transducer even if the number of ultrasonic transducers constituting the ultrasonic transducer array is increased. This is to reduce the diameter of the cable.
前述した目的を達成するために、本発明は、複数の圧電素子を二次元的に配列した圧電素子アレイと、音源物体から発生し、または音響インピーダンスの差がある境界部に反射した音の像をこの圧電素子アレイ上に結像させる音響レンズと、前記圧電素子アレイを構成する各々の圧電素子にそれぞれ電荷蓄積部を電気的に接続させた電荷結合素子と、この電荷結合素子により取得した信号を画像化処理する信号処理手段とから構成したことをその特徴とするものである。 In order to achieve the above-described object, the present invention provides a piezoelectric element array in which a plurality of piezoelectric elements are two-dimensionally arranged, and an image of a sound generated from a sound source object or reflected on a boundary having a difference in acoustic impedance. An acoustic lens that forms an image on the piezoelectric element array, a charge coupled element in which a charge storage unit is electrically connected to each piezoelectric element constituting the piezoelectric element array, and a signal acquired by the charge coupled element It is characterized by comprising signal processing means for imaging.
圧電素子アレイを構成する各圧電素子は、音像を形成する対象物体で発生する音波を受信して電気信号に変換する。この電気信号は電荷結合素子に取り込まれて信号処理手段に転送される。ここで、電荷結合素子はテレビカメラ等の撮像手段を構成する固体撮像素子と同様の構成であって、各々の電荷蓄積部を圧電素子と同様に二次元的に配列したものであり、電荷蓄積部は、画像化処理する際における各画素を構成するものである。そして、電荷蓄積部には転送部が接続されており、この転送部による転送方式はフレーム転送方式やインターライン転送方式があるが、いずれの転送方式も採用可能である。電荷結合素子に駆動信号を供給し、固体撮像素子からの信号電荷を読み出すのに必要な数の配線が接続されるが、圧電素子アレイを構成する圧電素子の数を多くしても、格別配線数が増えることはない。 Each piezoelectric element constituting the piezoelectric element array receives a sound wave generated by a target object that forms a sound image and converts it into an electrical signal. This electric signal is taken into the charge coupled device and transferred to the signal processing means. Here, the charge-coupled device has the same configuration as a solid-state image sensor that constitutes imaging means such as a TV camera, and each charge storage unit is two-dimensionally arranged in the same manner as a piezoelectric element. The unit constitutes each pixel in the imaging process. A transfer unit is connected to the charge storage unit, and a transfer method using the transfer unit includes a frame transfer method and an interline transfer method, and any transfer method can be adopted. As many wirings as necessary to supply drive signals to the charge coupled devices and read out the signal charges from the solid-state imaging device are connected. Even if the number of piezoelectric elements constituting the piezoelectric element array is increased, exceptional wiring is provided. The number will not increase.
圧電素子アレイは受信専用のものであり、この圧電素子アレイに向けて音波を送信させる必要がある。物体に音源があれば、この音源から発生する音を圧電素子アレイで受信させて、音像を取得することもできるが、検出対象となる物体に音源が存在しない場合には、超音波送信手段を設けるようにする。この超音波送信手段から間欠的または連続的に音を発生させて、体内における音響インピーダンスの差がある組織等の境界部からの反射エコーを圧電素子アレイで受信させるように構成する。圧電素子アレイには音響レンズが装着されているので、反射エコーがこの音響レンズを介して圧電素子アレイに入射されることによって、所定の位置の音像が圧電素子アレイ上に結像される。ここで、電荷結合素子に掃き出しパルスを入力して蓄積された電荷を信号処理手段には伝送されずに掃き出すように制御することができるように構成することもできる。このように、電荷蓄積及び掃き出しのタイミングを設定することによって、つまり電荷蓄積・掃き出し制御を行う構成とすることによって、所望の位置での音像が取得される。この音像は体内におけるある深さ位置での圧電素子アレイと概略平行な超音波断層像が得られることになる。 The piezoelectric element array is dedicated for reception, and it is necessary to transmit sound waves toward the piezoelectric element array. If the object has a sound source, the sound generated from the sound source can be received by the piezoelectric element array to obtain a sound image. However, if the object to be detected does not have a sound source, the ultrasonic transmission means is used. Try to provide it. Sound is generated intermittently or continuously from the ultrasonic transmission means, and a reflection echo from a boundary portion of a tissue or the like having a difference in acoustic impedance in the body is received by the piezoelectric element array. Since an acoustic lens is mounted on the piezoelectric element array, a reflected image is incident on the piezoelectric element array via the acoustic lens, whereby a sound image at a predetermined position is formed on the piezoelectric element array. Here, it is also possible to control so that the charge accumulated by inputting the sweep pulse to the charge coupled device can be controlled without being transmitted to the signal processing means. In this way, by setting the charge accumulation and sweep timing, that is, by performing the charge accumulation / sweep control, a sound image at a desired position is acquired. As the sound image, an ultrasonic tomographic image approximately parallel to the piezoelectric element array at a certain depth in the body is obtained.
所定範囲にわたって超音波電子走査を行うに当って、遅延回路を必要とすることがなく、また超音波画像生成手段から引き出される配線数は、固体撮像素子を駆動するのに必要な本数だけであり、超音波画像の解像度を向上させるために、圧電素子アレイを構成する圧電素子の数を増やしたとしても、超音波画像生成手段に接続されるケーブルを細径化することができる。 When performing ultrasonic electronic scanning over a predetermined range, there is no need for a delay circuit, and the number of wires drawn from the ultrasonic image generating means is only the number necessary for driving the solid-state imaging device. Even if the number of piezoelectric elements constituting the piezoelectric element array is increased in order to improve the resolution of the ultrasonic image, the diameter of the cable connected to the ultrasonic image generating means can be reduced.
以下、図面に基づいて本発明の実施の一形態について説明する。まず、図1に音像イメージング装置の概略構成を示す。図中において、1は圧電素子アレイを示し、この圧電素子アレイ1は多数の圧電素子1aをXY方向(縦横)に多数配列した二次元平面構造のものである。この圧電素子アレイ1は電荷結合素子2に接続されている。電荷結合素子2は、多数の電荷蓄積部2aと転送部(図示せず)とから構成され、各々の電荷蓄積部2aに蓄積された信号電荷は転送部に転送されて、この転送部から画像信号として取り出されることになる。従って、圧電素子アレイ1における各圧電素子1aは電荷結合素子2を構成する各電荷蓄積部2aと電気的に接続されている。ここで、電荷結合素子2を構成する各電荷蓄積部2aに蓄積される信号電荷は、各圧電素子1aにより受信された反射エコーの音圧レベルに関する信号に基づくものであり、この反射エコー信号が圧電素子1aからそれぞれ対応する電荷蓄積部2aに伝送される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a schematic configuration of a sound image imaging apparatus. In the figure,
電荷結合素子2には駆動制御回路3が接続されており、また超音波画像信号処理回路4が接続されている。駆動制御回路3からは電荷結合素子2に駆動制御信号が入力されるようになっている。この駆動制御信号としては、電荷蓄積部2aから転送部への転送信号及び蓄積された電荷の掃き出し信号、水平転送部からの転送信号等が含まれる。そして、この電荷結合素子2から伝送される画像信号は超音波画像信号処理回路4に伝送され、この超音波画像信号処理回路4によって信号処理が行われて画像化され、これが超音波画像として画像表示装置5に表示されることになる。
A
また、圧電素子アレイ1の電荷結合素子2の装着側とは反対側の面、つまり超音波反射エコーの受信面には音響レンズ6が対向配設されており、この音響レンズ6により体内における所定の深さ位置の音像が圧電素子アレイ1上に結像される。
Further, an
さらに、7は超音波送信手段であって、この超音波送信手段7は超音波出射部8と駆動部9とから構成される。超音波出射部8は、例えば圧電素子からなり、その駆動部9からの駆動信号に基づいて超音波を出射させるものである。ここで、駆動部9では超音波出射部8から超音波を間欠的に、または連続波として出射するように制御されるようになっている。従って、超音波送信手段7から送信された超音波送信信号は体内に向けて送信されて、体内に拡散しながら伝播することになる。そして、体内組織の断層部で、つまり音響インピーダンスの差がある部位で反射エコーが発生し、この反射エコーが圧電素子アレイ1に入射される。この圧電素子アレイ1の入射面には音響レンズ6が設けられているので、この音響レンズ6により体内における所定の深さ位置の組織断面情報が得られる。
Furthermore, 7 is an ultrasonic transmission means, and this ultrasonic transmission means 7 is composed of an
音像イメージング装置は以上のように構成されるが、この音像イメージング装置は被検者の体内に挿入されて、体内組織に関する情報を取得するための体内挿入型の超音波診断装置として用いられる。このために、図2に示したように、少なくとも超音波送信手段を構成する超音波出射部8と、音響レンズ6及び圧電素子アレイ1と電荷結合素子2とからなる超音波画像生成手段10とが被検者の体腔内に挿入される挿入部11に装着される。超音波画像生成手段10は、音響レンズ6を装着したレンズ鏡筒12を有し、圧電素子アレイ1及び電荷結合素子2は挿入部11の軸線方向に設けられている。従って、音響レンズ6から入射される音像は圧電素子アレイ1に結像されることになる。また、レンズ鏡筒12の内部において、2枚構成からなる音響レンズ6の間の空間及び圧電素子アレイ1までの空間には、例えば流動パラフィン等の超音波伝達媒体が封入されており、これにより体内からの反射エコー信号が圧電素子アレイ1により受信されるまでの間に、この信号が減衰するのを抑制している。ここで、圧電素子アレイ1と電荷結合素子2とからなるユニットは、図3に示したように、挿入部11の軸線方向に配置することもできる。この場合には、音響レンズ6から入射された音像に関する信号はレンズ鏡筒12の端部に設けられた反射面13に反射した後に電荷結合素子2に取り込まれることになる。
Although the sound image imaging apparatus is configured as described above, the sound image imaging apparatus is inserted into the body of a subject and used as an in-body insertion type ultrasonic diagnostic apparatus for acquiring information related to a body tissue. For this purpose, as shown in FIG. 2, at least an ultrasonic
超音波出射部8に駆動信号を入力する駆動部9と、電荷結合素子2に駆動用の信号を送信し、かつこの電荷結合素子2からの信号を読み取って超音波画像信号を生成する超音波画像信号処理回路4等は被検者の体外に位置させている。従って、挿入部11にはケーブル14が挿通されて、このケーブル14により信号の授受が行われる。
A driving
ここで、画像表示手段に表示される超音波画像の解像度を高くするには、圧電素子アレイ1を構成する圧電素子1aの配列数を多くする必要がある。この圧電素子アレイ1を構成する各圧電素子1aから直接配線を引き出しておらず、各々の圧電素子1aは電荷結合素子2における電荷蓄積部2aに接続されている。そして、図1から明らかなように、電荷結合素子2にその駆動に必要な数の配線15aが接続され、またこの電荷結合素子2からの出力信号を伝送する配線15bと、超音波送信手段7を構成する超音波出射部8と駆動部9との間の配線15cが設けられている。これら配線15a〜15cがケーブル14を構成する。
Here, in order to increase the resolution of the ultrasonic image displayed on the image display means, it is necessary to increase the number of arrangements of the
従って、圧電素子アレイ1は基本的には電子走査が行われるものであるが、通常の電子走査のように圧電素子アレイ1から超音波を送信するのではないので、圧電素子アレイ1を構成する個々の圧電素子1aに遅延回路等を接続する必要はなく、電荷結合素子2の電荷蓄積部2aに直結させており、その構成が簡略化する。また、超音波画像の画質向上のために、圧電素子アレイ1を構成する圧電素子1aの数を増やしても、ケーブル14は格別太径化することがなく、挿入部11の細径化が可能となる。このために、被検者の体腔に挿入部11を挿入する操作が容易になり、また被検者の苦痛の軽減が図られる。
Accordingly, although the
体内挿入型の超音波診断装置として構成される音像イメージング装置を用いることによって、図4に示した手順により体内の所定の深さ位置における超音波断層像を取得することができる。即ち、超音波送信手段7の超音波出射部8から超音波パルスを被検者の体内に向けて送信し(ステップ1)、このようにして体内に向けて送信された超音波は、体内組織における音響インピーダンスの差がある部位から反射して、この反射エコーが圧電素子アレイ1を構成する各圧電素子1aに受信されて電圧が発生する。これによって、電荷結合素子2における各圧電素子1aに接続した電荷蓄積部2aには電荷が蓄積される。
By using a sound image imaging apparatus configured as an in-body type ultrasonic diagnostic apparatus, an ultrasonic tomographic image at a predetermined depth position in the body can be acquired by the procedure shown in FIG. That is, an ultrasonic pulse is transmitted from the ultrasonic
そして、所定の時間が経過したときに、駆動制御回路3から電荷結合素子2に掃き出しパルスを送信する(ステップ2)。これによって、一度電荷結合素子2に蓄積された信号電荷はドレンに排出される。その後に、圧電素子アレイ1における各圧電素子1aに体内組織断層部からの反射エコーが受信されて、この反射エコーの大きさに応じた電気信号が得られる。この信号は電荷結合素子2における各電荷蓄積部2aに蓄積される。このように、掃き出し制御信号を電荷結合素子2に印加することによって、体内組織の情報が取得される断層面の位置が設定される。
Then, when a predetermined time has elapsed, a sweep pulse is transmitted from the
その後、所定時間が経過すると、電荷結合素子2に転送制御信号が入力される(ステップ3)。その結果、電荷結合素子2の各電荷蓄積部2aに蓄積された信号電荷が水平転送部に転送され(ステップ4)、さらにこの水平転送部からの信号が読み出されて、超音波画像信号処理回路4に伝送される。ここで、電荷結合素子2における掃き出しパルスを印加した後、転送信号が入力されるまでの間のタイミングを設定することによって、体内における観察しようとする厚みが制御される。この間の時間間隔を短くすると、その分だけ距離分解能が高くなるが、ダイナミックレンジが低下する。一方、掃き出しパルスを印加してから転送信号が入力されるまでの時間を長くすると、距離分解能が低下するが、信号のS/N比が高くなる。
Thereafter, when a predetermined time elapses, a transfer control signal is input to the charge coupled device 2 (step 3). As a result, the signal charge accumulated in each
超音波画像信号処理回路4に取り込まれた電荷結合素子2からの出力信号は、信号増幅(ステップ5)され、電圧値に応じて輝度信号に変換され(ステップ6)、さらに超音波画像を生成するのに必要な信号処理が行われて、画像表示装置5に超音波断層像が表示されることになる(ステップ7)。このようにして画像表示装置5に表示された超音波画像は音響レンズ6から距離D(図1参照)の位置における組織断層像である。この距離Dは、超音波パルスを送信した時から信号電荷の読み込みを開始するまでの時間に依存する。
The output signal from the charge coupled
以上の動作を1つのサイクルとして、これを繰り返すことによって、画像表示装置5における表示画像が更新される。なお、この超音波画像を取得するための動作サイクルは電荷結合素子2の画像生成時におけるビデオレートに同期させることが望ましい。
By repeating this operation as one cycle, the display image in the
超音波送信手段7の超音波出射部8からは超音波パルスを送信する構成としたが、連続波の超音波を送信するようにしても良い。このように、連続波の超音波を送信すると、視野方向、つまり体内の深さ方向において重畳した信号が受信されることになるが、音響レンズ6は所定の焦点距離を有するものであることから、この音響レンズ6の焦点位置及びその近傍からの反射エコーが最も強くなるので、信号処理によっては音響レンズ6の焦点位置のおおまかな断層像が圧電素子アレイ1に結像されることになる。従って、連続波の超音波を送信することによっても、この音響レンズ6の焦点位置を中心とした音像を取得することができる。そして、この超音波の受信から信号の転送に至る動作サイクルを繰り返し行うと、体内における所定の深さ位置での臓器や血管等の動作をモニタリングすることができる。
Although an ultrasonic pulse is transmitted from the ultrasonic
また、例えば経静脈性超音波造影剤を被検者の末端静脈から注入することによって、血液の流れを検出することもでき、カラードップラ法と比較して、より広い空間的分解能が得られる。ここで、経静脈性超音波造影剤は、内部に空気が封入されたマイクロバブルからなり、多数のマイクロバブルを血流内に注入して、超音波が送信されている領域を通過させるようにすると、超音波はこのマイクロバルブにより反射エコーが生じることになる。血液及び体内組織と、マイクロバルブの内部の空気との間の音響インピーダンスの差は極めて顕著である。従って、極めて高い反射エコーの音響エネルギが得られることから、より鮮明な血流に関する情報を取得することができる。 Further, for example, blood flow can be detected by injecting a transvenous ultrasound contrast agent from the terminal vein of the subject, and a wider spatial resolution can be obtained as compared with the color Doppler method. Here, the transvenous ultrasound contrast agent is composed of microbubbles in which air is enclosed, and injects a number of microbubbles into the bloodstream so as to pass through the region where the ultrasound is transmitted. Then, a reflection echo is generated in the ultrasonic wave by the microvalve. The difference in acoustic impedance between blood and body tissue and the air inside the microvalve is very significant. Therefore, since extremely high acoustic energy of reflected echo can be obtained, clearer information on blood flow can be acquired.
1 圧電素子アレイ 1a 圧電素子
2 電荷結合素子 2a 電荷蓄積部
3 駆動制御回路 4 超音波画像信号処理回路
5 画像表示装置 6 音響レンズ
7 超音波送受信手段 8 超音波出射部
9 駆動部 10 超音波画像生成手段
11 挿入部 14 ケーブル
DESCRIPTION OF
Claims (3)
音源物体から発生し、または音響インピーダンスの差がある境界部に反射した音の像をこの圧電素子アレイ上に結像させる音響レンズと、
前記圧電素子アレイを構成する各々の圧電素子にそれぞれ電荷蓄積部を電気的に接続させた電荷結合素子と、
この電荷結合素子により取得した信号を画像化処理する信号処理手段と
から構成したことを特徴とする音像イメージング装置。 A piezoelectric element array in which a plurality of piezoelectric elements are two-dimensionally arranged;
An acoustic lens that forms an image of a sound generated from a sound source object or reflected on a boundary portion having a difference in acoustic impedance on the piezoelectric element array;
A charge coupled device in which a charge storage unit is electrically connected to each of the piezoelectric elements constituting the piezoelectric element array;
A sound image imaging apparatus comprising: signal processing means for performing image processing on a signal acquired by the charge coupled device.
The acoustic lens and the piezoelectric element array are built in via an ultrasonic transmission medium, and the piezoelectric element array is electrically connected to the solid-state imaging unit between each piezoelectric element and each charge storage unit. 2. The sound image imaging apparatus according to claim 1, wherein the ultrasonic image generating means is provided by mounting the ultrasonic image generating means, and the ultrasonic image generating means and the ultrasonic transmitting means are attached to the distal end of the insertion portion. .
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