JP3641185B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は超音波によって体内を走査し、そのエコーを電気信号に変換して得られる受信信号を検波することにより体内の断面様態を表示する超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波診断装置においては、超音波断層画像に重畳するランダムなノイズを緩和させたり、特定の用途で非線形動作をさせたり、動きのある部位を抽出したりする目的で、有限長インパルス応答型（以下、ＦＩＲ型と言う）のフレーム間フィルタまたはＦＩＲ型と無限長インパルス応答型（以下、ＩＩＲ型と言う）の両方のフレーム間フィルタを搭載することが行われている。
【０００３】
例えば特開平８−１０７８９６号公報に記載の、低周波成分を抑制して高周波成分を通過させる目的で構成されたＦＩＲ型フレーム間フィルタでは、同公報の図２に示されるように少なくともＦＩＲ型フィルタの次数と同数個のフレームメモリを必要とする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の装置は、ＦＩＲ型フレーム間フィルタを構成するためにはフレームメモリを少なくともフィルタの次数と同数個必要とし、さらにＩＩＲ型フィルタをも必要とする場合はフレームメモリがさらに必要となる。通常１つのフレームメモリは１画面分の断層画像を構成するに足りるＲＡＭを必要とする。従ってより精度の高いフレーム間フィルタを構成すべくフィルタ次数を上げるにつれ、回路量が増大して価格が上昇したり、装置自体の体積が増加したり、また消費電力が増加したりする問題を有していた。
【０００５】
本発明は上記従来の問題を解決するためなされたもので、低価格で小型の優れた超音波診断装置及び高性能な超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超音波を走査送信する送信手段と、超音波と電気信号を相互に変換するトランスデュー手段と、前記トランスデューサ手段によって得られた被検体からのエコー信号を整相加算する遅延加算手段と、前記遅延加算手段の出力信号から振幅情報および位相情報またはいずれか一方を取り出す検波手段と、前記検波手段に接続され、ダイナミックＲＡＭの列アドレスにフレームカウンタを接続することによってＦＩＲ型およびＩＩＲ型フィルタを構成するフレーム間フィルタ手段と、前記フィルタ手段に接続され、前記位相情報と振幅情報の少なくともいずれか一方を画像構成するための走査変換手段と、画像を表示する表示手段とを有する超音波診断装置である。
【０００７】
この構成により、ダイナミックＲＡＭの列アドレスにフレーム間フィルタのフレームカウンタを接続してアドレス制御するので、高速にフレーム間のデータをアクセスすることができるようになりフレームメモリの数を大幅に減らすことができる。また、同じ性能であればより少ない回路量でＦＩＲ型フレーム間フィルタとＩＩＲ型フレーム間フィルタを構成することができるので、低価格で小型な優れた超音波診断装置を提供でき、また同じ回路量であればより次数の高い高性能なフレーム間フィルタを構成することができるので、高性能な超音波診断装置を提供することができる。
【０００８】
また、本発明は、フレーム間フィルタ手段が高周波成分を抑制するフィルタである超音波診断装置であり、この構成により、フレーム間のランダムなノイズ、不連続な動きを緩和する作用をより少ない回路量で実現できる。
【０００９】
また、本発明は、フレーム間フィルタ手段が非線形フィルタである超音波診断装置であり、この構成により、ピークホールドなどの特定目的の画像表示がより少ない回路量で実現できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。
【００１１】
図１は本発明の実施の形態である超音波診断装置の概略構成を示したブロック図である。図１に示すように、本発明の超音波診断装置は、被検体へ照射した超音波のエコーを電気信号に変換し、受信信号として検波処理を行って位相情報と振幅情報あるいはそのいずれかを画像表示するものである。超音波プローブ１は機械的振動と電気信号を相互に変換するトランスデューサである圧電振動子を複数アレイ状に配列したものであり、送信時にはこれら複数の圧電振動子が送信回路２からの電気信号によって励振され超音波パルスを発生する。この送信回路２は、被検体内の関心点に超音波パルスが収束するように各送信信号が互いに任意時間差をもつように送信信号を発生することができるものである。被検体内の断面情報を得るために、送信回路２は超音波パルスが次々と関心点を移動させるように走査制御される。また超音波プローブ１は、いわゆるリニアプローブ・コンベックスプローブといった、送受信に供される振動子の群を順次移動させて断層情報を得ることができるよう、一度に送信する振動子の数より多い振動子を配した構造をもつ場合もあるが、本発明の構成を妨げるものではない。
【００１２】
このようにして超音波プローブ１から被検体に照射された超音波パルスは、被検体内組織の音響インピーダンス境界面で次々と反射しながらエコーとして超音波プローブ１へと戻ってくる。各圧電振動子に到達したエコーは再び電気信号へと変換され、受信信号として遅延加算処理部３へ入力される。遅延加算処理部３は各受信信号に対して、異なる遅延時間を与えて加算する機能をもつ。被検体内の関心部位からのエコーは各圧電振動子で異なる時刻に到達するため、遅延加算処理部３はこれら時間差を補正すべく各受信信号に遅延を与えて加算することで関心部位からのエコーを収束させてビームを形成し、同時にビームの方向を決定する目的で設けられる。通常関心部位は被検体内全域に渡るので、各受信信号は連続的に遅延時間を変えながら加算される。遅延加算処理部３は受信に供される圧電振動子の数に対応した数の前置増幅器と受信遅延回路より構成され、各受信信号は増幅処理と遅延処理を受けた後に加算されて１つの信号となる。従来遅延処理はアナログ遅延線によって行われていたが、近年では前置増幅後の各受信信号をアナログ−ディジタル変換器によってディジタル信号に変換し、ディジタル的に遅延処理を行っている。本発明の構成は遅延処理がアナログ遅延線で行われるかディジタル遅延によるかには依存しない。
【００１３】
こうして遅延加算処理を受けてある方向のビームとなった受信信号は、被検体内の様態に対応した位相情報と振幅情報を含んでいる。検波処理部４は振幅情報または位相情報、必要に応じてその両方を取り出すために設けられる。一般に受信信号は１００ｄＢ以上のダイナミックレンジをもつため、振幅情報を観測する場合は受信信号を適切なダイナミックレンジに圧縮する必要がある。従って検波処理部４は、受信信号に対する対数圧縮などのダイナミックレンジ圧縮処理を実施する機能を有している。振幅情報を取り出す方法としては、受信信号を２乗処理または整流処理した後にキャリア信号を取り除く手段がとられ、その結果いわゆるＢモード信号が得られる。一方、位相情報は受信信号にキャリア信号と同じ周波数の参照信号を乗ずることで得られる。同じ方向のビームの受信信号を等しい時間間隔で複数回サンプルしてそれぞれ位相情報を取り出し、さらに各受信信号の各位相情報の同じ部位に相当する位相情報の中から直流成分を取り除いた上で自己相関演算することにより、該部位における移動体の速度とパワーを求めることができる。自己相関演算をそのビームの各部位について実行することによって、速度モード、パワーモードといった表示データを得ることができる。近年では検波処理部４における各処理はディジタル信号処理で実施されるが、アナログ信号処理の場合は最終的にアナログ−ディジタル変換器によりディジタル化される。
【００１４】
ＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタ５は、Ｂモード、速度モード、パワーモードといった画像表示データに変換された受信信号を、各走査面（フレーム）方向にＦＩＲ型フィルタまたはＦＩＲとＩＩＲ型フィルタの両方をかける機能をもつ。ＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタ５は、各フレームの同じ位置のデータについてフレーム間でＦＩＲおよびＩＩＲ型フィルタ処理を行うように動作するが、ＦＩＲ型のみ用いる場合はＩＩＲ型を機能しないようにすればよいので、本発明の実施の形態では両方を用いた形態で代表させる。ＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタ５はそのフィルタ係数が可変であり、従ってフィルタの周波数特性は可変である。
【００１５】
走査変換手段であるディジタルスキャンコンバータ（以下、ＤＳＣ）６は、画像表示データを自身の走査方向・走査時間とは独立の表示装置７の表示走査方向・走査時間に変換する機能をもつ。
【００１６】
システム制御部８はＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタ５が好適な周波数特性を持つよう必要なパラメータを算出・設定するようになっている。
【００１７】
図２はフレーム間で行われるＩＩＲ型フィルタ、ＦＩＲ型フィルタの処理動作を示している。図２は７次フィルタとして動作する例を示しており、以下本発明の実施の形態では全て７次フィルタを例にとって説明している。
【００１８】
図２（ａ）では（ｎ−６）フレームからｎフレームまでが完像してメモリに格納されており、（ｎ+１）フレーム目のデータＮ（ｎ＋１,＊,＊）が現在入力されている。（ただし、＊には適切な数および変数が入る。）メモリに格納されている各フレームの同じ位置（ｘ，ｙ）のデータはＤ（ｋ，ｘ，ｙ）｛ｎ-６≦ｋ≦ｎ｝で表し、その位置に相当する現在入力中の（ｎ+１）フレームのデータをＮ（ｎ+１,ｘ,ｙ)と表すとき、

【００１９】
という演算を実行して得られた結果がフィルタの出力である。得られた結果をＤ（ｎ+１,ｘ,ｙ）としてメモリに格納すればＩＩＲ型フィルタとなり、最新データＮ（ｎ+１,ｘ,ｙ)をそのままＤ（ｎ+１,ｘ,ｙ）としてメモリに格納すればＦＩＲ型となる。なおｋｎ；｛０≦ｎ≦７｝はフィルタ処理の乗算における係数であって、この係数を適宜変更することによりフィルタの周波数特性が変わる。
【００２０】
同様に図２（ｂ）は（ｎ+１）フレームの走査が完結し、（ｎ+２）フレームのフィルタ処理を示している。
【００２１】
図３はＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタ５の実施の形態を示している。ＸＹアドレス発生ブロック１１は、フレームの開始トリガと各ビームに相当する表示データの開始トリガと表示データクロックをカウントし、フレーム中のＸＹ位置を算出する。よってＸＹアドレス発生ブロック１１によるアドレスは、表示データクロック毎に更新される。
【００２２】
フレームカウンタ１２はフレーム開始トリガをカウントし、そのカウント結果を表示データクロックより速いクロックで循環的にカウントダウンするよう動作する。本実施例では７次のフレーム間フィルタを構成するので、あるフレームにおいては表示データ１クロックの間に６、５、４、３、２、１、０、７というアドレス発生を繰り返す。次のフレームでは７、６、５、４、３、２、１、０というアドレスを、各表示データクロックのたびに発生する。
【００２３】
アドレスマルチプレクサ１３は、フレームメモリとして用いるダイナミックＲＡＭに行アドレスと列アドレスを時分割的に与えるアドレス選択器である。このときフレームカウンタからのアドレスは、列アドレス側に組み込まれるように接続する。一般にダイナミックＲＡＭはランダムアドレスへのアクセス速度は遅いが、行アドレスを指定した後の列アドレス間のランダムアクセスは高速に実行することができる。この特長を利用して、フレームのアドレス指定であるフレームカウンタ１２の出力を列アドレス側に割り振ることで、各フレームのデータアクセスを表示データクロック周期の間に完結させるようにする。
【００２４】
ダイナミックＲＡＭ１４はＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタ５を構成するフレームメモリである。近年では従来のダイナミックＲＡＭに加え、出力データ延長（ＥＤＯ）型ダイナミックＲＡＭ、同期型ダイナミックＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）が一般化しているが同じ特長を有しているので、これらを用いても同じ効果を得ることができる。ダイナミックＲＡＭ１４のデータ線は、ＩＩＲ用とＦＩＲ用に適宜分割してそれぞれに割り当てる。
【００２５】
ＩＩＲ係数テーブル１６とＦＩＲ係数テーブル１７は、それぞれＩＩＲ型フィルタ用とＦＩＲ型フィルタ用の係数を格納している。これら係数はシステム制御部８から好適な係数値が設定できるようになっている。それぞれのテーブルは、表示データクロック毎に正しい時系列に沿った係数をフィルタ次数分出力させる。
【００２６】
積和演算アキュムレータ１８は、各フレームのデータを逐次的に積和演算する。逐次的に演算するのは、同じ演算器を使って繰り返し演算したほうが回路量が少なく済むという配慮であり、フィルタ演算に必要な全フレームのデータを収集した後に演算する方法を阻むものではない。また積和演算だけではなく、例えば全フレームのデータの最大値を求めるといった非線型演算も許容される。こうして表示データクロック周期以内に演算が終了すると、各積和演算器からの演算結果は加算されてＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタ５の出力としてＤＳＣ６へ出力される。このときの出力値と最新データはそれぞれダイナミックＲＡＭ１４のＩＩＲ側データ線とＦＩＲ側データ線から書きこまれ、次フレームの演算時に使用される。
【００２７】
これら一連の動作を示したのが図４である。図４(ａ)は最新フレームカウンタすなわち（ｎ+１）フレームが７の場合である。まずフレーム内のデータ位置（ｘ、ｙ）に基づく行アドレスがダイナミックＲＡＭ１４に与えられ、続いて各フレームの同位置のデータを読み出すべく列アドレスが次々と与えられる。図４ではＦＩＲ型フィルタのデータはＤ（＊、＊、＊）、ＩＩＲ型はＥ（＊，＊，＊）、ＦＩＲ型フィルタの係数はｋ＊、ＩＩＲ型フィルタの係数はｍ＊でそれぞれ示されている。最終的なフィルタ出力はＥ（ｎ＋１,ｘ,ｙ）である。行アドレス開始からデータライトが完了するまでの時間が、表示データクロック周期以内で完了すればフレームメモリとしてのダイナミックＲＡＭは１個で構成することができる。完了できない場合は、所定の時間で完了するに十分な数のＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタ５を用意し並列動作させればよい。図４（ｂ）は次のｎ＋２フレームでのフィルタ動作を示している。このときの最新フレームカウンタは０となっている。
次に、ダイナミックＲＡＭに対して、画像データをどのような形態で記録するかについて説明する。
図４ ( ａ）の表示データブロックの最終に「ライト」として記載されているように最新フレーム ( この場合は７ ) のデータと演算出力結果がダイナミックＲＡＭに書き込まれる。フレームアドレスが列アドレス側に接続されているので、データライトすなわち記録が行アドレス開始後列アドレスに対して実施される。また、図４ ( ａ ) を参照すると、列アドレスの下位３ビット ( ＝フレームカウンタ値 ) が７の時にライトされ、最新フレームであるところの列アドレスに記録される。
【００２８】
以上のように本発明の実施の形態によれば、ＩＩＲ型とＦＩＲ型フレーム間フィルタのフレームカウンタをフレームメモリたるダイナミックＲＡＭの列アドレスに適用するため、フレーム間の同位置の表示データが高速にアクセスすることができるようになるので、従来より少ない回路量でフレーム間フィルタを構成することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、ダイナミックＲＡＭの列アドレスにフレーム間フィルタのフレームカウンタを接続してアドレス制御するので、高速にフレーム間のデータをアクセスすることができるようになりフレームメモリの数を大幅に減らすことができる。また、同じ性能であればより少ない回路量でＦＩＲ型フレーム間フィルタとＩＩＲ型フレーム間フィルタを構成することができるので、低価格で小型な優れた超音波診断装置を提供でき、また同じ回路量であればより次数の高い高性能なフレーム間フィルタを構成することができるので、高性能な超音波診断装置を提供することができる。
【００３０】
また、本発明はフレーム間フィルタ手段を高周波成分を抑制するように動作させる超音波診断装置であり、この構成により、フレーム間のランダムなノイズ、不連続な動きを緩和する作用をより少ない回路量で実現できる。
【００３１】
また、本発明はフレーム間フィルタ手段を非線形な動作をさせる超音波診断装置であり、この構成により、ピークホールドなどの特定目的の画像表示がより少ない回路量で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における超音波診断装置のブロック図
【図２】（ａ）最新が（ｎ＋１）フレームのフレーム間フィルタの処理動作の説明図
（ｂ）最新が（ｎ＋２）フレームのフレーム間フィルタの処理動作の説明図
【図３】本発明の実施の形態におけるＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタブロック図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態における（ｎ＋１）フレームのＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタ動作の説明図
（ｂ）本発明の実施の形態における（ｎ＋２）フレームのＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタ動作の説明図
【符号の説明】
１ 超音波プローブ
２ 送信回路
３ 遅延加算処理部
４ 検波処理部
５ ＩＩＲ・ＦＩＲ型フレーム間フィルタ
６ ディジタルスキャンコンバータ
７ 表示装置
８ システム制御部
１１ ＸＹアドレス発生ブロック
１２ フレームカウンタ
１３ アドレスマルチプレクサ
１４ ダイナミックＲＡＭ
１６ ＩＩＲ係数テーブル
１７ ＦＩＲ係数テーブル
１８ 積和演算アキュムレータ

Claims (3)

1. 超音波を走査送信する送信手段と、超音波と電気信号を相互に変換するトランスデューサ手段と、前記トランスデューサ手段によって得られた被検体からのエコー信号を整相加算する遅延加算手段と、前記遅延加算手段の出力信号から振幅情報および位相情報またはいずれか一方を取り出す検波手段と、前記検波手段に接続され、ダイナミックＲＡＭの列アドレスにフレームカウンタを接続することによってＦＩＲ型およびＩＩＲ型フィルタを構成するフレーム間フィルタ手段と、前記フィルタ手段に接続され、前記位相情報と振幅情報の少なくともいずれか一方を画像構成するための走査変換手段と、画像を表示する表示手段とを有する超音波診断装置。
2. 前記フレーム間フィルタ手段は高周波成分を抑制するフィルタである請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記フレーム間フィルタ手段は非線形フィルタである請求項１に記載の超音波診断装置。

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