JP2010094288A - 超音波診断装置及びその制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 ハーモニック合成において、フレームレートの低下を抑制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。
【解決手段】 ハーモニック合成を行う場合において、記憶された直前のフレームのエコーデータの一部を利用することで、一走査線における送受信回数をビーム合成数より少なくする。記憶された直前のフレームのエコーデータを利用する度合いを表す利用ビーム数は、任意に設定することができる。また、各フレームにおいて、ハーモニック合成に利用するビームの周波数の組み合わせが前のフレームと同一にならないように、より好ましくは、ハーモニック合成に利用するビームの周波数を周期的に入れ替えるようにして、画像メモリ中の各ビームが均等な頻度で更新させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、超音波診断装置に係り、特に、異なる基本周波数による送信を複数回行い、その受信信号（受信データ）に対しそれぞれ独立の特性を持った複素エコーフィルタをかけた後に加算するハーモニック合成処理を実行する超音波診断装置、超音波診断装置制御プログラムに関する。

超音波診断は、超音波プローブを体表から当てるだけの簡単な操作で心臓の拍動や胎児の動きの様子がリアルタイム表示で得られ、かつ安全性が高いため繰り返して検査を行うことができる。この他、システムの規模がＸ線、ＣＴ、ＭＲＩなど他の診断機器に比べて小さく、ベッドサイドへ移動していっての検査も容易に行えるなど簡便な診断手法であると言える。この超音波診断において用いられる超音波診断装置は、それが具備する機能の種類によって様々に異なるが、小型なものは片手で持ち運べる程度のものが開発されており、超音波診断はＸ線などのように被曝の影響がなく、産科や在宅医療等においても使用することができる。

この様な超音波診断において、異なる基本波（中心周波数、帯域、振幅等）による送信を複数回行い、その受信信号に対しそれぞれ独立の特性を持った複素エコーフィルタをかけた後に加算する、ハーモニック合成（Harmonic Synthesis：HSとも呼ばれる）というスキャン方法・画像処理方法がある。加算後は、通常のＢモード画像と同じ処理で画像生成を行う。受信したエコーデータを、エコー信号処理回路に含まれるメモリに１ビーム（ベクタ）分格納する。次に異なる周波数で送受信された際、ビーム合成部にて、図７に示すように前エコーデータをメモリから読み出し、合成する。ビーム合成数は可変であり、合成数に満たすまで、上記ビーム合成処理が繰り返される。処理が完了した合成エコーデータを表示系へと出力する。

しかしながら、従来の超音波診断装置によりハーモニック合成を用いた超音波診断を行う場合には、合成するビームが全て加算されないと表示系へ出力されない。従って、フレームレートがビーム合成数分の一になってしまい、リアルタイム性が低下するという問題がある。この問題は、ハーモニック合成の合成数を高くした場合に、特に顕著である。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、ハーモニック合成において、フレームレートの低下を抑制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している。

本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。

請求項１に記載の発明は、被検体を超音波で走査することにより、被検体からフレーム毎に受信データを取得する超音波走査手段と、ビーム合成数と、前記ビーム合成数よりも小さいビーム利用数を設定する設定手段と、所定期間の第１フレームにおける各走査線については、異なる基本周波数による超音波送受信を前記ビーム合成数分だけ繰り返す第１の送受信と、前記所定期間の第２フレーム以降のフレームにおける各走査線については、超音波送受信を前記ビーム合成数と前記ビーム利用数との差分数だけ実行する第２の送受信と、が実行されるように、前記超音波走査手段を制御する制御手段と、前記第１フレームの各走査線については、前記ビーム合成数分の受信データを加算することで、走査線毎の合成受信データを取得し、前記第２フレーム以降のフレームの各走査線については、前記差分数の受信データと前記所定期間内の過去のフレームにおいて取得された前記ビーム利用数分の受信データとを加算することで、走査線毎の合成受信データを取得する合成手段と、取得された前記合成受信データを用いて、各フレームに対応する超音波画像を生成する画像生成手段と、を具備することを特徴とする超音波診断装置である。

請求項６に記載の発明は、超音波診断装置に内蔵されたコンピュータに、被検体を超音波で走査することにより、被検体からフレーム毎に受信データを取得させる超音波走査機能と、ビーム合成数と、前記ビーム合成数よりも小さいビーム利用数を設定させる設定機能と、所定期間の第１フレームにおける各走査線については、異なる基本周波数による超音波送受信を前記ビーム合成数分だけ繰り返す第１の送受信と、前記所定期間の第２フレーム以降のフレームにおける各走査線については、超音波送受信を前記ビーム合成数と前記ビーム利用数との差分数だけ実行する第２の送受信と、が実行されるように、前記超音波走査手段を制御させる制御機能と、前記第１フレームの各走査線については、前記ビーム合成数分の受信データを加算することで、走査線毎の合成受信データを取得させ、前記第２フレーム以降のフレームの各走査線については、前記差分数の受信データと前記所定期間内の過去のフレームにおいて取得された前記ビーム利用数分の受信データとを加算することで、走査線毎の合成受信データを取得させる合成機能と、取得された前記合成受信データを用いて、各フレームに対応する超音波画像を生成させる画像生成機能と、を実現することを特徴とする超音波診断装置制御プログラムである。

以上本発明によれば、ハーモニック合成において、フレームレートの低下を抑制することができる超音波診断装置及びその制御方法を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係る超音波診断装置の構成を示したブロック図である。同図に示すように、本超音波診断装置１１は、超音波プローブ１２、入力装置１３、モニター１４、超音波送信ユニット２１、超音波受信ユニット２２、Ｂモード処理ユニット２３、ドプラ処理ユニット２４、信号処理ユニット２５、画像メモリ２６、画像生成ユニット２７、制御プロセッサ（ＣＰＵ）２８、内部記憶部２９、インターフェース部３０を具備している。以下、個々の構成要素の機能について説明する。

超音波プローブ１２は、超音波送受信ユニット２１からの駆動信号に基づき超音波を発生し、被検体からの反射波を電気信号に変換する複数の圧電振動子、当該圧電振動子に設けられる整合層、当該圧電振動子から後方への超音波の伝播を抑制するバッキング材等を有している。当該超音波プローブ１２から被検体Ｐに超音波が送信されると、当該送信超音波は、体内組織の音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、エコー信号として超音波プローブ１２に受信される。このエコー信号の振幅は、反射することになった反射することになった不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。また、送信された超音波パルスが、移動している血流や心臓壁等の表面で反射された場合のエコーは、ドプラ効果により移動体の超音波送信方向の速度成分を依存して、周波数偏移を受ける。

入力装置１３は、装置本体１１に接続され、オペレータからの各種指示、条件、関心領域（ＲＯＩ）の設定指示、種々の画質条件設定指示、後述するビーム合成数や利用ビーム数の入力指示等を装置本体１１にとりこむための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を有している。例えば、操作者が入力装置１３の終了ボタンやＦＲＥＥＺＥボタンを操作すると、超音波の送受信は終了し、当該超音波診断装置は一時停止状態となる。

モニター１４は、スキャンコンバータ２５からのビデオ信号に基づいて、生体内の形態学的情報（Ｂモード画像）、血流情報（平均速度画像、分散画像、パワー画像等）、これらの組み合わせを画像として表示する。

超音波送信ユニット２１は、図示しないトリガ発生回路、遅延回路およびパルサ回路等を有している。パルサ回路では、所定のレート周波数ｆｒ Ｈｚ（周期；１／ｆｒ秒）で、送信超音波を形成するためのレートパルスが繰り返し発生される。また、遅延回路では、チャンネル毎に超音波をビーム状に集束し且つ送信指向性を決定するのに必要な遅延時間が、各レートパルスに与えられる。トリガ発生回路は、このレートパルスに基づくタイミングで、プローブ１２に駆動パルスを印加する。

超音波受信ユニット２２は、図示していないアンプ回路、Ａ／Ｄ変換器、加算器等を有している。アンプ回路では、プローブ１２を介して取り込まれたエコー信号をチャンネル毎に増幅する。Ａ／Ｄ変換器では、増幅されたエコー信号に対し受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与え、その後加算器において加算処理を行う。この加算により、エコー信号の受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調され、受信指向性と送信指向性とにより超音波送受信の総合的なビームが形成される。

Ｂモード処理ユニット２３は、送受信ユニット２１からエコー信号を受け取り、対数増幅、包絡線検波処理などを施し、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータを生成する。このデータは、スキャンコンバータ２５に送信され、反射波の強度を輝度にて表したＢモード画像としてモニター１４に表示される。

ドプラ処理ユニット２４は、送受信ユニット２１から受け取ったエコー信号から速度情報を周波数解析し、ドプラ効果による血流や組織、造影剤エコー成分を抽出し、平均速度、分散、パワー等の血流情報を多点について求める。

画像生成ユニット２６は、一般的には、超音波スキャンの走査線信号列を、テレビなど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（スキャンコンバート）し、表示画像としての超音波診断画像を生成する。

画像メモリ（シネメモリ）２６は、例えばフリーズする直前の複数フレームに対応する超音波画像を保存するメモリである。この画像メモリ２６に記憶されている画像を連続表示（シネ表示）することで、超音波動画像を表示することも可能である。また、画像メモリ２６は、後述するハーモニック合成処理において、所定期間における第１フレーム分の受信データを保存すると共に、第２フレーム以降のフレームにおいて得られた受信データを上書き保存する。

制御プロセッサ２８は、情報処理装置（計算機）としての機能を持ち、本超音波診断装置本体の動作を制御する。制御プロセッサ２８は、内部記憶部２９からハーモニック合成機能を実現するための専用プログラム、所定の画像生成・表示等を実行するための制御プログラムを読み出して自身が有するメモリ上に展開し、各種処理に関する演算・制御等を実行する。

内部記憶部２９は、所定のスキャンシーケンス、本実施形態に係るハーモニック合成機能を実現するための専用プログラム、画像生成、表示処理を実行するための制御プログラム、診断情報（患者ＩＤ、医師の所見等）、診断プロトコル、送受信条件、ボディマーク生成プログラムその他のデータ群が保管されている。また、必要に応じて、画像メモリ２６中の画像の保管などにも使用される。内部記憶部２９のデータは、インターフェース回路３０を経由して外部周辺装置へ転送することも可能となっている。

インターフェース部３０は、入力装置１３、ネットワーク、新たな外部記憶装置（図示せず）に関するインターフェースである。当該装置によって得られた超音波画像等のデータや解析結果等は、インターフェース部３０よって、ネットワークを介して他の装置に転送可能である。

（ハーモニック合成機能）
次に、本超音波診断装置１が有するハーモニック合成機能について説明する。本機能は、あるフレームについてハーモニック合成を行う場合において、記憶された所定フレーム（例えば直前のフレーム）のエコーデータの一部を利用することで、ハーモニック合成におけるフレームレートの低下、及びこれに伴う時間分解能やリアルタイム性の低下を抑制するものである。

図２は、本実施形態に係るハーモニック合成機能に従う処理（ハーモニック合成処理）を含む超音波画像の取得の流れを示したフローチャートである。また、図３は、図２のステップＳ３において実行されるハーモニック合成処理の流れを示したフローチャートである。以下、図２、図３に従って本ハーモニック合成処理について説明する。

［患者情報、撮影条件等の設定：ステップＳ１］
まず、制御プロセッサ２８は、入力装置１３からの入力に基づいて、患者情報、撮影条件（検査部位、Ｂモード等の撮影モード、焦点位置、音圧等の各種パラメータ）を設定する（ステップＳ１）。

［ハーモニック合成モードへの遷移：ステップＳ２］
次に、制御プロセッサ２８は、入力装置１３からの入力に応答して、ハーモニック合成モードへ遷移する（ステップＳ２）。また、制御プロセッサ２８は、入力装置１３からの入力や初期値に基づいて、ビーム合成数、利用ビーム数を設定する。ここで、ビーム合成数とは、ハーモニック合成モードにおいて、一走査線について合成を行うビーム数である。また、利用ビーム数とは、本ハーモニック合成処理において、一走査線において他のフレームから利用するビームの数である。なお、本実施形態においては、説明を具体的にするため、ビーム合成数４、利用ビーム数３として入力され、設定されたものとする。

［ハーモニック合成モードによる超音波画像の取得：ステップＳ３］
次に、制御プロセッサ２８は、ハーモニック合成モードによる超音波画像の取得／表示を実行する（ステップＳ３）。すなわち、図３に示すように、制御プロセッサ２８は、まず、画像メモリ２６がリセットされた後、第１フレームＡの各走査線につき、それぞれ異なる周波数によって４回分（すなわちビーム合成数分）の超音波ビームの送受信が実行される（ステップＳ３０、ステップＳ３１）。

次に、信号処理ユニット２５は、第１フレームＡについてのハーモニック合成処理を実行する（ステップＳ３２）。図４は、本実施形態に係るハーモニック合成処理の概念を説明するための図である。同図に示すように、信号処理ユニット２５は、第１フレームＡにおいて得られたビーム１−Ａ、２−Ａ、３−Ａ、４−Ａのそれぞれに対して、各周波数に対応する特性を持った複素エコーフィルタ処理を行った後、各走査線毎に加算処理を行うことで、第１フレームＡについてのハーモニック合成処理を行う。また、画像メモリ２６は、複素エコーフィルタ処理後（かつ合成処理前）において、第１フレームＡにおいて得られた一フレーム分の受信データ（ビーム）を保存する（ステップＳ３３）。画像生成ユニット２７は、加算後の各走査線毎の受信データに基づいて、第１フレームＡに対応する超音波画像を生成する。生成された超音波画像は、所定の形態でモニター１４においてリアルタイムに表示される（ステップＳ３４）。

次に、第２フレームＢの各走査線につき、それぞれ異なる周波数によって１回（すなわちビーム合成数４から利用ビーム数３を差し引いた回数分）の超音波送受信が実行される（ステップＳ３５）。なお、本実施形態では、図４に示すようにビーム１−Ｂによる基本周波数の超音波送受信が実行されたものとする。

次に、信号処理ユニット２５は、第２フレームＢについてのハーモニック合成処理を実行する（ステップＳ３６）。すなわち、信号処理ユニット２５は、第２フレームＢにおいて得られたビーム１−Ｂに対して、周波数に対応する特性を持った複素エコーフィルタ処理を行った後、図４に示すように、第２フレームＢのビーム１−Ｂと第１フレームＡのビーム２−Ａ、３−Ａ、４−Ａとを用いて各走査線毎に加算処理を行うことで、第２フレームＡについてのハーモニック合成処理を行う。

また、画像メモリ２６は、第２フレームＢにおいて得られた各走査線毎のビーム１−Ｂを、複素エコーフィルタ処理後（かつ合成処理前）において、第１フレームＡにおいて得られた対応する走査線のビーム１−Ａに上書き保存する（ステップ（ステップＳ３７）。画像生成ユニット２７は、加算後の各走査線毎の受信データに基づいて、第２フレームＢに対応する超音波画像を生成する。生成された超音波画像は、所定の形態でモニター１４においてリアルタイムに表示される（ステップＳ３８）。

次に、第３フレームＣ、第４フレームＤ、第５フレームＥ、第６フレームＦ、・・・・第ｎフレームＮのそれぞれについて、上記ステップＳ３５〜ステップＳ３８の各処理が実行される。このとき、図４に示すように、制御プロセッサ２８は、各フレームにおいて、ハーモニック合成に利用するビームの周波数の組み合わせが前のフレームと同一にならないように（すなわち、送信するビームの周波数が前のフレームと異なるように）、送信周波数を制御する。また、ハーモニック合成に利用するビームの周波数を周期的に入れ替えることで、画像メモリ中の各ビームが均等な頻度で上書きされることが好ましい。

なお、上記実施形態においては、ビーム合成数を４とじ利用ビーム数を３とする場合を例として説明した。しかしながら、ビーム合成数、利用ビーム数はそれぞれ当該例に拘泥されず、任意の値に変更可能である。図５に利用ビーム数を２とする例、図６に利用ビーム数を１とする例をそれぞれ示した。

（効果）
以上述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。

本超音波診断装置によれば、ハーモニック合成を行う場合において、記憶された直前のフレームのエコーデータの一部を利用することで、一走査線における送受信回数をビーム合成数より少なくすることができる。従って、全ての走査線についてビーム合成数だけ超音波ビームの送受信を行う従来の超音波診断装置に比べて、ハーモニック合成の合成数の増加に伴うフレームレートの低下を抑制することができる。

また、本超音波診断装置では、記憶された直前のフレームのエコーデータを利用する度合いを表す利用ビーム数は、任意に設定することができる。従って、ビーム合成数に応じて利用ビーム数を制御することで、より高い自由度を持ってハーモニック合成の合成数の増加に伴うフレームレートの低下を抑制することができる。

さらに、本超音波診断装置では、各フレームにおいて、ハーモニック合成に利用するビームの周波数の組み合わせが前のフレームと同一にならないように、より好ましくは、ハーモニック合成に利用するビームの周波数を周期的に入れ替えるようにして、画像メモリ中の各ビームが均等な頻度で更新させる。従って、常に時間的に新しい受信データを利用したハーモニック合成を行うことができ、信頼性の高い超音波画像を生成し提供することができる。

なお、本発明は上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。具体的な変形例としては、例えば次のようなものがある。

（１）本実施形態に係る各機能は、当該処理を実行するプログラムをワークステーション等のコンピュータにインストールし、これらをメモリ上で展開することによっても実現することができる。このとき、コンピュータに当該手法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどの記録媒体に格納して頒布することも可能である。

（２）上記実施形態においては、二次元領域（フレーム）を超音波走査する場合においてハーモニック合成を行う例を説明した。しかしながら、本発明の技術的思想は、二次元の超音波走査に拘泥されない。すなわち、三次元領域（ボリューム）の超音波走査においてハーモニック合成を行う場合にも、適用することができる。

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よい。

以上本発明によれば、ハーモニック合成において、フレームレートの低下を抑制することができる超音波診断装置及びその制御方法を実現することができる。

図１は、実施形態に係る超音波診断装置の構成を示したブロック図である。 図２は、本実施形態に係るハーモニック合成機能に従う処理（ハーモニック合成処理）を含む超音波画像の取得の流れを示したフローチャートである。 図３は、図２のステップＳ３において実行されるハーモニック合成処理の流れを示したフローチャートである。 図４は、本実施形態に係るハーモニック合成処理の概念を説明するための図である。 図５は、利用ビーム数を２とする本ハーモニック合成処理の変形例を示した図である。 図６は、利用ビーム数を１とする本ハーモニック合成処理の他の変形例を示した図である。 図７は、従来のハーモニック合成処理を説明するための図である。

符号の説明

１０…超音波診断装置、１２…超音波プローブ、１３…入力装置、１４…モニター、２１…超音波送信ユニット、２２…超音波受信ユニット、２３…Ｂモード処理ユニット、２４…ドプラ処理ユニット、２５…信号処理ユニット、２６…画像メモリ、２７…画像生成ユニット、２８…制御プロセッサ、２９…内部記憶部、３０…インタフェース部、３１…画像処理部

Claims (6)

1. 被検体を超音波で走査することにより、前記被検体からフレーム毎に受信データを取得する超音波走査手段と、
   ビーム合成数と、前記ビーム合成数よりも小さいビーム利用数を設定する設定手段と、
   所定期間の第１フレームにおける各走査線については、異なる基本周波数による超音波送受信を前記ビーム合成数分だけ繰り返す第１の送受信と、前記所定期間の第２フレーム以降のフレームにおける各走査線については、超音波送受信を前記ビーム合成数と前記ビーム利用数との差分数だけ実行する第２の送受信と、が実行されるように、前記超音波走査手段を制御する制御手段と、
   前記第１フレームの各走査線については、前記ビーム合成数分の受信データを加算することで、走査線毎の合成受信データを取得し、前記第２フレーム以降のフレームの各走査線については、前記差分数の受信データと前記所定期間内の過去のフレームにおいて取得された前記ビーム利用数分の受信データとを加算することで、走査線毎の合成受信データを取得する合成手段と、
   取得された前記合成受信データを用いて、各フレームに対応する超音波画像を生成する画像生成手段と、
   を具備することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記合成手段は、前記第２フレーム以降のフレームの各走査線について、前記第２の送受信によって取得される前記差分数の受信データと直前のフレームにおいて取得された前記ビーム利用数分の受信データとを加算することで、走査線毎の合成受信データを取得することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記合成手段は、前記第２フレーム以降のフレームの各走査線について、前記第２の送受信によって取得される前記差分数の受信データと異なる基本周波数を持つ前記ビーム利用数分の受信データを用いて、前記加算処理を実行することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波診断装置。
4. 前記制御手段は、前記第２の送受信で用いられる基本周波数の組み合わせがフレーム毎に変更されるように、前記超音波走査手段を制御することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の超音波診断装置。
5. 前記ビーム合成数及び前記ビーム利用数の少なくとも一方について、任意の値を入力するための入力手段をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の超音波診断装置。
6. 超音波診断装置に内蔵されたコンピュータに、
   被検体を超音波で走査することにより、被検体からフレーム毎に受信データを取得させる超音波走査機能と、
   ビーム合成数と、前記ビーム合成数よりも小さいビーム利用数を設定させる設定機能と、
   所定期間の第１フレームにおける各走査線については、異なる基本周波数による超音波送受信を前記ビーム合成数分だけ繰り返す第１の送受信と、前記所定期間の第２フレーム以降のフレームにおける各走査線については、超音波送受信を前記ビーム合成数と前記ビーム利用数との差分数だけ実行する第２の送受信と、が実行されるように、前記超音波走査手段を制御させる制御機能と、
   前記第１フレームの各走査線については、前記ビーム合成数分の受信データを加算することで、走査線毎の合成受信データを取得させ、前記第２フレーム以降のフレームの各走査線については、前記差分数の受信データと前記所定期間内の過去のフレームにおいて取得された前記ビーム利用数分の受信データとを加算することで、走査線毎の合成受信データを取得させる合成機能と、
   取得された前記合成受信データを用いて、各フレームに対応する超音波画像を生成させる画像生成機能と、
   を実現することを特徴とする超音波診断装置制御プログラム。

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