JP2019136297A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な周波数帯域において、画像生成に寄与しない周波数帯域の駆動信号の強度を抑制することができる超音波診断装置を提供する。【解決手段】超音波の送受信を行う振動子２ａに対して駆動信号を送信する超音波診断装置１００であって、所定の周波数帯域に含まれる超音波の送信波形を生成する送受信ビームフォーマー１１７（波形生成部）と、送信波形に基づいて、振動子２ａを駆動させる駆動信号としてのパルス信号を生成するパルサー１１４（パルス信号生成部）と、送信波形に基づく送信超音波の反射エコーを用いて生成される超音波画像の生成に寄与しない周波数帯域を除去する可変ＢＰＦ１１２（可変フィルター部）と、送信波形に基づいて、可変ＢＰＦ１１２の通過帯域を制御する制御部１２と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、複数モードの画像を生成する超音波診断装置に関する。

超音波診断は、超音波探触子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を得ることができ、かつ安全性が高いという利点を有する。

より高品質の画像を生成するため、送信超音波の強度を向上させたいという要望がある。超音波診断装置において電気エネルギーを変換して超音波を発生させる超音波探触子（プローブ）は、より強度の高い超音波を発生させようとすると、強度の低い超音波を発生させる場合より大きな熱を発する。超音波探触子は被検体、特に人体に直接触れるものなので、安全のため温度が上昇しすぎることは好ましくない。これらのことから、超音波探触子の温度を上昇させずに送信超音波の強度を向上させることが要望されている。

特許文献１には、複数のパルス信号のパルス電圧、パルス幅、パルス出力タイミングの少なくとも１つをローパスフィルター（共振回路）によって制御することで、画像生成に寄与しない周波数成分の駆動信号を除去する技術が開示されている。

特開２０１６−８６９５７号公報

ところで、超音波診断装置は複数の送信波形を設定することができる。送信波形によって駆動信号の周波数帯域が異なるため、特許文献１に記載された技術では、ローパスフィルターで除去する周波数帯域について限定されておらず、様々な送信波形に対応することができない。このため、様々な周波数帯域において、画像生成に寄与しない周波数帯域の駆動信号の強度を抑制することができる技術が要望されている。

本発明は、様々な周波数帯域において、画像生成に寄与しない周波数帯域の駆動信号の強度を抑制することができる超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波診断装置は、超音波の送受信を行う振動子に対して駆動信号を送信する超音波診断装置であって、所定の周波数帯域に含まれる前記超音波の送信波形を生成する波形生成部と、前記送信波形に基づいて、前記振動子を駆動させる駆動信号としてのパルス信号を生成するパルス信号生成部と、前記送信波形に基づく送信超音波の反射エコーを用いて生成される超音波画像の生成に寄与しない周波数帯域を除去する可変フィルター部と、前記送信波形に基づいて、前記可変フィルター部の通過帯域を制御する制御部と、を有する超音波診断装置。

本発明によれば、様々な周波数帯域において、画像生成に寄与しない周波数帯域の駆動信号の強度を抑制することができる。

超音波診断装置の外観について例示した図 超音波診断装置の内部構成について例示したブロック図 送受信部の構成を例示したブロック図 可変ＢＰＦ（Band Pass Filter）の構成を例示した図 可変ＢＰＦの変形例を示す図 変形例における送受信部の一例を示す図 送受信部が可変ＢＰＦの代わりに電流調節部を有する超音波診断装置の変形例における、送受信部の構成例を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示した例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能および構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。

［超音波診断装置１００の構成例］
図１は、本発明の超音波診断装置の一例としての超音波診断装置１００の外観について例示した図である。また、図２は、超音波診断装置１００の内部構成について例示したブロック図である。

図１および図２に示すように、超音波診断装置１００は、超音波診断装置本体１と、超音波探触子２と、ケーブル３と、操作入力部４と、表示部５と、を備えている。超音波診断装置１００は、複数の表示モードの超音波画像を生成して表示することができる。超音波診断装置１００の有する表示モードの例としては、例えば、Ｂモード、カラードプラ（正確にはカラーフローマッピング）モード、ＰＷ（Pulse Wave）モード、ＣＷ（Continuous Wave）モード等が挙げられる。Ｂモードは受信信号の強度を輝度とした表示モードであり、カラードプラモード、ＰＷモード、ＣＷモードは受信信号の速度成分を抽出して血流や拍動等の移動体情報を表示するモードである。

超音波探触子２は、図示しない生体等の被検体に対して超音波（送信超音波）を送信するとともに、被検体により反射された超音波の反射波（反射超音波：エコー）を受信する。

超音波診断装置本体１は、ケーブル３によって超音波探触子２と接続されている。超音波診断装置本体１は、超音波探触子２に電気信号の駆動信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して送信超音波を送信させる。また、超音波診断装置本体１は、超音波探触子２が受信した被検体内からの反射超音波に基づいて生成した電気信号である受信信号を用いて、被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する。

なお、本実施の形態では、超音波探触子２がケーブル３を介して超音波診断装置本体１と有線通信を行う例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明では、超音波探触子が、電磁波、赤外線等を介して超音波診断装置本体と無線通信する構成であってもよい。

超音波探触子２は、図２に示すように、複数の振動子２ａを有する。複数の振動子２ａは、例えば、一次元アレイ状、または二次元アレイ状に配列された圧電素子である。本実施の形態において、振動子２ａは、例えば数ＭＨｚ（例えば２ＭＨｚ）〜数十ＭＨｚ（例えば３０ＭＨｚ）の送受信帯域を有する。

操作入力部４は、超音波診断装置１００に対するユーザーの操作入力を受け付ける。操作入力部４は、例えば、各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード、タッチパネル等であり、操作信号を超音波診断装置本体１に出力する。操作入力部４は、例えば超音波診断装置１００の表示モードに関するユーザーの操作入力を受け付ける。

表示部５は、超音波診断装置本体１によって生成された超音波画像や、超音波診断装置１００を操作するための操作画面等の表示を行う。表示部５は、例えば液晶、ＣＲＴ、有機ＥＬ等を用いたディスプレイ装置である。

なお、本実施の形態では、操作入力部４および表示部５は、図１のように超音波診断装置本体１と独立した構成として示されているが、本発明はこれに限定されず、操作入力部および表示部は超音波診断装置本体と一体に構成されていてもよい。

［超音波診断装置本体１の構成例］
超音波診断装置本体１は、図２に示すように、送受信部１１と、制御部１２と、画像生成部１３と、を備える。

送受信部１１は、制御部１２の制御に基づいて、送信超音波を超音波探触子２に発生させるための電気信号である駆動信号を供給し、反射超音波を受信した超音波探触子２から受信信号を受信する回路である。送受信部１１の詳細については後述する。

制御部１２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備え、ＲＯＭに記憶されているシステムプログラム等の各種処理プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムに従って超音波診断装置１００の各部の動作を制御する。

画像生成部１３は、送受信部１１の送受信ビームフォーマー１１７（図３参照）からの音線データに対して、フィルターリング処理、包絡線検波処理や対数増幅等を実施し、ゲインの調整等を行い、選択された表示モードに対応した超音波画像を生成する。

例えばＢモードが選択されている場合、画像生成部１３は、音線データに基づき輝度画像を生成する。また、Ｂモードが選択されている場合、画像生成部１３は音線データから高調波成分を抽出して画像化するＴＨＩ（ティッシュハーモニックイメージング）を行う。これにより、より高品質のＢモード画像を得ることができる。

カラードプラモード、ＰＷモード、ＣＷモード等が選択されている場合、画像生成部１３は、音線データに基づき任意の観測点におけるドプラシフト量を算出することで各観測点の移動速度を推定し、Ｂモード画像に重畳したドプラモード画像を生成する。

［送受信部１１の構成例］
次に、送受信部１１について詳細に説明する。図３は、送受信部１１の構成を例示したブロック図である。図３に示すように、送受信部１１は、例えば、マルチプレクサ１１１と、可変ＢＰＦ（Band Pass Filter）１１２と、送受信スイッチ１１３と、パルサー１１４と、アンプ１１５と、ＡＤＣ（Analog-Digital Converter）１１６と、送受信ビームフォーマー１１７と、を備える。

マルチプレクサ１１１は、超音波探触子２の複数の振動子２ａのうち、駆動信号で駆動させる振動子２ａを選択し、選択した振動子２ａと可変ＢＰＦ１１２とを接続する。また、マルチプレクサ１１１は、受信信号を生成させる超音波探触子２の振動子２ａを選択し、選択した振動子２ａと可変ＢＰＦ１１２とを接続する。

可変ＢＰＦ１１２は、送信時において、送受信ビームフォーマー１１７が生成する送信波形に応じて中心周波数を変更可能なバンドパスフィルターである。可変ＢＰＦ１１２は、本発明の可変フィルター部の一例である。本実施の形態では、可変ＢＰＦ１１２は、制御部１２から入力されたフィルター切替信号に基づいて、あらかじめ設定された複数の通過帯域のうちのいずれか１つに切り替える切替機能を有する。

図４は、可変ＢＰＦ１１２の構成を例示した図である。図４に示すように、可変ＢＰＦ１１２は、ｎ個のスイッチＳＷ１〜ＳＷｎと、ｎ個のフィルターＦ１〜Ｆｎと、を有する。フィルターＦ１〜Ｆｎは、それぞれキャパシタＣ１〜Ｃｎと、インダクタＬ１〜Ｌｎとを有する。ｎは送受信ビームフォーマー１１７が生成できる送信波形の数に対応する。送信波形の数とは、一例として、例えば超音波診断装置１００が有する表示モードに対応しる。具体的には、例えば超音波診断装置１００がＢモード、カラードプラモード、ＰＷモード、ＣＷモードを有し、Ｂモードで１種類、カラードプラ・ＰＷ・ＣＷモードで１種類の送信波形が生成される場合、ｎ＝２である。なお、１つの表示モードにつき複数種類の送信波形が生成されてもよく、例えばＢモードで４種類の送信波形が生成され、カラードプラ・ＰＷ・ＣＷモードで２種類の送信波形が生成される場合、ｎ＝６となる。

スイッチＳＷ１〜ＳＷｎは、それぞれ制御部１２に接続されており、制御部１２のスイッチ制御に基づいてオンオフされる。これにより、フィルターＦ１〜Ｆｎのいずれか１つが選択される。

また、フィルターＦ１〜Ｆｎのそれぞれは、送信波形のいずれかとあらかじめ対応づけられている。より具体的には、フィルターＦ１〜Ｆｎのそれぞれは、対応づけられた送信波形を用いて生成される超音波画像の生成に寄与しない周波数成分を除去するフィルター特性を有する。送信波形を用いて生成される超音波画像とは、具体的には、送信波形に基づきパルサー１１４が生成する駆動信号を用いて超音波探触子２の振動子２ａが送信し、送信超音波の反射エコーを振動子２ａが受信して生成した受信信号に基づいて画像生成部１３が生成する超音波画像である。

このような構成により、可変ＢＰＦ１１２を通過した駆動信号は、画像生成に寄与する周波数成分のみを含むことになる。具体的には、Ｂモード、特に高調波を用いてＴＨＩを行う場合では、例えば４倍より高い周波数の高調波成分を除去し、基本波と第２および第３高調波成分を有する駆動信号を得ることができる。また、それ以外のモード（カラードプラ、ＰＷ、ＣＷモード等）では、送信周波数以外の周波数成分を除去した駆動信号を得ることができる。

より具体的には、可変ＢＰＦ１１２の切替機能は、通過帯域の中心周波数を切り替えることができる。中心周波数とは遮断周波数の上限および下限の相加平均または相乗平均を意味する。

また、より好適には、可変ＢＰＦ１１２は、選択された表示モードに応じて、中心周波数だけでなく帯域幅を切り替え可能としてもよい。これにより、画像生成に寄与する駆動信号が複数の周波数帯を含む場合により好適な駆動信号を抽出することができる。具体的には、例えばＴＨＩを用いたＢモードが選択された場合、駆動信号に高調波成分（第２，第３高調波）が含まれることがある。このような場合、可変ＢＰＦ１１２によって帯域幅を適宜変更することで、基本波成分と第２，第３高調波成分とをすべて含む駆動信号を通過させることができる。

送受信スイッチ１１３は、制御部１２の制御に従って、複数のチャンネルにおける送受信を切り替えるスイッチである。送受信スイッチ１１３は、送信時にはパルサー１１４が生成したパルス信号（駆動信号）を可変ＢＰＦ１１２へ出力し、受信時にはマルチプレクサ１１１から可変ＢＰＦ１１２を通して取得した受信信号をアンプ１１５へ出力する。

パルサー１１４は、送信時において、送受信ビームフォーマー１１７が生成した送信波形に基づいて、所定の周期で駆動信号としてのパルス信号を発生させるための回路である。パルサー１１４は、本発明のパルス信号生成部の一例である。

アンプ１１５は、受信時において、送受信スイッチ１１３から出力された受信信号を所定の増幅率で増幅する回路である。ＡＤＣ１１６は、受信時において、アンプ１１５で増幅されたアナログの受信信号をデジタルの受信信号に変換する回路である。

送受信ビームフォーマー１１７は、送信時においては、制御部１２の制御に従って、選択された表示モードに基づいて送信波形を生成する。また、送受信ビームフォーマー１１７は、受信時においては、超音波探触子２からの受信信号に対して、振動子２ａ毎に対応した個別経路毎に遅延時間を与えることで位相を調整して加算（整相加算）し、表示モードに応じた音線データを生成する。送受信ビームフォーマー１１７は、本発明の波形生成部の一例である。

［送受信部１１の動作例］
ここで、送受信部１１の動作を説明する。送受信部１１の動作には、超音波の送信工程と、受信工程と、が含まれる。

超音波の送信工程において、送受信ビームフォーマー１１７が表示モードに基づいて送信波形を生成し、パルサー１１４が送信波形に基づいて駆動信号を生成する。そして、送受信スイッチ１１３は、複数の振動子２ａのうちのいずれかを選択して送受信の切り替えを行う。

パルサー１１４によって生成された駆動信号（パルス信号）は、可変ＢＰＦ１１２によって、送信波形を用いて生成される超音波画像の生成に寄与しない周波数成分が除去される。可変ＢＰＦ１１２を通過した駆動信号はマルチプレクサ１１１を介して超音波探触子２の振動子２ａに送信される。これにより、送信波形を用いて生成される画像生成に寄与する周波数成分のみ有する超音波が送信される。

なお、送信工程において、操作入力部４を介してユーザーにより表示モードが選択されると、制御部１２は可変ＢＰＦ１１２に対してフィルター切替信号を送信する。これにより、可変ＢＰＦ１１２は選択された表示モードに対応するフィルター特性に適宜切り替えることができる。

超音波の受信工程において、被検体からの反射超音波が複数の振動子２ａで受信されて受信信号が生成されると、送受信スイッチ１１３が複数の振動子２ａのうちのいずれかを選択し送受信の切り替えを行う。受信信号はアンプ１１５により増幅され、ＡＤＣ１１６によりデジタルの受信信号に変換される。デジタルに変換された受信信号は送受信ビームフォーマー１１７によって整相加算され、音線データとして画像生成部１３に送信される。

＜作用・効果＞
以上説明したように、本発明の超音波診断装置は、超音波の送受信を行う振動子２ａに対して駆動信号を送信する超音波診断装置１００であって、所定の周波数帯域に含まれる超音波の送信波形を生成する送受信ビームフォーマー１１７（波形生成部）と、送信波形に基づいて、振動子２ａを駆動させる駆動信号としてのパルス信号を生成するパルサー１１４（パルス信号生成部）と、送信波形に基づく送信超音波の反射エコーを用いて生成される超音波画像の生成に寄与しない周波数帯域を除去する可変ＢＰＦ１１２（可変フィルター部）と、送信波形に基づいて、可変ＢＰＦ１１２の通過帯域を制御する制御部１２と、を有する。

このような構成により、パルサー１１４が生成した駆動信号のうち、送信波形に応じて画像生成に寄与する周波数成分のみを超音波探触子２００に供給することができる。このため、例えば送信波形が表示モードに基づいて生成される場合、選択された表示モード毎に画像生成に寄与する周波数成分の駆動信号のみが超音波探触子２００に供給される。具体的には、例えばＴＨＩを用いたＢモードが選択された場合、可変ＢＰＦ１１２により、基本波成分と第２，第３高調波成分が含まれる駆動信号が超音波探触子２００に供給される。また、例えばカラードプラモード、ＰＷモード、ＣＷモード等が選択された場合、可変ＢＰＦ１１２により、基本波成分のみが含まれる駆動信号が超音波探触子２００に供給される。

これにより、超音波探触子２００には、表示モードに応じて画像生成に寄与する周波数成分のみを含む駆動信号が供給される。このため、不要なエネルギーが抑制されることにより、画像生成に寄与する周波数成分の相対的な送信パワーが向上するので、低周波数域（例えば２ＭＨｚ程度）から高周波数域（例えば２０ＭＨｚ程度）までの複数帯域において、高品質な超音波画像を生成することができる。また、超音波探触子２００への不要なエネルギーの伝達が抑制されるので、超音波探触子２００の温度上昇を抑えることができる。

［変形例］
以上、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。特許請求の範囲の記載範囲内において、当業者が想到できる各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に含まれる。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

上記した実施の形態では、送受信部１１はマルチプレクサ１１１と送受信スイッチ１１３との間に可変ＢＰＦ１１２を有していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、帯域可変ＢＰＦは振動子とマルチプレクサとの間に設けられてもよい。また、可変ＢＰＦは超音波診断装置本体の送受信部にではなく、超音波探触子側に設けられていてもよい。

可変ＢＰＦ１１２の構成は、図３に例示した構成に限定されず、例えば図５Ａに示すような構成としてもよい。図５Ａは、可変ＢＰＦの変形例を示す図である。図５Ａに示すように、可変ＢＰＦ１１２としてＬＣ並列回路を採用した場合、図５Ｂに示すように、可変ＢＰＦ１１２は送受信部１１において、パルサー１１４からの駆動信号に対して並列に設けられればよい。図５Ｂは、変形例における送受信部の一例を示す図である。

本発明の超音波診断装置において、送受信部は、上記した実施の形態で説明した可変ＢＰＦの代わりに、パルサーが生成した駆動信号に対して、表示モードに応じた電流制御を行う電流調節部を有していてもよい。電流調節部は、本発明の可変フィルター部の一例である。図６は、送受信部が可変ＢＰＦの代わりに電流調節部を有する超音波診断装置の変形例における、送受信部の構成例を示す図である。図６では、上記した実施の形態と同様の構成については同一の符号を付している。

電流調節部１１８は、駆動電流を表示モードに基づいて適宜調節する。より具体的には、電流調節部１１８は、選択された表示モードにおいて画像生成に寄与する周波数が所定の周波数帯域（例えば２ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ）内において低いほど電流値が低く、高いほど電流値が高くなるように調節を行う。このような構成により、上記した実施の形態と同様に、不要な帯域の駆動信号を抑制することができる。

本発明は、駆動信号としてパルス信号を用いる超音波診断装置に利用することができる。

１００ 超音波診断装置
１ 超音波診断装置本体
２ 超音波探触子
２ａ 振動子
３ ケーブル
４ 操作入力部
５ 表示部
１１ 送受信部
１１１ マルチプレクサ
１１２ 可変ＢＰＦ
１１３ 送受信スイッチ
１１４ パルサー
１１５ アンプ
１１６ ＡＤＣ
１１７ 送受信ビームフォーマー
１１８ 電流調節部
１２ 制御部
１３ 画像生成部

Claims (7)

1. 超音波の送受信を行う振動子に対して駆動信号を送信する超音波診断装置であって、
   所定の周波数帯域に含まれる前記超音波の送信波形を生成する波形生成部と、
   前記送信波形に基づいて、前記振動子を駆動させる駆動信号としてのパルス信号を生成するパルス信号生成部と、
   前記送信波形に基づく送信超音波の反射エコーを用いて生成される超音波画像の生成に寄与しない周波数帯域を除去する可変フィルター部と、
   前記送信波形に基づいて、前記可変フィルター部の通過帯域を制御する制御部と、
   を有する超音波診断装置。
2. 前記振動子が送信超音波の反射エコーを受信して生成した受信信号に基づいて、複数の表示モードのうちのいずれかの表示モードの超音波画像を生成する画像生成部、
   をさらに有し、
   前記波形生成部は、前記表示モードに基づいて前記送信波形を生成し、
   前記制御部は、前記表示モードに基づいて前記可変フィルター部の前記通過帯域を制御する、
   請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記可変フィルター部は、複数の前記送信波形に対応づけられた通過帯域のうちのいずれか１つに切り替える切替機能を備える、
   請求項１または２に記載の超音波診断装置。
4. 前記切替機能は、前記通過帯域の中心周波数を切り替える機能である、
   請求項３に記載の超音波診断装置。
5. 前記切替機能は、前記通過帯域の帯域幅を切り替える機能である、
   請求項３または４に記載の超音波診断装置。
6. 前記可変フィルター部は、前記制御部の制御に応じて、前記駆動信号の電流値を前記送信波形に基づいて調節する、
   請求項１または２に記載の超音波診断装置。
7. 前記所定の周波数帯域は、２ＭＨｚ〜３０ＭＨｚである、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波診断装置。

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