JP3959257B2 - 超音波診断装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置に係り、特に造影剤映像化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断に用いられる造影剤（微小気泡）は、超音波照射により破壊され、照射音圧が高いほど破壊されやすい。造影効果を継続させるためには、音圧を下げて造影剤の破壊を抑制する等の工夫がなされている。
【０００３】
ところで超音波が造影剤に当たると、造影剤は非線形挙動を示す。それによりセカンドハーモニック成分（２次高調波成分）が発生される。そのセカンドハーモニックエコー成分により造影剤に由来するエコー成分（造影エコー成分という）を映像化することができる。この技術は、セカンドハーモニック法と呼ばれている。
【０００４】
図１５に、受信信号の成分スペクトルを示している。受信信号には、造影エコー成分と、基本波エコー成分と、組織ハーモニックエコー成分とが含まれる。造影検査では、主に造影エコー成分の映像化に重点が置かれている。上記セカンドハーモニック法では、基本波周波数ｆ０の２倍の周波数を中心とした帯域が抽出される。
【０００５】
しかしこの帯域には、造影エコー成分の他に、組織の非線形伝搬により発生する組織ハーモニックエコー成分と、基本波エコーのセカンドハーモニック帯域への漏れ成分とが比較的高い割合で含まれる。
【０００６】
従って、造影エコー成分がこれら組織ハーモニックエコー成分と基本波エコー成分とに埋もれてしまい、造影エコー成分の視認性を下げて、それを効果的に映像化することが困難な場合がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、超音波診断装置において、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーをその視認性を高めて効果的に映像化することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、血液中に造影剤を注入された被検体に略同一波形で超音波を少なくとも２レートで送受信する送受信ユニットと、前記送受信ユニットから出力される少なくとも２レートの受信信号を減算する減算回路と、前記減算回路から出力される減算信号に含まれる前記超音波の基本周波数の整数倍を中心としたハーモニック帯域の成分を減衰し、前記ハーモニック帯域以外の全ての帯域を通過するフィルタと、前記フィルタからの出力信号に基づいて第１画像データを生成するユニットとを具備する。
本発明は、血液中に造影剤を注入された被検体に対して超音波を送受信する送受信ユニットと、前記送受信ユニットから出力される受信信号を処理する信号処理回路と、前記信号処理回路から出力される信号に対して前記超音波の基本周波数の整数倍を中心としたハーモニック帯域の成分を減衰し、前記ハーモニック帯域以外の全ての帯域を通過するフィルタ処理をかけるフィルタと、前記フィルタからの出力信号に基づいて第１画像データを生成するユニットと、第１、第２又は第３のモードを選択指示するための操作者部と、前記第１のモードが選択されたとき、前記送受信ユニットから前記被検体に互いに極性反転している波形で超音波が少なくとも２レートで送受信され、前記信号処理回路で前記送受信ユニットから出力される少なくとも２レートの受信信号が加算され、前記第２のモードが選択されたとき、前記送受信ユニットから前記被検体に略同一波形で超音波が少なくとも２レートで送受信され、前記信号処理回路で前記送受信ユニットから出力される少なくとも２レートの受信信号が減算され、前記第３のモードが選択されたとき、前記送受信ユニットから前記被検体に超音波が少なくとも２レートで送受信され、前記信号処理回路で前記送受信ユニットから出力される少なくとも２レートの受信信号を使って固定エコーが除去されるように前記送受信ユニットと前記信号処理回路を制御する制御部とを具備する。
【０００９】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、造影検査を対象としており、その造影検査では、被検体の血液中に注入された微小気泡を主成分とする造影剤が注入される。この造影剤としては、後述する造影エコーが比較的ブロードで発生するタイプの採用が好ましい。その種の造影剤としては、例えば、レボビスト（Schering corp.社）、ソノビュー（BRACO corp.社）、ソナゾイド（NYCOMRD corp.社）があげられる。
図１に、本実施形態に係る超音波診断装置の構成を示している。１１は、一次元または二次元的に配列された典型的には圧電効果を有する複数の振動素子（電気／音響変換素子）を備えた超音波プローブであり、図示しないコネクタを介して、ホストＣＰＵ１４を中心として構成された装置本体１２に装着される。なお、１つ又は近隣の数個の振動素子は、１つのチャンネルを構成している。ここでは１つ振動素子が１つのチャンネルを構成するものと仮定する。この超音波プローブ１１の各振動素子には、パルサ／プリアンプユニット１５から、基本周波数（ｆ０）を中心として比較的狭帯域の送信信号（電圧パルス）が印加される。振動素子は、その電気的な振動を機械的な振動に変換する。これにより振動素子から基本周波数ｆ０を中心として超音波が発生する。パルサ／プリアンプユニット１５は、送信信号の印加タイミングに関して、チャンネル間で時間差を与える。この時間差（遅延時間）は、複数の振動素子から発生した超音波を集束するとともに、その集束超音波を偏向するために設けられている。この遅延時間を変化することにより、焦点距離及び偏向角（送信方位）を任意に変化することが可能である。
【００１０】
送信された超音波は、エコーとしてプローブ１１に返ってきて、各振動素子で電気的信号に変換される。このエコーには、主に基本波が組織境界に当たりその散乱により生じる基本波エコー成分と、やはり基本波が組織中を非線形に伝搬するのに由来する組織ハーモニックエコー成分と、そして被検体の血液中に注入された微小気泡を主成分とする造影剤に由来する造影エコー成分とが含まれる。
【００１１】
振動素子で変換された電気的信号は、パルサ／プリアンプユニット１５、受信遅延回路１６を経由して、受信信号として検波ユニット１９に送られて直交検波処理を施された後、造影エコー抽出ユニット１７に送られる。検波ユニット１９と造影エコー抽出ユニット１７との信号処理の順序は逆になっても良い。
【００１２】
受信遅延回路１６は、受信の際のビームフォーミング（整相加算処理）を行い、超音波ビームの方向・集束を制御するためのものであり、複数のビームを形成し並列同時受信をするために複数の回路セットから構成されていても良い。受信信号は、信号処理に適したサンプリング周波数でサンプリングされ、ディジタル信号に変換され、そしてビーム形成される。
【００１３】
検波ユニット１９は、受信信号に９０度位相のずれたリファレンス周波数の信号をそれぞれ乗じて直交検波を行い、Ｉ、Ｑ信号を得る。この時、Ｉ，Ｑ信号は受信信号からリファレンス周波数を減じた周波数の信号となる。リファレンス周波数は、一般的に超音波画像を生成する帯域の中心の周波数に設定すれば良い。
【００１４】
造影エコー抽出ユニット１７は、直交検波後の受信信号（Ｉ，Ｑ信号）から、基本波エコー成分と組織ハーモニックエコー成分（両性分を合わせて組織エコー成分と称する）とに比べて、成分比の高いつまり造影エコー成分が支配的な帯域の成分を抽出する。造影エコー抽出ユニット１７で抽出された成分に基づいて表示ユニット１８で超音波画像データが生成される。その画像データは、モニタ１３に表示される。
【００１５】
本実施形態で特徴的なのは、受信信号から、造影エコー成分が支配的な帯域の成分を抽出することにある。基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーをその視認性を高めて効果的に映像化することを実現する。この特徴的な部分について以下に説明する。本実施形態では、造影エコー成分が支配的な帯域の成分を抽出するための処理態様として３種類のモードを提供する。これら３種類のモードは、操作者の選択指示に従ってＣＰＵ１４の制御のもとで切り換え可能である。以下に順番に説明する。
【００１６】
（フェーズインバージョン法）
まず、送信信号としては、基本周波数ｆ０を中心とした比較的狭帯域に帯域制限され、送信漏れの少ない信号（基本波成分以外の周波数成分が少ない信号）を用いる。そのために効果的なのは、リニアアンプ駆動で送信信号を発生させることであり、または一般的なスイッチングパルサであっても、デューティー比変調技術の採用である。図２（ａ）に、バースト波数を６としてデューティー比変調を受けた送信信号の時間波形を示し、図２（ｂ）にその周波数スペクトルを示している。狭帯域送信を行うため、バースト波数は、４から８位にするのが好ましく、本実施の形態ではバースト波数を６にしている。このように比較的狭帯域で送信漏れの少ない送信を行うことにより、超音波エコーに含まれる基本波成分と組織によるハーモニック成分の重畳が少なくなるため、造影剤により生じた基本波成分とハーモニック成分の間の周波数成分を良好に抽出することができる。
フェーズインバージョン法では、この帯域制限された送信信号を、少なくとも２レートで発生する。また、送信信号の極性は、レート間では互いに反転される（互いに１８０°位相がずれている）。基本波エコーは、その送信極性に応じた極性で発生し、ハーモニックエコー成分はその送信極性に関わらず同極性で発生する。これはハーモニックエコー成分が、周知の通り、非線形現象は、基本波の二乗として近似され得ることを理由としている。基本波を、ａ(t)sinωｔと表すと、非線形性は、（ａ(t)sinωｔ）２ として近似される。従って、ハーモニックエコー成分は、正負の両レートでともに正極で生じ、逆に、基本波エコー成分は送信極性に依存して正負反転して発生する。図４（ａ）は正極性レートの受信信号のスペクトルであり、図４（ｂ）は負極性レートの受信信号のスペクトルを示している。造影エコー成分と組織ハーモニックエコー成分は両レートで正極性で発生し、基本波エコー成分は１レート目（正極性レート）では正極性で発生し、２レート目（負極性レート）では負極性で発生する。
【００１７】
図３には、フェーズインバージョン法に対応した造影エコー抽出ユニット１７の構成例を示している。上述したように、組織ハーモニックエコー成分は両レートで正極性で発生し、基本波エコー成分は正負両極性で発生するので、１レート目の受信信号と２レート目の受信信号を加算回路２１で加算することにより、原理的に基本波エコー成分は除去され、造影エコー成分と組織ハーモニックエコー成分は残る。
【００１８】
図５に、加算回路２１の出力信号（加算信号）の周波数スペクトルを示している。上述にように、基本波エコー成分が除去されるのはあくまで原理的で有り、実際には、組織の動きによって、基本波エコー成分の一部が残留する。しかし、図１５のスペクトルと比較すると分かるとおり、残留基本波エコー成分は充分減衰される。
【００１９】
加算回路２１の出力信号は、エコーフィルタ２２に供給される。エコーフィルタ２２は、ＣＰＵ１４の制御下にある複素ディジタルフィルタで構成され、フィルタ特性は、操作者の指示に従ってフィルタ係数を変えることにより任意に変化する。具体的には、フィルタ係数を超音波診断装置の映像モード毎に予め設定しておき、操作者が映像モードを選択した時に、その映像モードに対応したフィルタ係数に変わるようにすれば良い。ここでは主な３種類のフィルタ特性を説明する。まず、第１のフィルタ特性では、図５に示すように、基本周波数の２倍の２・ｆ０を中心とした帯域（組織ハーモニックエコー成分が支配的な帯域：ＴＨＩ帯域という）を減衰帯域としている。その前後の帯域は、全て通過する。尚、直交検波処理後の受信信号はリファレンス周波数分周波数がずれた信号となっているため、直交検波後の受信信号にフィルタ処理を行う場合はフィルタ特性を検波後の周波数特性に合わせたものにする必要があるが、ここでは説明を分かりやすくするため直交検波処理前の受信信号の周波数を基準にして説明を行うものとする。
【００２０】
この第１のフィルタ特性は、主に腹部検査で有効とされる。腹部は体動が比較的少なく、従って残留基本波エコー成分が比較的少ないことをその理由とする。
【００２１】
第１のフィルタ特性で動作するエコーフィルタ２２によりＴＨＩ帯域の成分が減衰された受信信号は、造影エコー成分が支配的である。従って、その信号に基づいて画像データを生成することにより、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーをその視認性を高めて効果的に映像化することができる。
【００２２】
なお、上述のように、循環器では体動が比較的大きく、従って残留基本波エコー成分が比較的多く発生する。この場合、第１のフィルタ特性では、造影エコーを効果的に映像化することが困難なことがある。この場合に効果的なのが、第２のフィルタ特性である。
【００２３】
図６には、第２のフィルタ特性を示している。第２のフィルタ特性では、基本周波数の２倍の２・ｆ０を中心としたＴＨＩ帯域とともに、基本周波数ｆ０を中心とした基本波帯域を減衰帯域としている。ＴＨＩ帯域と基本波帯域との間の帯域＃１、そして基本波帯域に対して低周波数側に隣接する帯域＃２、さらにＴＨＩ帯域に対して高周波数側に隣接する帯域＃３は、通過帯域である。
【００２４】
第２のフィルタ特性で動作するエコーフィルタ２２によりＴＨＩ帯域の成分と基本波帯域の成分とが減衰された受信信号は、造影エコー成分の支配傾向はさらに高まっている。従って、その信号に基づいて画像データを生成することにより、循環器検査であっても、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーを効果的に映像化することが可能となる。
【００２５】
なお、第２のフィルタ特性では、離散的な３つの帯域＃１、＃２、＃３が通過帯域であり、その中で造影エコーの支配傾向が最も高いのが、ＴＨＩ帯域と基本波帯域との間の帯域＃１である。両端の２つの帯域＃２、＃３を除き、帯域＃１だけを映像化することが好ましい場合もある。この場合には第３のフィルタ特性が提供される。
【００２６】
フィルタ係数設計・実装の容易性から１つの帯域を映像化することが現実的であり、例として帯域＃１を映像化する場合について説明する。図７には、第３のフィルタ特性を示している。第３のフィルタ特性では、ＴＨＩ帯域と、基本波帯域との間の帯域＃１だけが、通過帯域とされ、他の帯域の成分は、減衰される。第３のフィルタ特性で動作するエコーフィルタ２２により帯域＃１の成分だけが抽出された受信信号は、帯域＃２に比べて高周波なので方位分解能が高く、又、帯域＃３にひかくして低周波なのでペネトレーションが良い。従って、その信号に基づいて画像データを生成することにより、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーを最も効果的に映像化することが可能となる。
【００２７】
（サブトラクション法）
まず、送信信号は、フェーズインバージョン法と同様に、リニアアンプ駆動またはスイッチングパルサであっても、デューティー比変調技術の採用により基本周波数ｆ０を中心とした比較的狭帯域に帯域制限される。
【００２８】
サブトラクション法でも、フェーズインバージョン法と同様に、この帯域制限された送信信号を、少なくとも２レートで発生する。しかし、サブトラクション法では、フェーズインバージョン法と異なり、レート間で送信信号は同一極性で発生される。従って、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、基本波エコー、組織ハーモニックエコー成分、造影エコー成分は共に正極性で発生する。
【００２９】
図９には、サブトラクション法に対応した造影エコー抽出ユニット１７の構成例を示している。上述したように基本波エコー、組織ハーモニックエコー成分、造影エコー成分は共に正極性で発生する。基本波エコー成分及び組織ハーモニックエコー成分は、組織に由来する成分であり、レート間の時間差の体動により変移する。一方、造影エコー成分は造影剤に由来する成分であり、その造影剤は血流とともに移動するので、そのレート間の信号変移は、基本波エコー成分及び組織ハーモニックエコー成分のそれよりも大きい。
【００３０】
従って、図９に示すように、１レート目の受信信号と２レート目の受信信号を減算回路２５で減算することにより、基本波エコー成分と組織ハーモニックエコー成分とは体動の影響で多少残留するものの、造影エコー成分のそれよりも低く、従って造影エコー成分が相対的に強調される。
【００３１】
減算回路２５の出力信号は、エコーフィルタ２６に供給される。エコーフィルタ２６のフィルタ特性は、上述と同様に、操作者の指示に従ってＣＰＵ１４の制御のもとで、第２、第３の２種類のフィルタ特性で変化する。第２のフィルタ特性は、図１０に示すように、基本周波数の２倍の２・ｆ０を中心としたＴＨＩ帯域とともに、基本周波数ｆ０を中心とした基本波帯域を減衰帯域とし、ＴＨＩ帯域と基本波帯域との間の帯域＃１、そして基本波帯域に対して低周波数側に隣接する帯域＃２、さらにＴＨＩ帯域に対して高周波数側に隣接する帯域＃３を、通過帯域とする。さらに、第３のフィルタ特性は、図１１に示すように、ＴＨＩ帯域と、基本波帯域との間の帯域＃１だけを、通過帯域とし、他の帯域を減衰帯域としている。
【００３２】
このように２種類のフィルタ特性を検査対象部位に応じて選択的に用いることで、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーを最も効果的に映像化することが可能となる。
【００３３】
（ドプラ法）
図１２にドプラ法に対応した造影エコー抽出ユニット１７の構成を示している。このドプラ法の組織エコー（基本波エコー成分と組織ハーモニックエコー成分）の除去能力は、上記２つの方法よりも高く、特に冠動脈検査で有効である。このドプラ法でも、フェーズインバージョン法と同様に、リニアアンプ駆動またはスイッチングパルサであっても、デューティー比変調技術の採用により基本周波数ｆ０を中心とした比較的狭帯域に帯域制限された送信信号が、複数レートで発生される。レート間では、同一波形で送信してもよいし、サブトラクション法と同様に位相反転してもよい。さらに、９０°ずつ移動を回転しながら４レート又はその整数倍のレートで送信するようにしてもよい。
【００３４】
レート間で送信信号を同一波形で発生する場合、またレート間で送信信号を位相反転する場合、ＭＴＩフィルタ２８で、体動により基本波エコー成分及び組織ハーモニックエコー成分がそれぞれ多少残留（抽出）するするものの、基本波エコー成分及び組織ハーモニックエコー成分それぞれの大部分は除去され、また造影エコー成分はその血流により大部分が抽出される（図１３（ａ）、図１３（ｂ）参照）。
【００３５】
従って、上述した２つの方法と同様に、エコーフィルタ２９で３種類のフィルタ特性を検査対象部位に応じて選択的に用いることで、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーを最も効果的に映像化することが可能となる。
【００３６】
また、９０°ずつ移動を回転しながら４レート又はその整数倍のレートで送信する場合、加算により基本波エコー成分と組織ハーモニックエコー成分の両方を消すことができる。
【００３７】
次に、画像表示について説明する。上述のいずれかの方法で抽出又は強調された造影エコー成分に基づいて表示ユニット１８で画像データ（造影強調画像データ）が生成され、さらにその中のルックアップテーブルで白黒グレースケール又はカラーデータに展開されて、図１４（ａ）に示すようにモニタ１３に表示される。このように造影強調画像を単独で表示してもよいし、さらにこの造影強調画像を得るために収集した受信信号をそのまま流用して、又は造影強調画像を得るためのレートとは別のレートで収集した受信信号から、基本波帯域とＴＨＩ帯域との両方又はいずれか一方の帯域の成分を抽出し、その抽出した成分で画像データ（基本波画像、ＴＨＩ画像、又は基本波成分とＴＨＩ成分とを含む基本波＋ＴＨＩ画像）を生成し、図１４（ｂ）に示すように、造影強調画像をカラーで、またそれと同時に、同じ画面に並列に配置して白黒グレイスケールで濃淡表示するようにしてもよい。さらに、図１４（ｃ）に示すように、基本波帯域とＴＨＩ帯域との両方又はいずれか一方の帯域の成分を抽出し、その抽出した成分で画像データ（基本波画像、ＴＨＩ画像、又は基本波成分とＴＨＩ成分とを含む基本波＋ＴＨＩ画像）を濃淡画像として、カラーの造影強調画像と１枚の画像に合成して、表示するようにしてもよい。
【００３８】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーをその視認性を高めて効果的に映像化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図。
【図２】本実施形態において、送信波形とそのスペクトルを示す図。
【図３】本実施形態において、フェーズインバージョン法に対応した図１の造影エコー抽出ユニットの構成例を示す図。
【図４】図３の加算回路に供給される正負２レートの受信信号のスペクトルを示す図。
【図５】図２のエコーフィルタの第１のフィルタ特性を示す図。
【図６】図２のエコーフィルタの第２のフィルタ特性を示す図。
【図７】図２のエコーフィルタの第３のフィルタ特性を示す図。
【図８】図９の減算回路に供給される２レートの受信信号のスペクトルを示す図。
【図９】本実施形態において、サブトラクション法に対応した図１の造影エコー抽出ユニットの構成例を示す図。
【図１０】図８のエコーフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図１１】図８のエコーフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図１２】本実施形態において、ドプラ法に対応した図１の造影エコー抽出ユニットの構成例を示す図。
【図１３】図１２のＭＴＩフィルタに供給される受信信号のスペクトルと、図１２のエコーフィルタに供給される信号のスペクトルを示す図。
【図１４】図１の表示ユニットで生成される表示画像の態様を示す図。
【図１５】従来の受信信号の成分毎のスペクトルとセカンドハーモニック法におけるエコーフィルタのフィルタ特性を示す図。
【符号の説明】
１１…超音波プローブ、
１２…装置本体、
１３…モニタ、
１４…ホストＣＰＵ、
１５…パルサ／プリアンプユニット、
１６…受信遅延回路、
１７…造影エコー抽出ユニット、
１８…表示ユニット、
１９…検波ユニット。
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置に係り、特に造影剤映像化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断に用いられる造影剤（微小気泡）は、超音波照射により破壊され、照射音圧が高いほど破壊されやすい。造影効果を継続させるためには、音圧を下げて造影剤の破壊を抑制する等の工夫がなされている。
【０００３】
ところで超音波が造影剤に当たると、造影剤は非線形挙動を示す。それによりセカンドハーモニック成分（２次高調波成分）が発生される。そのセカンドハーモニックエコー成分により造影剤に由来するエコー成分（造影エコー成分という）を映像化することができる。この技術は、セカンドハーモニック法と呼ばれている。
【０００４】
図１５に、受信信号の成分スペクトルを示している。受信信号には、造影エコー成分と、基本波エコー成分と、組織ハーモニックエコー成分とが含まれる。造影検査では、主に造影エコー成分の映像化に重点が置かれている。上記セカンドハーモニック法では、基本波周波数ｆ０の２倍の周波数を中心とした帯域が抽出される。
【０００５】
しかしこの帯域には、造影エコー成分の他に、組織の非線形伝搬により発生する組織ハーモニックエコー成分と、基本波エコーのセカンドハーモニック帯域への漏れ成分とが比較的高い割合で含まれる。
【０００６】
従って、造影エコー成分がこれら組織ハーモニックエコー成分と基本波エコー成分とに埋もれてしまい、造影エコー成分の視認性を下げて、それを効果的に映像化することが困難な場合がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、超音波診断装置において、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーをその視認性を高めて効果的に映像化することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、血液中に造影剤を注入された被検体に略同一波形で超音波を少なくとも２レートで送受信する送受信ユニットと、前記送受信ユニットから出力される少なくとも２レートの受信信号を減算する減算回路と、前記減算回路から出力される減算信号に含まれる前記超音波の基本周波数の整数倍を中心としたハーモニック帯域の成分を減衰し、前記ハーモニック帯域以外の全ての帯域を通過するフィルタと、前記フィルタからの出力信号に基づいて第１画像データを生成するユニットとを具備する。
本発明は、血液中に造影剤を注入された被検体に対して超音波を送受信する送受信ユニットと、前記送受信ユニットから出力される受信信号を処理する信号処理回路と、前記信号処理回路から出力される信号に対して前記超音波の基本周波数の整数倍を中心としたハーモニック帯域の成分を減衰し、前記ハーモニック帯域以外の全ての帯域を通過するフィルタ処理をかけるフィルタと、前記フィルタからの出力信号に基づいて第１画像データを生成するユニットと、第１、第２又は第３のモードを選択指示するための操作者部と、前記第１のモードが選択されたとき、前記送受信ユニットから前記被検体に互いに極性反転している波形で超音波が少なくとも２レートで送受信され、前記信号処理回路で前記送受信ユニットから出力される少なくとも２レートの受信信号が加算され、前記第２のモードが選択されたとき、前記送受信ユニットから前記被検体に略同一波形で超音波が少なくとも２レートで送受信され、前記信号処理回路で前記送受信ユニットから出力される少なくとも２レートの受信信号が減算され、前記第３のモードが選択されたとき、前記送受信ユニットから前記被検体に超音波が少なくとも２レートで送受信され、前記信号処理回路で前記送受信ユニットから出力される少なくとも２レートの受信信号を使って固定エコーが除去されるように前記送受信ユニットと前記信号処理回路を制御する制御部とを具備する。
【０００９】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、造影検査を対象としており、その造影検査では、被検体の血液中に注入された微小気泡を主成分とする造影剤が注入される。この造影剤としては、後述する造影エコーが比較的ブロードで発生するタイプの採用が好ましい。その種の造影剤としては、例えば、レボビスト（Schering corp.社）、ソノビュー（BRACO corp.社）、ソナゾイド（NYCOMRD corp.社）があげられる。
図１に、本実施形態に係る超音波診断装置の構成を示している。１１は、一次元または二次元的に配列された典型的には圧電効果を有する複数の振動素子（電気／音響変換素子）を備えた超音波プローブであり、図示しないコネクタを介して、ホストＣＰＵ１４を中心として構成された装置本体１２に装着される。なお、１つ又は近隣の数個の振動素子は、１つのチャンネルを構成している。ここでは１つ振動素子が１つのチャンネルを構成するものと仮定する。この超音波プローブ１１の各振動素子には、パルサ／プリアンプユニット１５から、基本周波数（ｆ０）を中心として比較的狭帯域の送信信号（電圧パルス）が印加される。振動素子は、その電気的な振動を機械的な振動に変換する。これにより振動素子から基本周波数ｆ０を中心として超音波が発生する。パルサ／プリアンプユニット１５は、送信信号の印加タイミングに関して、チャンネル間で時間差を与える。この時間差（遅延時間）は、複数の振動素子から発生した超音波を集束するとともに、その集束超音波を偏向するために設けられている。この遅延時間を変化することにより、焦点距離及び偏向角（送信方位）を任意に変化することが可能である。
【００１０】
送信された超音波は、エコーとしてプローブ１１に返ってきて、各振動素子で電気的信号に変換される。このエコーには、主に基本波が組織境界に当たりその散乱により生じる基本波エコー成分と、やはり基本波が組織中を非線形に伝搬するのに由来する組織ハーモニックエコー成分と、そして被検体の血液中に注入された微小気泡を主成分とする造影剤に由来する造影エコー成分とが含まれる。
【００１１】
振動素子で変換された電気的信号は、パルサ／プリアンプユニット１５、受信遅延回路１６を経由して、受信信号として検波ユニット１９に送られて直交検波処理を施された後、造影エコー抽出ユニット１７に送られる。検波ユニット１９と造影エコー抽出ユニット１７との信号処理の順序は逆になっても良い。
【００１２】
受信遅延回路１６は、受信の際のビームフォーミング（整相加算処理）を行い、超音波ビームの方向・集束を制御するためのものであり、複数のビームを形成し並列同時受信をするために複数の回路セットから構成されていても良い。受信信号は、信号処理に適したサンプリング周波数でサンプリングされ、ディジタル信号に変換され、そしてビーム形成される。
【００１３】
検波ユニット１９は、受信信号に９０度位相のずれたリファレンス周波数の信号をそれぞれ乗じて直交検波を行い、Ｉ、Ｑ信号を得る。この時、Ｉ，Ｑ信号は受信信号からリファレンス周波数を減じた周波数の信号となる。リファレンス周波数は、一般的に超音波画像を生成する帯域の中心の周波数に設定すれば良い。
【００１４】
造影エコー抽出ユニット１７は、直交検波後の受信信号（Ｉ，Ｑ信号）から、基本波エコー成分と組織ハーモニックエコー成分（両性分を合わせて組織エコー成分と称する）とに比べて、成分比の高いつまり造影エコー成分が支配的な帯域の成分を抽出する。造影エコー抽出ユニット１７で抽出された成分に基づいて表示ユニット１８で超音波画像データが生成される。その画像データは、モニタ１３に表示される。
【００１５】
本実施形態で特徴的なのは、受信信号から、造影エコー成分が支配的な帯域の成分を抽出することにある。基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーをその視認性を高めて効果的に映像化することを実現する。この特徴的な部分について以下に説明する。本実施形態では、造影エコー成分が支配的な帯域の成分を抽出するための処理態様として３種類のモードを提供する。これら３種類のモードは、操作者の選択指示に従ってＣＰＵ１４の制御のもとで切り換え可能である。以下に順番に説明する。
【００１６】
（フェーズインバージョン法）
まず、送信信号としては、基本周波数ｆ０を中心とした比較的狭帯域に帯域制限され、送信漏れの少ない信号（基本波成分以外の周波数成分が少ない信号）を用いる。そのために効果的なのは、リニアアンプ駆動で送信信号を発生させることであり、または一般的なスイッチングパルサであっても、デューティー比変調技術の採用である。図２（ａ）に、バースト波数を６としてデューティー比変調を受けた送信信号の時間波形を示し、図２（ｂ）にその周波数スペクトルを示している。狭帯域送信を行うため、バースト波数は、４から８位にするのが好ましく、本実施の形態ではバースト波数を６にしている。このように比較的狭帯域で送信漏れの少ない送信を行うことにより、超音波エコーに含まれる基本波成分と組織によるハーモニック成分の重畳が少なくなるため、造影剤により生じた基本波成分とハーモニック成分の間の周波数成分を良好に抽出することができる。
フェーズインバージョン法では、この帯域制限された送信信号を、少なくとも２レートで発生する。また、送信信号の極性は、レート間では互いに反転される（互いに１８０°位相がずれている）。基本波エコーは、その送信極性に応じた極性で発生し、ハーモニックエコー成分はその送信極性に関わらず同極性で発生する。これはハーモニックエコー成分が、周知の通り、非線形現象は、基本波の二乗として近似され得ることを理由としている。基本波を、ａ(t)sinωｔと表すと、非線形性は、（ａ(t)sinωｔ）２ として近似される。従って、ハーモニックエコー成分は、正負の両レートでともに正極で生じ、逆に、基本波エコー成分は送信極性に依存して正負反転して発生する。図４（ａ）は正極性レートの受信信号のスペクトルであり、図４（ｂ）は負極性レートの受信信号のスペクトルを示している。造影エコー成分と組織ハーモニックエコー成分は両レートで正極性で発生し、基本波エコー成分は１レート目（正極性レート）では正極性で発生し、２レート目（負極性レート）では負極性で発生する。
【００１７】
図３には、フェーズインバージョン法に対応した造影エコー抽出ユニット１７の構成例を示している。上述したように、組織ハーモニックエコー成分は両レートで正極性で発生し、基本波エコー成分は正負両極性で発生するので、１レート目の受信信号と２レート目の受信信号を加算回路２１で加算することにより、原理的に基本波エコー成分は除去され、造影エコー成分と組織ハーモニックエコー成分は残る。
【００１８】
図５に、加算回路２１の出力信号（加算信号）の周波数スペクトルを示している。上述にように、基本波エコー成分が除去されるのはあくまで原理的で有り、実際には、組織の動きによって、基本波エコー成分の一部が残留する。しかし、図１５のスペクトルと比較すると分かるとおり、残留基本波エコー成分は充分減衰される。
【００１９】
加算回路２１の出力信号は、エコーフィルタ２２に供給される。エコーフィルタ２２は、ＣＰＵ１４の制御下にある複素ディジタルフィルタで構成され、フィルタ特性は、操作者の指示に従ってフィルタ係数を変えることにより任意に変化する。具体的には、フィルタ係数を超音波診断装置の映像モード毎に予め設定しておき、操作者が映像モードを選択した時に、その映像モードに対応したフィルタ係数に変わるようにすれば良い。ここでは主な３種類のフィルタ特性を説明する。まず、第１のフィルタ特性では、図５に示すように、基本周波数の２倍の２・ｆ０を中心とした帯域（組織ハーモニックエコー成分が支配的な帯域：ＴＨＩ帯域という）を減衰帯域としている。その前後の帯域は、全て通過する。尚、直交検波処理後の受信信号はリファレンス周波数分周波数がずれた信号となっているため、直交検波後の受信信号にフィルタ処理を行う場合はフィルタ特性を検波後の周波数特性に合わせたものにする必要があるが、ここでは説明を分かりやすくするため直交検波処理前の受信信号の周波数を基準にして説明を行うものとする。
【００２０】
この第１のフィルタ特性は、主に腹部検査で有効とされる。腹部は体動が比較的少なく、従って残留基本波エコー成分が比較的少ないことをその理由とする。
【００２１】
第１のフィルタ特性で動作するエコーフィルタ２２によりＴＨＩ帯域の成分が減衰された受信信号は、造影エコー成分が支配的である。従って、その信号に基づいて画像データを生成することにより、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーをその視認性を高めて効果的に映像化することができる。
【００２２】
なお、上述のように、循環器では体動が比較的大きく、従って残留基本波エコー成分が比較的多く発生する。この場合、第１のフィルタ特性では、造影エコーを効果的に映像化することが困難なことがある。この場合に効果的なのが、第２のフィルタ特性である。
【００２３】
図６には、第２のフィルタ特性を示している。第２のフィルタ特性では、基本周波数の２倍の２・ｆ０を中心としたＴＨＩ帯域とともに、基本周波数ｆ０を中心とした基本波帯域を減衰帯域としている。ＴＨＩ帯域と基本波帯域との間の帯域＃１、そして基本波帯域に対して低周波数側に隣接する帯域＃２、さらにＴＨＩ帯域に対して高周波数側に隣接する帯域＃３は、通過帯域である。
【００２４】
第２のフィルタ特性で動作するエコーフィルタ２２によりＴＨＩ帯域の成分と基本波帯域の成分とが減衰された受信信号は、造影エコー成分の支配傾向はさらに高まっている。従って、その信号に基づいて画像データを生成することにより、循環器検査であっても、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーを効果的に映像化することが可能となる。
【００２５】
なお、第２のフィルタ特性では、離散的な３つの帯域＃１、＃２、＃３が通過帯域であり、その中で造影エコーの支配傾向が最も高いのが、ＴＨＩ帯域と基本波帯域との間の帯域＃１である。両端の２つの帯域＃２、＃３を除き、帯域＃１だけを映像化することが好ましい場合もある。この場合には第３のフィルタ特性が提供される。
【００２６】
フィルタ係数設計・実装の容易性から１つの帯域を映像化することが現実的であり、例として帯域＃１を映像化する場合について説明する。図７には、第３のフィルタ特性を示している。第３のフィルタ特性では、ＴＨＩ帯域と、基本波帯域との間の帯域＃１だけが、通過帯域とされ、他の帯域の成分は、減衰される。第３のフィルタ特性で動作するエコーフィルタ２２により帯域＃１の成分だけが抽出された受信信号は、帯域＃２に比べて高周波なので方位分解能が高く、又、帯域＃３にひかくして低周波なのでペネトレーションが良い。従って、その信号に基づいて画像データを生成することにより、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーを最も効果的に映像化することが可能となる。
【００２７】
（サブトラクション法）
まず、送信信号は、フェーズインバージョン法と同様に、リニアアンプ駆動またはスイッチングパルサであっても、デューティー比変調技術の採用により基本周波数ｆ０を中心とした比較的狭帯域に帯域制限される。
【００２８】
サブトラクション法でも、フェーズインバージョン法と同様に、この帯域制限された送信信号を、少なくとも２レートで発生する。しかし、サブトラクション法では、フェーズインバージョン法と異なり、レート間で送信信号は同一極性で発生される。従って、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、基本波エコー、組織ハーモニックエコー成分、造影エコー成分は共に正極性で発生する。
【００２９】
図９には、サブトラクション法に対応した造影エコー抽出ユニット１７の構成例を示している。上述したように基本波エコー、組織ハーモニックエコー成分、造影エコー成分は共に正極性で発生する。基本波エコー成分及び組織ハーモニックエコー成分は、組織に由来する成分であり、レート間の時間差の体動により変移する。一方、造影エコー成分は造影剤に由来する成分であり、その造影剤は血流とともに移動するので、そのレート間の信号変移は、基本波エコー成分及び組織ハーモニックエコー成分のそれよりも大きい。
【００３０】
従って、図９に示すように、１レート目の受信信号と２レート目の受信信号を減算回路２５で減算することにより、基本波エコー成分と組織ハーモニックエコー成分とは体動の影響で多少残留するものの、造影エコー成分のそれよりも低く、従って造影エコー成分が相対的に強調される。
【００３１】
減算回路２５の出力信号は、エコーフィルタ２６に供給される。エコーフィルタ２６のフィルタ特性は、上述と同様に、操作者の指示に従ってＣＰＵ１４の制御のもとで、第２、第３の２種類のフィルタ特性で変化する。第２のフィルタ特性は、図１０に示すように、基本周波数の２倍の２・ｆ０を中心としたＴＨＩ帯域とともに、基本周波数ｆ０を中心とした基本波帯域を減衰帯域とし、ＴＨＩ帯域と基本波帯域との間の帯域＃１、そして基本波帯域に対して低周波数側に隣接する帯域＃２、さらにＴＨＩ帯域に対して高周波数側に隣接する帯域＃３を、通過帯域とする。さらに、第３のフィルタ特性は、図１１に示すように、ＴＨＩ帯域と、基本波帯域との間の帯域＃１だけを、通過帯域とし、他の帯域を減衰帯域としている。
【００３２】
このように２種類のフィルタ特性を検査対象部位に応じて選択的に用いることで、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーを最も効果的に映像化することが可能となる。
【００３３】
（ドプラ法）
図１２にドプラ法に対応した造影エコー抽出ユニット１７の構成を示している。このドプラ法の組織エコー（基本波エコー成分と組織ハーモニックエコー成分）の除去能力は、上記２つの方法よりも高く、特に冠動脈検査で有効である。このドプラ法でも、フェーズインバージョン法と同様に、リニアアンプ駆動またはスイッチングパルサであっても、デューティー比変調技術の採用により基本周波数ｆ０を中心とした比較的狭帯域に帯域制限された送信信号が、複数レートで発生される。レート間では、同一波形で送信してもよいし、サブトラクション法と同様に位相反転してもよい。さらに、９０°ずつ移動を回転しながら４レート又はその整数倍のレートで送信するようにしてもよい。
【００３４】
レート間で送信信号を同一波形で発生する場合、またレート間で送信信号を位相反転する場合、ＭＴＩフィルタ２８で、体動により基本波エコー成分及び組織ハーモニックエコー成分がそれぞれ多少残留（抽出）するするものの、基本波エコー成分及び組織ハーモニックエコー成分それぞれの大部分は除去され、また造影エコー成分はその血流により大部分が抽出される（図１３（ａ）、図１３（ｂ）参照）。
【００３５】
従って、上述した２つの方法と同様に、エコーフィルタ２９で３種類のフィルタ特性を検査対象部位に応じて選択的に用いることで、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーを最も効果的に映像化することが可能となる。
【００３６】
また、９０°ずつ移動を回転しながら４レート又はその整数倍のレートで送信する場合、加算により基本波エコー成分と組織ハーモニックエコー成分の両方を消すことができる。
【００３７】
次に、画像表示について説明する。上述のいずれかの方法で抽出又は強調された造影エコー成分に基づいて表示ユニット１８で画像データ（造影強調画像データ）が生成され、さらにその中のルックアップテーブルで白黒グレースケール又はカラーデータに展開されて、図１４（ａ）に示すようにモニタ１３に表示される。このように造影強調画像を単独で表示してもよいし、さらにこの造影強調画像を得るために収集した受信信号をそのまま流用して、又は造影強調画像を得るためのレートとは別のレートで収集した受信信号から、基本波帯域とＴＨＩ帯域との両方又はいずれか一方の帯域の成分を抽出し、その抽出した成分で画像データ（基本波画像、ＴＨＩ画像、又は基本波成分とＴＨＩ成分とを含む基本波＋ＴＨＩ画像）を生成し、図１４（ｂ）に示すように、造影強調画像をカラーで、またそれと同時に、同じ画面に並列に配置して白黒グレイスケールで濃淡表示するようにしてもよい。さらに、図１４（ｃ）に示すように、基本波帯域とＴＨＩ帯域との両方又はいずれか一方の帯域の成分を抽出し、その抽出した成分で画像データ（基本波画像、ＴＨＩ画像、又は基本波成分とＴＨＩ成分とを含む基本波＋ＴＨＩ画像）を濃淡画像として、カラーの造影強調画像と１枚の画像に合成して、表示するようにしてもよい。
【００３８】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、基本波エコー成分及びハーモニックエコー成分に埋もれることなく、造影エコーをその視認性を高めて効果的に映像化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図。
【図２】本実施形態において、送信波形とそのスペクトルを示す図。
【図３】本実施形態において、フェーズインバージョン法に対応した図１の造影エコー抽出ユニットの構成例を示す図。
【図４】図３の加算回路に供給される正負２レートの受信信号のスペクトルを示す図。
【図５】図２のエコーフィルタの第１のフィルタ特性を示す図。
【図６】図２のエコーフィルタの第２のフィルタ特性を示す図。
【図７】図２のエコーフィルタの第３のフィルタ特性を示す図。
【図８】図９の減算回路に供給される２レートの受信信号のスペクトルを示す図。
【図９】本実施形態において、サブトラクション法に対応した図１の造影エコー抽出ユニットの構成例を示す図。
【図１０】図８のエコーフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図１１】図８のエコーフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図１２】本実施形態において、ドプラ法に対応した図１の造影エコー抽出ユニットの構成例を示す図。
【図１３】図１２のＭＴＩフィルタに供給される受信信号のスペクトルと、図１２のエコーフィルタに供給される信号のスペクトルを示す図。
【図１４】図１の表示ユニットで生成される表示画像の態様を示す図。
【図１５】従来の受信信号の成分毎のスペクトルとセカンドハーモニック法におけるエコーフィルタのフィルタ特性を示す図。
【符号の説明】
１１…超音波プローブ、
１２…装置本体、
１３…モニタ、
１４…ホストＣＰＵ、
１５…パルサ／プリアンプユニット、
１６…受信遅延回路、
１７…造影エコー抽出ユニット、
１８…表示ユニット、
１９…検波ユニット。
Claims (2)
- 血液中に造影剤を注入された被検体に略同一波形で超音波を少なくとも２レートで送受信する送受信ユニットと、
前記送受信ユニットから出力される少なくとも２レートの受信信号を減算する減算回路と、
前記減算回路から出力される減算信号に含まれる前記超音波の基本周波数の整数倍を中心としたハーモニック帯域の成分を減衰し、前記ハーモニック帯域以外の全ての帯域を通過するフィルタと、
前記フィルタからの出力信号に基づいて第１画像データを生成するユニットとを具備することを特徴とする超音波診断装置。 - 血液中に造影剤を注入された被検体に対して超音波を送受信する送受信ユニットと、
前記送受信ユニットから出力される受信信号を処理する信号処理回路と、
前記信号処理回路から出力される信号に対して前記超音波の基本周波数の整数倍を中心としたハーモニック帯域の成分を減衰し、前記ハーモニック帯域以外の全ての帯域を通過するフィルタ処理をかけるフィルタと、
前記フィルタからの出力信号に基づいて第１画像データを生成するユニットと、
第１又は第２のモードを選択指示するための操作部と、
前記第１のモードが選択されたとき、前記送受信ユニットから前記被検体に互いに極性反転している波形で超音波が少なくとも２レートで送受信され、前記信号処理回路で前記送受信ユニットから出力される少なくとも２レートの受信信号が加算され、前記第２のモードが選択されたとき、前記送受信ユニットから前記被検体に略同一波形で超音波が少なくとも２レートで送受信され、前記信号処理回路で前記送受信ユニットから出力される少なくとも２レートの受信信号が減算されるように前記送受信ユニットと前記信号処理回路を制御する制御部とを具備することを特徴とする超音波診断装置。
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