JP2007236738A - 超音波診断装置及び制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】パルスサブストラクション法によって取得された像映像に組織像を重畳表示するとき、血流動体を効果的に表現することが可能な超音波診断装置を提供すること。
【解決手段】造影剤が注入された被検体を超音波で走査し、当該被検体の超音波画像を取得する超音波診断装置において、複数の走査線それぞれに対して、位相が反転した２種類の超音波を送信して、それぞれに対応した第１、第２のエコー信号ＥＡ、ＥＢを受信する送受信部１１と、第１、第２のエコー信号ＥＡ、ＥＢを走査線ごとに加算して第３のエコー信号ＥＣを生成する加算部１３と、第１のエコー信号ＥＡに基づいて第１の画像データＤＡを生成するとともに、第３のエコー信号ＥＣに基づいて第２の画像データＤＣを生成する画像データ生成部２８と、第１、第２の画像データＤＡ、ＤＣを使用して最大値保持演算によって第３の画像データＤＤを生成する画像データ合成部２３とを具備している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、造影剤の非線形振動に由来するハーモニック成分を抽出して、被検体内の血流動態を映像化する超音波診断装置及び制御プログラムに関する。

近年、静脈投与型の超音波造影剤が製品化され、造影エコーが行われるようになってきている。造影エコーは、静脈から超音波造影剤を注入して、血流信号を増強して心臓や肝臓などにおける血流動態の評価を行うものである。

多くの造影剤は、微小気泡（マイクロバブル）が反射源として機能する。気泡というデリケートな基材の性質上、通常の診断レベルの超音波送信であっても、その機械的作用によって気泡が壊れ、スキャン断面からの信号強度が低下する。

したがって、血流動態をリアルタイムで観察するためには、低音圧の超音波送信によって映像化するなど、スキャンによる気泡の崩壊を低減させることが必要となる。ところが、低音圧の超音波送信による映像化は、信号／ノイズ比（以下、「Ｓ／Ｎ比」と称する。）が低下する。そのため、低音圧の超音波送信によって映像化するには、Ｓ／Ｎ比の低下を補うための信号処理法が必要となる。

ところで、毛細血管レベルの微小血流を映像化する場合、その毛細血管をとりまく周囲組織からのエコー信号が非常に大きくなるため、従来のＢモードでは十分な染映が得られない。カラードプラ法においても、周囲組織と組織血流の速度差が小さいため、増強された血流信号は効果的に抽出されない。

そこで、超音波送信によって生じる気泡の振動に強い非線形性があることを利用して、造影剤のみを高感度に映像化する、いわゆるコントラストハーモニック法が開発された。コントラストハーモニック法では、エコー信号に含まれるハーモニック成分（２次高調波成分）だけを利用して血流動態が映像化される。

ハーモニック成分は、気泡の非線形振動に由来するものであって、生体組織からのエコー信号にはあまり含まれていない。特に、超音波送信が低音圧である場合、生体組織からのエコー信号に含まれるハーモニック成分は劇的に少なくなる。そのため、被検体に低音圧の超音波を送信して、かつ、被検体からのエコー信号に含まれるハーモニック成分を利用して映像化すれば、周囲組織に邪魔されることなく、血流動態だけがリアルタイムで表示される。

エコー信号からハーモニクス成分を抽出する方法として、いわゆるパルスサブストラクション（ＰＳ）法がある。パルスサブストラクション法では、複数の走査線それぞれに対して、位相が反転した２種類の超音波を低音圧で送信して、これら２種類に対応する２つのエコー信号を受信する。そして、これら２つのエコー信号を加算して基本波成分を除去することで、造影剤の微小気泡からの２次高調波成分のみを抽出する（例えば、非特許文献１参照。）。

このほか、造影剤に含まれる気泡からのエコー成分を抽出する方法として、いわゆるレートサブストラクション（ＲＳ）法がある。レートサブストラクション法では、複数の走査線それぞれに対して、同じ超音波を高音圧で２回送信して、これら２回の送信に対応した２つのエコー信号を受信する。そして、これら２つのエコー信号を差分して重複成分を除去することで、１回目の送信によって消失した気泡からのエコー成分を抽出する。

即ち、超音波診断で使用される造影剤に含まれる気泡は非常にデリケートであるため、超音波が照射されると、その多くが瞬時に破壊される。そのため、２回目の超音波の送信によって得られるエコー信号は、１回目の超音波の送信によって得られるエコー信号よりも小さくなる。しかしながら、生体組織からのエコー信号は大きく変化することがない。したがって、これら２つのエコー信号から得られる差分信号には、消失した気泡からのエコー信号が反映される。これにより、レートサブストラクション法を使用すれば、生体組織からのエコー信号が除去されて、血流動態のみの映像化が可能となる。
阿比留巌、鎌倉友男著「超音波パルスの非線形伝搬」信学技法、ＵＳ８９−２３、Ｐ５３ 特開平８−３３６５２７号公報

しかしながら、パルスサブストラクション法では、エコー信号の基本波成分が完全に除去されるため、基本波成分から生成される組織像が描出されない。しかも、パルスサブストラクション法は、低音圧の超音波送信が前提とされているため、生体組織からのハーモニック成分が非常に弱く、ハーモニック成分から生成される組織像もほとんど描出されない。そのため、造影エコーにあたり、腫瘍等の生体組織を確認することができず、造影エコーが最適なスキャン断面で行われないことがある。しかしながら、組織像を描出させるために超音波の音圧が上げられると、造影剤の微小気泡が破壊されるため、造影像が描出されなくなる。

そこで近年、パルスサブストラクション法でエコー信号の基本波成分を除去した場合であっても、像映像と組織像との対応関係が認識できるように、同一画像上に像映像と組織像を重畳表示する手法が提案されている。しかしながら、本手法は、像映像と組織像を単に重畳しただけであるため、造影像が組織像に邪魔されて血流動体が効果的に表示されないことがある。

本発明は、パルスサブストラクション法によって生成された像映像に組織像を重畳表示するとき、血流動体を効果的に表現することができる超音波診断装置および制御プログラムを提供することである。

本発明における超音波診断装置及び制御プログラムは、以下のように構成されている。

（１）造影剤が注入された被検体を超音波で走査し、当該被検体の超音波画像を取得する超音波診断装置において、複数の走査線それぞれに対して、位相が反転した２種類の超音波を送信し、前記走査線ごとに前記２種類の超音波に対応した第１、第２のエコー信号を受信する送受信手段と、前記第１、第２のエコー信号を走査線ごとに加算して第３のエコー信号を生成する加算手段と、前記第１のエコー信号あるいは第２のエコー信号に基づいて第１の画像データを生成するとともに、前記第３のエコー信号に基づいて第２の画像データを生成する画像データ生成手段と、前記第１、第２の画像データを使用して最大値保持演算によって第３の画像データを生成する画像データ処理手段と、前記第１〜第３の画像データの少なくとも１つを前記超音波画像として表示する画像表示手段とを具備している。

（２）（１）に記載された超音波診断装置において、前記最大保持演算は、前記第１、第２の画像データを構成する複数の画素のうち、空間的に対応する２つの画素の輝度を各々比較して、大きい輝度を採用する演算である。

（３）（２）に記載された超音波診断装置において、前記画像表示手段は、前記第３の画像を表示するときに、前記第１の画像データから輝度を採用した画素と、前記第２の画像データから輝度を採用した画素とを互いに異なる色調で表示する。

（４）（１）に記載された超音波診断装置において、前記画像データ処理手段が最大値保持演算によって前記第３の画像データを生成する以前に、前記第１、第２の画像データの少なくとも一方に重み係数をかける制御手段をさらに具備している。

（５）（４）に記載された超音波診断装置において、前記重み係数を可変する可変手段をさらに具備している。

（６）（５）に記載された超音波診断装置において、前記制御手段は、前記重み係数の可変と連動して、ダイナミックレンジ、ガンマカーブ、ゲイン、及びカラーマップの少なくとも１つのパラメータを可変する。

（７）（１）に記載された超音波診断装置において、前記画像表示手段に表示する画像を切り換える切換手段をさらに具備している。

（８）造影剤が注入された被検体を超音波で走査し、当該被検体の超音波画像を取得する制御プログラムにおいて、コンピュータを、複数の走査線それぞれに対して、位相が反転した２種類の超音波を送信し、前記走査線ごとに前記２種類の超音波に対応した第１、第２のエコー信号を受信する手段、前記第１、第２のエコー信号を走査線ごとに加算して第３のエコー信号を生成する手段、前記第１のエコー信号あるいは第２のエコー信号に基づいて第１の画像データを生成するとともに、前記第３のエコー信号に基づいて第２の画像データを生成する手段、前記第１、第２の画像データを使用して最大値保持演算によって第３の画像データを生成する手段、及び前記第１〜第３の画像データの少なくとも１つを前記超音波画像として表示する手段として機能させる。

本発明によれば、パルスサブストラクション法で生成された像映像に組織像を重畳表示するとき、血流動体が効果的に表現される。

以下、図面を参照しながら一実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態における超音波診断装置のブロック図である。
図１に示すように、本実施形態における超音波診断装置は、送受信部（送受信手段）１１、第１のメモリ１２、加算部（加算手段）１３、検波部１４、フィルタ部１５、エンベロープ部１６、Ｌｏｇ圧縮部１７、フィルタ制御部（制御手段）１８、第１の画像処理部１９、フレームメモリ２０、第２の画像処理部２１、第２のメモリ２２、画像データ合成部（画像データ処理手段）２３、デジタルスキャンコンバータ２４、モニタ（画像表示手段）２５、主制御部（制御手段）２６、及びユーザインタフェース（可変手段、切換手段）２７を具備している。

送受信部１１は、超音波を送信するための送信部と、生体組織からのエコー信号を受信するための受信部とから構成される。第１のメモリ１２は、送受信部１１からのエコー信号を保存する。加算部１３は、送受信部１１からエコー信号が入力されたときに、当該エコー信号と第１のメモリ１２に保存されている別のエコー信号とを加算する。

検波部１４は、加算部１３からのエコー信号を、当該エコー信号に応じた周波数で検波処理する。フィルタ部１５は、検波部１４からのエコー信号に対して、検波処理に応じた周波数フィルタをかけ、必要な周波数成分だけを抽出する。

エンベロープ部１６は、フィルタ部１５からのエコー信号に対して、エンベロープをかける。Ｌｏｇ圧縮部１７は、エンベロープ部１６からのエコー信号をＬｏｇ圧縮して、画像データを生成する。

即ち、検波部１４、フィルタ部１５、エンベロープ部１６、及びＬｏｇ圧縮部１７は、加算部１３からのエコー信号を処理して画像データを生成する画像データ生成部（画像データ生成手段）２８を構成している。

フィルタ制御部１８は、フィルタ部１５のフィルタリング周波数を制御する。第１の画像処理部１９は、Ｌｏｇ圧縮部１７からの画像データに重み係数をかける。フレームメモリ２０は、第１の画像処理部１９からの画像データを保存する。第２の画像処理部２１は、フレームメモリ２０からの画像データに画像処理を実行して画像品質を調整する。

第２のメモリ２２は、第２の画像処理部２１からの画像データを保存する。画像データ合成部２３は、フレームメモリ２０から画像データが入力されたときに、当該画像データと第２のメモリ２２に保存されている別の画像データとを使用して輝度に関する最大値保持演算を実行する。

デジタルスキャンコンバータ２４は、走査によって得られた走査線信号列を、テレビジョン等に代表される一般的なビデオフォーマットの走査線信号列に変換する。モニタ２５は、デジタルスキャンコンバータ２４からの画像データを診断画像として表示する。

主制御部２６は、ユーザインタフェース２７からの入力に基づき、重み係数を可変するとともに、当該重み係数に応じてゲイン、ガンマカーブ、ダイナミックレンジ、及びカラーマップなどのパラメータを最適化する。このほか、主制御部２６は、フィルタリング周波数の調整、画像データ合成部２３で実行される最大保持演算の支援、モニタ２５に表示させる画像データの切り換え、モニタ２５に表示される画像データの色調変化などを実行するとともに、これらの機能を実施するために必要な制御プログラムを格納している。

ユーザインタフェース２７は、操作者が重み係数を指定するための重み係数スイッチと、操作者がモニタ２５に表示させる画像データを切り換えるための切り換えスイッチとを備える。

（診断画像の生成）
本実施形態における超音波診断では、被検体に造影剤が投与される。造影剤としては、微小気泡を反射源とするものが使用される。したがって、被検体に超音波が送信されると、被検体内の微小気泡の非線形振動によって、エコー信号にハーモニック成分が生じる。本実施形態では、血流動態を映像化するために、エコー信号に含まれる当該ハーモニック成分が使用される。

本実施形態における走査シーケンスでは、走査線ごとに位相が反転した２本の超音波、即ち第１、第２の超音波が連続して送信される。なお、第１、第２の超音波の音圧は、造影剤に含まれる気泡が崩壊しないくらい低く設定されている。

第１、第２の超音波は、被検体内における音響インピーダンスの不連続面で反射して、位相が反転した２本のエコー信号、即ち第１、第２の超音波に対応した第１、第２のエコー信号ＥＡ、ＥＢとなって送受信部１１に受信される。

なお、第１、第２のエコー信号ＥＡ、ＥＢは、基本波成分とハーモニック成分の両方を含んでいるが、基本波成分に比べてハーモニック成分が非常に小さいため、基本波成分、即ち組織情報が反映されているとみなされる。

先に受信された第１のエコー信号（第２の成分）ＥＡは、第１のメモリ１２に保存されるとともに、加算部１３を通過して検波部１４に進む。そして、後から受信された第２のエコー信号ＥＢが加算部１３に到着したら、第１のメモリ１２に保存されている第１のエコー信号ＥＡと、加算部１３に到着した第２のエコー信号ＥＢとが加算され、第３のエコー信号（第１の成分）ＥＣが生成される。

ところで、前述のように、第１、第２のエコー信号ＥＡ、ＥＢは、位相が反転している。したがって、第１、第２のエコー信号ＥＡ、ＥＢが加算されると、第１、第２のエコー信号ＥＡ、ＥＢに含まれる基本波成分が相殺され、ハーモニック成分だけが２倍に強調される。これにより、第３のエコー信号ＥＣは、造影剤に含まれる気泡からのハーモニック成分、即ち血流情報が反映されることになる。なお、超音波の音圧は、造影剤に含まれる気泡が崩壊しないくらい低く設定されているため、被検体の組織からのハーモニック成分は非常に小さい。

第３のエコー信号ＥＣが生成されたとき、第１のエコー信号ＥＡは、既に加算部１３より先に進んでいる。そして、先行する第１のエコー信号ＥＡと、第１のエコー信号ＥＡに後行する第３のエコー信号ＥＣは、それぞれ検波部１４における検波処理、フィルタ部１５におけるフィルタ処理、エンベロープ部１６におけるエンベロープ処理、及びＬｏｇ圧縮部１７におけるＬｏｇ圧縮処理が順次なされて、第１、第２の画像データＤＡ、ＤＣとなる。なお、第１、第２の画像データＤＡ、ＤＣは、第１、第３のエコー信号ＥＡ、ＥＣに基づいて生成されたものであるため、それぞれ組織情報、血流情報が反映されている。

Ｌｏｇ圧縮部１７から出力された第１、第２の画像データＤＡ、ＤＣは、第１の画像処理部１９において、それぞれ重み係数ＷＡ、ＷＣがかけられたのち、逐次フレームメモリ２０に保存される。そして、フレームメモリ２０に保存された第１、第２の画像データＤＡ、ＤＣは、第２の画像処理部２１において、それぞれ重み係数ＷＡ、ＷＣに最適なゲイン、ガンマカーブ、及びダイナミックレンジの設定がなされる。

第２の画像処理部２１から出力された第１の画像データＤＡは、ひとまず第２のメモリ２２に保存される。そして、送れて第２の画像処理部２１から出力された第２の画像データＤＣが画像データ合成部２３に到達したら、第２のメモリ２２に保存されている第１の画像データＤＡと、画像データ合成部２３に到達した第２の画像データＤＣとを使用して、輝度に関する最大値保持演算が実行される。

なお、輝度に関する最大値保持演算とは、２つの画像データを構成する複数の画素のうち、空間的に対応する２つの画素の輝度を各々比較して、大きい輝度を採用する演算である。

したがって、第１の画像データＤＡと第２の画像データＤＣとを使用して、輝度に関する最大値保持演算が実行されると、第１の画像データＤＡから輝度を採用した画素と、第２の画像データＤＣから輝度を採用した画素とから構成される第３の画像データＤＤが生成される。

ところで、前述のように、第１の画像データＤＡは組織情報を反映していて、第２の画像データＤＣは血流情報を反映している。したがって、第３の画像データＤＤは、組織の映像と血流動態の映像とが重畳合成されたものとなる。しかしながら、通常、組織からのエコー信号は非常に弱いため、輝度に関する最大値保持演算が実施されても、血流動態が組織の存在によって埋もれることがない。ただし、ユーザインタフェース２７からの指示によって、重み係数ＷＡ、ＷＣを調整すれば、組織の映像と血流動態の映像とのコントラストを微調整することも可能である。

画像データ合成部２３から出力された第３の画像データＤＤは、デジタルスキャンコンバータ２４でスキャンコンバートされて、診断画像として逐次モニタ２５に表示される。このとき、モニタ２５は、第１の画像データＤＡから採用された画素を白色で表示し、第２の画像データＤＣから採用された画素を赤色で表示する。なお、モニタ２５は、ユーザインタフェース２７の操作によって、第３の画像データＤＤのほかに、第１の画像データＤＡや第２の画像データＤＣなども表示することも可能である。

図２は同実施形態における第１、第２の画像データＤＡ、ＤＣから最大値保持演算によって生成される第３の画像データＤＤの概略図である。なお、図２において、（ａ）は第１の画像データＤＡの映像、（ｂ）は第２の画像データＤＣの映像、（Ｃ）は第３の画像データＤＤの映像である。

図２に示すように、第１、第２の画像データＤＡ、ＤＣから輝度に関する最大値保持演算によって生成される第３の画像データＤＤでは、血流動態Ｂの背景に組織Ｔが描出されていて、組織に対する血流動態Ｂの様子が非常にわかりやすい。

（本実施形態による作用）
本実施形態において、組織情報が反映された第１の画像データＤＡと、血流情報が反映された第２の画像データＤＣとは、輝度に関する最大値保持演算によって画像合成される。そのため、モニタ２５に表示される血流動態の背景に、被検体の組織が表示されて、血流動態と組織との対応関係がはっきりとわかるから、被検体における血流動態が非常に効果的に提示される。

しかも、最大値保持演算が実行される以前に、第１、第２の画像データＤＡ、ＤＣにそれぞれ重み係数ＷＡ、ＷＣがかけられから、血流動態が組織によってかき消されることがなく、逆に、組織がほとんど見えないこともない。

さらに、操作者は、ユーザインタフェース２７によって、重み係数ＷＡ、ＷＣを簡単に可変できるから、超音波診断の最中であっても、すぐにモニタ２５に表示される組織の輝度を調整することができる。

また、主制御部２６は、設定される重み係数ＷＡ、ＷＣに応じて、ゲイン、ガンマカーブ、ダイナミックレンジを自動的に最適化する。そのため、操作者は、重み係数ＷＡ、ＷＣを調整するだけで、最良品質の診断画像を得ることができる。

さらに、モニタ２５は、第３の画像データＤＤの表示にあたり、第１の画像データＤＡから輝度を採用した画素と、第２の画像データＤＣから輝度を採用した画素とを互いに異なる色調で表示する。そのため、血流動態と組織とがはっきりと区別されるから、被検体の診断能が向上する。

また、操作者は、ユーザインタフェース２７によって、モニタ２５に表示させる画像を切り換えることができる。そのため、操作者は、第３の画像データＤＤだけでなく、画像合成される以前の第１、第２の画像データＤＡ、ＤＣ、即ち組織だけが描出された画像や血流動態だけが描出される画像も確認することができる。

なお、本実施形態において、基本波成分が反映された第１のエコー信号ＥＡとハーモニック成分が反映された第３のエコー信号ＥＣとを取得するために、加算部１３による加算処理が利用されている。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではない。即ち、送受信部１１によって受信されたエコー信号から基本波成分が反映された第１のエコー信号ＥＡとハーモニック成分が反映された第３のエコー信号ＥＣが取得されるのであれば、その手法は全く限定されるものではなく、例えば、加算部１３の代わりに、送受信部１１によって受信されたエコー信号から基本波成分だけを通過させる第１のフィルタとハーモニック成分だけを通過させる第２のフィルタとが利用されても良い。

本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の一実施形態における超音波診断装置のブロック図。 同実施形態における診断画像の概略図。

符号の説明

１１…送受信部（送受信手段）、１３…加算部（加算手段）、１８…フィルタ制御部（制御手段）、２３…画像データ合成部（画像データ処理手段）、２５…モニタ（画像表示手段）、２６…主制御部（制御手段）、２７…ユーザインタフェース（可変手段、切換手段）、２８…画像データ生成部（画像データ生成手段）、ＥＡ…第１のエコー信号、ＥＢ…第２のエコー信号、ＥＣ…第３のエコー信号、ＤＡ…第１の画像データ、ＤＣ…第２の画像データ、ＤＤ…第３の画像データ。

Claims (8)

1. 造影剤が注入された被検体を超音波で走査し、当該被検体の超音波画像を取得する超音波診断装置において、
   複数の走査線それぞれに対して、位相が反転した２種類の超音波を送信し、前記走査線ごとに前記２種類の超音波に対応した第１、第２のエコー信号を受信する送受信手段と、
   前記第１、第２のエコー信号を走査線ごとに加算して第３のエコー信号を生成する加算手段と、
   前記第１のエコー信号あるいは第２のエコー信号に基づいて第１の画像データを生成するとともに、前記第３のエコー信号に基づいて第２の画像データを生成する画像データ生成手段と、
   前記第１、第２の画像データを使用して最大値保持演算によって第３の画像データを生成する画像データ処理手段と、
   前記第１〜第３の画像データの少なくとも１つを前記超音波画像として表示する画像表示手段とを具備していることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記最大保持演算は、前記第１、第２の画像データを構成する複数の画素のうち、空間的に対応する２つの画素の輝度を各々比較して、大きい輝度を採用する演算であることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記画像表示手段は、前記第３の画像を表示するときに、前記第１の画像データから輝度を採用した画素と、前記第２の画像データから輝度を採用した画素とを互いに異なる色調で表示することを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記画像データ処理手段が最大値保持演算によって前記第３の画像データを生成する以前に、前記第１、第２の画像データの少なくとも一方に重み係数をかける制御手段をさらに具備していることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
5. 前記重み係数を可変する可変手段をさらに具備していることを特徴とする請求項４記載の超音波診断装置。
6. 前記制御手段は、前記重み係数の可変と連動して、ダイナミックレンジ、ガンマカーブ、ゲイン、及びカラーマップの少なくとも１つのパラメータを可変することを特徴とする請求項５記載の超音波診断装置。
7. 前記画像表示手段に表示する画像を切り換える切換手段をさらに具備していることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
8. 造影剤が注入された被検体を超音波で走査し、当該被検体の超音波画像を取得するために、コンピュータを、
   複数の走査線それぞれに対して、位相が反転した２種類の超音波を送信し、前記走査線ごとに前記２種類の超音波に対応した第１、第２のエコー信号を受信する手段、
   前記第１、第２のエコー信号を走査線ごとに加算して第３のエコー信号を生成する手段、
   前記第１のエコー信号あるいは第２のエコー信号に基づいて第１の画像データを生成するとともに、前記第３のエコー信号に基づいて第２の画像データを生成する手段、
   前記第１、第２の画像データを使用して最大値保持演算によって第３の画像データを生成する手段、及び
   前記第１〜第３の画像データの少なくとも１つを前記超音波画像として表示する手段として機能させるための制御プログラム。

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