JP3850426B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波トランスデューサを励振駆動することにより被検体内に超音波を送波し被検体内で反射した超音波を超音波トランスデューサでピックアップして被検体内の画像情報を担持した受信信号を得る超音波診断装置に関する。

従来より、人体を被検体としその受信信号に基づいて人体内の断層像を表示する超音波診断装置が、病院等において従来より広く使用され、人体の臓器等の疾患の診断に役立てられている。

図５は、従来の超音波診断装置の概略構成を表わすブロック図である。

超音波診断装置本体には、通常、複数の超音波トランスデューサ１を先端に備えた超音波プローブが接続され、その超音波プローブ先端の超音波トランスデューサ１を被検体の体表にあてがい、超音波診断装置本体内部に備えられた送受波回路２から超音波トランスデューサ１に向けて励振用の電圧パルスを送り込む。すると、超音波トランスデューサ１から被検体内に超音波が送波される。

このとき、複数配列された超音波トランスデューサ１それぞれへの電圧パルスの印加のタイミングを調整することにより、被検体内の種々の方向に、順次超音波ビームを送波することができる。各超音波ビームの送波方向を走査線方向と称する。

被検体内で反射して戻ってきた超音波は超音波トランスデューサ１でピックアップされて電気信号に変換され送受波回路２で受信される。この送受波回路２では、複数の超音波トランスデューサ１で得られた電気信号を相対的に遅延するとともに相互に加算することにより、順次、被検体内に延びる各走査線方向に沿った超音波反射情報を担持した受信信号が得られる。

このようにして得られた受信信号は対数圧縮回路３に入力されて対数圧縮される。超音波トランスデューサ１で受信された超音波反射信号の振幅レベルの幅（ダイナミックレンジ）は非常に広く、被検体内部の組織の壁等、反射超音波の振幅の大きいところと、組織内部の反射超音波の振幅の小さいところとでは、数百倍の差がある。このため大振幅の領域から小振幅の領域までの広範囲にわたって画像として可視化するために対数圧縮回路３により対数圧縮を行うのである。

この対数圧縮された受信信号は、次に検波回路４に入力され、この検波回路４で受信信号のキャリア成分が除去され、受信信号の包絡線をあらわす検波信号が生成される。この超音波診断装置では、この検波信号が生成されるまではアナログ信号のまま処理され、この検波信号が生成された段階でＡ／Ｄ変換回路５によりディジタル信号に変換され、各走査線方向の情報を担持した走査線データとして、走査線データメモリ６に一旦格納される。これらの過程を、被検体内に延びる各走査線方向に超音波ビームを送波しながら順次繰り返し、走査線データメモリ１６には、１フレームを構成する約１００〜２５０ライン分の走査線データが格納される。

被検体内の、隣接する走査線どうしの間隔は、最終的に表示される画像の拡大率にもよるが、通常、表示画面の画素ピッチよりもかなり粗いものである。したがって表示用の画像データを生成する必要があるが、表示用の画像データを生成する際は、走査線データメモリ６に格納された走査線データが読み出されてディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）に入力され、そのＤＳＣ７における補間演算により、表示画面の画素ピッチに対応したピッチの画像データが生成される。

こうして生成された画像データは、一旦、画像フレームメモリ７８に入力された後、Ｄ／Ａ変換回路９により表示用のアナログ信号に変換され、その表示用のアナログ信号に基づく画像がＴＶモニタ１０に可視画像として表示される。

超音波診断装置では、被検体内で反射、散乱した超音波がコヒーレントに干渉を起こし、その結果、ＴＶモニタ１０上に被検体内の超音波による断層像を表示した際にその表示された断層像に斑紋状のパターン（スペックルパターン）が現われ、このスペックルパターンが、表示された断層像を見ずらい画像にしているという問題がある。このスペックルパターンは、複数フレームの画像を加算平均しても除去される性質のものではない。特に、そのスペックルパターンにより画像上に斑紋状に黒く抜けた部分（ブラックホールと称する）が現れるが、このブラックホールがその表示画像を特に見ずらいものとしている。このブラックホールは、被検体内の、各点で反射、散乱を生じた超音波がコヒーレントに干渉を起こし、超音波が重なり合って位相がキャンセルされた部分で生じる。

図６は、ＴＶモニタ１０に表示された画像の一部分を拡大するとともに走査線を重畳して示した模式図、図７は、図６に示すＡ−Ａ破線に沿って並ぶ画素に対応する画像データの値を示す模式図である。

図６に示す黒丸は、ＤＳＣ７に入力される前の走査線データ、白丸は、ＤＳＣ７での補間により得られたデータである。画像データがＶ字状に谷となった箇所が、図５に示すように、表示画面上にブラックホールとして表われる。

ブラックホールを低減させる方法として、従来よりライン間相関という、ＤＳＣ７への入力の際順次隣接する複数の走査線データの、被検体内の同じ深さに相当するデータどうしで加重平均をとることにより平滑化する方法が知られている。しかし、この種の方法は画像全体に対して平滑化処理が施されるため、ブラックホール以外のところで画像がボケるという欠点が生じる。

本発明は、上記事情に鑑み、スペックルパターンの黒抜けの径を縮小し、見やすい画像を表示する超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の超音波診断装置は、
（１−１）超音波トランスデューサを励振駆動するとともに該超音波トランスデューサで電気信号に変換された超音波を受信してアナログの受信信号を得る送受波部
（１−２）受信信号を検波してアナログの検波信号を得る検波部
（１−３）検波信号を第１のディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部
（１−４）第１のディジタルデータに補間処理を施すことにより、第１のディジタルデータを、表示画面の画素の配列に適合した第２のディジタルデータに変換するディジタルスキャンコンバート部
（１−５）第２のディジタルデータに対数圧縮変換処理を施すことにより第３のディジタルデータを生成する対数圧縮変換部
を備えたことを特徴とする。

本発明の第１の超音波診断装置は、対数圧縮されていないデータをディジタルスキャンコンバート部に入力して補間し、その後対数圧縮するものであるため、従来よりもブラックホールの径が縮まり、したがって表示画面の見やすさが改善される。

上記目的を達成する本発明の第２の超音波診断装置は、
（２−１）超音波トランスデューサを励振駆動するとともに該超音波トランスデューサで電気信号に変換された超音波を受信してアナログの受信信号を得る送受波部
（２−２）受信信号に対数圧縮変換処理を施すことによりアナログの対数圧縮信号を得る対数圧縮変換部
（２−３）対数圧縮信号を検波してアナログの検波信号を得る検波部
（２−４）検波信号を第１のディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部
（２−５）第１のディジタルデータを、その第１のディジタルデータを変数とした、下に凸の第１の単調増加関数に従って変換することにより第２のディジタルデータを得る第１のデータ変換部
（２−６）第２のディジタルデータに補間処理を施すことにより、（１−１）第２のディジタルデータを、表示画面の画素の配列に適合した第３のディジタルデータに変換するディジタルスキャンコンバータ部
（２−７）第３のディジタルデータを、その第３のディジタルデータを変数とした、上に凸の第２単調増加関数に従って変換することにより第４のディジタルデータを得る第２のデータ変換部
を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の超音波診断装置は、ディジタルスキャンコンバートに入力される前のアナログの段階で一旦対数圧縮されるが、その後、第１のデータ変換部において、上記第１の単調増加関数により変換処理、すなわち、対数伸長ないしそれに類した伸長処理演算を行い、その後ディジタルスキャンコンバート部で補間処理を行い、さらにその後、上記第２の単調増加関数による変換処理、すなわち対数圧縮ないしそれに類したデータ圧縮処理演算を行うものであるため、やはり第１の超音波診断装置と同様、従来よりもブラックホールの径が縮まりしたがって表示画面の見やすさが改善される。

ここで、上記第２の超音波診断装置において、上記第１のデータ変換部および上記第２のデータ変換部が、互いに逆関数である第１の単調増加関数および第２の単調増加関数それぞれに従って、第１のディジタルデータおよび第３のディジタルデータをそれぞれ変換するものであることが好ましく、この場合に、上記第１のデータ変換部が、第１の単調増加関数として指数関数を用いて第１のディジタルデータを指数変換するものであり、上記第２のデータ変換部が、第２の単調増加関数として対数関数を用いて第３のディジタルデータを対数変換するものであってもよい。

上記第１の単調増加関数および上記第２の単調増加関数が、例えば指数関数と対数関数というような、互いに逆関数である場合に、全体としてもとのレベルのデータに戻すことができる。

また、上記第２の超音波診断装置において、上記第１のデータ変換部および上記第２のデータ変換部が、それぞれ、第１の単調増加関数および第２の単調増加関数の関数値が格納された各テーブルを備え、それぞれ、第１のディジタルデータおよび第３のディジタルデータを引数として各テーブルを参照することにより、それぞれ、第１のディジタルデータおよび第３のディジタルデータを変換するものであることが好ましい。

このように、テーブルを用いて変換する方式を採用すると、演算の手間を省くことができる。

以上説明したように、本発明の超音波診断装置によれば、従来と比べスペックルパターンの黒抜け（ブラックホール）の径を縮小し、見やすい画像を表示することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の超音波診断装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。

この図１に示す超音波診断装置では、送受波回路２から出力された受信信号は、対数圧縮されることなく検波回路４に入力されて検波され、Ａ／Ｄ変換回路５でディジタルデータに変換されて走査線データメモリ６に格納される。走査線データメモリ６から出力されたディジタル信号はＤＳＣ７で補間演算処理された後、対数圧縮変換部１１で対数圧縮処理が施される。その後は、従来例と同様に、一旦、画像フレームメモリ８に格納され、その画像フレームメモリ８から読み出されてＤ／Ａ変換回路９で表示用のアナログ信号に変換され、ＴＶモニタ１０に可視画像として表示される。

図２は、図１に示す超音波診断装置における信号ないしデータの処理の様子を示す模式図、図３は、本発明との対比のための、図５に示す従来の超音波診断装置における信号ないしデータの処理の様子を示す模式図である。

図２（ａ），図３（ａ）は、送受波回路２から出力された直後の、図６のＡ−Ａ破線に沿う受信信号の値を示した図であり、黒丸は、図７と同様、各走査線に関する信号である。この時点では、図１に示す本発明の実施形態も場合も、図５に示す従来例の場合も同一の信号である。

図２（ｂ）は、ＤＳＣ７で補間演算処理の行われた後の走査線データ（黒丸）および補間データ（白丸）を示しており、送受波回路２とＤＳＣ７との間では対数変数が行われておらず、図２（ａ）に示す受信信号のパターンをそのまま保っている。

図２（ｃ）は、図１に示す対数圧縮変換部１１で対数圧縮された後のデータを示しており、ブラックホールの径が狭まっている（図７および後述する図３（ｃ））を参照）。

一方、図３（ｂ）は、図５に示す従来例における、ＤＳＣ７に入力される直前のデータのパターンを示しており、図５に示す送受波回路２とＤＳＣ７との間に対数圧縮回路３が配置されているため、データ値の大きい部分が圧縮され、データ値の小さい部分が相対的に伸長されている。

図３（ｃ）は、図５に示す従来例における、ＤＳＣ７の出力データのパターンを示しており、図２（ｃ）と比べ、ブラックホールの径が広がっている。

このように、図１に示す本発明の第１の超音波診断装置の一実施形態によれば、従来と比べ、ブラックホールの径が縮小した見やすい画像が表示される。

尚、図１に示す実施形態では、対数圧縮処理を行っていない信号をＡ／Ｄ変換するため、従来と比べダイナミックレンジの広いＡ／Ｄ変換回路が必要となるが、現在では、ダイナミックレンジの広いＡ／Ｄ変換回路が市販されており、その点についての問題はない。

図４は、本発明の第２の超音波診断装置の一実施形態の概略構成図である。

この実施形態では、送受波回路２で得られた受信信号は、従来と同様に、対数圧縮回路３に入力されて対数圧縮される。

この図４に示す超音波診断装置には、走査線データメモリ６から出力された走査線データを伸長変数する伸長変換部１２、およびＤＳＣ７で補間処理された後のデータを圧縮変換する圧縮変換部１３が備えられている。

伸長変換部１２では、走査線データメモリ１２から出力された走査線データが、典型的には、指数関数的に伸長処理されて、対数圧縮回路３で対数圧縮処理される前の値と比例した値を持つデータに変換され、ＤＳＣ７により補間された後、典型的には対数圧縮回路３における対数圧縮処理と同様に、対数関数的に圧縮処理される。

この伸長処理、圧縮処理に際しては、指数関数の関数値、対数関数の関数値をテーブルの形式で格納しておき、入力されたデータを引数としてその関数値を読み出すことにより、伸長処理、圧縮処理が行われる。このように関数値をテーブルの形式で格納しておくと、伸長処理、圧縮処理に要する時間を短縮することができる。

図４に示す実施形態によれば、Ａ／Ｄ変換回路３は従来のものをそのまま踏襲し、しかも、従来と比べブラックホールの径を縮小することができる。

尚、伸長変換部１２、圧縮変換部１３では、必ずしも指数関数的に伸長し、対数関数的に圧縮する必要はなく、一般的には、下に凸の単調増加関数に従って伸長処理を行い、上に凸の単調増加関数に従って圧縮処理を行えばよい。

本発明の第１の超音波診断装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す超音波診断装置における信号ないしデータの処理の様子を示す模式図である。 図５に示す従来の超音波診断装置における信号ないしデータの処理の様子を示す模式図である。 本発明の第２の超音波診断装置の一実施形態の概略構成図である。 従来の超音波診断装置の概略構成を表わすブロック図である。 ＴＶモニタに表示された画像の一部分を拡大するとともに走査線を重畳して示した模式図である。 図６に示すＡ−Ａ破線に沿って並ぶ画素に対応する画像データの値を示す模式図である。

符号の説明

１ 超音波トランスデューサ
２ 送受波回路
３ 対数圧縮回路
４ 検波回路
５ Ａ／Ｄ変換回路
６ 走査線データメモリ
７ ＤＳＣ
８ 画像フレームメモリ
９ Ｄ／Ａ変換回路
１０ ＴＶモニタ
１１ 対数圧縮変換部
１２ 伸長変換部
１３ 圧縮変換部

Claims (4)

1. 超音波トランスデューサを励振駆動するとともに該超音波トランスデューサで電気信号に変換された超音波を受信してアナログの受信信号を得る送受波部と、
   該受信信号に対数圧縮変換処理を施すことによりアナログの対数圧縮信号を得る対数圧縮変換部と、
   該対数圧縮信号を検波してアナログの検波信号を得る検波部と、
   該検波信号を第１のディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部と、
   該第１のディジタルデータを、該第１のディジタルデータを変数とした、下に凸の第１の単調増加関数に従って変換することにより第２のディジタルデータを得る第１のデータ変換部と、
   該第２のディジタルデータに補間処理を施すことにより、該第２のディジタルデータを、表示画面の画素の配列に適合した第３のディジタルデータに変換するディジタルスキャンコンバータ部と、
   該第３のディジタルデータを、該第３のディジタルデータを変数とした、上に凸の第２単調増加関数に従って変換することにより第４のディジタルデータを得る第２のデータ変換部とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記第１のデータ変換部および前記第２のデータ変換部が、互いに逆関数である前記第１の単調増加関数および前記第２の単調増加関数それぞれに従って、前記第１のディジタルデータおよび前記第３のディジタルデータそれぞれを変換するものであることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記第１のデータ変換部が、前記第１の単調増加関数として指数関数を用いて前記第１のディジタルデータを指数変換するものであり、前記第２のデータ変換部が、前記第２の単調増加関数として対数関数を用いて前記第３のディジタルデータを対数変換するものであることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
4. 前記第１のデータ変換部および前記第２のデータ変換部が、それぞれ、前記第１の単調増加関数および前記第２の単調増加関数の関数値が格納された各テーブルを備え、それぞれ、前記第１のディジタルデータおよび前記第３のディジタルデータを引数として前記各テーブルを参照することにより、それぞれ、該第１のディジタルデータおよび該第３のディジタルデータを変換するものであることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。

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