JP2017063926A - 超音波受信信号補正装置、超音波測定装置及び超音波受信信号補正方法 - Google Patents

超音波受信信号補正装置、超音波測定装置及び超音波受信信号補正方法 Download PDF

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Abstract

【課題】音響陰影を改善する新たな手法の提案。
【解決手段】超音波測定装置は、被検体に入射した反射波を受信した受信信号４０から、一部重複させながら時間をずらして設定した重複期間に係る複数の部分受信信号４２を抽出する。次いで、これらの複数の部分受信信号４２それぞれについて、フーリエ変換した周波数領域信号４４に対して、散乱減衰補正値αを用いた散乱減衰補正を行い、補正した周波数補正信号４６を、逆フーリエ変換する。そして、部分受信信号４２それぞれに対応する、逆フーリエ変換した部分補正信号４８を得る。次いで、部分補正信号４８を合成した信号を、受信信号４０を補正した受信補正信号５０とする。散乱減衰補正値αは、入射した超音波の信号強度と、時間別の受信信号４０の信号強度の累積値とから求められる。
【選択図】図５

Description

本発明は、被検体からの超音波の反射波の受信信号を補正する超音波受信信号補正装置等に関する。
超音波を用いて被検体の生体情報を得る超音波測定装置では、音響陰影（Acoustic Shadow）という問題があった。被検体に入射された超音波は、筋肉や血管、骨といった生体組織の境界面で反射しながら被検体内を伝搬するため、その超音波の反射波（超音波エコー）の受信信号から、生体組織の構造を知ることができる。しかし、骨や結石などの超音波を強く反射する組織には超音波は透過できず、その後方の領域からの反射波を殆ど得られない。この反射波を殆ど得られない無エコー領域や低エコー領域のことを、音響陰影という。
このような音響陰影を改善するための技術として、例えば、超音波の反射波から得られた断層画像中の高輝度部分とその背後の領域との平均輝度から、その背後の領域における音響陰影の存在の程度に応じた値となる音響陰影効果係数を求め、この係数を用いて、その背後の領域の輝度を補正する手法が知られている（特許文献１の［００６６］−［００７２］段落参照）。
特開２００５−１０３１２９号公報
しかし、上述の特許文献１に開示されている手法は、音響陰影が生じていると思われる輝度が低い領域を検出し、その領域の周囲の高輝度の領域を含めて輝度値を平均化するものであり、充分な音響陰影の改善効果が得られているとは言い難い。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、音響陰影を改善する新たな手法を提案することである。
上記課題を解決するための第１の発明は、被検体に入射した超音波の信号強度と、前記被検体からの反射波を受信した受信信号の信号強度累積値とを用いて減衰補正値を算出することと、前記受信信号に対するフーリエ変換を行うことと、前記フーリエ変換された信号を前記減衰補正値を用いて補正することと、前記補正された信号に対する逆フーリエ変換を行うことと、を実行する超音波受信信号補正装置である。
また、他の発明として、演算処理装置が超音波受信信号を補正する演算処理を行う方法であって、被検体に入射した超音波の信号強度と、前記被検体からの反射波を受信した受信信号の信号強度累積値とを用いて減衰補正値を算出することと、前記受信信号に対するフーリエ変換を行うことと、前記フーリエ変換された信号を前記減衰補正値を用いて補正することと、前記補正された信号に対する逆フーリエ変換を行うことと、を含む超音波受信信号補正方法を構成しても良い。
この第１の発明等によれば、超音波の反射波を受信した受信信号を適切に補正し、音響陰影の改善を図る新たな手法を実現することができる。すなわち、入射した超音波の信号強度と、受信信号の信号強度累積値を用いて減衰補正値を算出し、受信信号をフーリエ変換した信号を、この減衰補正値を用いて補正した後、逆フーリエ変換を行うことで、受信信号を補正する。また、受信信号をフーリエ変換した信号には、反射波の周波数にピークが表れるため、フーリエ変換した信号を補正することで、音響陰影の発生した領域を検出する必要が無く、受信信号を補正することができる。
第２の発明として、第１の発明の超音波受信信号補正装置であって、時間方向に所与の抽出期間をずらして、前記受信信号から複数の部分受信信号を抽出することを更に実行し、前記部分受信信号それぞれについて、前記フーリエ変換と、前記補正と、前記逆フーリエ変換とを実行し、前記逆フーリエ変換された信号を、対応する前記抽出期間の信号として合成することを更に実行する、超音波受信信号補正装置を構成しても良い。
この第２の発明によれば、受信信号に、異なる深さ位置での複数の反射波が含まれる場合であっても、受信信号を適切に補正し、音響陰影を改善することができる。すなわち、受信信号から複数の部分受信信号を抽出し、抽出した複数の部分受信信号それぞれについて、フーリエ変換と、補正と、逆フーリエ変換とを実行した信号を、対応する抽出期間の信号として合成することで、受信信号を補正する。受信信号に異なる深さ位置での複数の反射波が含まれる場合、受信信号をフーリエ変換した信号には、これらの複数の反射波のピークが同じ周波数に表れる。このため、部分受信信号に含まれる反射波の数を減少させるよう（理想的には、一つの反射波のみが含まれるように）、抽出期間を適切に設定することで、より適切な受信信号の補正を行うことができる。
第３の発明として、第２の発明の超音波受信信号補正装置であって、前記減衰補正値を算出することは、前記受信信号を受信した累積時間別に前記減衰補正値を算出することであり、前記補正することは、前記部分受信信号に対応する累積時間の前記減衰補正値を用いて、当該部分受信信号を補正することである、超音波受信信号補正装置を構成しても良い。
この第３の発明によれば、減衰補正値は、受信信号を受信した累積時間別に算出され、部分受信信号は、対応する累積時間の減衰補正値を用いて補正される。つまり、部分受信信号それぞれについて、適切な補正を行うことができる。
第４の発明として、第３の発明の超音波受信信号補正装置であって、前記累積時間のサンプリング単位は、前記抽出期間のずらし時間よりも短く設定されており、前記補正することは、前記部分受信信号に対応する累積時間の前記減衰補正値を平均し、当該平均値を用いて当該部分受信信号を補正することである、超音波受信信号補正装置を構成しても良い。
この第４の発明によれば、累積時間のサンプリング単位は、抽出期間のずらし時間よりも短く、部分受信信号に対応する累積時間の減衰補正値の平均値を用いて、当該部分受信信号が補正される。
第５の発明として、第２〜第４の何れかの発明の超音波受信信号補正装置であって、前記抽出することは、前記抽出期間を一部重複させるようにずらして前記部分受信信号を抽出することであり、前記部分受信信号の重複した信号強度を調整することを更に実行する、超音波受信信号補正装置を構成しても良い。
この第５の発明によれば、抽出期間の一部を重複させるようにずらして部分受信信号を抽出し、部分受信信号の重複した信号強度を調整することで、逆フーリエ変換した信号を合成して得られる信号、すなわち受信信号を補正した信号を、適切なものとすることができる。
第６の発明は、前記被検体に前記超音波を入射し、反射波を受信する超音波プローブと、前記超音波プローブで受信された受信信号を補正する第１〜第５の何れかの発明の超音波受信信号補正装置と、を備えた超音波測定装置である。
この第６の発明によれば、第１〜第５の何れかの発明の効果を有する超音波測定装置を実現することができる。
音響陰影の一例。 散乱減衰を説明する簡易モデル図。 散乱減衰補正を説明する簡易モデル図。 散乱減衰の補正アルゴリズムを用いたシミュレーションの例の説明図。 受信信号に対する散乱減衰補正の説明図。 部分受信信号に対する散乱減衰補正の説明図。 超音波測定装置の機能構成図。 超音波測定処理のフローチャート。 実験結果の説明図。
［原理］
本実施形態の超音波測定装置は、超音波を用いて被検体の生体情報を測定する装置であり、超音波プローブから被検体へ超音波を入射（送信）し、その反射波（超音波エコー）の受信信号を信号処理することにより、被検体内構造の位置情報や経時変化などの反射波データを得ることができる。反射波データには、受信信号そのもののほか、いわゆるＡモードやＢモード、Ｍモード、カラードップラーの各モードの画像が含まれる。また、この超音波測定装置は、減衰した超音波の受信信号を補正して音響陰影を改善する超音波受信信号補正装置でもある。
超音波プローブは、超音波を送受信する複数の超音波素子（超音波振動子）を配列して有している。超音波素子は、超音波と電気信号とを変換する超音波トランスデューサーであり、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの超音波のパルス信号を送信するとともに、その反射波を受信する。
（１）音響陰影
音響陰影とは、「超音波を強く反射させる媒質の背側に発生する帯状の低エコー領域或いは無エコー領域」のことである。図１は、音響陰影が発生しているＢモード画像の一例である。図１では、超音波を強く反射させる２つの強反射体２２を内在する被検体２０に対して、超音波プローブ１０から、図中において右方向に超音波を入射して得られたＢモード画像を示している。つまり、図１において、右方向が、被検体２０の表面からの深さ方向であり、上下方向が、被検体２０の表面に沿った方向となっている。超音波プローブ１０からみて強反射体２２の背側に、輝度が低いすなわち受信信号強度が低い音響陰影２４が発生しているのがわかる。
（２）音響陰影の発生要因
被検体に入射された超音波は、被検体内を減衰しながら伝搬してゆくが、このときに発生する減衰には、主に、拡散減衰、吸収減衰、及び、散乱減衰の３種類がある。拡散減衰は、音波が球面状に拡がることによる減衰であり、吸収減衰は、音響エネルギーが媒質に吸収され、熱変換されることによる減衰である。散乱減衰は、媒質が不均一なことによる減衰であり、この散乱減衰が、音響陰影の主要因であると考えられている。
図２は、散乱減衰を説明するための簡易的な超音波伝搬モデルを示す図である。図２では、媒質Ｂを内在する媒質Ａに対して、超音波プローブ１０から、図中において右方向に、超音波を入射した場合を示している。但し、超音波の拡散減衰、及び、吸収減衰は無いものとする。
媒質Ａ，Ｂの音響インピーダンスＺ１，Ｚ２は、それぞれ、媒質Ａ，Ｂの平均密度ρ１，ρ２と、平均音速ｃ１，ｃ２との積であり、次式（１）で表される。
超音波プローブ１０から入射されて媒質Ａを伝搬する超音波が媒質Ａ，Ｂの境界面で反射するときの反射率Ｓは、媒質Ａ，Ｂの音響インピーダンスＺ１，Ｚ２を用いて、次式（２）で表される。
そして、媒質Ａ，Ｂの境界面を透過する超音波の透過率Ｔは、次式（３）となる。
式（３）から、媒質Ａ，Ｂの音響インピーダンスＺ１，Ｚ２の差が大きいほど、媒質Ａ，Ｂの境界面での超音波の反射率Ｓが大きくなり、透過率Ｔが小さくなることがわかる。
つまり、媒質Ｂの背側に透過する信号強度が小さくなり、音響陰影が発生することになる。
（３）受信信号強度の補正アルゴリズム
散乱減衰によって減衰した超音波の反射波の受信信号の補正について説明する。図３は、超音波の反射波の受信信号の補正を説明するための簡易的な超音波伝搬モデルである。図３では、複数の媒質境界面３０を有する被検体に対して、超音波プローブ１０から、図３において右方向へ、信号強度Ｔ１の超音波を入射した場合を示している。但し、拡散減衰、及び、吸収減衰は無いものとする。
この被検体においては、超音波の入射方向に相対するように複数の媒質境界面３０＿ｉ（ｉ＝１，２，・・）が存在しており、超音波プローブ１０から入射された超音波は、これらの媒質境界面３０で反射或いは透過して伝搬してゆく。ｉ番目の媒質境界面３０＿ｉの反射率Ｓｉは、式（２）で表されるように、境界となる２つの媒質の音響インピーダンスＺによって決まる。ｉ番目の媒質境界面３０＿ｉによる超音波の反射波の信号強度（反射強度）Ｒｉは、媒質境界面ｉへ入射する超音波の信号強度（入射強度）Ｔｉと、媒質境界面ｉの反射率Ｓｉとの積であり、次式（４）となる。
１番目の媒質境界面３０＿１への入射強度Ｔ１は、超音波プローブ１０からの超音波の入射強度Ｔ１である。２番目以降の媒質境界面３０＿ｉ（ｉ＝２，３，・・）への入射強度Ｔｉは、手前の（ｉ−１）番目の媒質境界面３０＿（ｉ−１）の透過強度であり、媒質境界面３０＿（ｉ−１）への入射強度Ｔｉ−１と、媒質境界面３０＿（ｉ−１）からの反射強度Ｒｉ−１との差であり、次式（５）となる。
つまり、媒質境界面３０＿ｉ（ｉ＝１，２，・・）それぞれの入射強度Ｔｉは、次式（６）となる。
そして、媒質境界面３０＿ｉそれぞれからの反射強度Ｒｉが、超音波プローブ１０における受信信号の強度（受信強度）となる。つまり、媒質境界面３０＿ｉについての超音波の反射波の受信信号は、手前の（ｉ−１）番目までの媒質境界面３０＿ｊ（ｊ＝１，２、・・，ｉ−１）によって超音波の一部が反射して入射強度Ｔｉが低下していることで、減衰した信号となる。
さて、ｉ番目の媒質境界面３０＿ｉについて、手前以前の媒質境界面３０＿ｊ（ｊ＝１，２，・・，ｉ−１）が存在しない場合、すなわち超音波プローブ１０からの入射強度Ｔ１のままの超音波が入射された理想状態を考えると、媒質境界面３０＿ｉでの反射強度Ｒｉは、次式（７）となる。
しかし、ｉ番目の媒質境界面３０＿ｉからの実際の反射強度Ｒｉは、式（４）で表されるように、散乱減衰によって理想状態の反射強度Ｒｉより小さくなっている。そこで、次式（８）に示すように、実際の反射強度Ｒｉに、所定の散乱減衰補正係数αｉを乗じることで、理想状態の反射強度Ｒｉに一致させるとする。
そして、式（８）から、ｉ番目の媒質境界面３０＿ｉについての散乱減衰補正係数αｉは、次式（９）となる。
つまり、ｉ番目の媒質境界面３０＿ｉからの反射波を受信した受信信号に対して、補正係数αｉを乗じることで、散乱減衰が発生していない場合の受信信号に補正することができる。
このような散乱減衰の補正アルゴリズムを用いたシミュレーション結果の一例を、図４に示す。シミュレーションの前提条件は、反射率及び減衰作用を一様とした媒体（被検体の仮想体）中に、媒体の反射率より高い反射率Ｓ１〜Ｓ４の媒質境界面３０＿１〜３０＿４が存在すると仮定した。また、反射率Ｓ１〜Ｓ４は、Ｓ１＞Ｓ２＝Ｓ３＝Ｓ４とした。そして、媒体の媒質境界面３０＿１側に設置された超音波プローブ１０から超音波を入射し、入射位置で反射波を受信して、この受信信号に基づき、入射位置からの距離に応じた反射強度を求めた。
図４（ａ）では媒体中の各位置それぞれのみの反射率を考慮して（換言すると、当該位置以外の反射率や減衰作用をゼロとして）、当該位置での反射強度を求めた。媒体中の反射率が一様であるため、媒質境界面３０＿１〜３０＿４それぞれの位置以外の反射強度は一定である。また、媒質境界面３０＿１〜３０＿４それぞれの位置での反射強度は、反射率Ｓ１〜Ｓ４の関係である、Ｓ１＞Ｓ２＝Ｓ３＝Ｓ４と同じ傾向となった。当該位置それぞれのみの反射率を考慮した反射強度であるため、半ば当然であるが、この図４（ａ）の反射強度は、「本来受信したい反射強度」であり、理想状態の反射強度といえるだろう。
図４（ｂ）は、媒体中の全ての位置での反射率や減衰作用を考慮して、反射強度を算出したシミュレーション結果である。実際の被検体に対して超音波を入射して得られる「実際に受信した反射強度」であり、実際の反射強度といえるだろう。
図４（ｂ）を図４（ａ）と比較すると、まず、１番目の媒質境界面３０＿１の位置よりも手前の位置において、反射率及び減衰作用が一様な媒体中を超音波が進むことにより、距離に応じて反射強度が低下していることが分かる。そして、１番目の媒質境界面３０＿１の位置での反射強度は、この位置に到達するまでの減衰作用が影響して、図４（ａ）の場合の半分程度に低下（減衰）している。また、この媒質境界面３０＿１で多分な超音波が反射される結果、媒質境界面３０＿１を透過した直後の位置での反射強度が大きく低下している。また、媒質境界面３０＿１以降も、反射率及び減衰作用が一様な媒体中を超音波が進むことにより、距離に応じて反射強度が低下していく。そのため、２番目の媒質境界面３０＿２の位置で反射強度が若干表れているが、その大きさは、図４（ａ）の場合と比較して大きく低下（減衰）している。媒体に比べて、媒質境界面３０＿２では大きく超音波が反射される結果、以降の位置での反射強度の一層の低下が表れている。
図４（ｃ）は、図４（ｂ）のシミュレーション結果の反射強度に対して、本実施形態の散乱減衰補正を行った信号強度（反射強度）である。つまり、４つの媒質境界面３０＿１〜３０＿４それぞれの位置について、反射強度Ｒｉと、手前側（超音波プローブ１０側）の媒質境界面３０それぞれの反射強度Ｒｉ−１と、超音波の入射強度Ｔ１とを用いて、式（９）から、散乱減衰補正値αｉを算出し、この散乱減衰補正値αｉを反射強度Ｒｉに乗じることで、補正後の信号強度を算出する。
図４（ｂ）と比較すると、４つの媒質境界面３０＿１〜３０＿４の全ての位置について、反射強度が増加するように補正されている。また、図４（ａ）と比較すると、４つの媒質境界面３０＿１〜３０＿４の全ての位置の反射強度について、ほぼ一致している。つまり、「理想の反射強度」に近づく補正が実現されている。
なお、このシミュレーション結果から、本実施形態の散乱減衰補正を、拡散減衰や吸収減衰による減衰の補正に適用することができるといえる。これは、散乱減衰補正値αｉの式（９）は、ある媒質境界面３０＿ｉへの入射強度を、その手前（超音波プローブ１０側）の媒質境界面３０＿（ｉ−１）の透過強度としているためであり、つまり、媒質境界面３０＿ｉの透過強度Ｔｉ、及び、反射強度Ｒｉは、その手前（超音波プローブ１０側）の媒質境界面３０＿（ｉ−１）との間の媒質による減衰も含めた値として表れているからである（図３参照）。
（４）超音波測定装置への適用
超音波測定装置では、超音波パルスを被検体に入射するが、被検体となる生体内には様々な組織を含んでおり、被検体中の超音波の反射位置、つまり媒質境界面の位置が不明である。このため、時間領域の信号である受信信号をフーリエ変換によって変換した周波数領域の信号に対して上述の散乱減衰補正を行い、補正後の信号を逆フーリエ変換によって時間領域の信号に戻すことにする。また、被検体である生体内には、生体組織による多数の媒質境界面が存在するとともに、その位置は不明であるため、受信信号は、これらの多数の媒質境界面からの反射波の合成信号となり、何れの媒質境界面（つまり、深さ位置）からの反射波であるかを判別することは非常に難しい。このため、受信信号を複数の部分受信信号に分けて抽出し、部分受信信号それぞれについて散乱減衰補正を行った後、補正後の信号を合成することとする。
図５は、超音波測定装置における受信信号の散乱減衰補正の手順の概要図である。処理手順は、上から下の順である。先ず、超音波プローブ１０から、被検体２０に対して超音波パルスを入射する。被検体２０には、多数の媒質境界面３０が存在する。なお、図５では、３つの媒質境界面３０のみを示しているが、実際には、４つ以上、あるいは、３つ未満の場合もあり、その位置は不明である。
この超音波パルスの入射に対して超音波プローブ１０で受信信号４０が得られる。受信信号４０には、媒質境界面３０の深さ位置に相当する時刻ｔに、当該媒質境界面３０での反射波が発生している。受信信号４０に含まれる反射波の信号強度は、概ね、深さ位置が深いほど、減衰によって小さくなる。
この受信信号４０から、複数の抽出期間を定めて複数の部分受信信号４２を抽出する。何れの抽出期間も同じ長さとし、その長さは、超音波パルスの周期より長い時間とする。また、それぞれの抽出期間は、一部が重複するように時間方向にずらして定められる。従って一部重複した抽出期間同士の部分受信信号４２も勿論、信号の一部が重複することとなる。
次いで、抽出したこれらの部分受信信号４２それぞれに対して、フーリエ変換（図中の「ＦＦＴ」）を行って、周波数領域の信号である周波数領域信号４４を生成する。部分受信信号４２に超音波パルスの反射波が含まれる場合、これをフーリエ変換した周波数領域信号４４には、超音波パルスの周波数ｆ０に大きなピークが表れる。
続いて、この周波数領域信号４４に対する散乱減衰補正を行って、周波数補正信号４６を生成する。図６は、部分受信信号に対する散乱減衰補正の詳細な説明図である。部分受信信号４２に対して、所定のサンプリング間隔（サンプリング単位）Ｔｓでサンプリングして、信号強度Ｒｉ（ｉ＝１，２，・・）の離散値データを生成する。信号強度Ｒｉは、深さ位置が浅い（受信時刻が早い）順に、信号強度Ｒ１，Ｒ２，・・，ＲＮ、とする。この離散値である信号強度Ｒｉそれぞれを媒質境界面での反射強度とみなして、式（９）を用いて、信号強度Ｒｉそれぞれに対応する散乱減衰補正値αｉを算出する。次いで、これらの散乱減衰補正値αｉの平均値である平均補正値αＡＶＥを算出する。そして、この平均補正値αＡＶＥを周波数領域信号４４に乗じて、周波数補正信号４６を生成する。周波数補正信号４６は、周波数領域信号４４におけるピーク値が平均補正値αＡＶＥ倍となった信号となる。
図５に戻り、続いて、周波数補正信号４６に対する逆フーリエ変換（図中の「逆ＦＦＴ」）を行って、時間領域の信号である部分補正信号４８を生成する。その後、これらの部分補正信号４８を合成して、最終的に、受信信号４０を散乱減衰補正した受信補正信号５０を生成する。
［機能構成］
図７は、超音波測定装置１の機能構成図である。図７によれば、超音波測定装置１は、超音波送受信部１００と、操作入力部２０２と、表示部２０４と、音出力部２０６と、通信部２０８と、処理部３００と、記憶部４００と、を備えて構成される。超音波測定装置１は、超音波受信信号補正装置の機能を有するため、超音波受信信号補正装置でもある。
超音波送受信部１００は、超音波プローブであり、超音波を送信及び受信する複数の超音波素子を有する。超音波素子は、処理部３００から入力されるパルス電圧に従って超音波パルスを送信するとともに、超音波の反射波を受信して電気信号である反射波信号に変換し、処理部３００に出力する。
操作入力部２０２は、ボタンスイッチやタッチパネル、各種センサー等の入力装置によって実現され、なされた操作に応じた操作信号を処理部３００に出力する。表示部２０４は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示装置によって実現され、処理部３００からの表示信号に基づく各種表示を行う。音出力部２０６は、スピーカー等の音出力装置によって実現され、処理部３００からの音信号に基づく各種音出力を行う。通信部２０８は、無線ＬＡＮ（Local Area Network）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信装置、モデム、有線用の通信ケーブルのジャックや制御回路等の有線通信装置によって実現され、所与の通信回線と接続して外部装置との通信を行う。
処理部３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のマイクロプロセッサー、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit），ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array），ＩＣ（Integrated Circuit）メモリー等の電子部品によって実現され、記憶部４００に記憶されたプログラムやデータ、操作入力部２０２からの操作信号等に基づいて各種演算処理を実行して、超音波測定装置１の動作を制御する。また、処理部３００は、超音波測定制御部３０２と、散乱減衰補正部３０４と、Ｂモード画像生成部３２０と、を有する。
超音波測定制御部３０２は、超音波送受信部１００による超音波の送受信を制御する。すなわち、各超音波素子に対する送信タイミングを指示するパルス電圧を発生させて、超音波送受信部１００に出力する。また、超音波送受信部１００から入力される超音波の反射波信号に対して、増幅処理やフィルター処理、Ａ／Ｄ変換処理、更には、受信フォーカシング処理を行い、受信信号データ４０６を生成する。受信信号データ４０６は、走査ライン別の受信信号のデータである。
散乱減衰補正部３０４は、信号抽出部３０６と、ＦＦＴ部３０８と、補正値算出部３１０と、補正部３１２と、逆ＦＦＴ部３１４と、信号合成部３１６と、調整部３１８と、を有し、走査ライン別の受信信号に対する散乱減衰補正を行って、受信補正信号を生成する（図５，図６参照）。生成した走査ライン別の受信補正信号は、受信補正信号データ４４０として記憶される。
信号抽出部３０６は、受信信号に対して、抽出期間を時間方向にずらしながら、一部が互いに重複する複数の部分受信信号を抽出する。
ＦＦＴ部３０８は、部分受信信号に対するフーリエ変換を行って、周波数領域信号を生成する。
補正値算出部３１０は、周波数領域信号に対する散乱減衰補正値αｉを算出する。すなわち、受信信号に対して、所定のサンプリング間隔でサンプリングして、信号強度Ｒｉ（ｉ＝１，２，・・）の離散値のデータを生成する。次いで、信号強度Ｒｉを媒質境界面の反射強度Ｒｉとみなして、式（９）を用いて、信号強度Ｒｉそれぞれに対応する散乱減衰補正値αｉを算出する。この式（９）は、散乱減衰補正式４０４として記憶されている。続いて、部分受信信号それぞれについて、抽出期間に対応する散乱減衰補正値αｉの平均値である平均補正値αＡＶＥを算出する。
補正部３１２は、部分受信信号それぞれについて、周波数領域信号に平均補正値αＡＶＥを乗じて、周波数領域信号を補正した周波数補正信号を生成する。
逆ＦＦＴ部３１４は、周波数補正信号に対する逆フーリエ変換を行って、部分補正信号を生成する。
信号合成部３１６は、受信信号それぞれに対応する部分補正信号を合成して、受信補正信号を生成する。
調整部３１８は、部分受信信号同士の重複部分について、その信号強度を、例えば弱めるように調整する。具体的には、周波数領域信号に対する調整を行い、調整した周波数領域信号に対してＦＦＴ部３０８がフーリエ変換を行う。また、受信補正信号に対する調整を行い、調整した受信補正信号に対して信号合成部３１６が合成を行う。
Ｂモード画像生成部３２０は、散乱減衰補正部３０４によって補正された受信信号（受信補正信号）に基づいて、Ｂモード画像を生成する。生成したＢモード画像は、Ｂモード画像データ４４２として記憶される。
記憶部４００は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、ハードディスク等の記憶装置によって実現され、記憶部４００が超音波測定装置１を統合的に制御するためのシステムプログラムや、プログラムやデータ等を記憶しているとともに、処理部３００の作業領域として用いられ、処理部３００が実行した演算結果や、操作入力部２０２からの操作データ等が一時的に記憶される。記憶部４００には、超音波測定プログラム４０２と、散乱減衰補正式４０４と、受信信号データ４０６と、走査ラインデータ４０８と、受信補正信号データ４４０と、Ｂモード画像データ４４２と、が記憶される。
走査ラインデータ４０８は、散乱減衰補正部３０４による散乱減衰補正の過程において生成される走査ライン別のデータであり、該当する走査ラインの識別番号である走査ラインＩＤ４１０に対応付けて、受信信号４１２と、受信信号４１２を所定のサンプリング間隔でサンプリングした信号強度Ｒｉの離散値データである信号強度テーブル４１４と、信号強度テーブル４１４の信号強度Ｒｉそれぞれに対応する散乱減衰補正値αｉのデータである補正値テーブル４１６と、部分受信信号データ４２０と、受信信号４１２を散乱減衰補正した受信補正信号４１８と、を格納している。
部分受信信号データ４２０は、受信信号から抽出された部分受信信号別のデータであり、該当する部分受信信号の識別番号である部分受信信号ＩＤ４２２に対応付けて、部分受信信号４１２と、抽出期間４２６と、部分受信信号４１２をフーリエ変換した周波数領域信号４２８と、抽出期間４２６の信号強度Ｒｉそれぞれの散乱減衰補正値αｉの平均値である平均補正値４３０と、周波数領域信号４２８を平均補正値４３０で補正した周波数補正信号４３２と、周波数補正信号４３２を逆フーリエ変換した部分補正信号４３４と、を格納している。
［処理の流れ］
図８は、超音波測定処理を説明するフローチャートである。この処理は、処理部３００が、超音波測定プログラム４０２を実行することで実現される処理である。
先ず、超音波測定制御部３０２が、超音波送受信部１００から、被検体に対して超音波パルスを送信させる（ステップＳ１）。そして、この反射波を受信して受信信号（受信信号データ４０６）を取得する（ステップＳ３）。このとき、被検体の表面位置を走査させることで、走査ライン別の受信信号４１２を得ることができる。
続いて、走査ラインそれぞれを対象としたループＡの処理を行う。ループＡでは、補正値算出部３１０が、対象の走査ラインの受信信号４１２に対して、所定のサンプリング間隔でサンプリングして、信号強度Ｒｉの離散値データを生成する。そして、これらの信号強度Ｒｉそれぞれに対応する散乱減衰補正値αｉを算出する（ステップＳ５）。次いで、信号抽出部３０６が、受信信号４１２から、時間方向に所定時間をずらしながら、その一部が重複するようにして抽出期間４２６を設定し、各抽出期間４２６に対応する部分受信信号４２４を抽出する（ステップＳ７）。
続いて、部分受信信号４２４それぞれを対象としたループＢの処理を行う。ループＢでは、ＦＦＴ部３０８が、対象の部分受信信号４２４に対するフーリエ変換を行って、周波数領域信号４２８を生成する（ステップＳ９）。そして、調整部３１８が、周波数領域信号４２８に対して、信号強度を調整する第１の調整処理を行う（ステップＳ１１）。第１の調整処理は、例えば一律に所定値を乗算する等して、以降の演算処理で信号値が飽和する（演算上の上限値或いは下限値に達する）ことを防止する等の役割を果たす。また、補正値算出部３１０が、対象の部分受信信号４２４の抽出期間４２６に対応する散乱減衰補正値αｉの平均値である平均補正値αＡＶＥ４３０を算出する（ステップＳ１３）。次いで、補正部３１２が、周波数領域信号４２８に平均補正値αＡＶＥ４３０を乗じて補正して、周波数補正信号４３２を生成する（ステップＳ１５）。そして、逆ＦＦＴ部３１４が、周波数補正信号４３２に対する逆フーリエ変換処理を行って、部分補正信号４３４を生成する（ステップＳ１７）。ループＢはこのように行われる。
全ての部分受信信号４２４を対象としたループＢの処理を行うと、信号合成部３１６が、これらの部分補正信号４３４を合成して、受信補正信号（受信補正信号データ４４０）を生成する（ステップＳ１９）。そして、調整部３１８が、受信補正信号に対して、信号強度を調整する第２の調整処理を行う（ステップＳ２１）。第２の調整処理は、例えば一律に所定値を乗算する等して、以降の演算処理で信号値が飽和する（演算上の上限値或いは下限値に達する）ことを防止する等の役割を果たす。ループＡはこのように行われる。
全ての走査ラインを対象としたループＡの処理を行うと、Ｂモード画像生成部３２０が、走査ライン別の受信補正信号（受信補正信号データ４４０）に基づき、Ｂモード画像（Ｂモード画像データ４４２）を生成する（ステップＳ２３）。
［実験結果］
図９は、超音波測定装置１による処理結果の一例を示す図である。図９（ａ）は、強反射体である媒質Ｂを内在する媒質Ａに対して、超音波を入射して、その反射波の受信信号から得られたＢモード画像である。但し、散乱減衰補正を行っていない。図９（ｂ）は、図９（ａ）で得られた受信信号に対して、超音波測定装置１による散乱減衰補正を行った信号から得られたＢモード画像である。図９（ａ），（ｂ）を比較すると、図９（ａ）では、媒質Ｂの背側に音響陰影２４が発生しているが、図９（ｂ）に示すように、本実施形態の散乱減衰補正を行うことで、音響陰影が改善されていることがわかる。
図９（ｃ）は、図９（ａ），（ｂ）における走査ラインＬ１０，Ｌ２０，Ｌ２１に沿った「深さ位置に対する信号強度のグラフ」である。詳細には、図９（ａ）における、媒質Ｂを通らない走査ラインＬ１０を中心とする２０本の走査ラインの平均信号強度のグラフと、媒質Ｂを通る走査ラインＬ２０を中心とする２０本の走査ラインの平均信号強度のグラフと、図９（ｂ）における、走査ラインＬ２１の信号強度のグラフ、すなわち走査ラインＬ２０の信号強度に対して散乱減衰補正を行った信号強度のグラフと、の３つのグラフを重ねて示している。図９（ｄ）は、図９（ｃ）に示すグラフのうち、図９（ａ）の「音響陰影２４」に相当する範囲を拡大したグラフである。
図９（ｃ），（ｄ）によれば、走査ラインＬ１０の信号強度は、深さ位置が深くなるにつれて徐々に低下（減衰）しており、その減衰の程度は一様である。これは、拡散減衰、及び、吸収減衰によるものと思われる。
走査ラインＬ１０，Ｌ２０の信号強度を比較すると、媒質Ｂに到達するまでの深さ範囲Ｄ１ではほぼ同程度であるが、走査ラインＬ２０の信号強度が、媒質Ａ，Ｂの境界位置で急激に増加し、超音波が強く反射していることがわかる。そして、走査ラインＬ２０の信号強度は、媒質Ｂの内部に相当する深さ範囲Ｄ２では徐々に低下（減衰）し、媒質Ｂの背側に相当する深さ範囲Ｄ３では、走査ラインＬ１０の信号強度と比較して全体的に低く（小さく）なっている。つまり、媒質Ｂの背側に音響陰影２４が発生している。
また、走査ラインＬ２０，Ｌ２１の信号強度を比較すると、媒質Ｂの手前側の深さ範囲Ｄ１、及び、媒質Ｂの内部に相当する深さ範囲Ｄ２では、ほぼ同程度であるが、媒質Ｂの背側に相当する深さ範囲Ｄ３では、走査ラインＬ２１の信号強度が、走査ラインＬ２０の信号強度と比較して全体的に高く（大きく）なっているとともに、走査ラインＬ１０の信号強度と同程度となっている。
つまり、図９（ａ），（ｂ）を比較してわかるように、本実施形態の散乱減衰補正によって、音響陰影２４が改善されていることがわかる。
［作用効果］
このように、本実施形態の超音波測定装置１によれば、超音波の反射波を受信した受信信号を適切に補正し、音響陰影の改善を図ることができる。
すなわち、被検体に入射した反射波を受信した受信信号から、一部重複させながら時間をずらして設定した重複期間に係る複数の部分受信信号を抽出する。次いで、これらの複数の部分受信信号それぞれについて、フーリエ変換した周波数領域信号に対して、散乱減衰補正値αを用いた散乱減衰補正を行い、補正した周波数補正信号を、逆フーリエ変換する。そして、部分受信信号それぞれに対応する逆フーリエ変化成した部分補正信号を合成した信号を、受信信号を補正した受信補正信号とする。散乱減衰補正値αは、入射した超音波の信号強度と、時間別の受信信号の信号強度の累積値とから求められる。
被検体には、多数の媒質境界面３０が含まれているため、受信信号には、異なる複数の深さ位置での反射波が含まれているとともに、その深さ位置は不明である。受信信号をフーリエ変換した信号には、反射波の周波数にピークが表れるため、フーリエ変換した信号を補正することで、音響陰影の発生した領域を検出すること無く、受信信号を補正することができる。また、含まれる反射波が少ない部分受信信号それぞれを補正し、これらを合成することで、より適切な受信信号の補正を行うことができる。
なお、本発明の適用可能な実施形態は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
１…超音波測定装置、１００…超音波送受信部、２０２…操作入力部、２０４…表示部、
２０６…音出力部、２０８…通信部、３００…処理部、３０２…超音波測定制御部、３０４…散乱減衰補正部、３０６…信号抽出部、３０８…ＦＦＴ部、３１０…補正値算出部、３１２…補正部、３１４…逆ＦＦＴ部、３１６…信号合成部、３１８…調整部、３２０…Ｂモード画像生成部、４００…記憶部、４０２…超音波測定プログラム、４０４…散乱減衰補正式、４０６…受信信号データ、４０８…走査ラインデータ、４１０…走査ラインＩＤ、４１２…受信信号、４１４…信号強度テーブル、４１６…補正値テーブル、４１８…受信補正信号、４２０…部分受信信号データ、４４０…受信補正信号データ、４４２…Ｂモード画像データ

Claims (7)

  1. 被検体に入射した超音波の信号強度と、前記被検体からの反射波を受信した受信信号の信号強度累積値とを用いて減衰補正値を算出することと、
    前記受信信号に対するフーリエ変換を行うことと、
    前記フーリエ変換された信号を前記減衰補正値を用いて補正することと、
    前記補正された信号に対する逆フーリエ変換を行うことと、
    を実行する超音波受信信号補正装置。
  2. 時間方向に所与の抽出期間をずらして、前記受信信号から複数の部分受信信号を抽出することを更に実行し、
    前記部分受信信号それぞれについて、前記フーリエ変換と、前記補正と、前記逆フーリエ変換とを実行し、
    前記逆フーリエ変換された信号を、対応する前記抽出期間の信号として合成することを更に実行する、
    請求項１に記載の超音波受信信号補正装置。
  3. 前記減衰補正値を算出することは、前記受信信号を受信した累積時間別に前記減衰補正値を算出することであり、
    前記補正することは、前記部分受信信号に対応する累積時間の前記減衰補正値を用いて、当該部分受信信号を補正することである、
    請求項２に記載の超音波受信信号補正装置。
  4. 前記累積時間のサンプリング単位は、前記抽出期間のずらし時間よりも短く設定されており、
    前記補正することは、前記部分受信信号に対応する累積時間の前記減衰補正値を平均し、当該平均値を用いて当該部分受信信号を補正することである、
    請求項３に記載の超音波受信信号補正装置。
  5. 前記抽出することは、前記抽出期間を一部重複させるようにずらして前記部分受信信号を抽出することであり、
    前記部分受信信号の重複した信号強度を調整することを更に実行する、
    請求項２〜４の何れか一項に記載の超音波受信信号補正装置。
  6. 前記被検体に前記超音波を入射し、反射波を受信する超音波プローブと、
    前記超音波プローブで受信された受信信号を補正する請求項１〜５の何れか一項に記載の超音波受信信号補正装置と、
    を備えた超音波測定装置。
  7. 演算処理装置が超音波受信信号を補正する演算処理を行う方法であって、
    被検体に入射した超音波の信号強度と、前記被検体からの反射波を受信した受信信号の信号強度累積値とを用いて減衰補正値を算出することと、
    前記受信信号に対するフーリエ変換を行うことと、
    前記フーリエ変換された信号を前記減衰補正値を用いて補正することと、
    前記補正された信号に対する逆フーリエ変換を行うことと、
    を含む超音波受信信号補正方法。
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