JP3397734B2 - 信号集束遅延方法 - Google Patents
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Description
受信される超音波信号を集束する方法に係り、特に受信
する超音波信号の集束遅延時間を調節して解像度を最大
化する超音波映像化システムにおける信号集束方法に関
する。
信号を検査しようとする対象体に発射し、対象体の不連
続面から反射されて戻ってくる超音波信号を受信した
後、その受信された超音波信号を電気的信号に変換して
所定の映像装置に出力することにより対象体の内部状態
を検査する。このような超音波映像化システムは医療診
断用、非破壊検査及び水中探索などに多用されている。
このような超音波映像化システムの機能を向上させる重
要な要因中の一つは解像度であり、この解像度を改善す
るための開発が根強く進行しつつある。最近の超音波映
像化システムにおいては解像度を向上させるために配列
変換器(array transducer)を使用し、電気的信号処理
で送受信集束を行なうことが一般化されている。図面を
参照して超音波信号を集束する方法を説明する。
受信を示す図面である。多数の変換素子を含んだ配列変
換器は電気的なパルス信号を超音波信号に変換して対象
体の集束点(focal point)に発射する。すると、超音
波信号は対象体の多数の不連続面から反射され、反射さ
れた信号は配列変換器に入射される。対象体に多数の不
連続境界面が存する場合、各境界面における超音波信号
は順次に反射されて配列変換器に入射される。対象体か
ら反射され配列変換器に入射される超音波信号は各変換
素子の位置によって達する時間が各々違う。
置した変換素子#0はS0の距離を進行して集束点から
反射されて戻ってくる超音波信号を受信する。ところ
が、n番目変換素子#nはSn(Sn=S0+ΔSn)
の距離を進行して戻ってきた超音波信号を受信するの
で、中央の変換素子#0よりΔSnの距離ほどの時間が
遅延して達する。即ち、中央の変換素子から遠く離れた
変換素子ほど超音波信号が変換素子に達する時間が伸び
る。このように、相異なる時間に入射する超音波信号は
各変換素子で電気的な信号に変換される。したがって、
各変換素子から出力される電気的な信号を集束するため
には前述した時間差に応じて各々遅らせて補償すべきで
ある。
面である。配列変換器の変換素子にそれぞれ入射された
超音波信号は変換素子に達した時間順に遅延器に印加さ
れる。遅延器は最先に印加された超音波信号から進行し
た距離による時間差を付加して超音波信号を遅らせて出
力する。従って、図2に示された通り、遅延器を通過し
た超音波信号の位相が一列に整列される。加算器は位相
が一列に整列された超音波信号を全て加算する。する
と、集束点から出発した超音波信号が同じ時間に全ての
変換素子に到達したようになる。このような信号は位相
が同じ状態になるので、超音波が合流する地点では超音
波の振幅が最大になる。しかし、この点以外の箇所では
信号が同じ時間に達しないため、位相も各々変わってお
互い相殺されるので信号が弱まる。
しく説明する。超音波信号の集束時配列型変換器の中央
の変換素子#0から変換素子#nとの距離をxnとすれ
ば、到達遅延距離ΔSnは次の数学式1で計算される。
S0は変換素子#0までの距離を示す。そして、配列変
換器の中央の変換素子#0に対してn番目変換素子#n
の到達遅延時間Δtdnは次の数学式2で計算される。
速度である。従って、変換素子が(2N+1)個ならn
番目変換素子#nの集束遅延時間(focusing delay tim
e)は次の数学式3で計算される。
ば、図2に示した通り、信号の位相を一列に整列させる
ことができる。このように、全ての変換素子で受信され
た信号に対する集束遅延時間を連結した曲線を集束遅延
時間曲線(time delay curve)という。
ムにおいて集束遅延時間の計算に使用する超音波進行速
度("音速"とも呼ばれる)は人体の軟組織(soft tissu
e)における平均速度の1540m/sの値を利用す
る。人体は1400m/sから1600m/sまでの多
様な速度を有する複合媒質で構成されており、そのうち
1400m/sの速度を有する脂肪(fat)が最大の誤
差要因になる。特に、腹部診断において皮下脂肪が厚い
場合、実際に戻ってくる信号は均一速度と仮定し計算し
た到達時間より遅く到着する。このような誤差の影響
は、集束時受信された信号の位相が整列されないので集
束特性が低下され、超音波信号の主ローブ(main lob
e)が減り、側ローブ(side lobe)の増加によって映像
の輝度の減少と解像度低下、形状の変形と歪曲、虚像
(ghost)現象などを起こす。それのみならず、媒質の
幾何学的な大きさや距離情報が必要な心臓や腎臓の容積
率計算のような適用に際し大きな誤差をもたらす。この
ような誤差を補償するため、媒質における超音波進行速
度あるいは経路にともなう相対速度差のため発生する集
束遅延時間の誤差を求めて相殺させることが必要とな
る。しかし、媒質における超音波進行速度あるいは進行
経路にともなう相対速度をそれぞれの変換素子ごとに求
めることが今までも困難であった。
は媒質における超音波進行速度(音速)を変化させて最
適の集束遅延時間を求め、該集束遅延時間を連結した集
束遅延時間曲線を利用して集束を行なうことによって解
像度を最大に高めるだけでなく、被検査体の幾何学的な
大きさや距離情報についても最も精度よく得ることがで
きる超音波映像化システムにおける信号集束方法を提供
するところにある。
ための本発明の特徴は、多数の変換素子を含んだ配列変
換器を通じて媒質内の対象体の集束点から戻ってくる超
音波信号を集束する方法において、(a)前記配列変換
器の中央に位置した変換素子における受信時間を所定の
値に固定した場合における対象体を含んだ媒質における
超音波進行速度を設定する工程と、(b)所定の固定さ
れた受信時間と前記設定された超音波進行速度とを利用
して前記集束点までの超音波信号の進行距離を求め、該
進行距離にともなう集束遅延時間を計算して集束遅延曲
線を算出する工程と、(c)前記(a)工程において設
定された超音波進行速度を変化させながら、前記固定さ
れた受信時間と変化されたそれぞれの超音波進行速度を
利用して前記各超音波進行速度別に前記収束点までの超
音波の進行距離を求める工程と、(d)前記各超音波信
号の進行距離別に収束遅延時間を計算してそれぞれの収
束遅延曲線を算出し、前記各収束遅延曲線に伴い構成さ
れる超音波映像の輝度又はコントラストを求める工程
と、(e)前記(d)工程で求めた各超音波映像の輝度
又はコントラストを比較し、比較結果に基づいて超音波
映像の輝度またはコントラストが最大になる時の該超音
波進行速度を媒質における平均超音波進行速度と定め、
この時の集束遅延時間曲線を最適の集束遅延時間曲線と
決めて超音波映像を得る工程とを含む超音波映像化シス
テムにおける信号集束遅延方法にある。
発明の最良の実施形態を詳細に説明する。
間の変化を説明するための図面である。点線は媒質にお
ける超音波進行速度が各々C1、C2、C3(C1>C
2>C3)の時の集束遅延時間曲線を表す。そして、集
束点に超音波信号を入射させる時、媒質から超音波が一
定速度に進行し、その進行時間から換算した距離(深
さ)を超音波信号の進行距離(または集束深さ)とい
う。即ち、集束点から変換素子までの距離を集束深さと
いう。
度が各々C1、C2、C3(C1>C2>C3)の場
合、超音波進行速度が遅くなるほど中央の変換素子と外
側の変換素子との超音波到達の時間差がより一層大きく
なるので、集束遅延時間曲線の曲率はさらに大きくな
る。ここで、集束遅延時間曲線の曲率が正確ならば、全
ての変換素子で受信される信号の位相が誤差なしで整列
されるので、集束深さで映像の輝度またはコントラスト
が最大になる。しかし、集束遅延時間曲線の曲率が不正
確であれば位相誤差が発生するため、輝度またはコント
ラストが劣化する。したがって、超音波進行速度を変化
させながら映像の輝度またはコントラストをチェック
し、映像の輝度またはコントラストが最大の時の超音波
進行速度を見い出せば、正確な曲率を有する最適の集束
遅延時間曲線を求めることができる。
で、受信される超音波信号の進行距離(集束深さ)を推
定する。この進行距離に対応して配列変換器の中央に位
置した素子における受信時間t0を固定する。その後、
対象体を含んだ媒質の超音波進行速度C0を推定する。
このように固定された受信時間t0と推定された超音波
進行速度C0を利用して集束点までの超音波信号の進行
距離(集束深さ)S0を求める(S0=t0×c0)。
そして、求められた進行距離S0を前述した数学式2及
び数学式3に適用して集束遅延時間を計算し、この時の
集束遅延曲線を求める。この集束遅延曲線にともなう超
音波映像を得る。その後、同じ環境、即ち固定された受
信時間t0下で超音波進行速度を変更して、前述したよ
うな方法で超音波映像を得る。前述した方法で集束点を
含んだ隣接周辺で多数の集束遅延時間曲線を求め、この
集束遅延時間曲線にともなう超音波映像を構成してそれ
ぞれの輝度またはコントラストを比較する。比較の結
果、超音波映像の輝度またはコントラストが最大になる
時の超音波進行速度を媒質における平均超音波進行速度
と決め、この時の集束遅延時間曲線を最適の集束遅延時
間曲線と定める。従って、最適の解像度を有する超音波
映像を得ることができるだけでなく、被検査体の幾何学
的な大きさや距離情報も最も精度良く得ることができ
る。
同一だという仮定の下に集束遅延曲線を求めたが、全体
媒質内で超音波進行速度が同一でない場合を図4を参照
して説明する。
本発明の実施形態では全体媒質を配列トランスデューサ
からの距離によって多数個の領域に区分する。しかし、
必ずしも距離に限定されず、領域を区分するには多様な
方法があり得る。
n)の走査線は各々が独立である。したがって、望まし
くはそれぞれの走査線に対して超音波進行速度を独立に
計算して時間遅延曲線を求められるべきだが、計算量を
減らすために多数本の走査線を束ねて一つの領域と定め
て超音波進行速度を計算することもできる。本発明の実
施形態では走査線が独立と仮定する。深さ方向(axial
direction)では、皮下脂肪と筋肉の境界面、筋肉と肝
腸との境界面など、超音波速度が変化すると予想される
箇所を境界面と見なす。
い走査領域における超音波進行速度を求める。次の領域
も順番にその領域における音速を仮定し、音速を変化さ
せていきながら前述した方法で最適の音速を探す。最先
の領域でなく、直前の領域と音速が異なる場合は境界面
で発生する超音波の屈折を考慮して集束遅延時間を計算
しなければならない。二層の相異なる速度の媒質を透過
する屈折にともなう経路は4次式で表現される。
波医療映像において脂肪組織の音速不均一効果の影響と
その補償に関する研究"、−金ジェヒョン、裴ムホ、鄭
木根−医工学会誌、19巻1号、Feb.1998.)に記載
されているので、これに対する詳細な説明は省く。
をv1、領域Dにおける超音波速度をv2とすれば、P
1〜P2に到る集束遅延時間tは次の数学式5のように
表現される。
遅延時間を示し、l 1とl2は領域Bと領域Dにおける
超音波の進行距離を示す。計算量を減らすために、ある
領域の全ての走査線を全部計算する必要はなく、代表と
して一つないし幾つかだけを計算して、その領域の速度
と決めることもできる。前述した超音波集束方法は2次
元超音波映像化のみならず、3次元超音波映像化システ
ムに全て適用できる。
において受信信号の媒質の音速を変化させそれぞれの集
束遅延時間を求めて解像度を最大にするだけでなく、被
検査体の幾何学的な大きさや距離情報も最も精度よく得
られるようにする集束方法に関する。本発明によれば、
既存の超音波映像化システムにおいてシステム構造的を
変更しなくても取得したデータを利用して集束遅延時間
を推定することにより、簡単な計算のみで解像度だけで
なく被検査体の幾何学的な大きさや距離情報を最も精度
よく得ることができる。
図面である。
説明するための図面である。
域の速度を求めることを示す図面である。
Claims (5)
- 【請求項1】 多数の変換素子を含んだ配列変換器を通
じて媒質内の対象体の集束点から戻ってくる超音波信号
を集束する方法において、 (a)前記配列変換器の中央に位置した変換素子におけ
る受信時間を所定の値に固定した場合における対象体を
含んだ媒質における超音波進行速度を設定する工程と、 (b)所定の固定された受信時間と前記設定された超音
波進行速度とを利用して前記集束点までの超音波信号の
進行距離を求め、該進行距離にともなう集束遅延時間を
計算して集束遅延曲線を算出する工程と、 (c)前記(a)工程において設定された超音波進行速
度を変化させながら、前記固定された受信時間と変化さ
れたそれぞれの超音波進行速度を利用して前記各超音波
進行速度別に前記収束点までの超音波の進行距離を求め
る工程と、 (d)前記各超音波信号の進行距離別に収束遅延時間を
計算してそれぞれの収束遅延曲線を算出し、前記各収束
遅延曲線に伴い構成される超音波映像の輝度又はコント
ラストを求める工程と、 (e)前記(d)工程で求めた各超音波映像の輝度又は
コントラストを比較し、比較結果に基づいて超音波映像
の輝度またはコントラストが最大になる時の該超音波進
行速度を媒質における平均超音波進行速度と定め、この
時の集束遅延時間曲線を最適の集束遅延時間曲線と決め
て超音波映像を得る工程とを備えることを特徴とする超
音波映像化システムにおける信号集束遅延方法。 - 【請求項2】 前記(a)工程では、前記対象体を含んだ媒質が 所定基準によって多数の領域
に区分されることを特徴とする請求項1に記載の超音波
映像化システムにおける信号集束遅延方法。 - 【請求項3】 (1)前記区分された領域別に前記配列
変換器の中央に位置した変換素子における受信時間を所
定の値に固定した場合における前記対象体を含んだ媒質
における超音波進行速度を設定する工程と、 (2)固定された受信時間と前記設定された超音波進行
速度を利用して前記集束点までの超音波信号の進行距離
を求め、該進行距離にともなう集束遅延時間を計算して
集束遅延曲線を算出する工程と、 (3)前記(1)工程で設定された超音波進行速度を変
化させながら、前記(2)段階を繰り返して行ない、こ
れに伴い構成される超音波映像の輝度またはコントラス
トを求める工程と、 (4)前記(3)工程で超音波映像の輝度またはコント
ラストが最大になる時の該超音波進行速度を媒質におけ
る平均超音波進行速度と定め、この時の集束遅延時間曲
線を最適の集束遅延時間曲線と決める工程と、 (5)前記区分された領域ごとに前記(1)工程以降を
繰り返して行ない、それぞれの領域で決定された最適の
集束遅延時間曲線から超音波映像を得る工程とを含む請
求項2に記載の超音波映像化システムにおける信号集束
遅延方法。 - 【請求項4】 前記領域区分基準が超音波進行速度が変
わることと予想される相異なる対象体の境界面で区分す
ることを特徴とする請求項2に記載の超音波映像化シス
テムにおける信号集束遅延方法。 - 【請求項5】 前記(1)工程は配列トランスデューサ
と最も近い領域から行なうことを特徴とする請求項3に
記載の超音波映像化システムにおける信号集束遅延方
法。
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