JP2008054800A

JP2008054800A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP2008054800A
Application number: JP2006233355A
Authority: JP
Inventors: Futoshi Ogata; 太尾形
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: JP4653709B2

Abstract

【課題】互いに周波数が異なる複数の超音波を利用して同時送信多段フォーカスを行う場合に、受信感度の落ち込みを防止して受信感度を均一にすると共に回路規模を削減する。【解決手段】送信部１２は互いに中心周波数ｆ１，ｆ２が異なりかつ周波数の帯域の幅が揃った二つの送信信号を振動子１０へ出力する。直交検波部１６において受信信号の直交検波処理が実行され、その場合においてはミキサペア１８において中心周波数ｆ１に対応した受信信号成分に対する直交検波処理が実行される。同様に、ミキサペア２０において中心周波数ｆ２に対応した受信信号成分に対する直交検波処理が実行される。低域通過処理に先立って、各複素成分ごとに加算され、その加算後の加算信号がそれぞれＬＰＦ３４，３６に入力される。それらの出力は絶対値演算器３８に入力される。各ミキサに供給する参照信号に対して振幅が可変され、これによって直交検波と同時に重み付け処理が行なわれる。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波診断装置に関し、特に互いに異なる中心周波数をもった複数の超音波を送波する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置において、フレームレート（あるいはボリュームレート）を上げるため、複数の受信ビームを同時に形成することが行われている。また、同様の理由から、複数の送信ビームを同時に（又は実質的同時に）形成することも提案されている（特許文献１−３参照）。後者は特に同時送信多段フォーカスを行う場合に実行されるものである。すなわち、深さ方向において異なる位置に複数の送信フォーカスを形成して、深さ方向に方位分解能のアンバランスを改善し、これによって超音波画像（二次元画像、三次元画像等）の画質向上を図るものである。

特開昭６１−４８３４４号公報特開平４−１０８４３９号公報特開平６−１１４０５６号公報

上記のような同時送信技術を適用する場合、受信信号の処理が複雑となる。すなわち、受信信号から各超音波に対応した信号成分を弁別する必要がある。このため、回路規模が増大するという問題が指摘されている。一方、通常、弁別された複数の信号成分は最終的に合成されるが、それに先立って、各信号成分の大きさの調整が求められる場合が多い。そのための簡易な方法が求められている。

本発明の目的は、同時送信技術の適用に当たって、受信信号の処理回路を簡易化できるようにすることにある。

本発明の他の目的は、同時送信技術の適用に当たって、各信号成分の大きさの調整を簡易に行えるようにすることにある。

本発明は、互いに異なる中心周波数をもった複数の超音波を同時に又は連続して生体内へ送波し、生体内からの反射波を受波して受信信号を出力する送受波手段と、前記受信信号に対して前記複数の超音波に対応した複数の直交検波処理を適用し、前記複数の超音波に対応した複数の複素信号を出力する直交検波部と、前記直交検波部から出力された複数の複素信号における複数の実数成分を加算し、加算後実数成分を生成する実数成分加算手段と、前記直交検波部から出力された複数の複素信号における複数の虚数成分を加算し、加算後虚数成分を生成する虚数成分加算手段と、前記加算後実数成分に対して低域通過処理を適用する実数成分用フィルタと、前記加算後虚数成分に対して低域通過処理を適用する虚数成分用フィルタと、前記実数成分用フィルタから出力された加算後実数成分と、前記虚数部成分用フィルタから出力された加算後虚数成分と、に基づいて、画像形成用の輝度信号を生成する輝度信号生成部と、を含むことを特徴とする超音波診断装置に関する。

上記構成によれば、直交検波部において、複数の超音波に対応した複数の複素信号について複素成分ごとの加算を行った上で加算後の各複素成分に対して低域通過処理を適用できるので、結果として、低域通過フィルタの個数を削減できる。望ましくは従来方法よりも低域通過フィルタの個数を半分にできる。一般にフィルタは多くの部品によって構成されているので、上記構成によれば、回路規模を大幅に削減できる。

望ましくは、前記複数の超音波は、第１中心周波数を中心として第１周波数帯域幅をもった第１超音波と、第２中心周波数を中心とした第２周波数帯域幅をもった第２超音波と、を含み、前記第１周波数帯域幅と前記第２周波数帯域幅は実質的に同一である。各超音波の周波数帯域の幅を揃えることによって加算後の各複素成分に対する低域通過処理におけるカットオフ周波数を揃えられる。つまり、各複素成分について加算を行って共通の低域通過フィルタ（あるいはバンドパスフィルタ）へ通過させるためには、加算対象となる複数の複素成分が（直交検波後のベースバンド領域において）互いに同じような帯域を有しているのが望ましく、つまりフィルタのカットオフ周波数を揃えられることが前提となる。但し、厳密に各超音波の周波数帯域幅を一致させることは必ずしも必要ではなく、信号処理精度との兼ね合いで周波数帯域幅の条件を定めればよい。

望ましくは、前記直交検波部は、前記複数の超音波に対応して配列配置された複数のミキサを有し、前記複数のミキサに対して複数の参照信号を供給する参照信号供給手段が設けられ、前記参照信号供給手段は、前記複数の参照信号の振幅を可変する機能を備える。望ましくは、前記参照信号供給手段は、受信サンプル点の深さに応じて前記複数の参照信号の振幅を重み付け可変する。この構成によれば、直交検波と同時に重み付けを行える。複素信号への変換後に重み付けを行う場合に比べて回路規模を削減できる。よって、上記の各複素成分ごとの加算後の低域通過処理とこの参照信号重み付け処理とを組み合わせれば、装置全体の構成を簡略化でき、また装置コストを低減できるので実用的な価値を高められる。

望ましくは、前記複数の超音波は、第１中心周波数を有する第１超音波と、第２中心周波数を有する第２超音波と、を含み、前記複数の複素信号は、前記第１超音波に対応する第１複素信号と、前記第２超音波に対応する第２複素信号と、を含み、前記参照信号供給手段は、深さ方向の第１範囲においては前記第１複素信号に大きな重みを付与し、前記第１範囲よりも深い第２範囲内で前記第１複素信号及び前記第２複素信号に対して重みの大きさ関係を逆転させ、前記第２範囲よりも深い第３範囲においては前記第２複素信号に大きな重みを付与する。この構成によれば、２つの超音波について感度の落ち込みを防止してまた画像上で違和感を生じさせる繋ぎ目の発生を防止又は軽減して画質を向上できる。

なお、複数の参照信号の重み付け可変の技術は、上記のように、送信多段フォーカスにおいて複素成分ごとの加算後に低域通過処理を行って低域通過フィルタの個数を削減する技術に組み合わせるのが望ましいが、そのような組み合わせ以外においても利用可能である。

以上説明したように、本発明によれば、同時送信技術の適用に当たって、受信信号の処理回路を簡易化できる。あるいは、本発明によれば、同時送信技術の適用に当たって、各信号成分の大きさの調整を簡易に行える。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の全体構成がブロック図として示されている。この超音波診断装置は同時送信多段フォーカス機能を具備している。

振動子１０は、図示されていない超音波探触子内に設けられているものであり、振動子１０は本実施形態において複数の振動素子からなるアレイ振動子である。振動子１０によって超音波ビームが形成され、その超音波ビームは電子的に走査される。電子走査方式としては、電子セクタ走査、電子リニア走査などが知られている。１Ｄアレイ振動子を設けることも出来るし、２Ｄアレイ振動子を設けることも出来る。

送信部１２は送信ビームフォーマーとして機能するものである。すなわち、複数の振動子に対して複数の送信信号を供給する機能を有する。本実施形態においては、同時送信多段フォーカスを実現するために、各振動子に対して同時に２種類の送信信号が供給されている。あるいはそのような２種類の送信信号を合成した合成信号が供給されている。２種類の送信信号の具体例については後に図３及び図４を用いて説明するが、それぞれの送信信号の中心周波数は互いに異なっており、それぞれの送信信号の周波数帯域の幅は互いに実質的に同一とされている。２種類の周波数を利用して超音波の送信を行なって、それによって得られる受信信号を処理することにより、２種類の送信周波数に対応する２種類の受信信号を弁別することが可能となる。ちなみに、２種類の送信信号のうちで一方は近距離用の送受信のために生成されており、他方は遠距離の送受信のために生成されている。これについては後に図２を用いて説明する。

受信部１４は受信ビームフォーマーとして機能する。すわなち、振動子１０を構成する複数の振動子から出力された複数の受信信号は受信部１４において整相加算処理される。この整相加算処理によって電子的に受信ビームが形成され、それに対応する整相加算後の受信信号が直交検波部１６へ出力される。

直交検波部１６は本実施形態において特徴的な構成を具備しており、以下にこれを説明する。直交検波部１６は二つのミキサペア（直交検波器に相当する）１８，２０と二つの加算器３０，３２と、二つのローパスフィルタ（ＬＰＦ）３４，３６とを具備している。ミキサペア１８は、二つのミキサ２０，２２によって構成され、それらのミキサ２０，２２にはそれぞれ９０度位相が異なる一対の参照信号が供給されている。上述した２種類の送信信号についての中心周波数をそれぞれｆ１，ｆ２とした場合、ミキサペア１８に供給される一対の参照信号の周波数はｆ１である。これと同様に、ミキサペア２０は二つのミキサ２４，２６によって構成され、それらに供給される一対の参照信号は互いに９０度位相がずれており、その周波数は上記のｆ２である。すなわち、本実施形態においては二つの送信周波数に対応して二つの直交検波器が設けられている。

ただし、図１に示されるように、二つのミキサペア１８，２０から出力される二つの複素信号については、二つの実数成分と二つの虚数成分とがそれぞれの成分ごとに加算器３０，３２によって加算されており、加算器３０から加算後の実数成分が出力され、加算器３２から加算後の虚数成分が出力されている。それぞれの信号はＬＰＦ３４，３６に入力されている。ＬＰＦ３４，３６は、上記の直交検波処理によってベースバンド領域に落とされた各信号に対して低域通過処理を行なうものであり、すなわちベースバンド領域以外の信号成分を除去するものである。

絶対値演算器３８は、ＬＰＦ３４，３６から出力される低域通過処理後の各信号に対して絶対値演算を行なうものであり、具体的には、各信号の２乗を加算した上で、その加算結果に対して平方根の演算を行なうことにより輝度信号を生成している。その輝度信号は対数変換器４０に入力されて対数変換処理された上で、デジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）４２へ入力される。

ＤＳＣ４２は、座標変換機能、補間機能等を具備しており、入力される輝度信号を表示座標上にマッピングする処理を実行する。これによって生体内の断層画像が構成される。その画像データは表示部４４へ送られる。

参照信号発生部２８は、直交検波部１６に提供する２対の参照信号を生成する回路である。各参照信号は例えばＲＡＭなどのメモリ上に格納されていてもよい。あるいはその都度、信号発生器を動作させて各参照信号を生成するようにしてもよい。参照信号発生部２８は各参照信号に対して重み付けを行なうことにより、結果として各対の複素信号に対して重み付け処理を行なう機能を具備している。これについては後に図７乃至図９を用いて説明する。

制御部４６は図１に示される各構成の動作制御を行なっている。操作パネル４８はキーボードやトラックボウルなどを有し、ユーザは操作パネル４８を利用して動作条件の設定を行える。

図２には、同時送信多段フォーカスの概念が模式図として表されている。振動子１０はこの例では直線的に配列された複数の振動素子によって構成される。本実施形態においては二つの超音波ビーム５０，５２が同時に形成されており、超音波ビーム５０は送信フォーカス点Ｆ１を焦点として開口Ｄ１を利用して形成される。送信フォーカス点Ｆ１の深さはｄ１である。超音波ビーム５２は送信フォーカス点Ｆ２を焦点として開口Ｄ２をもって生成されるものであり、送信フォーカス点Ｆ２の深さはｄ２である。本実施形態においては、送信ビーム５０は中心周波数ｆ１を有する超音波によって生成され、超音波ビーム５２は中心周波数ｆ２を有する超音波によって形成される。それぞれの超音波ビーム５０，５２は送信ビームであり、図２においては受信ビームは図示省略されている。互いに異なる中心周波数を持った複数の超音波を利用することにより、それらを同時に送信した場合においても受信信号に対して弁別処理を行って各送信超音波に対応するそれぞれの受信信号成分を弁別抽出することが可能である。これ自体は公知技術である。ちなみに、本実施形態では２種類の送信周波数が利用されていたが、もちろん３種類以上の送信周波数を利用するようにしてもよい。また完全に同時に複数の超音波が送信されてもよいが、互いに時間的にシフトして複数の超音波が送信されるものであってもよい。

図３には、送信される超音波の周波数スペクトラムが示されている。横軸は周波数であり、縦軸はパワーである。符号１００は振動子の周波数特性（帯域）を示している。本実施形態においてはその帯域１００内に二つの周波数スペクトラム１０２，１０４が設定されており、周波数スペクトラム１０２は第１の超音波に対応し、その中心数端数はｆ１であり、その帯域の幅が符号１０２Ａで示されている。周波数スペクトラム１０４は第２の超音波に対応し、その中心周波数はｆ２であり、その帯域の幅が符号１０４Ａで示されている。ここで、二つのスペクトラムにおける帯域の幅１０２Ａ，１０４Ａは本実施形態において実質的に同一とされている。ちなみに、それらの幅１０２Ａ，１０４Ａは例えば半値幅である。後に説明するように、二つの送信超音波についての帯域の幅を揃えることにより、それらの超音波に対応する受信信号についての低域通過処理におけるカットオフ周波数を揃えることができ、そのような前提の下、図１に示したように、複素信号変換後において各複素成分ごとに加算を行ってから低域通過処理を行うことが可能となる。

ちなみに、図３において、符号２００および２０２は直交検波によるベースバンドシフトを示しており、実際には、上記の各周波数スペクトラム１０２，１０４に対応する受信スペクトラムについて直交検波処理によってベースバンドシフトが生じることになる。

図４には二つの送信信号が示されており、（Ａ）には第１超音波に対応する送信信号１０６が示され、（Ｂ）には第２超音波に対応する送信信号１０８が示されている。それぞれの送信信号の帯域及び振幅（エンベロープ）は実質的に同一とされている。

図５には、図１に示したＬＰＦ３４，３６の具体的な構成例が示されている。ＬＰＦは、図示されるように遅延器列５４、乗算器列５６および加算器５８によって構成され、遅延器列５４は直列接続された複数の遅延器５４Ａによって構成され、乗算器列５４は並列配置された複数の乗算器５６Ａによって構成されている。それぞれの遅延器５４Ａにおいては所定の時間単位だけ入力信号が遅延処理されており、それぞれの乗算器５６Ａにおいては入力される信号に対して係数が乗算されている。図５に示す構成は公知のものである。

図６には、直交検波部の比較例が示されている。なお、図１に示した同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。図６に示す直交検波部１６においては、各ミキサペア１８の後段に一対のＬＰＦ６２，６４が設けられ、それらの出力が絶対値演算器７０に入力されている。同様に、ミキサペア２０の出力が一対のＬＰＦ６６，６８に入力され、それらの出力が絶対値演算器７２に入力されている。加算器７３は、絶対値演算器７０，７２から出力される信号を加算するものである。このような構成によっても、図１に示した直交検波部１６と同様の処理結果を得ることが可能ではあるが、図１と図６の対比からも明らかなように、比較例ではＬＰＦの個数が比較例において増大している。換言すれば、図１の構成によれば、ＬＰＦの個数を削減できるという利点がある。すなわち、本実施形態においては、二つの送信信号についての帯域の幅を揃えて、図６において示されている各ＬＰＦ６２，６４，６６，６８のカットオフ周波数を揃えられるようにしたため、結果としてそれらの前段において加算処理を行なうことが可能となり、ＬＦＰの個数を削減できる。もちろん、要求される画質との関係から複数の送信信号間における帯域の一致度を定めればよく、完全にそれぞれの帯域を一致させることまでは必ずしも必要とならない。

図７には、二つの送信ビームに対応する二つの受信（輝度）プロファイルが示されている。それらは受信感度を表すものである。受信プロファイル７４においては、近距離の焦点Ｆ１において最も感度が高く、一方、受信プロファイル７６においては遠距離の焦点Ｆ２において最も感度が高い。そして、Ｍはそれらの境界域を表している。このように、深さ方向に沿ってそれぞれの受信プロファイル７４，７６における輝度の変化が生じているため、均一な画像を形成するためにはそれぞれの送信周波数に対応する受信信号に対して深さ方向に沿った重み付け（重み付け加算処理）を行う必要がある。

この場合、図１に示した回路構成において、加算器３０，３２に入力される二つの信号のそれぞれに対して重み付けを行うことも可能であるが、回路規模をより削減するために、本実施形態においては各ミキサ２０，２２，２４，２６に供給する参照信号についてあらかじめ重み付けを行うようにしている。

その場合における重み付け関数が図８に示されており、符号７８は図１に示したミキサペア１８に供給する二つの参照信号についての重み付け関数を示しており、同様に、符号８０は図１に示したミキサペア２０に供給する一対の参照信号についての重み付け関数を示している。便宜上、深さ方向に沿って三つの区間を定義でき、第１の区間は重み付け関数７８が優勢の期間であり、第２の期間は二つの重み付け関数７８，８０が互いにクロスし合う期間であり、第３の区間は重み付け関数８０が支配的となる区間である。

図９には、図８に示したような二つの重み付け関数を適用することによって生成される参照信号が示されている。（Ａ）には近距離用すなわち図１に示したミキサ２２に供給される参照信号の波形８１が示されている。（Ｂ）には図１に示した遠距離用のミキサ２６に供給される参照信号の波形８２が示されている。ちなみに、図９においてはサイン波形のみが示されており、同様にコサイン波形も生成される。図示されるように波形に対して図８に示した重み付け関数が作用された結果、波形の振幅が可変されている。このような参照信号をそれぞれのミキサに供給することにより、直交検波と同時に重み付け処理を行なうことが出来、このような構成により深さ方向における受信感度の均一性を確保できると共に、装置の回路規模を著しく削減できるという利点が得られる。

本実施形態に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。二つの送信ビームプロファイルを示す模式図である。振動子の帯域と二つの送信スペクトラムを示す図である。二つの送信信号の波形を示す図である。ローパスフィルタの一般的な構成を示す図である。比較例を示すブロック図である。二つの受信プロファイルを示す図である。二つの重み付け関数を示す図である。二つの参照信号を示す図である。

符号の説明

１０振動子、１２送信部、１４受信部、１６直交検波部、１８，２０ミキサペア、２０，２２，２４，２６ミキサ、３０，３２加算器、３４，３６ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、３８絶対値演算器。

Claims

互いに異なる中心周波数をもった複数の超音波を同時に又は連続して生体内へ送波し、生体内からの反射波を受波して受信信号を出力する送受波手段と、
前記受信信号に対して前記複数の超音波に対応した複数の直交検波処理を適用し、前記複数の超音波に対応した複数の複素信号を出力する直交検波部と、
前記直交検波部から出力された複数の複素信号における複数の実数成分を加算し、加算後実数成分を生成する実数成分加算手段と、
前記直交検波部から出力された複数の複素信号における複数の虚数成分を加算し、加算後虚数成分を生成する虚数成分加算手段と、
前記加算後実数成分に対して低域通過処理を適用する実数成分用フィルタと、
前記加算後虚数成分に対して低域通過処理を適用する虚数成分用フィルタと、
前記実数成分用フィルタから出力された加算後実数成分と、前記虚数部成分用フィルタから出力された加算後虚数成分と、に基づいて、画像形成用の輝度信号を生成する輝度信号生成部と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１記載の装置において、
前記複数の超音波は、第１中心周波数を中心として第１周波数帯域幅をもった第１超音波と、第２中心周波数を中心とした第２周波数帯域幅をもった第２超音波と、を含み、
前記第１周波数帯域幅と前記第２周波数帯域幅は実質的に同一である、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１記載の装置において、
前記直交検波部は、前記複数の超音波に対応して配列配置された複数のミキサを有し、
前記複数のミキサに対して複数の参照信号を供給する参照信号供給手段が設けられ、
前記参照信号供給手段は、前記複数の参照信号の振幅を可変する機能を備える、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項３記載の装置において、
前記参照信号供給手段は、受信サンプル点の深さに応じて前記複数の参照信号の振幅を重み付け可変することを特徴とする超音波診断装置。
請求項４記載の装置において、
前記複数の超音波は、第１中心周波数を有する第１超音波と、第２中心周波数を有する第２超音波と、を含み、
前記複数の複素信号は、前記第１超音波に対応する第１複素信号と、前記第２超音波に対応する第２複素信号と、を含み、
前記参照信号供給手段は、深さ方向の第１範囲においては前記第１複素信号に大きな重みを付与し、前記第１範囲よりも深い第２範囲内で前記第１複素信号及び前記第２複素信号に対して重みの大きさ関係を逆転させ、前記第２範囲よりも深い第３範囲においては前記第２複素信号に大きな重みを付与する、
ことを特徴とする超音波診断装置。