JP2009142600A - 超音波診断装置、及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】診断開始後に心拍周期が変動したとしてもＥＣＧトリガ信号の直前の状態の心臓画像も欠如させることなく１心拍内の総ての状態の３次元心臓画像を安定に取得することができる超音波診断装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る超音波診断装置は、被検体内からの反射信号を収集する超音波プローブと、心拍の周期ごとに出力されるトリガ信号を外部から入力し、被検体の所望の診断領域を分割した分割領域の夫々に対して、トリガ信号毎に、複数回の繰り返し走査させる走査制御部と、取得されたデータをつなぎ合わせ診断領域全体の画像を生成する画像生成部と、を備え、走査制御部は、トリガ信号の周期を検出し、トリガ信号の周期が下限周期以下となった場合には、繰り返し走査の回数を減少させ、上限周期以上となった場合には、繰り返し走査の回数を増加させる、ことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、超音波診断装置、及びその制御方法に係り、特に、心電信号等から生成されるトリガ信号を用いて被検体内を超音波で３次元走査を行う超音波診断装置、及びその制御方法に関する。

近年、３次元画像を動画として表示することが可能な超音波診断装置の開発が急速に進められてきており、従来の２次元画像に比べると高分解能で広範囲の診断画像を表示することが可能となってきている。

しかしながら、超音波診断装置は生体内を伝播する超音波を利用して診断画像を生成するため、超音波パルスの送信後、生体内からの反射波が受信されるまでの時間は３次元超音波診断装置であっても２次元超音波診断装置と基本的には同じである。従って、生体内の３次元空間範囲を高い分解能で走査しようとすると、走査ビームのビームポジション数は多くなり、所定範囲の走査に要する時間は２次元超音波診断装置よりも３次元超音波診断装置の方が一般的には長くなる。つまり、同じ空間分解能を仮定すると、３次元超音波装置で得られる３次元画像のフレームレート（３次元画像の更新周波数）は２次元超音波診断装置で得られる２次元画像のフレームレートに比べると原理的には低くなる。

この問題を解決するため従来から種々の手法が検討されていきている（特許文献１、特許文献２等）。基本的な考え方は、診断対象となる全範囲（以下、フルボリュームという）を複数の小領域（以下、サブボリュームという）に分割し、サブボリュームの３次元空間を高いフレームレートで走査した画像データをつなぎ合わせてフルボリュームの３次元画像を得るというものである。この方法では、サブボリュームの観測時刻はサブボリューム毎に異なるため、サブボリュームのつなぎ合わせに関しては空間的な連続性を確保することが重要となる。

一方、診断部位によっては、呼吸や心臓の鼓動によってその診断対象部位は変動する。このため、例えば特許文献１等には、心臓の動きに同期してサブボリューム内の複数の画像データを取得する技術が開示されている。特許文献１等が開示する技術は、心臓の３次元画像を動画としてリアルタイムで生成する技術に関するものであり、概略次のような技術である。

心臓の動きに同期した信号として、心電図の信号、即ちＥＣＧ（ElectroCardioGram）信号を用いている。より具体的には、心臓の拡張末期に発生するＲ波信号をＥＣＧトリガ信号として用いている。

観測したい心臓の３次元領域全体（フルボリューム）を４つのサブボリュームに分割し、サブボリューム毎に上記のＥＣＧトリガ信号に同期したタイミングで１心拍分の画像データを収集する。この１心拍分の画像データは複数のフレーム画像からなるものであり、例えば１心拍あたり２０枚のフレーム画像が収集される。この場合、心拍の周期を仮に１秒とすると、サブボリューム毎に得られる画像データのフレームレートは２０fps(frames per second)となり、心臓の動きを動画として捉えるのにほぼ十分な値となる。

一方、各サブボリュームで得られる画像データをつなぎ合わせてフルボリュームの画像データを合成する際には、サブボリュームで得られる複数のフレーム画像の中から同じ「時相」のフレーム画像を夫々のサブボリュームから抽出してつなぎ合わせてフルボリュームのフレーム画像を生成する。ここで、「時相」とは、ＥＣＧトリガ信号の発生時刻を基準とした遅延量のことである。通常心臓の収縮や拡張の動きはＥＣＧトリガ信号に同期して周期性をもった動きとなる。従って、同じ「時相」のフレーム画像を夫々のサブボリュームから抽出し、これらをつなぎ合わせればサブボリューム間の空間的連続性はほぼ確保される。実際には、ＥＣＧトリガ信号に近い方から繰り返し走査の順に「時相番号」を割り付け、同じ「時相番号」の走査から得られたフレーム画像をつなぎ合わせてフルボリュームの画像を合成する。例えば、フルボリュームを４つのサブボリュームＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤに分割し、各サブボリュームの繰り返し走査が２０回行われる場合は、「時相番号０」から「時相番号１９」までの２０枚のフレーム画像がサブボリューム毎に得られる。そして、同じ「時相番号」のフレーム画像をサブボリュームＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤから抽出しつなぎ合わせることにより、その「時相番号」に対応するフルボリュームの画像が合成される。このつなぎ合わせは「時相番号」毎に行われ、「時相番号０」から「時相番号１９」までのフルボリューム画像が合成される。この結果、つなぎ合わされたフルボリュームのフレーム画像の数もＥＣＧトリガ信号あたり例えば２０枚となり、フルボリューム画像のフレームレートは、サブボリュームのフレームレートと同じ値となる。即ち、例えば２０fpsのフレームレートを有するフルボリュームの動画を生成することができる。
米国特許第６，５４４，１７５号明細書 特開２００７−２０９０８号公報

上述したように、特許文献１等が開示する従来技術では、ＥＣＧトリガ信号毎に１つのサブボリューム内を複数回繰り返し走査しており、１回の走査で１つのフレーム画像（サブボリュームのフレーム画像）を得ている。ここで、サブボリューム内の繰り返し走査数は、３次元画像による診断を開始する前に、ＥＣＧトリガ信号から予め決定している。

しかしながら、人間の心拍周期は必ずしも一定ではなく、健常な人間でも１０％程度は変動するといわれている。不整脈等の疾患を持つ患者の場合にはさらのその変動量は大きくなる。従ってＥＣＧトリガ信号の周期も心拍周期の変動に伴って一定とはならない。

この結果、診断開始前に決定したサブボリューム内の繰り返し走査数が確保できない事態が発生しうる。

心拍周期、即ち、ＥＣＧトリガ信号の周期が短くなる方向に変化する状態（この状態をアーリートリガ状態という）が発生すると、ＥＣＧトリガ信号の直前の走査が完了する前に次のＥＣＧトリガ信号が発生するため、予め決定した繰り返し走査数を確保することができなくなる。このことは、ＥＣＧトリガ信号の直前の心臓のフレーム画像が欠如することなり、該当する同時相のフレーム画像をつなぎ合わせてフルボリュームの画像を生成した場合、１つ或いは場合によっては複数のサブボリュームのフレーム画像が歯抜け状態となり、不連続で見づらい画像となり、ひいては画像診断を行う上で支障となる。

診断開始前に決定した繰り返し走査数に達しなかった場合には、ＥＣＧトリガ信号の周期が長くなる方向に変動するのを待って再度そのサブボリュームの走査を繰り返すようにしても良い。しかしながら、アーリートリガ状態が連続した場合にはいつまでたっても該当するサブボリュームのデータが収集できないことになり、全体としてもデータ収集時間が予測不能になってしまう。

逆に心拍周期が長くなる方向に変化した場合には、診断開始前に決定した繰り返し走査数の走査が完了した後、次のＥＣＧトリガ信号が出力されるまでの間にブランク期間が発生することになる。このことは、ＥＣＧトリガ信号直前の状態の心臓画像が得られないことを意味しており、やはり画像診断上好ましくない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、診断開始後に心拍周期が変動したとしてもＥＣＧトリガ信号の直前の状態の心臓画像も欠如させることなく１心拍内の総ての状態の３次元心臓画像を安定に取得することができる超音波診断装置、及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る超音波診断装置は、請求項１に記載したように、超音波ビームを主走査方向及び副走査方向に走査して被検体内からの反射信号を収集する超音波プローブと、心拍の周期ごとに出力されるトリガ信号を外部から入力し、前記被検体の所望の診断領域を所定数に分割した分割領域の夫々に対して、前記トリガ信号から次のトリガ信号までの間、前記超音波ビームを複数回の繰り返し走査させる走査制御部と、前記分割領域毎の繰り返し走査によって取得されるデータを前記繰り返し走査の順序に基づいて対応付けてつなぎ合わせ前記診断領域全体の画像を生成する画像生成部と、を備え、前記走査制御部は、前記トリガ信号の周期を検出し、前記トリガ信号の周期が下限周期以下となった場合には、前記繰り返し走査の回数を減少させ、前記トリガ信号の周期が上限周期以上となった場合には、前記繰り返し走査の回数を増加させる、ことを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る超音波診断装置の制御方法は、請求項６に記載したように、（ａ）超音波ビームを主走査方向及び副走査方向に走査して被検体内からの反射信号を収集し、（ｂ）心拍の周期ごとに出力されるトリガ信号を外部から入力し、（ｃ）前記トリガ信号の周期を検出し、（ｄ）前記被検体の所望の診断領域を所定数に分割した分割領域の夫々に対して、前記トリガ信号から次のトリガ信号までの間、前記超音波ビームを複数回の繰り返し走査を行い、前記トリガ信号の周期が下限周期以下となった場合には、前記繰り返し走査の回数を減少させ、前記トリガ信号の周期が上限周期以上となった場合には、前記繰り返し走査の回数を増加させ、（ｅ）前記分割領域毎の繰り返し走査によって取得されるデータを前記繰り返し走査の順序に基づいて対応付けてつなぎ合わせ前記診断領域全体の画像を生成する、ステップを備えたことを特徴とする。

本発明に係る超音波診断装置、及びその制御方法によれば、診断開始後に心拍周期が変動したとしてもＥＣＧトリガ信号の直前の状態の心臓画像も欠如させることなく１心拍内の総ての状態の３次元心臓画像を安定に取得することができる。

本発明に係る超音波診断装置、及びその制御方法の実施形態について添付図面を参照して説明する。

（１）全般及び構成
図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１による超音波ビームの走査状況を模式的に示す図である。超音波診断装置１は、複数の超音波振動子１１が２次元配列された超音波プローブ１０によって細い超音波ビームを形成している。この超音波ビームを被検体の所望の診断領域にむけて放射し、診断領域の範囲を主走査方向及び副走査方向に電子的に走査している。診断領域の反射信号からは、主走査方向、副走査方向、及び距離方向の３次元情報が得られる。

超音波振動子が１次元に配列されている従来の１次元超音波プローブの走査範囲が平面状の範囲となるのに対して、本実施形態のような２次元超音波プローブ１０の走査範囲は３次元の立体範囲となる。また、細いビーム幅の超音波ビームを走査しているため、より広い範囲の診断領域から高い分解能の３次元情報を取得することが可能となる。取得された３次元情報から任意の方向から見た３次元画像や、任意の断面で切り取った断面画像を生成することができる。

一方、超音波ビームを主走査方向と副走査方向に走査しているため、診断領域全体（フルボリューム）を走査するビームポジション数は平面状の走査範囲に対して非常に増加する。この結果、単純にフルボリュームの範囲を端から端まで順に走査すると、フルボリュームを１回走査する時間は増加する。このため、フルボリューム画像のフレームレートは低くなる。

そこで、前述したように、本実施形態に係る超音波診断装置１では、フルボリュームを複数の（例えば４つの）サブボリュームに分割し、夫々のサブボリュームを高いフレームレート（例えば２０ｆｐｓ）で走査し、夫々のサブボリュームから得られたフレーム画像を合わせてつなぎ合わせ、フルボリュームのフレーム画像を合成する方法を採用している。フルボリューム画像のフレームレートもサブボリュームのフレームレートと同じ高いフレームレート（例えば２０ｆｐｓ）が実現できるため、心臓のような動きのある診断領域に対してもリアルタイムで３次元の動画を生成することが可能となる。

図２は、超音波診断装置１の構成例を示すブロック図である。超音波診断装置１は、例えば、超音波プローブ１０、送受信部２０、信号処理部３０、画像生成部４０、表示部５０、システム制御部６０、走査制御部７０、操作部８０等を備えて構成されている。

超音波プローブ１０は、格子状に配列された複数の超音波振動子１１を具備しており、送受信部２０の送信部２１から出力される送信パルス信号に基づいて超音波パルスを生成し、被検体に向けて送信する。また、被検体から反射されてきた超音波反射信号を電気信号に変換し、送受信部２０の受信部２２に出力する。さらに、走査制御部７０から出力されるビーム走査制御信号に基づいて超音波ビームを主走査方向及び副走査方向に走査する。

送受信部２０の送信部２１では、走査制御部７０で生成されるタイミング信号等に基づいて各超音波振動子１１に供給する送信パルスを生成する。また、同じく走査制御部７０で生成されたビーム走査制御信号に基づいて送信用の超音波ビームの走査方向を定めるために各送信パルスの遅延量等を設定する。

送受信部２０の受信部２２では、各超音波振動子１１から出力される被検体からの反射信号を増幅しアナログ信号からデジタル信号に変換する。また、走査制御部７０で生成されたビーム走査制御信号に基づき、受信用の超音波ビームの走査方向を決定するための遅延量を各超音波振動子１１の反射信号に設定したのち加算し、加算された信号をビーム形成された反射信号として信号処理部３０に出力する。

信号処理部３０では、受信部２２から出力された反射信号に対してフィルタリング処理等の信号処理を施し、画像生成部４０に出力する。

画像生成部４０では、ビーム走査位置に対応させて反射信号から３次元画像データを生成する。特に本実施形態に係る超音波診断装置１では、サブボリューム毎に画像データを生成し、各サブボリューム画像からフルボリュームの３次元画像データを合成する処理を行っている。この合成処理は走査制御部７０の動作と連携した処理であり、細部については後述する。

画像生成部４０では、合成されたフルボリュームの３次元画像データに対してレンダリング処理等を行い、任意の角度から眺めた３次元画像や、任意の面で切断した断面画像等を生成し表示部５０に出力する。３次元画像データは、例えば２０ｆｐｓのフレームタイム毎に更新される動画を提供することが可能である。診断中に動画をリアルタイムで表示部５０に出力することが可能であるが、画像データを一旦適宜のメモリに保存し、診断後にオフラインで動画を出力したり、動画の一部を切り出して静止画を出力したりすることも可能である。

表示部５０は、例えば液晶ディスプレイ装置等で構成される表示デバイスであり、画像生成部４０から出力される画像や各種の診断用パラメータ等を表示する。

操作部８０は、所謂マンマシンインターフェースであり、超音波診断装置１に対して各種の診断モードや診断モードに付随する各種のパラメータを設定することができる。本実施形態に係る超音波診断装置１は、ＥＣＧトリガ信号に基づいて鼓動する心臓の動きを３次元の動画画像として表示することができる診断モード（以下、トリガード３次元診断モードという）を特徴とするものであるが、この他従来からある２次元診断モードでも動作可能である。これらの診断モードの設定や切り替えは操作部８０を介して行われる。

システム制御部６０では、操作部８０で設定された診断モードや各種パラメータに基づいて、超音波診断装置１の全体の制御を行っている。

走査制御部７０では、診断モードに応じた超音波ビームのビームマネージメントと送受信のタイムマネージメントを行っている。特に、トリガード３次元診断モードでは、心電計１００から出力されるＥＣＧ信号（Ｒ波）からトリガ信号を生成し、このトリガ信号に同期させてサブボリューム毎のビーム走査位置（主走査方向及び副走査方向）やサブボリューム内の繰り返し走査に関する諸元を決定し、送受信部２０や画像生成部４０に出力している。また、超音波ビームの送信パルス繰り返し周波数（ｐｒｆ：pulse repetition frequency）等の送信パルス諸元を決定し、送信パルス諸元に基づく各種タイミング信号も走査制御部７０で生成している。

（２）トリガード３次元診断モードの動作
上記のように構成された超音波診断装置１の動作、特にトリガード３次元診断モードの動作について説明する。

図３は、トリガード３次元診断モードの動作原理を説明する図であり、例えば特許文献１等に開示されている技術である。トリガード３次元診断モードは、主に心臓を診断対象とするものであり、鼓動によって変化する心臓の動きを３次元の動画画像として表示する診断モードである。トリガード３次元診断モードでは、患者の心臓の鼓動に応じて変化する心電図信号（ＥＣＧ信号）を心電計１００から入力し、ＥＣＧトリガ信号と呼ばれるパルス信号を生成する。ＥＣＧ信号としては、心臓の拡張末期近傍で出力されるパルス状のＲ波の信号（図３（ａ）参照）が多く用いられている。このＥＣＧ信号を走査制御部７０に入力し、適宜の閾値を適用してＥＣＧトリガ信号を生成する（図３（ｂ）参照）。ＥＣＧトリガ信号は鼓動に同期した信号であり、心拍が１秒間に６０回の場合ＥＣＧトリガ信号の周期は１秒となる。

トリガード３次元診断モードでは、診断領域の全体（フルボリューム）を複数のサブボリューム（分割領域）に分割し、各サブボリュームをＥＣＧトリガ信号毎に走査している。例えば、図３（ｆ）に例示したように、フルボリュームを４つのサブボリュームＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤに分割する。そして、ＥＣＧトリガ信号のトリガ０、１、２、３の入力に応じてサブボリュームＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤの順に走査していく。

このとき、各サブボリュームに対して１回だけ走査するのではなく、複数回（Ｎ回）繰り返して走査を行う。図３は、４回（Ｎ＝４）の繰り返し走査を行っている例を示している。各サブボリュームに対する１回の走査時間Ｔ_SV（以下、繰り返し走査周期Ｔ_SVという）後述するように動画のフレーム時間（フレームレートの逆数）に対応することになるため、滑らかな動きの動画を得るためには繰り返し走査周期Ｔ_SVとしては例えば５０ms（＝１／２０fps）前後、或いはそれ以下が好ましい。ＥＣＧトリガ信号の周期を１秒、また繰り返し走査周期Ｔ_SVを上記の５０msと仮定すると、サブボリューム毎の繰り返し走査数Ｎは２０となる。図３は、説明の便宜上、サブボリューム毎の繰り返し走査数Ｎを４とした場合の例を示している。

同じサブボリュームを繰り返し走査している場合であっても、心臓は周期的に鼓動しているため、ＥＣＧトリガからの遅延時間、即ち時相が異なれば各繰り返し走査から生成される画像データは異なったものとなる。

図３（ｃ）に示す時相番号は、時相を１回の走査時間の単位で区分し、ＥＣＧトリガ信号に近い方から「０」、「１」、「２」、「３」と番号付けしたものである。図３（ｄ）は、この時相番号「０」、「１」、「２」、及び「３」と、サブボリュームＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤとを「Ａ０」〜「Ａ３」、「Ｂ０」〜「Ｂ３」、「Ｃ０」〜「Ｃ３」、「Ｄ０」〜「Ｄ３」のように関連付けて超音波ビームの走査順序を時系列に並べたものである。

信号処理部３０からは、信号処理された被検体からの反射信号がこの走査順序に応じてリアルタイムで画像生成部４０に出力される。

図３（ｅ）は、画像生成部４０で行われるフルボリュームの合成方法を示す図である。画像生成部４０では、時相番号で識別された各サブボリュームのデータから同じ時相番号のデータを抽出し、サブボリュームＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤでつなぎ合わせて合成する。同じ時相番号のサブボリュームデータであっても、実際にはそれらが取得された時刻はＥＣＧトリガ信号の周期分ずつ夫々異なっている。しかしながら、心臓の形状の変化はＥＣＧトリガ信号の周期と同じ周期性を有していると考えられるため、同じ時相番号のサブボリュームをつなぎ合わせて得られるフルボリューム画像の空間的な連続性はほぼ確保されることになる。

時相番号０に対応するサブボリューム「Ｄ０」のデータが取得された時刻には、既にサブボリューム「Ａ０」、「Ｂ０」、「Ｃ０」のデータは取得済みであり、この段階で時相番号０に対応するフルボリュームの画像が生成される。

次に、時相番号１に対応するサブボリューム「Ｄ１」のデータが取得された時刻には、既にサブボリューム「Ａ１」、「Ｂ１」、「Ｃ１」のデータは取得済みであり、時相番号１に対応するフルボリュームの画像が生成される。以下同様にして、時相番号２及び３のフルボリュームの画像がされる。

サブボリュームＤの走査「Ｄ３」が終了すると、サブボリュームＡに戻って走査が行われる。このとき、最初に得られる走査データ「Ａ０」は、１つ前に生成されていた時相番号０のフルボリュームデータの「Ａ０」と置換され、新たな時相番号０のフルボリューム画像が更新されることになる。

このように、フルボリューム画像は、サブボリューム毎の繰り返し走査周期Ｔ_SVの単位で生成され、或いは更新されることになる。

このことは、フルボリューム全体の走査時間が実際には長くても、あたかもサブボリューム１回の走査時間でフルボリューム全体を走査したかのごとく見せることができることを意味している。つまり、サブボリューム画像のフレームレートとフルボリューム画像のフレームレートとを擬似的に同一にすることができることを意味している。

例えば、通常の方法ではフルボリューム画像のフレームレートが走査時間の制約から５ｆｐｓしか達成できないとする。この場合であっても、フルボリュームを４つのサブボリュームに分割することにより、各サブボリュームの走査時間はフルボリュームの１／４となり、サブボリューム画像のフレームレートとしては４倍の２０ｆｐｓが得られる。トリガード３次元診断モードでは、サブボリューム画像のフレームレートがそのままフルボリューム画像のフレームレートとなるため、通常の方法に比べると４倍も高いフレームレートが得られることになる。

このように、トリガード３次元診断モードは広い３次元診断領域に対しても高い分解能の画像が高いフレームレートで得られるため、心臓のような動きのある診断対象に対してもリアルタイムの動画を生成することが可能である。

ところで、一般に人間の心拍の周期は必ずしも一定ではない。健常な人でも１０％程度の心拍周期の変動があると言われている。心臓に疾患をもつ患者の場合はさらに心拍周期の変動は大きくなる。この心拍周期変動に起因して、従来のトリガード３次元診断モードでは、ＥＣＧトリガ信号直前のある期間、画像データが得にくいという問題がある。

図４は心拍周期が短くなる方向に変化したときの従来の問題点を説明する図である。図４（ａ）はＥＣＧトリガ信号を示す図、図４（ｂ）サブボリュームの繰り返し走査の状況を時相番号と共に示した図である。

図４では、繰り返し走査周期Ｔ_SVを５０ｍｓとした例を示している。この場合得られる動画のフレームレートは２０fps（１／５０ｍｓ）となる。繰り返し走査周期Ｔ_SVは、トリガード３次元診断モードを開始する前に予め設定されている。

一方、トリガード３次元診断モードを開始する前には、心拍周期（ＥＣＧトリガ信号の周期）Ｔ_ECGも測定されており、測定された心拍周期Ｔ_ECGから繰り返し走査数Ｎが予め決定される。繰り返し走査数Ｎは、例えば測定された心拍周期Ｔ_ECGを繰り返し走査周期Ｔ_SVで除し、余りを切り捨てた整数として決定される。

図４（ａ）及び（ｂ）は、心拍が６０bpm（beats per minute）で心拍周期が１秒（１０００ms）であったときに、繰り返し走査数Ｎが２０に決定される様子を例示している。このとき各繰り返し走査には時相番号０から時相番号１９が割り付けられる。

心拍周期Ｔ_ECGが繰り返し走査周期Ｔ_SVのほぼ整数倍のときには心拍周期Ｔ_ECG全体のデータを抜けなく取得することが可能である。

図４（ｃ）及び（ｄ）は、心拍周期Ｔ_ECGが短くなる方向に変化した様子を示す図である。例えば、心拍が６０bpmから６２bpmに速まると、心拍周期Ｔ_ECGは約９６８ｍｓとなる。この場合、トリガ１が到来したときには時相番号１９の走査を完了しておらず、完全な走査データは得られなくなる。このため、時相番号１９のデータは破棄される。また、このサブボリュームでは時相番号１９のデータが存在しなくなるため他のサブボリュームの時相番号１９のデータとつなぎ合わせることができない。このため、このサブボリュームでの繰り返し走査を何度か行い、心拍周期が長くなって時相番号１９のデータが得られたときに初めて次のサブボリュームへ移動するようにしている。この結果、フルボリューム画像の更新周期が必ずしも一定とならず、時間的な不連続性が発生することになる。

図５は、逆に心拍周期が長くなる方向に変化したときの従来の問題点を説明する図である。図５（ａ）及び（ｂ）は図４（ａ）及び（ｂ）と同じ図であり、繰り返し走査周期Ｔ_SVは５０ｍｓ、繰り返し走査数Ｎは２０に決定されている。

図５（ｃ）及び（ｄ）は、心拍周期Ｔ_ECGが長くなる方向に変化した様子を示す図である。例えば、心拍が６０bpmから５８bpmに変化すると、心拍周期Ｔ_ECGは１０００ｍｓから約１０３４ｍｓに増加する。この場合、時相番号１９の走査が完了してから次のトリガ１が到来するまでの間は待ち時間となりデータが取得できなくなる。トリガ１の直前の期間も当然ながら心臓は動いており、この期間のデータも重要なデータである。それにもかかわらず、従来の方法ではこの待ち時間の期間にはデータが取得できなくなる。

図４及び図５に示した例では、心拍周期の変動幅が比較的小さく、１つの繰り返し走査周期Ｔ_SVの範囲内で変化している様子を示している。しかしながら、心拍周期の変動幅がさらに大きくなり複数の繰り返し走査周期Ｔ_SVにわたって変化した場合、破棄されるデータや待ち時間によって取得できないデータの量はさらに増加し、問題は深刻となる。

（３）繰り返し走査数Ｎの変更
本実施形態に係る超音波診断装置１では、上記の問題を解決すべく、心拍周期が変動した場合には繰り返し走査数Ｎを変更する処理を行っている。

図６は、本実施形態に係る繰り返し走査数変更処理の一例を示すフローチャートである。

本実施形態に係る超音波診断装置１では、トリガード３次元診断モードに入る前に予備走査モードと呼ばれる面走査（２次元走査）を行っている（ステップＳＴ１）。

図７（ａ）は、予備走査モードの一例を説明する図である。予備走査モードでは、互いに直行する２つの面を超音波ビームで交互に走査し、夫々の走査面から得られる２枚画像データを表示部５０に並べて表示させる。予備走査モードの主な目的は超音波プローブ１０の位置決めであり、これから行おうとしているトリガード３次元診断モードの診断対象部位に対して超音波プローブ１０の位置が適切であるかどうかを予備走査モードで得られる２枚の画像から判断しようというものである。予備走査モードは２面の走査であるためトリガード３次元診断モードに比べると全範囲の走査時間は非常に短く、高いフレームレートが得られるため、超音波プローブ１０を移動させながら診断対象部位を探すのに適している。

予備走査モードでは、ＥＣＧ信号も合わせて入力され、ＥＣＧトリガ信号の周期（心拍周期Ｔ_ECG）が検出される（ステップＳＴ２）。

次のステップ３では、予め設定されている繰り返し走査周期Ｔ_SVが適宜のメモリから読み出して入力し、この繰り返し走査周期Ｔ_SVと検出した心拍周期Ｔ_ECGとから繰り返し走査数Ｎの初期値Ｎ_０が決定される。

さらに、繰り返し走査Ｎの変更を行うか否かの判断のための閾値として、下限周期Ｔ_Ｌと上限周期Ｔ_Ｕとが決定される。このとき、下限周期Ｔ_Ｌや上限周期Ｔ_Ｕは、例えば繰り返し走査周期Ｔ_SVを単位として、繰り返し走査周期Ｔ_SVの整数倍として決定される。つまり、Ｔ_Ｌ＝（Ｎ_０-ｍ）＊Ｔ_SV、やＴ_Ｕ＝（Ｎ_０＋ｍ）＊Ｔ_SV、（Ｎ_０、ｍは整数）等の式から下限周期Ｔ_Ｌや上限周期Ｔ_Ｕが決定される。

下限周期Ｔ_Ｌや上限周期Ｔ_Ｕが決定されるとトリガード３次元診断モードへ移行する（ステップＳＴ５）。移行は例えばユーザによる操作部８０からの移行指示操作による。

トリガード３次元診断モードへ移行した後も心拍周期の検出は継続して行われ（ステップＳＴ６）、下限周期Ｔ_Ｌや上限周期Ｔ_Ｕに対して閾値判定が行われる。

心拍周期が下限周期Ｔ_Ｌ以下となった場合には（ステップＳＴ７のYes）、繰り返し走査数Ｎを低減する処理が行われ（ステップＳＴ８）、低減された繰り返し走査数でその後のトリガード３次元診断モードが行われる。

図８は、下限周期Ｔ_Ｌが繰り返し走査周期Ｔ_SVの１９倍に設定されているときに、心拍周期が短くなる方向に変化し、下限周期Ｔ_Ｌ以下となったときの様子を例示したものである。この例では、繰り返し走査数が初期値の２０（時相番号の最大値は１９）から繰り返し走査数１９（時相番号の最大値は１８）に変更されている。

下限周期Ｔ_Ｌは繰り返し走査周期Ｔ_SVの整数倍として設定されているため、繰り返し数を変更した直後では、繰り返し走査周期Ｔ_SV全体の範囲を欠けることなく、また余ることなく走査することが可能となっている。

心拍周期が上限周期Ｔ_Ｕ以上となった場合には（ステップＳＴ７のNo、及びステップＳＴ９のYes）、繰り返し走査数Ｎを増加する処理が行われ（ステップＳＴ１０）、増加された繰り返し走査数でその後のトリガード３次元診断モードが行われる。

図９は、上限周期Ｔ_Ｕが繰り返し走査周期Ｔ_SVの２１倍に設定されているときに、心拍周期が長くなる方向に変化し、上限周期Ｔ_Ｕ以上となったときの様子を例示したものである。この例では、繰り返し走査数が初期値の２０（時相番号の最大値は１９）から繰り返し走査数２１（時相番号の最大値は２０）に変更されている。

この場合にも、上限周期Ｔ_Ｕは繰り返し走査周期Ｔ_SVの整数倍として設定されているため、繰り返し数を変更した直後では、繰り返し走査周期Ｔ_SV全体の範囲を欠けることなく、また余ることなく走査することが可能となっている。

なお、心拍周期が複数の心拍に亘って連続して下限周期Ｔ_Ｌ以下となった場合に繰り返し走査数Ｎを減少する処理を行う、或いは、心拍周期が複数の心拍に亘って連続して上限周期Ｔ_Ｕ以上となった場合に繰り返し走査数Ｎを増加する処理を行うようにしてもよい。

例えば、診断対象の全体（フルボリューム）を走査する期間中、（フルボリュームを４つのサブボリュームに分割した場合には、４心拍の期間中）継続して心拍周期が下限周期Ｔ_Ｌ以下となった場合や上限周期Ｔ_Ｕ以上となった場合に初めて繰り返し走査数を変更するようにする。このようにすることによって、心拍ごとに頻繁に繰り返し走査数が変更されることを防止することができる。この結果、フルボリュームを構成する各サブボリューム内の繰り返し数走査数を揃えることが可能となる。

（４）その他の実施形態
前述した実施形態では、繰り返し走査数の変更を超音波診断装置１が自動的に行っている。これに対して、繰り返し走査数の変更の実施の可否をユーザに判断させ、ユーザからの指示操作によって繰り返し走査数の変更処理を実行するようにしてもよい。図１０は、この種の実施形態の処理例を示すフローチャートである。

図６に示したフローチャートとの相違点は、ステップＳＴ１００乃至ステップＳＴ１０３の処理が付加されている点である。

ステップＳＴ１００は、心拍周期が下限周期Ｔ_Ｌ以下となった場合には（ステップＳＴ７のYes）、その旨を表示部５０に表示させる処理である。ユーザはこの表示によって、心拍周期が下限周期Ｔ_Ｌ以下となる程度に短くなったことを認識する。そして、繰り返し走査数の変更を許可する場合には、変更許可の設定を、操作部８０を介して行う。変更許可の設定が操作部８０から入力されたことが検知された場合に限り（ステップＳＴ１０１のYes）、ステップＳＴ８へ進んで繰り返し走査数を減少させる。

同様に、ステップＳＴ１０２では、心拍周期が上限周期Ｔ_Ｕ以上となった場合に（ステップＳＴ９のYes）、その旨を表示部５０に表示させる。ユーザが繰り返し走査数の変更を許可する場合には、変更許可の設定を、操作部８０を介して行う。変更許可の設定が操作部８０から入力されたことが検知された場合に限り（ステップＳＴ１０３のYes）、ステップＳＴ１０へ進んで繰り返し走査数を増加させる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る超音波診断装置１、及びその制御方法によれば、診断開始後に心拍周期が変動したとしてもＥＣＧトリガ信号の直前の状態の心臓画像も欠如させることなく１心拍内の総ての状態の３次元心臓画像を安定に取得することができる。

なお、本発明は上記の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、上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わせにより、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、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

３次元の超音波診断装置のビーム走査を模式的に示す図。 本発明に係る超音波診断装置の構成例を示すブロック図。 トリガード３次元診断モードの一般的動作概念説明図。 従来のトリガード３次元診断モードの問題点を説明する第１の図。 従来のトリガード３次元診断モードの問題点を説明する第２の図。 本発明に係る超音波診断装置における、繰り返し走査数変更処理例を示す第１のフローチャート。 予備走査モードからトリガード３次元診断モードへのモード遷移の一例を示す図。 本発明に係る超音波診断装置における、繰り返し走査数変更処理（減少させる変更）の一例を示す図。 本発明に係る超音波診断装置における、繰り返し走査数変更処理（増加させる変更）の一例を示す図。 本発明に係る超音波診断装置における、繰り返し走査数変更処理例を示す第２のフローチャート。

符号の説明

１ 超音波診断装置
１０ 超音波プローブ
１１ 超音波振動子
２０ 送受信部
３０ 信号処理部
４０ 画像生成部
５０ 表示部
６０ システム制御部
７０ 走査制御部
８０ 操作部

Claims (10)

1. 超音波ビームを主走査方向及び副走査方向に走査して被検体内からの反射信号を収集する超音波プローブと、
   心拍の周期ごとに出力されるトリガ信号を外部から入力し、前記被検体の所望の診断領域を所定数に分割した分割領域の夫々に対して、前記トリガ信号から次のトリガ信号までの間、前記超音波ビームを複数回の繰り返し走査させる走査制御部と、
   前記分割領域毎の繰り返し走査によって取得されるデータを前記繰り返し走査の順序に基づいて対応付けてつなぎ合わせ前記診断領域全体の画像を生成する画像生成部と、
   を備え、
   前記走査制御部は、
   前記トリガ信号の周期を検出し、
   前記トリガ信号の周期が下限周期以下となった場合には、前記繰り返し走査の回数を減少させ、前記トリガ信号の周期が上限周期以上となった場合には、前記繰り返し走査の回数を増加させる、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記走査制御部は、
   予め設定された繰り返し走査周期に基づいて前記繰り返し走査を行い、
   前記下限周期又は前記上限周期は、前記繰り返し走査周期を単位として設定される閾値である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記走査制御部は、
   前記トリガ信号の周期が、連続して複数回前記下限周期以下となった場合には、前記繰り返し走査の回数を減少させ、前記トリガ信号の周期が連続して複数回前記上限周期以上となった場合には、前記繰り返し走査の回数を増加させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
4. 前記走査制御部は、
   前記トリガ信号の周期が、前記所望の診断領域の全体を走査する期間以上継続して前記下限周期以下となった場合には、前記繰り返し走査の回数を減少させ、前記トリガ信号の周期が、前記所望の診断領域の全体を走査する期間以上継続して前記上限周期以上となった場合には、前記繰り返し走査の回数を増加させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
5. 前記トリガ信号の周期が前記下限周期以下又は前記上限周期以上になった場合その旨を表示する表示部と、
   前記繰り返し走査の回数の変更許可をユーザの操作によって設定することができる操作部と、をさらに備え、
   前記走査制御部は、
   前記操作部から前記変更許可が設定されたとき、前期繰り返し走査の回数を減少又は増加させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
6. （ａ）超音波ビームを主走査方向及び副走査方向に走査して被検体内からの反射信号を収集し、
   （ｂ）心拍の周期ごとに出力されるトリガ信号を外部から入力し、
   （ｃ）前記トリガ信号の周期を検出し、
   （ｄ）前記被検体の所望の診断領域を所定数に分割した分割領域の夫々に対して、前記トリガ信号から次のトリガ信号までの間、前記超音波ビームを複数回の繰り返し走査を行い、前記トリガ信号の周期が下限周期以下となった場合には、前記繰り返し走査の回数を減少させ、前記トリガ信号の周期が上限周期以上となった場合には、前記繰り返し走査の回数を増加させ、
   （ｅ）前記分割領域毎の繰り返し走査によって取得されるデータを前記繰り返し走査の順序に基づいて対応付けてつなぎ合わせ前記診断領域全体の画像を生成する、
   ステップを備えたことを特徴とする超音波診断装置の制御方法。
7. ステップ（ｄ）では、
   予め設定された繰り返し走査周期に基づいて前記繰り返し走査を行い、
   前記下限周期又は前記上限周期は、前記繰り返し走査周期を単位として設定される閾値である、
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波診断装置の制御方法。
8. ステップ（ｄ）では、
   前記トリガ信号の周期が、連続して複数回前記下限周期以下となった場合には、前記繰り返し走査の回数を減少させ、前記トリガ信号の周期が連続して複数回前記上限周期以上となった場合には、前記繰り返し走査の回数を増加させる、
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波診断装置の制御方法。
9. ステップ（ｄ）では、
   前記トリガ信号の周期が、前記所望の診断領域の全体を走査する期間以上継続して前記下限周期以下となった場合には、前記繰り返し走査の回数を減少させ、前記トリガ信号の周期が、前記所望の診断領域の全体を走査する期間以上継続して前記上限周期以上となった場合には、前記繰り返し走査の回数を増加させる、
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波診断装置の制御方法。
10. 前記トリガ信号の周期が前記下限周期以下又は前記上限周期以上になった場合その旨を表示し、
    前記繰り返し走査の回数の変更許可をユーザの操作によって設定する、
    ステップをさらに備え、
    ステップ（ｄ）では、
    前記操作部から前記変更許可が設定されたとき、前期繰り返し走査の回数を減少又は増加させる、
    ことを特徴とする請求項６に記載の超音波診断装置の制御方法。

Images