JP2015211733A - 信号処理装置、超音波診断装置及び信号処理方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1加圧状態の被検体により反射された超音波の第1信号波形と、第2加圧状態の被検体により反射された超音波の第2信号波形と、を用いて加圧状態の変化に係る被検体の歪みを算出する信号処理装置であって、第1信号波形と第2信号波形との間での各時間における位相差成分を抽出する位相差抽出手段と、各時間と、これら各時間における位相差成分との相関関係に応じて、第1信号波形と第2信号波形との間の角周波数の差分に係る歪み差及び初期位相差を算出する相関算出手段と、歪み差に基づいて歪みを算出する歪み算出手段と、を備える。
【選択図】図6
Description
このような歪みの算出手法としては、従来、通常計測時の反射波形と、所定の圧力で被検体を圧縮したときの反射波形とのうち、前者の波形を圧縮又は後者の波形を伸展させながら他方の波形との相互相関を取って相互相関が高い場合を検出し、このときの圧縮率又は伸展率と、圧力との関係に基づいて歪みを計測する方法が用いられている。
第1加圧状態の被検体により反射された超音波の第1信号波形と、第2加圧状態の前記被検体により反射された超音波の第2信号波形と、を用いて加圧状態の変化に係る前記被検体の歪みを算出する信号処理装置であって、
前記第1信号波形と前記第2信号波形との間での各時間における位相差成分を抽出する位相差抽出手段と、
前記各時間と当該各時間における前記位相差成分との相関関係に応じて、前記第1信号波形と前記第2信号波形との間の角周波数の差分に係る歪み差及び初期位相差を算出する相関算出手段と、
前記歪み差に基づいて前記歪みを算出する歪み算出手段と、
を備えることを特徴としている。
第1加圧状態の被検体により反射された超音波の第1信号波形と、第2加圧状態の前記被検体により反射された超音波の第2信号波形と、を用いて加圧状態の変化に係る前記被検体の歪みを算出する信号処理装置であって、
設定された角周波数の差分に係る歪み差及び初期位相差により前記第2信号波形を圧縮及び移相させて前記第1信号波形に近似させた近似信号波形を生成する近似波形生成手段と、
前記第1信号波形と前記近似信号波形との間での各時間における位相差成分を抽出する位相差抽出手段と、
前記各時間と当該各時間における前記位相差成分との相関関係に応じて、前記第1信号波形と前記近似信号波形との間の前記歪み差及び前記初期位相差を算出する相関算出手段と、
所定の条件が満たされるまで、前記相関算出手段で算出された前記歪み差及び前記初期位相差により前記近似信号波形を圧縮及び移相させて前記近似信号波形を更新し、当該更新された近似波形と前記第1信号波形とを用いて前記位相差抽出手段及び前記相関算出手段による処理を繰り返させる繰返し判定手段と、
前記繰返し行われた前記圧縮に係る前記歪み差の累積値に基づいて前記歪みを算出する歪み算出手段と、
を備えることを特徴としている。
前記所定の条件が満たされた場合に、前記第1信号波形と前記近似信号波形との相関を示す復元率を算出する復元率算出手段を備えることを特徴としている。
表示手段と、
前記歪み、及び前記復元率に基づく当該歪みの算出精度を前記表示手段に表示させる表示制御手段と、
を備えることを特徴としている。
算出された前記歪みの空間分布に対して平滑化を行うノイズ除去手段を備え、
前記ノイズ除去手段は、各空間位置における平滑化された歪みの大きさを、当該空間位置にそれぞれ応じた所定範囲内の複数位置における歪みの大きさの重み付け平均で算出し、当該重み付け平均の重みは、前記複数位置の各々における前記復元率の大きさに基づいてそれぞれ定められる
ことを特徴としている。
前記位相差抽出手段は、前記抽出を行う前記位相差成分に係る前記時間の幅を前記第1信号波形と前記近似信号波形との間の前記歪み差及び前記初期位相差のうち少なくとも一方に応じて変化させることを特徴としている。
前記繰返し判定手段は、前記第1信号波形と前記近似信号波形との間の前記歪み差が所定の基準値以下となることを前記所定の条件とすることを特徴としている。
前記相関算出手段は、前記歪み差及び前記初期位相差をパラメーターとする最小二乗法で前記歪み差及び前記初期位相差の最適値を算出することを特徴としている。
超音波を送受信する超音波探触子と、
請求項1〜8の何れか一項に記載の信号処理装置と、
を備えることを特徴とする超音波診断装置である。
第1加圧状態の被検体により反射された超音波の第1信号波形と、第2加圧状態の前記被検体により反射された超音波の第2信号波形と、を用いて加圧状態の変化に係る前記被検体の歪みを算出する信号処理装置の信号処理方法であって、
前記第1信号波形と前記第2信号波形との間での各時間における位相差成分を抽出する位相差抽出ステップ、
前記各時間と当該各時間における前記位相差成分との相関関係に応じて、前記第1信号波形と前記第2信号波形との間の角周波数の差分に係る歪み差及び初期位相差を算出する相関算出ステップ、
前記歪み差に基づいて前記歪みを算出する歪み算出ステップ、
を含むことを特徴としている。
図1は、本実施形態の超音波診断装置Uの全体図である。図2は、超音波診断装置Uの内部構成を示すブロック図である。
この画像処理部16は、信号処理装置を構成し、処理制御部16aは、位相差抽出手段、相関算出手段、歪み算出手段、近似波形生成手段、繰返し判定手段、復元率算出手段、表示制御手段及びノイズ除去手段を構成する。また、処理制御部16aは、位相差抽出ステップ、相関算出ステップ及び歪み算出ステップといった本発明の信号処理方法に係る各種処理を実行する信号処理装置の制御手段として機能する。
なお、処理制御部16aによるこれらの演算処理がCPU15により行われる構成であっても良い。
本実施形態の超音波診断装置Uでは、輝度を用いて断層検査に係る一次元〜二次元表示を略リアルタイムで行うBモードや、ドップラー効果を利用して血流状態などを計測して表示させるMモードに加えて、内部構造の歪みを計測して表示する歪み量表示モードを有する。
図3(a)に示すように、通常時の被検体S内には、当該被検体Sの上面であって超音波探触子2の超音波発信面との接触面から深さ方向(X方向)へ距離xrの位置に構造Tの上端がある。また、この構造TのX方向への幅がLである。図3(b)に示すように、上面側からこの被検体Sに圧力ρ(応力)が加えられた状態で、構造Tにも同様に圧力ρがかかるとすると、この構造Tの上端位置がX方向へ距離xsとなり、また、幅がL−ΔLとなるように変化する。
従って、これら2つの状態における構造Tを計測することで、歪みε=ΔL/Lが求められる。また、このとき、圧力センサーで計測された圧力ρ(応力)を用いて縦弾性係数(ヤング率)E=ρ/εを算出し、これを表示させることも出来る。
この歪み量表示モードでは、被検体に対して2種類の異なる圧力を加えながら(例えば、超音波探触子2を被検体に対して押し付ける圧力を変化させながら)超音波を送受信する。ここでは、1フレームごとに交互に2種類の圧力の大きさを切り替えながら各フレームのデータが取得される。異なる圧力時の2フレーム分のエコーが取得されると、当該2フレーム分のデータに基づいて各位置での歪み量及びその復元率が算出される。即ち、最初と最後のフレームデータ(フレーム1など)を除き、各フレームのデータは、歪み量の分布の算出に2回用いられる。そして、算出された歪み量の分布及び復元率の分布のデータは、表示用に平滑化やダイナミックレンジの調整といった処理が行われた後、例えば、カラー表示又はグレースケール表示で出力表示部19に表示される。
ここで、復元率は、歪みの計測値の正確さを示す指標であり、後述する。
この歪み計測表示処理は、超音波診断に係る計測表示処理において、ユーザーの操作入力部18への入力操作などにより歪み計測表示モードが選択された場合に制御部15から画像処理部16への制御信号に基づいて実行される。
本実施形態の超音波診断装置Uでは、被検体の同一部位に対して異なる2種類の圧力(圧力が0の場合や負の場合(張力)を含む)で超音波探触子2を押し付けることで被検体を押圧しながらそれぞれの状態で発信された超音波のエコーを、圧力が小さい方のものを伸展時波形r(t)とし、また、圧力が大きい方のものを圧縮時波形s(t)として取得する。
r(t)=A1(t)cos(ω0t+φ1(t)) … (1)
と表される。ここで、ω0は、受信超音波の中心角周波数、A1(t)は、振幅成分の時間変化(受信波形の包絡線)、φ1(t)は、初期位相である。
この波形は、解析的に以下のように複素関数で表され得る。
ra(t)=A1(t)exp(iω0t+φ1(t)) … (2)
ca(t)=A1(t(1−ε))exp(iω0t(1−ε)+φ1(t(1−ε))) … (3)
Fa(t)=Im(log(ra(t)ca *(t)))=εω0t+δ … (4)
ここで、ca *(t)は、近似波形ca(t)の複素共役であり、δは、上述の距離xsと距離xrのずれに伴う位相ずれ(初期位相差)を表す。即ち、この位相差Fa(t)は、傾きが歪みεに比例し、切片が位相ずれδで表される一次関数となる。この位相差Fa(t)、具体的には、位相ずれδは、必ずしも時間に依存して変化する位相εω0tに対して一周期以内の値とは限らない。
ここで、歪みε及び位相ずれδの初期設定値としては、例えば、隣接する位置における歪みεの計算で得られた値を利用することが出来る。また、想定される内部の構成と加えられる圧力変化から標準的な歪みεや位相ずれδの値を見積もっておき、これらの値を用いることとしても良い。また、前回の位置(即ち、隣接する位置)で求められた歪みεおよび位相ずれδにより開始された計算で正確な値に収束しない場合や、当該位置の復元率が低い場合などには、歪みεや位相ずれδの計算を初期化し、このような理論的な値に基づく計算に切り替えたり、或いは、前々回の算出値を用いた計算に切り替えたりことにしたりすることが出来る。更に、圧力が十分小さい場合には、これらの初期値を「0」とすることも出来る。
また、圧縮時波形s(t)と伸展時波形r(t)の振幅を予め規格化してから上述の位相成分の抽出を行うことが出来る。
η(ε、δ)=F(t)−εω0t−δ … (5)
σ=Σtη2=Σt(F(t)−εω0t−δ)2 … (6)
ここで、Σtは、サンプリングデータに係る経過時間tのデジタル離散値についての和を示す。二乗和σを最小にする歪みε(角周波数差εω0)及び位相ずれδは、一次関数に対する最小二乗法で容易に求めることが出来る。
また、このような処理でもうまく歪みε及び位相ずれδが求まらない場合などには、超音波の受信角振動数ω0、即ち、発信周波数を低下させることによっても折り返しを発生しづらくすることが出来る。
εc(x、y、t)=Σ(−M≦m≦M)Σ(−N≦n≦N)(R(x+m、y+n、t)ε(x+m、y+n、t))/Σ(−M≦m≦M)Σ(−N≦n≦N)R(x+m、y+n、t) … (7)
εd(x、y、t)=Σ(−T≦k≦0)(R(x、y、t+k)ε(x、y、t+k))/Σ(−T≦k≦0)R(x、y、t+k) … (8)
これら空間的な平滑化と時間軸方向への平滑化は、別個にそれぞれ選択実行可能であっても良いし、両方がまとめて行われても良い。
図7(a)は、歪み量の分布を示す図であり、図7(b)は、当該歪み量の算出に係る復元率Rの分布を示す図である。
一方、構造の内部が一様又は空洞の場合、構造の上端及び下端では、反射波が生じて当該構造の境界が検出されるが、内部からの反射波が弱く、算出された歪みεの大きさの精度が低下する。従って、図7(a)、(b)の右側中央付近の範囲に示されているように、歪みεの小さい領域が検出されてはいるものの、復元率Rも低い領域については、ユーザーは、結果の正確性の低さを考慮に入れて結果を知得することが出来る。
画像処理部16の処理制御部16aは、伸展時波形r(t)と、圧縮時波形s(t)に係る近似波形c(t)との間での各経過時間tにおける位相差F(t)を抽出し、複数の経過時間tと対応する位相差F(t)との相関関係に応じて、伸展時波形r(t)と近似波形c(t)との間の歪みεの大きさに対応する角周波数差εkω0、及び位置ずれに対応する初期位相差δkを算出することで、歪みεkを求める。
このように、周波数変化の線形性が成り立つ微小の圧縮や伸展時の当該線形性を直接用いて歪みεと初期位相差δを同時に算出するので、計測に係る離散値を用いた歪みεの算出に際し、微分や積分を用いた従来技術と比較して、算出誤差の影響を受け難い。また、従来の算出方法と異なり、歪みεと初期位相差δがそれぞれ傾きと切片として別個のパラメーターに含まれるので、歪みεの値に初期位相差δの影響が出難い。従って、CPUの高速化やメモリーの大型化、増設などのハードウェア資源のコストアップを行わず、容易な処理で歪みの算出誤差を低減することが出来る。また、歪みεが大きい場合に従来の算出手法では生じやすい非線形誤差の影響を抑えることが出来る。
従って、漸近的により正確な歪みεを求めることが出来る。特に、このようにして求められる歪みεが好ましいレベルまで収束するまで繰り返すことも可能であるので、無駄な処理の増加を抑えつつ、正確な歪みεの値が求められるまで処理を行うことが出来る。
例えば、上記実施形態では、医療機器として生体組織の歪みを求める場合を例に挙げて説明したが、歪みの算出対象としては、生体組織に限られない。内部の対象物に対して適切に圧力が加えられるものであれば、本発明は、建築構造物や小型の構造を有する各種製品などに適宜利用可能である。
その他、上記実施の形態で示した具体的な構成、処理内容や手順などは、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜変更可能である。
2 超音波探触子
12 送信部
13 受信部
14 送受信切替部
15 制御部
16 画像処理部
16a 処理制御部
17 記憶部
18 操作入力部
19 出力表示部
21 振動子
22 ケーブル
210 振動子配列
R 復元率
S 被検体
T 構造
U 超音波診断装置
Claims (10)
- 第1加圧状態の被検体により反射された超音波の第1信号波形と、第2加圧状態の前記被検体により反射された超音波の第2信号波形と、を用いて加圧状態の変化に係る前記被検体の歪みを算出する信号処理装置であって、
前記第1信号波形と前記第2信号波形との間での各時間における位相差成分を抽出する位相差抽出手段と、
前記各時間と当該各時間における前記位相差成分との相関関係に応じて、前記第1信号波形と前記第2信号波形との間の角周波数の差分に係る歪み差及び初期位相差を算出する相関算出手段と、
前記歪み差に基づいて前記歪みを算出する歪み算出手段と、
を備えることを特徴とする信号処理装置。 - 第1加圧状態の被検体により反射された超音波の第1信号波形と、第2加圧状態の前記被検体により反射された超音波の第2信号波形と、を用いて加圧状態の変化に係る前記被検体の歪みを算出する信号処理装置であって、
設定された角周波数の差分に係る歪み差及び初期位相差により前記第2信号波形を圧縮及び移相させて前記第1信号波形に近似させた近似信号波形を生成する近似波形生成手段と、
前記第1信号波形と前記近似信号波形との間での各時間における位相差成分を抽出する位相差抽出手段と、
前記各時間と当該各時間における前記位相差成分との相関関係に応じて、前記第1信号波形と前記近似信号波形との間の前記歪み差及び前記初期位相差を算出する相関算出手段と、
所定の条件が満たされるまで、前記相関算出手段で算出された前記歪み差及び前記初期位相差により前記近似信号波形を圧縮及び移相させて前記近似信号波形を更新し、当該更新された近似波形と前記第1信号波形とを用いて前記位相差抽出手段及び前記相関算出手段による処理を繰り返させる繰返し判定手段と、
前記繰返し行われた前記圧縮に係る前記歪み差の累積値に基づいて前記歪みを算出する歪み算出手段と、
を備えることを特徴とする信号処理装置。 - 前記所定の条件が満たされた場合に、前記第1信号波形と前記近似信号波形との相関を示す復元率を算出する復元率算出手段を備えることを特徴とする請求項2記載の信号処理装置。
- 表示手段と、
前記歪み、及び前記復元率に基づく当該歪みの算出精度を前記表示手段に表示させる表示制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項3記載の信号処理装置。 - 算出された前記歪みの空間分布に対して平滑化を行うノイズ除去手段を備え、
前記ノイズ除去手段は、各空間位置における平滑化された歪みの大きさを、当該空間位置にそれぞれ応じた所定範囲内の複数位置における歪みの大きさの重み付け平均で算出し、当該重み付け平均の重みは、前記複数位置の各々における前記復元率の大きさに基づいてそれぞれ定められる
ことを特徴とする請求項3又は4記載の信号処理装置。 - 前記位相差抽出手段は、前記抽出を行う前記位相差成分に係る前記時間の幅を前記第1信号波形と前記近似信号波形との間の前記歪み差及び前記初期位相差のうち少なくとも一方に応じて変化させることを特徴とする請求項2〜5の何れか一項に記載の信号処理装置。
- 前記繰返し判定手段は、前記第1信号波形と前記近似信号波形との間の前記歪み差が所定の基準値以下となることを前記所定の条件とすることを特徴とする請求項2〜6の何れか一項に記載の信号処理装置。
- 前記相関算出手段は、前記歪み差及び前記初期位相差をパラメーターとする最小二乗法で前記歪み差及び前記初期位相差の最適値を算出することを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の信号処理装置。
- 超音波を送受信する超音波探触子と、
請求項1〜8の何れか一項に記載の信号処理装置と、
を備えることを特徴とする超音波診断装置。 - 第1加圧状態の被検体により反射された超音波の第1信号波形と、第2加圧状態の前記被検体により反射された超音波の第2信号波形と、を用いて加圧状態の変化に係る前記被検体の歪みを算出する信号処理装置の信号処理方法であって、
前記第1信号波形と前記第2信号波形との間での各時間における位相差成分を抽出する位相差抽出ステップ、
前記各時間と当該各時間における前記位相差成分との相関関係に応じて、前記第1信号波形と前記第2信号波形との間の歪み差及び初期位相差を算出する相関算出ステップ、
前記歪み差に基づいて前記歪みを算出する歪み算出ステップ、
を含むことを特徴とする信号処理方法。
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