JP2012125585A

JP2012125585A - ミッドポイントアルゴリズムを用いて受信集束を行う超音波システムおよび方法

Info

Publication number: JP2012125585A
Application number: JP2011274928A
Authority: JP
Inventors: Beom Gyu Kim; ボムギュキム，
Original assignee: Samsung Medison Co Ltd
Current assignee: Samsung Medison Co Ltd
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-07-05
Also published as: KR20120067535A; EP2466332A3; US20120157848A1; EP2466332A2; US9091760B2

Abstract

【課題】ミッドポイントアルゴリズムを用いて受信集束を行う超音波システムおよび方法を提供すること。
【解決手段】本発明における超音波システムは、ミッドポイントアルゴリズムを用いてサンプルボリュームを基準に生体の深さによって一定の遅延値を算出し、超音波信号を前記生体に送信し前記生体から反射される超音波エコー信号を受信し、前記超音波エコー信号に基づいてデジタル信号を形成し、前記遅延値に基づいて前記デジタル信号を受信集束させて前記サンプルボリュームに対応するＨＰＲＦ（ｈｉｇｈｐｕｌｓｅｒａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ドップラ映像を得るための超音波データを取得する超音波データ取得部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波システムに関し、特に、ミッドポイントアルゴリズム（ｍｉｄ−ｐｏｉｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いて受信集束を行う超音波システムおよび方法に関する。

超音波システムは、無侵襲および非破壊特性を有しており、生体内部の情報を得るために医療分野で広く用いられている。超音波システムは、対象体を直接切開して観察する外科手術の必要がなく、対象体の内部組織を高解像度の映像で医師に提供することができるため、医療分野で非常に重要なものとして用いられている。

超音波システムは、超音波プローブを用いて超音波信号を生体に送信し、生体から反射される超音波信号(即ち、超音波エコー信号)を受信する。超音波システムは、その超音波エコー信号に多様な信号処理を行って超音波映像を形成する。

一方、超音波システムは、ダイナミック受信集束遅延（ｄｙｎａｍｉｃＲｘｆｏｃｕｓｉｎｇｄｅｌａｙ）を計算するために用いられる集束遅延アルゴリズム（ｆｏｃｕｓｉｎｇｄｅｌａｙａｌｇｏｒｉｔｈｍ）に該当するミッドポイントアルゴリズム（ｍｉｄ−ｐｏｉｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いて受信集束を行う。また、超音波システムは、特定の深さの深部で最大検出可能な流速より速い血流を検出するために、一般に可能なパルスレート周波数（ｐｕｌｓｅｒａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）より高いパルスレート周波数を用いてドップラ映像を提供している。このようなドップラ映像をＨＰＲＦ（ｈｉｇｈｐｕｌｓｅｒａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ドップラ映像という。

従来は、ＨＰＲＦドップラ映像を取得するために超音波信号を生体に送信し、生体から反射される超音波エコー信号を受信し、ミッドポイントアルゴリズムを用いてその超音波エコー信号に受信集束を行う場合、サンプルボリューム（ｓａｍｐｌｅｖｏｌｕｍｅ）とファントムサンプルボリューム（ｐｈａｎｔｏｍｓａｍｐｌｅｖｏｌｕｍｅ）との間のタイミングの問題によって、ファントムサンプルボリュームに対応する深さでの受信集束遅延カーブ（Ｒｘｆｏｃｕｓｉｎｇｄｅｌａｙｃｕｒｖｅ）を用いている。このため、実際の超音波エコー信号が反射される深さに対応する正確な受信集束遅延カーブを適用できず、ドップラ信号の感度が低下するといった問題がある。

特開平１１−２２１２１７号公報

本発明の課題は、ミッドポイントアルゴリズムに適用される初期値を変更し、サンプルボリュームを基準に深さによって一定の遅延値を算出し、その遅延値に基づいて受信集束を行う超音波システムおよび方法を提供することにある。

本発明における超音波システムは、ミッドポイントアルゴリズムを用いてサンプルボリュームを基準に生体の深さによって一定の遅延値を算出し、超音波信号を前記生体に送信し前記生体から反射される超音波エコー信号を受信し、前記超音波エコー信号に基づいてデジタル信号を形成し、前記遅延値に基づいて前記デジタル信号を受信集束させて前記サンプルボリュームに対応するＨＰＲＦ（ｈｉｇｈｐｕｌｓｅｒａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ドップラ映像を得るための超音波データを取得する超音波データ取得部を備える。

また、本発明における受信集束方法は、ａ）ミッドポイントアルゴリズムを用いてサンプルボリュームを基準に生体の深さによって一定の遅延値を算出する段階と、ｂ）超音波信号を前記生体に送信し前記生体から反射される超音波エコー信号を受信してデジタル信号を形成する段階と、ｃ）前記遅延値に基づいて前記デジタル信号を受信集束させて前記サンプルボリュームに対応するＨＰＲＦドップラ映像を得るための超音波データを取得する段階とを備える。

本発明は、従来のミッドポイントアルゴリズムを用いてサンプルボリュームを基準に深さによって一定の遅延値を算出でき、その遅延値を用いてファントムサンプルボリュームから受信されるドップラ信号の感度を向上させることができる。

本発明の実施例における超音波システムの構成を示すブロック図である。Ｂモード映像およびサンプルボリュームを示す例示図である。本発明の実施例における超音波データ取得部の構成を示すブロック図である。ミッドポイントアルゴリズムに対応する数式を説明する説明図である。本発明の実施例におけるパルスレート周波数、超音波信号の送信および超音波信号の受信を示すタイミング図である。本発明の実施例におけるパルスレート周波数に基づいて超音波信号の送信および受信を示す例示図である。本発明の実施例における受信集束遅延カーブを示す例示図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の実施例における超音波システムの構成を示すブロック図である。図１を参照すると、超音波システム１００は、ユーザー入力部１１０を備える。

ユーザ入力部１１０は、ユーザの入力情報を受信する。本実施例において、入力情報は、図２に示すように、Ｂモード映像ＢＩにサンプルボリュームＳＶを設定するための第１入力情報およびＨＰＲＦ（ｈｉｇｈｐｕｌｓｅｒａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ドップラモードを選択するための第２入力情報を含む。しかし、入力情報は、必ずしもこれに限定されない。

ここで、ＨＰＲＦドップラモードは、特定深さで最大検出可能な血流速度より速い血流を測定しようとする場合に、一般的なＰＲＦ（ｐｕｌｓｅｒａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）より高いＰＲＦを用いてドップラスペクトル映像を得るための診断モードである。図２において、図面符号ＢＶは、血管（ｂｌｏｏｄｖｅｓｓｅｌ）を示す。ユーザ入力部１１０は、コントロールパネル（ｃｏｎｔｒｏｌｐａｎｅｌ）、トラックボール（ｔｒａｃｋｂａｌｌ）、マウス（ｍｏｕｓｅ）、キーボード（ｋｅｙｂｏａｒｄ）などを含む。

超音波システム１００は、超音波データ取得部１２０をさらに備える。超音波データ取得部１２０は、超音波信号を生体に送信し、生体から反射される超音波信号(即ち、超音波エコー信号)を受信して超音波データを取得する。生体は、対象体(例えば、血流、心臓、肝等)を含む。

図３は、本発明の実施例における超音波データ取得部の構成を示すブロック図である。図３を参照すると、超音波データ取得部１２０は、超音波プローブ３１０を備える。

超音波プローブ３１０は、電気的信号と超音波信号を相互変換する複数の電気音響変換素子（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｅｌｅｍｅｎｔ：以下単に変換素子と呼ぶ）（図示せず）を備える。超音波プローブ３１０は、超音波信号を生体に送信し、生体から反射される超音波エコー信号を受信して受信信号を形成する。受信信号は、アナログ信号である。超音波プローブ３１０は、コンベックスプローブ（ｃｏｎｖｅｘｐｒｏｂｅ）、リニアプローブ（ｌｉｎｅａｒｐｒｏｂｅ）などを含む。

超音波データ取得部１２０は、送信部３２０をさらに備える。送信部３２０は、超音波信号の送信を制御する。また、送信部３２０は、変換素子および集束点を考慮して、超音波映像を得るための電気的信号(「送信信号」)を形成する。送信部３２０は、送信信号形成部(図示せず)、送信遅延時間情報メモリ(図示せず)、送信ビームフォーマ(図示せず)などを備える。

超音波データ取得部１２０は、受信部３３０をさらに備える。受信部３３０は、超音波プローブ３１０から提供される受信信号をアナログデジタルに変換してデジタル信号を形成する。また、受信部３３０は、変換素子および集束点を考慮して、デジタル信号を受信集束させて受信集束信号を形成する。受信部３３０は、受信信号増幅部(図示せず)、アナログデジタル変換部(図示せず)、受信遅延時間情報メモリ(図示せず)、受信ビームフォーマ(図示せず)などを備える。

超音波データ取得部１２０は、超音波データ形成部３４０をさらに備える。超音波データ形成部３４０は、受信部３３０から提供される受信集束信号を用いて超音波データを形成する。超音波データは、ＲＦ（ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）データ、または、ＩＱ（ｉｎ−ｐｈａｓｅ／ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）データを含む。しかし、超音波データは、必ずしもこれに限定されない。また、超音波データ形成部３４０は、超音波データを形成するのに必要な様々な信号処理（例えば、利得（ｇａｉｎ）調節等）を受信集束信号に行うこともできる。

以下、添付した図面を参照して本発明における超音波データ取得部１２０をより具体的に説明する。説明の便宜上、サンプルボリュームＳＶがＢモード映像ＢＩの深さ方向に略２０ｃｍの深さに設定され、これに対応するファントムサンプルボリューム（ｐｈａｎｔｏｍｓａｍｐｌｅｖｏｌｕｍｅ）がサンプルボリュームの設定深さ(２０ｃｍ)の略半分深さ(１０ｃｍ)に設定されることと仮定する。

送信部３２０は、変換素子および集束点を考慮して、Ｂモード映像ＢＩを得るための第１送信信号を形成する。

超音波プローブ３１０は、送信部３２０から提供される第１送信信号を超音波信号に変換して生体に送信し、生体から反射される超音波エコー信号を受信して第１受信信号を形成する。

受信部３３０は、超音波プローブ３１０から提供される第１受信信号をアナログデジタル変換して第１デジタル信号を形成する。また、受信部３３０は、ミッドポイントアルゴリズムを用いて第１デジタル信号を受信集束させて第１受信集束信号を形成する。

一般に、ミッドポイントアルゴリズム（ｍｉｄ−ｐｏｉｎｔａｌｇｏｒｉｔｈｍ）は、ダイナミック受信集束遅延を計算するために用いられる集束遅延アルゴリズムである。ミッドポイントアルゴリズムの式を展開して整理すると、下記の式のような条件式として定義される。

式１において、ｄ_ｎは決定変数（ｄｅｃｉｓｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ）を示し、ｒ_ｎは初期深さを示し、ｌ_ｎは初期遅延値、即ち図４に示すように集束点からＮ番目変換素子までの距離の中から初期深さｒ_ｎを差し引いた残りを示し、αは図４に示すように２ｘｓｉｎθを示し、Ｃ_ｎは−４(α＋１)を示し、Ｃ_ｐは−１２−４αを示し、ｎは１以上の整数を示す。

従って、ミッドポイントアルゴリズムは、Ｃ_ｎおよびＣ_ｐが変換素子および集束点の位置により決定される一方、初期に設定される特定変数、即ちｄ_ｎおよびｒ_ｎにより受信集束遅延カーブの遅延データが生成される。

超音波データ形成部３４０は、受信部３３０から提供される第１受信集束信号を用いてＢモード映像ＢＩに対応する第１超音波データを形成する。第１超音波データは、ＲＦデータを含む。しかし、第１超音波データは、必ずしもこれに限定されない。

送信部３２０は、入力情報(即ち、第１入力情報および第２入力情報)およびＰＲＦに基づいてサンプルボリュームＳＶ、即ちＨＲＰＦドップラモードに対応するＨＲＰＦドップラ映像を得るための第２送信信号を形成する。従って、超音波プローブ３１０は、送信部３２０から提供される第２送信信号を超音波信号に変換して生体に送信し、生体から反射される超音波エコー信号を受信して第２受信信号を形成する。

一例として、送信部３２０は、第１パルスレート周波数ＰＲＦ_１によって第２送信信号を形成する。超音波プローブ３１０は、図５および図６に示すように、第１パルスレート周波数ＰＲＦ_１によって送信部３２０から提供される第２送信信号を超音波信号に変換して生体に送信（Ｔｘ_１）する。図６において、図面符号ＰＳＶは、ファントムサンプルボリュームを示す。即ち、図５および図６に示すように、Ｔ_１時間後には、第１パルスレート周波数ＰＲＦ_１によって超音波プローブ３１０から送信された超音波信号が１０ｃｍの位置に到達するようになり、Ｔ_２時間後には、超音波信号の一部が１０ｃｍの位置で反射されて生成された超音波エコー信号が超音波プローブ３１０を通じて受信される。そして、超音波信号の一部が２０ｃｍの位置に到達するようになる。この時、第１パルスレート周波数ＰＲＦ_１によって送信された超音波信号に対応する血流情報（血流速度など）は、１０ｃｍの位置に血管がないため、存在しなくなる。

送信部３２０は、第２パルスレート周波数ＰＲＦ_２によって第２送信信号を形成する。超音波プローブ３１０は、図５および図６に示すように、第２パルスレート周波数ＰＲＦ_２によって送信部３２０から提供される第２送信信号を超音波信号に変換して生体に送信(Ｔｘ_２)する。続いて、超音波プローブ３１０は、図５および図６に示すように、生体から反射される超音波エコー信号を受信Ｒｘ_１して第２受信信号を形成する。この時、受信される超音波エコー信号Ｒｘ_１は、超音波プローブ３１０から送信された超音波信号（Ｔｘ_１)が生体により反射されて超音波プローブ３１０に受信される超音波エコー信号である。図５および図６に示すように、第２パルスレート周波数ＰＲＦ_２によって超音波プローブ３１０から超音波信号が送信される(Ｔｘ_２)。この時、Ｔ_３時間後には、第１パルスレート周波数ＰＲＦ_１によって送信された超音波信号が２０ｃｍの位置で反射されて１０ｃｍの位置に到達するようになり、第２パルスレート周波数ＰＲＦ_２によって送信された超音波信号も１０ｃｍの位置に到達するようになる。

Ｔ_４時間後には、第１パルスレート周波数ＰＲＦ_１によって送信された超音波信号が２０ｃｍの位置で反射されて生成された超音波エコー信号が超音波プローブ３１０を通じて受信され（図５のＲ_ｘ１）、第２パルスレート周波数ＰＲＦ_２によって送信された超音波信号が１０ｃｍの位置で反射され生成された超音波エコー信号が超音波プローブ３１０を通じて受信される。

送信部３２０は、第３パルスレート周波数ＰＲＦ_３によって第２送信信号を形成する。超音波プローブ３１０は、図５および図６に示すように、第３パルスレート周波数ＰＲＦ_３によって送信部３２０から提供される第２送信信号を超音波信号に変換して生体に送信(Ｔｘ_３)する。また、超音波プローブ３１０は、図５および図６に示すように、第３パルスレート周波数ＰＲＦ_３によって生体から反射される超音波エコー信号を受信(Ｒｘ_２)して第２受信信号を形成する。この時、受信された超音波エコー信号（Ｒｘ_２）は、超音波プローブ３１０から送信された超音波信号(Ｔｘ_２)が生体により反射されて超音波プローブ３１０に受信される音波エコー信号である。図５および図６を参照すると、Ｔ_５時間後には、第２パルスレート周波数ＰＲＦ_２によって送信された超音波信号が２０ｃｍの位置で反射され１０ｃｍの位置に到達するようになり、Ｔ_６時間後には、第２パルスレート周波数ＰＲＦ_２によって送信された超音波信号が２０ｃｍの位置で反射され生成された超音波エコー信号が超音波プローブ３１０を通じて受信される（図５のＲ_ｘ２）。

受信部３３０は、超音波プローブ３１０から提供される第２受信信号をアナログデジタル変換して第２デジタル信号を形成する。受信部３３０は、本実施例におけるミッドポイントアルゴリズムを用いて第２デジタル信号を受信集束させて第２受信集束信号を形成する。

ミッドポイントアルゴリズムは、全ての深さに対して遅延値を適用して受信集束遅延を計算する。しかし、ＰＷ（ｐｕｌｓｅｗａｖｅ）ドップラモードまたはＨＰＲＦドップラモードは、特定スキャンラインの１つの集束点のみをフォーカシングして超音波データを取得するものであるため、全ての深さに対する遅延値は必要ない。従って、サンプルボリュームＳＶに対応する遅延値が有効の遅延値であり、この値を全ての深さについて適用すれば、ファントムサンプルボリュームＰＳＶでもサンプルボリュームＳＶの遅延値を用いることができるようになる。

このため、受信部３３０は、式１において、ｄ_ｎの初期値を０以下の値に設定し、Ｃ_ｎを−８ｌ_ｎに設定する。このように初期値を設定するようになれば、遅延値ｌ_ｎは、図７に示すように深さによって常に同一に維持される受信集束遅延カーブＩ_{ａｆｔｅｒ}となる。図７において、図面符号Ｉ_{ｂｅｆｏｒｅ}は、従来のミッドポイントアルゴリズムによる受信集束遅延カーブを示す。

従って、受信部３３０は、ミッドポイントアルゴリズムについて初期遅延値が０より小さくなるように特定変数(即ち、ｄ_ｎおよびＣ_ｎ)を設定して深さによって一定の遅延値を算出し、算出された遅延値を用いてデジタル信号を受信集束させて受信集束信号を形成する。

超音波データ形成部３４０は、受信部３３０から提供される第２受信集束信号を用いてＨＰＲＦドップラ映像に対応する第２超音波データを形成する。

再び図１を参照すると、超音波システム１００は、プロセッサ１３０をさらに備える。プロセッサ１３０は、ユーザ入力部１１０および超音波データ取得部１２０に連結される。プロセッサ１３０は、ＣＰＵ、ＧＰＵ、マイクロプロセッサなどを含む。

本実施例において、プロセッサ１３０は、超音波データ取得部１２０から提供される第１超音波データを用いてＢモード映像ＢＩを形成する。Ｂモード映像ＢＩは、ディスプレイ部１５０に表示される。従って、ユーザは、ユーザ入力部１１０を用いてＢモード映像ＢＩにサンプルボリュームＳＶを設定することができる。また、プロセッサ１３０は、ユーザ入力部１１０から提供される入力情報(即ち、第１入力情報)に基づいてＢモード映像ＢＩにサンプルボリュームＳＶを設定する。また、プロセッサ１３０は、ユーザ入力部１１０から提供される入力情報(即ち、第１入力情報)に基づいてＢモード映像ＢＩにファントムサンプルボリュームＰＳＶを設定する。また、プロセッサ１３０は、超音波データ取得部１２０から提供される第２超音波データを用いてドップラ信号を形成し、形成されたドップラ信号を用いてＨＰＲＦドップラ映像を形成する。

超音波システム１００は、格納部１４０をさらに備える。格納部１４０は、超音波データ取得部１２０で取得された超音波データ(即ち、第１超音波データおよび第２超音波データ)を格納する。また、格納部１４０は、ユーザ入力部１１０で受信された入力情報を格納することもできる。

超音波システム１００は、ディスプレイ部１５０をさらに備える。ディスプレイ部１５０は、プロセッサ１３０で形成されたＢモード映像を表示する。また、ディスプレイ部１５０は、プロセッサ１３０で形成されたＨＰＲＦドップラ映像を表示する。

本発明は、望ましい実施例によって説明および例示をしたが、当業者であれば添付した特許請求の範囲の事項および範疇を逸脱することなく、様々な変形および変更が可能である。

１００超音波システム
１１０ユーザー入力部
１２０超音波データ取得部
１３０プロセッサ
１４０格納部
１５０ディスプレイ部
３１０超音波プローブ
３２０送信部
３３０受信部
３４０超音波データ形成部
ＢＩＢモード映像
ＳＶサンプルボリューム
ＢＶ血管
ＰＳＶファントムサンプルボリューム
ＰＲＦ_１〜ＰＲＦ_４パルスレート周波数
Ｔｘ送信
Ｒｘ受信
Ｔ_１〜Ｔ_６時間

Claims

ミッドポイントアルゴリズムを用いてサンプルボリュームを基準に生体の深さによって一定の遅延値を算出し、超音波信号を前記生体に送信し前記生体から反射される超音波エコー信号を受信し、前記超音波エコー信号に基づいてデジタル信号を形成し、前記遅延値に基づいて前記デジタル信号を受信集束させて前記サンプルボリュームに対応するＨＰＲＦ（ｈｉｇｈｐｕｌｓｅｒａｔｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ドップラ映像を得るための超音波データを取得する超音波データ取得部
を備えることを特徴とする超音波システム。
前記超音波データ取得部は、
パルスレート周波数に基づいて前記ＨＰＲＦドップラ映像を得るための第ｉ送信信号と第(ｉ＋１)(ｉは、１以上の整数)送信信号とを形成する送信部と、
前記パルスレート周波数によって前記第(ｉ＋１)送信信号を前記超音波信号に変換して前記生体に送信し、前記第ｉ送信信号に対応する超音波信号が前記生体により反射されて受信される第ｉ超音波エコー信号を受信して受信信号を形成する超音波プローブと、
前記受信信号をアナログデジタル変換してデジタル信号を形成し、前記ミッドポイントアルゴリズムに対する初期設定値を０より小さくするように設定し、前記初期設定値に基づいて前記サンプルボリュームを基準に前記深さによって前記遅延値を算出し、前記遅延値に基づいて前記デジタル信号を受信集束させて受信集束信号を形成する受信部と、
前記受信集束信号を用いて前記超音波データを形成する超音波データ形成部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波システム。
前記初期設定値は、初期遅延値を含むことを特徴とする請求項２に記載の超音波システム。
前記遅延値は、前記サンプルボリュームに対応する遅延値である請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波システム。
ａ）ミッドポイントアルゴリズムを用いてサンプルボリュームを基準に生体の深さによって一定の遅延値を算出する段階と、
ｂ）超音波信号を前記生体に送信し前記生体から反射される超音波エコー信号を受信してデジタル信号を形成する段階と、
ｃ）前記遅延値に基づいて前記デジタル信号を受信集束させて前記サンプルボリュームに対応するＨＰＲＦドップラ映像を得るための超音波データを取得する段階と
を備えることを特徴とする受信集束方法。
前記段階ａ）は、
前記ミッドポイントアルゴリズムに対する初期設定値を０より小さくするように設定する段階と、
前記初期設定値に基づいて前記サンプルボリュームを基準に前記深さによって前記遅延値を算出する段階と
を備えることを特徴とする請求項５に記載の受信集束方法。
前記段階ｂ）は、
パルスレート周波数に基づいて前記ＨＰＲＦドップラ映像を得るための第ｉ送信信号と第(ｉ＋１)(ｉは、１以上の整数)送信信号とを形成する段階と、
前記パルスレート周波数によって前記第(ｉ＋１)送信信号を前記超音波信号に変換して前記生体に送信する段階と、
前記パルスレート周波数によって前記生体から反射される、前記第ｉ送信信号に対応する第ｉ超音波エコー信号を受信して受信信号を形成する段階と、
前記受信信号をアナログデジタル変換して前記デジタル信号を形成する段階と
を備えることを特徴とする請求項５または６に記載の受信集束方法。