JP2010094171A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多段送信フォーカス機能の使用時において、フレームレートを可及的に高くすることができる超音波診断装置を提供する。
【解決手段】多段送信フォーカス機能を備えた超音波診断装置において、同一ビーム方向に対する複数回の超音波ビーム送受信の各々について送受信時間を決定する送受信時間決定手段１３と、送受信時間決定手段１３で決定された送受信時間に基づいて超音波の送受信を制御する送受信制御手段１２とを設け、送受信時間決定手段１３を、前記同一ビーム方向に対して送受信される複数の超音波ビームのうち、最も深いフォーカス位置に対応する超音波ビームについては視野深度に応じて、その他のフォーカス位置に対応する超音波ビームについては前記受信ビーム信号合成時の繋ぎ目位置の深さに応じて前記送受信時間を決定するものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、多段送信フォーカス機能を有する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は一般にＢモード表示が可能であり、受信した超音波エコーに基づいて断層像が作成され表示される。

このような超音波診断装置では、複数のフォーカス位置を設定することのできる多段送信フォーカス機能を備えた超音波診断装置が開発されている（特許文献１）。このような超音波診断装置では、同一ビーム方向に対してフォーカス位置を変えながら複数回の超音波ビームの送受信を行い、これによって得られたフォーカス位置の異なる複数の受信ビーム信号を合成処理することで、複数のフォーカス位置を有する一本の受信ビーム信号が生成される。超音波の送受信方向を走査しながら同様の行程を繰り返すことにより、視野深度の浅い領域から深い領域に亘って高い距離分解能を有する超音波画像を得ることができる。

図４は従来の超音波診断装置において多段フォーカス時に送受される超音波ビームを模式的に示したものである。ここでは一例として視野深度を８０ｍｍとし、フォーカス位置を４０ｍｍ（Ｆ１）、５０ｍｍ（Ｆ２）、６０ｍｍ（Ｆ３）の３段とした場合を示す。図中のＡ、Ｂ、Ｃは、それぞれ前記Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３をフォーカス位置とする超音波ビームを表しており、いずれも同一のビーム方向に対して送受されるものである。これらの超音波ビームによって取得された受信ビーム信号を合成する際には、フォーカス位置Ｆ１を含む最も浅い領域Ｒ１については超音波ビームＡ、フォーカス位置Ｆ２を含む領域Ｒ２については超音波ビームＢ、フォーカス位置Ｆ３を含む最も深い領域Ｒ３については超音波ビームＣにそれぞれ由来する受信ビーム信号が採用され、これらを合成することで３つのフォーカス位置Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を持つ１本の受信ビーム信号が得られる。ここで、受信ビーム信号を合成する際の繋ぎ目を繋ぎ目位置と呼ぶ。

特開平6-14926号公報

かかる多段送信フォーカス機能を有する超音波診断装置では、１つのビーム方向に対する受信ビーム信号を得るために超音波の送受信を複数回行う必要がある。従って、シングルフォーカス（一段フォーカス）の場合と比べてフレームレートが著しく低下する。フレームレートが低下すると、画像表示が診断部位の実際の動きに追従しなくなり、診断対象部位のリアルタイムでの画像表示が困難となるため、動きの速い部位の診断に不適合となる。

フレームレートはパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）や走査線数により大きな影響を受ける。即ちフレームレートを高く設定するためにはＰＲＦを大きく、若しくは走査線数を小さくすればよい。しかし、走査線数は画像精度に直接影響するため、一定の画像精度を維持するためには走査線数を過度に低い設定とすることはできない。

従って、従来のシングルフォーカスの超音波診断装置では、ＰＲＦを上昇させることによりフレームレートの低下を防止していた。もっとも、ＰＲＦは超音波送受信の繰り返し周期の逆数であるので視野深度に大きく影響する。また、プローブの種類により適したＰＲＦ値の範囲が定まっており、その範囲を外れたＰＲＦ値を用いて超音波送受信を行うと、プローブ表面が高温になる。安全性確保の観点から超音波診断装置のプローブ表面温度には規格値が定められているため、ＰＲＦ値の設定の際にはこれらの点も考慮に入れなければならない。

これらの事情を勘案し、従来のシングルフォーカスでの超音波診断装置では、プローブの種類、視野深度、周波数など種々の条件の下、数式や実測に基づき、必要な視野深度と一定の画像精度を確保しながら、プローブ表面温度が規格値を超えない範囲でフレームレートが可及的に高くなるようにＰＲＦ値を制御していた。具体的には、視野深度を基準として、上記の条件を充足するＰＲＦ値を実測や計算式に基づいて導出し、設定していた。

従来の多段送信フォーカス機能を搭載した超音波診断装置においても、シングルフォーカスと同様、視野深度に基づいてＰＲＦ値が一律に制御されていた。即ち、超音波ビームの収束するフォーカス位置は変更されているにも関わらず、各超音波ビームの送受信時間（超音波を送信してから次の超音波の送信を開始するまでの時間）は常に同一であった。

図５は、図４に示した多段送信フォーカスの実行時における各超音波ビームの送受信タイミングを示す図である。図中のＡ１、Ｂ１、Ｃ１はそれぞれ同一ビーム方向に対する超音波ビームＡ、Ｂ、Ｃの送受信時間を表している。なお、Ａ２は２回目の超音波ビームＡの送受信時間を表しており１回目（Ａ１）とはビーム方向が異なるものである。上述のように視野深度（ここでは８０ｍｍ）を基準として一律にＰＲＦが設定されるため、各超音波ビームＡ、Ｂ、Ｃについての送受信時間はいずれも同一となる。

しかし、前述の通り、多段送信フォーカス機能を用いるとシングルフォーカス機能を用いた場合と比べフレームレートは著しく低下するため、シングルフォーカス機能使用時よりも更にフレームレートの低下防止の要請が大きくなる。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、多段送信フォーカス機能の使用時において、フレームレートを可及的に高くすることができる超音波診断装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係る超音波診断装置は、同一ビーム方向に対してフォーカス位置を変えながら複数回の超音波ビーム送受信を行い、これによって得られたフォーカス位置の異なる複数の受信ビーム信号を合成処理することで複数のフォーカス位置を有する１本の受信ビーム信号を生成する多段送信フォーカス機能を備えた超音波診断装置であって、
a)前記同一ビーム方向に対する複数回の超音波ビーム送受信の各々について個別に送受信時間を決定する送受信時間決定手段と、
b)前記送受信時間決定手段で決定された送受信時間に基づいて超音波の送受信を制御する送受信制御手段と、
を有し、前記送受信時間決定手段が、前記同一ビーム方向に対して送受信される複数の超音波ビームのうち、最も深いフォーカス位置に対応する超音波ビームについては視野深度に応じて、その他のフォーカス位置に対応する超音波ビームについては前記受信ビーム信号合成時の繋ぎ目位置の深さに応じて前記送受信時間を決定することを特徴としている。

本発明において、超音波ビームの「送受信時間」とは、該超音波ビームの送信を開始してから次の超音波ビームの送信を開始するまでの時間を意味している。

以上のような構成によれば、フォーカス位置の異なる各超音波ビームについて視野深度又は繋ぎ目位置を基準深度とし、各基準深度までのエコー信号を取得できる範囲でできるだけ受信時間が短くなるように各超音波ビームの送受信時間を個別に決定することができる。従って、多段フォーカス実行時の超音波走査に要する時間を短縮し、フレームレートを向上させることができる。

但し、上述のようにプローブ表面温度には安全性確保のための規格値が定められているため、本発明に係る超音波診断装置は、この点にも考慮した送受信時間の決定を行うものとすることが望ましい。

すなわち、本発明の超音波診断装置における前記送受信時間決定手段は、更に超音波プローブの表面温度が所定の値、例えば上述の規格値を超えないように上記各超音波ビームの送受信時間を決定するものとすることが望ましい。

このような送受信時間の決定を行うために、本発明に係る超音波診断装置は、前記送受信時間決定手段が、一段フォーカスによる超音波送受信において所定の深さ位置までのエコー信号を取得でき且つプローブ表面温度が所定の値を超えない範囲における超音波送受信時間の最小値を複数の深さ位置について記憶した記憶手段を有し、該記憶手段を参照して前記各超音波ビームについての送受信時間を決定するものとすることが望ましい。

ここで上記記憶手段に記憶されるデータ、すなわち一段フォーカスによる超音波送受信において所定の深さ位置までのエコー信号を取得でき、且つプローブ表面温度が所定の値を超えない範囲における超音波送受信時間の最小値（以下、「最適送受信時間」と呼ぶことがある）は、例えば実測によって求めることができる。但し、前記最適送受信時間は超音波プローブの種類や超音波の周波数などの様々な送受信条件によって変化する。そのため、前記記憶手段には、これらの送受信条件を種々に変化させて測定を行うことによって求められた最適送受信時間を各送受信条件毎に記憶しておき、送受信時間決定手段が各超音波ビームの視野深度又は繋ぎ目位置の深さに加えて、現在の送受信条件を加味して最適な送受信時間を決定できるようにすることが望ましい。

上記構成を有する本発明に係る超音波診断装置によれば、多段送信フォーカスを行う際にも、送信する超音波ごとに、信号合成時の繋ぎ目位置又は視野深度を基準とした最適な送受信時間を設定することが可能となるため、一律に視野深度を基準としていた従来の多段超音波送信と比べてフレームレートを向上させることができる。

以下、本発明の一実施例による超音波診断装置について図面を用いて説明する。図１は、本実施例に係る超音波診断装置の要部構成を示すブロック図である。

超音波プローブ１６は被検者（図示しない）の身体に押し当てられ、該被検者の体内に超音波を送波すると共に該体内からの反射波を受波する。送信部１５は超音波プローブ１６に内蔵された各圧電素子に駆動パルスを印加して超音波を発生させるものであり、前記駆動パルスに与える遅延時間を制御することで超音波ビームの集束距離（即ち、フォーカス位置）を調節することができる。

前記反射波の受波によって各圧電素子から出力される電気信号（以下、エコー信号と呼ぶ）は受信部１７にて整相加算されて一本の受信ビーム信号となり、信号処理部１８へと入力される。信号処理部１８では、後述するビーム合成処理を含む所定の演算処理が行われて前記受信ビーム信号から超音波画像信号が構成される。これにより取得された超音波画像信号は図示しないＡ／Ｄ変換器によってデジタルデータに変換された上でデジタルスキャンコンバータ（図中ではＤＳＣ）１９に送出され、そこでモニタ２０の画面上に表示可能な形式に変換された上でモニタ２０に出力される。

上記各部の動作はＣＰＵ等を含む制御部１２によって制御され、さらに制御部１２に対してはキーボードや各種操作ボタン、トラックボールなどを備えた操作部１１によって操作者の指示が入力される。制御部１２は送受信時間決定部１３としての機能を有しており、この送受信時間決定部１３は、制御部１２に接続されたデータ記憶部１４を参照して多段送信フォーカス時における各超音波ビームの送受信時間を決定する（詳細は後述する）。

制御部１２を中心とする上記各部の機能は、超音波プローブ１６、操作部１１、モニタ２０などの入出力装置を除いて、ＣＰＵに所定のプログラムを実行させることにより、いわゆるソフトウェア的に実現してもよく、回路などによってハードウエア的に構成してもよい。また、両者が組み合わされた構成であってもよい。

以下、本実施例の特徴である多段送信フォーカス実行時の動作について説明する。まず、操作者が操作部１１から送信フォーカスの段数、フォーカス位置、超音波の周波数、走査線数などの超音波走査に必要な各種パラメータを入力すると、これらのパラメータは制御部１２に送出される。更に、制御部１２は現在超音波診断装置に接続されている超音波プローブ１６の種類を自動的に取得する。

これらのパラメータのうち、送受信時間の決定に必要なものは送受信時間決定部１３に送られる。ここで、送受信時間の決定に必要なパラメータとは、例えば、使用するプローブの種類、信号合成時の繋ぎ目位置、視野深度、周波数などである。なお、前記繋ぎ目位置は操作部１１を用いて操作者が指定するようにしてもよいが、前記フォーカス位置の情報に基づいて装置側で自動的に決定するようにしてもよい。この場合、例えば隣接する２つのフォーカス位置の中間に当たる位置等を繋ぎ目位置として決定する。

続いて、以上で与えられたパラメータに基づいて送受信時間決定部１３において各フォーカス位置に対応する超音波ビームの送受信時間が決定される。この点について、図２及び図３を参照しつつ説明する。図２は本実施例の超音波診断装置における多段送信フォーカス時の超音波ビームを模式的に示した図であり、図３は各超音波ビームの送受信タイミングを示す図である。ここでは、一例として上述の図４、５で説明した例と同様に、視野深度を８０ｍｍとし、フォーカス位置を４０ｍｍ（Ｆ１）、５０ｍｍ（Ｆ２）、６０ｍｍ（Ｆ３）の３段とした場合を示す。図２中のＡ、Ｂ、Ｃは、それぞれ前記Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３をフォーカス位置とする超音波ビームであり、いずれも同一のビーム方向に対して送受されるものである。

超音波診断では、被検体の深部までの情報を得ようとするほど超音波が往復するのに要する時間が長くなるためエコーの受信時間を長く取る必要がある。一方、浅い領域までの情報を得る場合にはエコーの受信時間は短時間でよい。すなわち、超音波ビームＣは視野深度８０ｍｍまでのエコー信号を取得する必要があるが、超音波ビームＡ、Ｂについては図２に示すようにそれぞれ繋ぎ目位置I（４５ｍｍ）、II（５５ｍｍ）までのエコー信号を取得できれば足りる。そこで、本実施例に係る超音波診断装置は、最も深いフォーカス位置に対応する超音波ビームについては視野深度を、その他の超音波ビームについては繋ぎ目位置の深さを基準として（以下、これを基準深度と呼ぶ）、各基準深度までのエコー信号を取得できる範囲でできるだけ受信時間が短くなるように各超音波ビームの送受信時間を決定する。

従って、上記の例では、超音波ビームＣについては従来と同様に視野深度（ここでは８０ｍｍ）を基準深度として送受信時間が決定されるが、その他の超音波ビームＡ、Ｂについてはそれぞれ繋ぎ目位置I、IIを基準深度として送受信時間が決定される。従って、超音波ビームＡ、Ｂについては従来よりも送受信時間を短くすることができ（図３及び図５を参照）、結果的にフレームレートを向上させることが可能となる。なお、図３中のＡ１、Ｂ１、Ｃ１及びＡ２、Ｂ２、Ｃ２はそれぞれ超音波ビームＡ、Ｂ、Ｃの送受信時間を表している（Ａ１〜Ｃ１とＡ２〜Ｃ２ではビーム方向が異なる）。

但し、超音波プローブ１６は、その種類により適したＰＲＦ値（超音波送受信周期の逆数）の範囲が定まっており、その範囲を外れたＰＲＦ値を用いて超音波送受信を行うと、プローブ表面が高温になる。そのため、本実施例に係る超音波診断装置は前記基準深度までのエコー信号を取得でき、なお且つプローブ表面温度が所定の温度（例えば安全性確保の観点から定められたプローブ表面温度の規格値）を超えない範囲で各超音波ビームの送受信時間を設定するものとなっている。

このような設定を実現するために本実施例の超音波診断装置には、一段フォーカス時において所定の深さ位置までのエコー信号を取得でき且つプローブ表面温度が所定の値を超えない範囲における超音波送受信時間の最小値（以下、これを最適送受信時間と呼ぶ）を記憶したデータ記憶部１４が設けられており、送受信時間決定部１３はデータ記憶部１４を参照することにより各超音波ビームの基準深度に対応する最適送受信時間を特定し、これを各超音波ビームについての送受信時間として決定する。

上記のデータ記憶部１４に記憶させるデータは、例えば実測によって求めることができる。但し、前記最適送受信時間は超音波プローブ１６の種類や超音波の周波数などの送受信条件によって変動する。そのため、データ記憶部１４には、一段フォーカスにおいて視野深度及び前記送受信条件を種々に変化させた測定によって求められた最適送受信時間を記憶させておき、送受信時間決定部１３は、データ記憶部１４を参照して現在の送受信条件と同一又は最も近い送受信条件に対応する最適送受信時間を特定するようにする。

以上のような送受信時間の決定が、フォーカス位置の異なる複数の超音波ビームについて行われ、これらの送受信時間の値に基づいて送信部１５の動作が制御される。これにより、図３のような超音波ビームの送受信が実行され、これにより得られた各超音波ビームに対応する受信ビーム信号が信号処理部１８に順次入力される。信号処理部１８では、同一ビーム方向に対する超音波ビームＡ、Ｂ、Ｃに由来する受信ビーム信号が合成処理される。このとき、フォーカス位置Ｆ１を含む最も浅い領域Ｒ１については超音波ビームＡ、フォーカス位置Ｆ２を含む領域Ｒ２については超音波ビームＢ、フォーカス位置Ｆ３を含む最も深い領域Ｒ３については超音波ビームＣにそれぞれ由来する受信ビーム信号が採用され、これらを合成することで３つのフォーカス位置Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を持つ１本の受信ビーム信号が得られる。

超音波ビームの方向を順次変更しながらこのような超音波ビームの送受及び合成処理を行うことにより走査面１枚分の受信ビーム信号が取得され、これらから該走査面に相当する超音波画像が生成されてモニタ２０に表示される。

以上のように、本実施例に係る超音波診断装置によれば、多段送信フォーカスを行う際において、同一方向に送受される複数の超音波ビームの各々について、上記のような視野深度又は繋ぎ目位置の深さを基準とした最適な送受信時間を設定することが可能となる。そのため、本実施例に係る超音波診断装置によれば、一律に視野深度に応じて送受信時間を決定していた従来の超音波診断装置と比べてフレームレートを上昇させることが可能となる。

以上、実施例を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容されるものである。

例えば、上記実施例では信号合成時の繋ぎ目位置をそのまま基準深度として送受信時間を決定するものとしたが、該繋ぎ目位置の情報に基づいて別途適当な基準深度を決定してこれを送受信時間の決定に用いるようにしてもよい。すなわち、一般に超音波診断装置では視野深度を切り換える際の最小切換え単位が定められており、仮に最小切替え単位が１０ｍｍであった場合、視野深度を７５ｍｍに設定することはできない。そのため、データ記憶部に記憶される実測データも、１０ｍｍ刻みの視野深度に対応したものとなり、前記繋ぎ目位置をそのまま基準深度とすると、データ記憶部１４を参照しても最適送受信時間を特定できない場合が生じる。そこで、繋ぎ目位置がこのように視野深度として設定不可能な深さとなった場合には、繋ぎ目位置をｘ(ｍｍ)、最小切替え単位をａ(ｍｍ)とおいたときに、ａＮ＜ｘ≦ａ(Ｎ+１) （Ｎは整数）となるＮを決定し、ａ(Ｎ+１)を基準深度として上記のような送受信時間の決定を行う構成にするとよい。

本発明の一実施例に係る超音波診断装置の要部構成を示すブロック図。 同実施例の超音波診断装置における多段フォーカス時の超音波ビームを表す模式図。 同実施例の超音波診断装置における多段フォーカス時の超音波送受信タイミングを示す図。 従来の超音波診断装置における多段フォーカス時の超音波ビームを表す模式図。 従来の超音波診断装置における多段フォーカス時の超音波送受信タイミングを示す図。

符号の説明

１１…操作部
１２…制御部
１３…送受信時間決定部
１４…データ記憶部
１５…送信部
１６…超音波プローブ
１７…受信部
１８…信号処理部
１９…ＤＳＣ
２０…モニタ

Claims (3)

1. 同一ビーム方向に対してフォーカス位置を変えながら複数回の超音波ビーム送受信を行い、これによって得られたフォーカス位置の異なる複数の受信ビーム信号を合成処理することで複数のフォーカス位置を有する１本の受信ビーム信号を生成する多段送信フォーカス機能を備えた超音波診断装置であって、
   a)前記同一ビーム方向に対する複数回の超音波ビーム送受信の各々について個別に送受信時間を決定する送受信時間決定手段と、
   b)前記送受信時間決定手段で決定された送受信時間に基づいて超音波の送受信を制御する送受信制御手段と、
   を有し、前記送受信時間決定手段が、前記同一ビーム方向に対して送受信される複数の超音波ビームのうち、最も深いフォーカス位置に対応する超音波ビームについては視野深度に応じて、その他のフォーカス位置に対応する超音波ビームについては前記受信ビーム信号合成時の繋ぎ目位置の深さに応じて前記送受信時間を決定することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記送受信時間決定手段が、更に超音波プローブの表面温度が所定の値を超えないように上記各超音波ビームの送受信時間を決定するもの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. 前記送受信時間決定手段が、一段フォーカスによる超音波送受信において所定の深さ位置までのエコー信号を取得でき且つプローブ表面温度が所定の値を超えない範囲における超音波送受信時間の最小値を複数の深さ位置について記憶した記憶手段を有し、該記憶手段を参照して前記各超音波ビームについての送受信時間を決定するものであることを特徴とする請求項２に記載の超音波診断装置。

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