JP2014110838A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａ／Ｄ変換の前処理に係る改良技術を提供する。
【解決手段】信号増幅部２０は、複数の対数アンプ（ＬＯＧアンプ）を備えている。各対数アンプは、それに対応する振動素子から受信アンプを経由して得られるアナログ受信信号に対して、対数関数に対応した増幅特性で増幅処理を施す。これにより、アナログ受信信号のダイナミックレンジが圧縮される。Ａ／Ｄ変換部３０は、複数のＡ／Ｄ変換器を備えている。各Ａ／Ｄ変換器は、それに対応する対数アンプから得られる増幅処理後のアナログ受信信号に対して、アナログデジタル変換処理を施してデジタル受信信号を得る。制御部６０は、整相加算部４０から得られるエコー信号に基づいて、エコー信号の最大レベルを決定し、その最大レベルに応じた増幅特性となるように、信号増幅部２０の対数アンプを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、超音波の受信信号処理に関する。

一般的な超音波診断装置は、プローブで受信した超音波の受信信号をアナログデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）によりデジタル信号にしてから整相加算処理等を行っている。そのＡ／Ｄ変換においては、信号のダイナミックレンジを考慮する必要がある。例えば、生体から得られる超音波の受信信号はダイナミックレンジが広く（大きく）、その受信信号をダイナミックレンジの狭い（小さい）Ａ／Ｄ変換器で処理すると、受信信号に含まれる微小信号成分が失われてしまう。Ａ／Ｄ変換により失われた信号は、その後の処理においても復元することができない。

例えば、微小信号成分が失われない程度にダイナミックレンジの広いＡ／Ｄ変換器を利用すれば、Ａ／Ｄ変換において微小信号成分を失わずに済む。しかし、ダイナミックレンジの広いＡ／Ｄ変換器は比較的高価であり、複数の振動素子の個数だけその高価なＡ／Ｄ変換器を利用することはコスト面において問題である。

これに対し、Ａ／Ｄ変換の前処理により、ダイナミックレンジに係る問題を回避する技術が提案されている。例えば特許文献１には、各振動素子から得られた受信信号のダイナミックレンジを対数アンプで圧縮処理し、圧縮処理された受信信号をＡ／Ｄ変換する回路が記載されている。特許文献１に記載された回路によれば、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを広げることなく、受信信号に含まれる微小信号成分を失わずに済む。

特開平６−９４８２７号公報

上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、超音波の受信信号処理について研究開発を重ねてきた。特に、アナログデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）の前処理に注目した。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、Ａ／Ｄ変換の前処理に係る改良技術を提供することにある。

上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、超音波を送受するプローブと、プローブへ超音波の送信信号を出力する送信部と、プローブから超音波のアナログ受信信号を得る受信部と、アナログ受信信号を増幅処理する信号増幅部と、増幅処理されたアナログ受信信号をデジタル受信信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、デジタル受信信号に基づいて超音波ビームのエコー信号を得るビーム処理部と、エコー信号に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、超音波画像に関する信号レベルの特徴量に基づいて、信号増幅部における増幅処理を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

上記装置においては、アナログ受信信号をデジタル受信信号に変換する前にアナログ受信信号が増幅処理される。つまり、アナログデジタル変換（Ａ／Ｄ変換）の前処理としてアナログ受信信号が増幅処理される。その増幅処理においては、後段のＡ／Ｄ変換部で処理が可能な最大レベルを超えない程度に可能な限り大きく、アナログ受信信号のレベルを増幅することが望ましい。上記装置によれば、超音波画像に関する信号レベルの特徴量に基づいて増幅処理が制御される。そのため、超音波画像に関する信号レベルの特徴量に応じて、例えば、Ａ／Ｄ変換部における処理能力を超えない程度に可能な限り大きくなるように、アナログ受信信号を増幅処理すること等が可能になる。

望ましい具体例において、前記信号増幅部は、プローブが備える複数の振動素子から得られる複数のアナログ受信信号を増幅処理し、前記Ａ／Ｄ変換部は、増幅処理された複数のアナログ受信信号を複数のデジタル受信信号に変換し、前記ビーム処理部は、複数の振動素子に対応した複数のデジタル受信信号を整相加算処理してエコー信号を形成し、前記制御部は、エコー信号に基づいて前記信号レベルの特徴量を得る、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記信号レベルの特徴量はエコー信号の最大レベルであり、前記制御部は、エコー信号の最大レベルに応じた増幅特性となるように信号増幅部における増幅処理を制御する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記制御部は、エコー信号の信号レベルに関するヒストグラムに基づいて前記最大レベルを決定する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記制御部は、前記信号レベルの特徴量と前記送信信号の大きさに基づいて、信号増幅部における増幅処理を制御する、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記信号増幅部は、対数アンプであり、アナログ受信信号に含まれる微小信号成分を増幅処理することにより、アナログ受信信号のダイナミックレンジを圧縮する、ことを特徴とする。

本発明により、Ａ／Ｄ変換の前処理に係る改良技術が提供される。例えば、本発明の好適な態様によれば、超音波画像に関する信号レベルの特徴量に基づいて、前処理である増幅処理が制御され、Ａ／Ｄ変換部の処理能力を超えない程度に可能な限り大きくなるように、アナログ受信信号を増幅処理すること等が可能になる。

本発明の好適な超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。 Ａ／Ｄ変換の具体例を示す図である。 エコー信号の最大レベルに応じた制御の具体例を示す図である。 対数アンプの増幅特性に関する制御の具体例を示す図である。

図１は、本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。プローブ１０は、超音波を送受する複数の振動素子を備えている。図１の超音波診断装置においては、例えば、コンベックス走査型やセクタ走査型やリニア走査型、二次元画像（断層画像）用や三次元画像用等の各種のプローブ１０を診断用途に応じて利用することができる。

送信部１２は、プローブ１０が備える複数の振動素子に対して、各振動素子に応じた超音波の送信信号を出力する。これにより、プローブ１０が送信制御されて超音波の送信ビームが形成され、さらに、診断領域内において送信ビームが走査される。そして、プローブ１０の各振動素子が超音波を送受して得たアナログ受信信号が受信部１４に送られる。

受信部１４は、複数の受信アンプを備えている。各受信アンプは、それに対応する振動素子から得られるアナログ受信信号に対して、例えばＳＴＣ（Sensitivity Time Control）やＴＧＣ（Time Gain Control）等のプリアンプ処理を施す。

信号増幅部２０は、プローブ１０が備える複数の振動素子から得られる複数のアナログ受信信号を増幅処理する。信号増幅部２０は、複数の対数アンプ（ＬＯＧアンプ）を備えている。各対数アンプは、それに対応する振動素子から受信アンプを経由して得られるアナログ受信信号に対して、対数関数に対応した増幅特性で増幅処理を施す。これにより、アナログ受信信号のダイナミックレンジが圧縮される。

Ａ／Ｄ変換部３０は、信号増幅部２０において増幅処理されたアナログ受信信号をデジタル受信信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部３０は、複数のＡ／Ｄ変換器を備えている。各Ａ／Ｄ変換器は、それに対応する対数アンプから得られる増幅処理後のアナログ受信信号に対して、アナログデジタル変換処理を施してデジタル受信信号を得る。図１の超音波診断装置では、信号増幅部２０において増幅処理が施されているため、Ａ／Ｄ変換部３０における微小信号成分の消失が抑制される。

図２は、Ａ／Ｄ変換の具体例を示す図であり、図２（Ａ）は、Ａ／Ｄ変換前の増幅処理を省略した場合の比較例を示している。図２（Ａ）の比較例では、アナログ受信信号が対数アンプにおいて処理されず、そのままＡ／Ｄ変換されてデジタル受信信号が得られている。図２（Ａ）では、Ａ／Ｄ変換において、変換可能な最小レベルを下回る微小信号成分ＭＳが消失してしまう。Ａ／Ｄ変換において消失した微小信号成分ＭＳは、整相加算後のエコー信号においても復元できない。

これに対し、図２（Ｂ）は、図１の超音波診断装置におけるＡ／Ｄ変換の具体例を示している。図２（Ｂ）の具体例では、アナログ受信信号が対数アンプにおいて処理され、ダイナミックレンジが圧縮された対数圧縮信号にされてから、その対数圧縮信号がＡ／Ｄ変換されて、デジタル受信信号が得られている。図２（Ｂ）では、対数アンプによりアナログ受信信号に含まれる微小信号成分が増幅されているため、Ａ／Ｄ変換において微小信号成分もデジタル信号化されて消失していない。そのため、複数の振動素子に対応した複数のデジタル受信信号を整相加算処理することにより得られるエコー信号内においても、微小信号成分が維持されている。したがって、微小信号成分も画像化される。

図１に戻り、整相加算部４０は、Ａ／Ｄ変換部３０から得られる複数のデジタル受信信号を整相加算処理する。これにより、超音波の受信ビームに沿ったエコー信号が形成される。そして、送信部１２の制御により診断領域内において送信ビームが走査され、走査される送信ビームに対応した受信ビームに沿って、診断領域内においてエコー信号が収集される。

画像形成部５０は、収集されたエコー信号に基づいて、診断領域内の超音波画像を形成し、液晶モニタ等の表示デバイスに超音波画像を表示する。画像形成部５０は、例えば、複数フレームに亘って収集されるエコー信号に基づいて各フレームごとにＢモード画像を形成する。なお、Ｂモード画像の画像データに対して、コントラストやゲイン等の調整が行われてもよい。

また、画像形成部５０は、エコー信号から得られるドプラ情報に基づいて、カラードプラ画像やドプラ波形画像などを形成してもよい。なお、カラードプラ画像やドプラ波形画像を形成する場合には、エコー信号をアンチＬＯＧ回路において処理してから、ドプラ情報を得ることが望ましい。つまり、エコー信号に対して、信号増幅部２０の対数アンプにおける増幅特性とは逆特性の処理を施してから、ドプラシフト成分等を抽出することが望ましい。

制御部６０は、図１の超音波診断装置内の全体を集中的に制御する。制御部６０は、特に、信号増幅部２０における増幅処理を制御する。その制御においては、超音波画像に関する信号レベルの特徴量が利用される。つまり、制御部６０は、整相加算部４０から得られるエコー信号に基づいて、エコー信号の最大レベルを決定し、その最大レベルに応じた増幅特性となるように、信号増幅部２０の対数アンプを制御する。

図３は、エコー信号の最大レベルに応じた制御の具体例を示す図である。制御部６０はエコー信号の信号レベル（輝度値）に関するヒストグラムに基づいて、エコー信号の最大レベルＬＶを決定する。制御部６０は、１フレームまたは複数フレームを構成するエコー信号について、エコー信号の信号レベル（輝度値）に関するヒストグラムを形成する。

例えば、図３に示すように、横軸を輝度値として縦軸に各輝度値の頻度を示したヒストグラムが形成される。制御部６０は、例えば、ヒストグラム内において輝度値の大きい方から、頻度が閾値を超える輝度値を探索し、その輝度値を最大レベルＬＶとする。これにより、ノイズ等に伴う大きな輝度値を避けて最大レベルＬＶを設定することができる。

最大レベルＬＶが決定されると、制御部６０は、例えば図３に示すＬＶ／ゲイン特性を参照し、最大レベルＬＶに対応したゲイン設定値を得る。ＬＶ／ゲイン特性は、例えばメモリ等に記憶され、制御部６０により参照される。なお、複数のＬＶ／ゲイン特性をメモリに記憶しておき、制御部６０が、プローブ１０の種類や診断モードに応じたＬＶ／ゲイン特性を選択できるようにしてもよい。

ゲイン設定値が得られると、制御部６０は、そのゲイン設定値に応じて、信号増幅部２０が備える対数アンプの増幅特性を制御する。

図４は、対数アンプの増幅特性に関する制御の具体例を示す図である。図４には、横軸を入力（入力信号の振幅）として縦軸を出力（出力信号の振幅）とした対数アンプの特性が示されている。制御部６０は、ゲイン設定値を得ると（図３参照）、そのゲイン設定値に基づいて、対数アンプの増幅特性を制御する。例えば、図４に示すように、ゲイン設定値が大きいほど、特性Ｃのように出力が比較的大きな特性が利用され、ゲイン設定値が小さいほど、特性Ａのように出力が比較的小さな特性が利用される。

制御部６０は、例えば、複数のゲイン設定値に対応付けられた複数の特性をメモリ等に記憶しておき、メモリ等に記憶された複数の特性の中からゲイン設定値に応じた１つの特性を読み出して対数アンプの特性とする。また、ゲイン設定値から特性を得る算出式等に基づいてゲイン設定値に応じた特性が決定されてもよい。

さらに、制御部６０は、対数アンプの増幅特性を制御するにあたって、送信部１２における送信信号の振幅の大きさ、つまり送信パワーを参照してもよい。例えば、送信信号の振幅が大きいほど、その送信信号により得られるエコー信号のレベルも大きくなる傾向があるため、ゲイン設定値が比較的小さい対数アンプの特性が選択される。一方、送信信号の振幅が小さいほど、その送信信号により得られるエコー信号のレベルも小さくなる傾向があるため、ゲイン設定値が比較的大きい対数アンプの特性が選択される。

また、制御部６０は、送信パワーに加えて、プローブ１０の種類、診断モード、送信フォーカス位置などの情報を参照した総合的な判断により、対数アンプの特性を決定するようにしてもよい。

なお、以上の説明では、図１の信号増幅部２０において対数アンプを利用しているが、この対数アンプに代えて、対数特性以外の例えば線形アンプ等が利用されてもよい。線形アンプ等を利用する場合においても、制御部６０は、エコー信号に基づいてエコー信号の最大レベルを決定し、その最大レベルに対応したゲイン設定値を得て（図３参照）、そのゲイン設定値に応じて、線形アンプ等の増幅特性を制御する。さらに、送信パワー、プローブ１０の種類、診断モード、送信フォーカス位置などの情報を参照した総合的な判断により、線形アンプ等の特性を決定するようにしてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１０ プローブ、１２ 送信部、１４ 受信部、２０ 信号増幅部、３０ Ａ／Ｄ変換部、４０ 整相加算部、５０ 画像形成部、６０ 制御部。

Claims (6)

1. 超音波を送受するプローブと、
   プローブへ超音波の送信信号を出力する送信部と、
   プローブから超音波のアナログ受信信号を得る受信部と、
   アナログ受信信号を増幅処理する信号増幅部と、
   増幅処理されたアナログ受信信号をデジタル受信信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
   デジタル受信信号に基づいて超音波ビームのエコー信号を得るビーム処理部と、
   エコー信号に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、
   超音波画像に関する信号レベルの特徴量に基づいて、信号増幅部における増幅処理を制御する制御部と、
   を有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記信号増幅部は、プローブが備える複数の振動素子から得られる複数のアナログ受信信号を増幅処理し、
   前記Ａ／Ｄ変換部は、増幅処理された複数のアナログ受信信号を複数のデジタル受信信号に変換し、
   前記ビーム処理部は、複数の振動素子に対応した複数のデジタル受信信号を整相加算処理してエコー信号を形成し、
   前記制御部は、エコー信号に基づいて前記信号レベルの特徴量を得る、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記信号レベルの特徴量は、エコー信号の最大レベルであり、
   前記制御部は、エコー信号の最大レベルに応じた増幅特性となるように信号増幅部における増幅処理を制御する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項３に記載の超音波診断装置において、
   前記制御部は、エコー信号の信号レベルに関するヒストグラムに基づいて前記最大レベルを決定する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記制御部は、前記信号レベルの特徴量と前記送信信号の大きさに基づいて、信号増幅部における増幅処理を制御する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記信号増幅部は、対数アンプであり、アナログ受信信号に含まれる微小信号成分を増幅処理することにより、アナログ受信信号のダイナミックレンジを圧縮する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。