JP4210386B2 - 体腔内超音波診断装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、体腔内超音波診断装置に関し、特に、保存したデータを用いて診断に最適な画像を得ることが可能な体腔内超音波診断装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より体腔内の患部等を診断するには、体腔内超音波診断装置が使用されている。
【0003】
この体腔内超音波診断装置を用いた診断では、血管内及び脈管内に挿入するカテーテルの先端に装着されている超音波振動子から超音波を送波し、被検体内の反射体で反射されたエコーを前記超音波振動子で受波し、増幅・検波等の処理を行った後に、画像としてCRT等の表示器に表示する。
【0004】
また、このような体腔内超音波診断装置を用いた診断では、超音波カテーテルを体腔内に挿入し、超音波カテーテルを引き抜いていく際等に超音波画像をビデオカセットレコーダに録画している。そして、術後において、録画した超音波画像を再生することにより、詳しい診断を行っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の体腔内超音波診断装置を用いた診断において、術者は、患者の体内に異物であるカテーテルを挿入している時間を短くしたいという要望と、診断に最適な画像を得るための画像の調整時間を長くとりたいという相反する希望を持っている。このような希望を両立させることは困難であり、実際には、ある程度の画像の調整時間をとることで妥協することになる。
【0006】
また、超音波画像はビデオカセットレコーダを用いて録画されるので、術後に、ダイナミックレンジ、ガンマ補正、STC等の画像調整を行ったり、フィルタ特性等の回路特性を変えた画像を得ることができない。
【0007】
したがって、診断に最適な画像を得ることは困難であり、より診断に適した画像を得ることが可能な体腔内超音波診断装置の開発が望まれていた。
【0008】
本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、得られた受信信号をデジタルデータとして保存することにより、術後においても信号処理を可能として、診断に最適な画像を得ることができる体腔内超音波診断装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の体腔内超音波診断装置は、カテーテルに内蔵された超音波振動子を励振させて被検体に超音波を送波し、該被検体から反射して得られた受信信号をA−D変換するA−D変換部と、該A−D変換部により得られたデータを書き込み可能で、かつ書き込み時よりも低い周波数で該データを読み出し可能な時間軸伸長部と、該時間軸伸長部から読み出されたデータを圧縮するデータ圧縮部と、該データ圧縮部により圧縮されたデータを書き込む大容量記憶装置部と、該大容量記憶装置部に保存された圧縮データを読み出して解凍するデータ解凍部と、該データ解凍部により解凍されたデータをD−A変換するD−A変換部とを備え、該D−A変換部のアナログ出力をフィルタ処理、対数変換、検波、A−D変換してデジタルスキャンコンバータに入力することにより、診断に最適な画像を表示することを特徴とするものである。
【0010】
また、本発明の体腔内超音波診断装置は、前記D−A変換部を省略して、前記データ解凍部により解凍されたデジタル出力をフィルタ処理、対数変換してデジタルスキャンコンバータに入力することにより、診断に最適な画像を表示するように構成してもよい。
【0011】
また、本発明の体腔内超音波診断装置には、前記大容量記憶装置部との間でデータの書き込みおよび読み出しが可能な大容量リムーバブルメディアを接続可能とすることが好ましい。
【0012】
さらに、本発明の体腔内超音波診断装置において、前記D−A変換部からアナログ出力された信号は、NTSC規格またはPAL規格の少なくとも一方に準拠していることが好ましい。
【0013】
以下、本発明に係る体腔内超音波診断装置を用いて、受信したRF(radio frequency)信号(以下、RF信号と記す)をデジタルデータとして保存することが可能であることを説明する。 体腔内超音波診断装置のRF信号の周波数は10〜40MHzと高いので、高速A−D変換後、単純にハードディスク記憶装置(以下、HDと略記する)に書き込むためには、HDのデータ転送速度が追いつかない。
【0014】
また、毎秒30フレームで、最高15分程度である施術時間の情報を書き込むにはHDでも容量が足りないという理由から、単純にデータをHDに保存することはできない。
【0015】
しかしながら、体腔内超音波診断装置の場合、音線と音線との時間差が10μsオーダ(例えば、約60μs)であるのに対して、必要なデータ数は数1000個(例えば、2000個)であり、データを高速でメモリに書き込むとともに、低速で読み出すことにより、HDに書き込む速度は問題とならなくなる。
【0016】
また、隣接する音線の信号は類似しているため、1フレーム中の複数音線間で圧縮することが可能である(空間圧縮)。
【0017】
さらに、毎秒30フレームで得られるRF信号の2次元データは、ある1フレームという基準のコマを決めると、その前後の数コマを基準のコマとの動きの差分という形で圧縮することが可能であることから(時間圧縮)、本発明に係る体腔内超音波診断装置によれば、RF信号を大容量記憶装置部に保存することが可能となる。
【0018】
圧縮して保存されたデータは、解凍されて、高速A−D変換したときのサンプリング周波数よりも低い周波数でD−A変換され、フィルタ処理、対数変換、検波が行われた後、A−D変換されてデジタルスキャンコンバータ(以下、DSCと略記する)に入力するか、または、直接デジタルデータのままフィルタ処理、対数変換が行われてDSCに入力され、画像表示を行うことができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る体腔内超音波診断装置の実施形態を、具体的な実施例に基づいて説明する。
【0020】
<実施例1>
図1に、本発明に係る体腔内超音波診断装置の実施例1の概略ブロック図を示す。
【0021】
実施例1の体腔内超音波診断装置10は、図1に示すように、送信部20が超音波振動子30を駆動し、被検体から反射して得られた受信信号をプリアンプ40が増幅して、フィルタ処理、対数変換、検波を行ってDSC210に入力し、画像表示を行う点においては、従来の体腔内超音波診断装置と同様である。
【0022】
従来の体腔内超音波診断装置と異なる点は、以下の2点である。
【0023】
すなわち、第1の相違点は、バッファ50を介して、プリアンプ40の出力を高速A−D変換部60に入力して処理を行う部分があることである。
【0024】
また、第2の相違点は、フィルタ部120,130、対数変換部140,150、検波部160,170、A−D変換部180,190を2系統備えており、DSC210への入力をマルチプレクサ200(以下、MPXと略記する)により切り替えることにより、リアルタイムの画像表示を行うか、大容量記憶装置部90に保存されたデータを読み出して画像表示を行うかを選択する点である。
【0025】
実施例1の体腔内超音波診断装置10では、リアルタイムで画像を表示しながら、高速A−D変換部60以降で処理を行うことが可能である。すなわち、リアルタイムで画像を表示する場合には、第1フィルタ部120、第1対数変換部140、第1検波部160、第1A−D変換部180を使用して、フィルタ処理、対数変換、検波、A−D変換を行い、MPX200、DSC210を介してCRT220により画像表示を行う。一方、保存されたデータを読み出して画像を表示する場合には、第2フィルタ部130、第2対数変換部150、第2検波部170、第2A−D変換部190を使用して、フィルタ処理、対数変換、検波、A−D変換を行い、MPX200、DSC210を介してCRT220により画像表示を行う。
【0026】
なお、高速A−D変換部60の後段には、高速A−D変換部60により得られたデータを書き込み可能で、かつ書き込み時よりも低い周波数で該データを読み出し可能な時間軸伸長部70と、時間軸伸長部70から読み出されたデータを圧縮するデータ圧縮部80と、データ圧縮部80により圧縮されたデータを書き込む大容量記憶装置部90と、大容量記憶装置部90に保存された圧縮データを読み出して解凍するデータ解凍部100と、データ解凍部100により解凍されたデータをD−A変換するD−A変換部110とを備えている。
【0027】
また、高速A−D変換部60は、複数のA−D変換用IC62…を備えており、時間軸伸長部70は、各A−D変換用IC62に対応させて、それぞれ複数のFIFOメモリ72…を備えている。
【0028】
ここで、超音波の周波数が30MHzの場合を例に挙げて説明する。
【0029】
周波数が30MHzの場合、信号の減衰の影響を考えると、表示深度は半径5mmが適当である。生体内での音速を1530m/sとすると、1回の送受信のライン(以下、音線と呼ぶ)のレコード長は、
5(mm)×2/1530(m/s)=6.54(μs)
となる。
【0030】
信号の周波数が30MHzなので、サンプリング周波数はその8倍の240MHzとすれば、1本の音線のデータ数は、
6.54(μs)×240(MHz)=1570(word)
となる。
【0031】
超音波診断装置10のダイナミックレンジは60dB程度必要なので、原信号であるRF信号をA−D変換する場合も、60dB以上のダイナミックレンジが求められる。現在、市販されているA−D変換用ICでは10ビットの製品があり、この場合、ダイナミックレンジは、
20log210 =60.2dB
となり、要求を満たす。
【0032】
10ビットで高速なA−D変換用IC62の最高サンプリング周波数は100MHz(例えば、AD9070:アナログデバイセズ社)であるので、要求の240MHzを実現するためにA−D変換用IC62を4個使用して、各A−D変換用IC62のサンプリング周波数を60MHzとする。このとき、各ICのサンプリングクロックは4相クロックである。なお、A−D変換されたデータを書き込むためのメモリは、画像用のFIFOメモリ72とする。
【0033】
現在、市販されている画像用のFIFOメモリ72は、最小クロックサイクル:30ns、ビット構成:256kword×8bitのものがある(例えば、MN4777AS:松下電器)。
【0034】
ここで、データが1wordあたり10ビットなので、下位8ビット、上位2ビットに分けて使用することにする。60MHzの書き込みクロックについては、このままでは速度が追いつかないので、前述の下位8ビット分、上位2ビット分の各々に2個割り当てて、分周した30MHzの2相クロックを使用することにして対応することができる。すなわち、4個のA−D変換用IC62のそれぞれに、4個のFIFOメモリ72が接続されることになる。この構成の場合、時間軸伸張部70(FIFOメモリ72の16個分)に書き込むことができるデータは、256(kword)×2×4=2048(kword)となる。
【0035】
一般的に、1画面あたりの音線は500本程度であるので、ここでは後の説明が簡単になるように525本とすると、1本の音線のデータ数が1570(word)であるから、1画面あたりのデータは、
1570(word)×525=824(kword)[10(bit)×824(kword)=8.24(Mbit)]
であり、前述の2048kwordならば2画面分のデータを書き込むことができる。
【0036】
本実施例で想定しているFIFOメモリ72は、書き込みと読み出しを独立して行うことができるので、1画面分のデータを書き込みつつ、1コマ前の1画面分のデータを読み出すことができる(書き込みと読み出しを独立に行うことができないFIFOメモリ72の場合は2系統用意すればよい)。
【0037】
このFIFOメモリ72の読み出しは30nsのクロックで行うことができるので、1画面分のデータの読み出しには、
30(ns)×824(kword)=24.72(ms)
かかることとなる(前述の構成であれば、FIFOメモリ72はクロックが4系統独立なので、読み出す側のクロックサイクルが速ければ1/4程度の6msにすることも可能である)。
【0038】
1画面分のデータの収集間隔は一般的なフレームレートが適当なので、33ms(フレーム間隔)である。したがって、高速A−D変換を240MHzで行い、データの読み出しを33MHz(30ns周期)で行うという時間軸伸長が可能である。
【0039】
このデータをリアルタイムに圧縮して、大容量記憶装置であるHDに書き込む。現在市販されているHDは、3.5インチ型HDの上位機種の場合、平均的な値として、回転数7200rpm、線記録密度120kBPI、最高データ転送速度120Mbit/sである。
【0040】
したがって、1フレーム間隔中に転送できるデータは、
120(Mbit/s)×33(ms)=120(Mbit)/30=4(Mbit)
となる。
【0041】
要求される転送データは、前述のとおり、8.24Mbitなので、1/2以下に圧縮することが必要であることがわかる。
【0042】
HDの最高データ転送速度は記録ヘッドの磁性材料に依存し、現行のHDに使用されている磁性材料でも、回転数を上げるなどの改良で、200Mbit/sまでは対応できる。
【0043】
したがって、近い将来に開発されるHDでは、「転送可能にするため圧縮が必要」ではなくなる可能性が高い(記憶容量を小さくしたいという点では圧縮の有用性は変わらない)。
【0044】
圧縮の原理としては、近年、よく使用される画像圧縮と同様の技術が使用できる。
【0045】
画像圧縮の技術としては、
(a)ある基準画面との違い(差分)や動きベクトルを利用した情報圧縮方法
(b)画面内の空間上の相関を利用した離散コサイン変換(以下DCT)を使った情報圧縮方法
等がある。
【0046】
例えば、MPEG方式の場合、100Mbit/sを1/25に圧縮して4Mbit/sとすることができる。
【0047】
今回のRF信号の場合、
8.24(Mbit)×30(フレーム)=247(Mbit/s)
となるので、2.5倍程度の違いであり、原理的に可能である。
【0048】
FIFOメモリ72が読み出し用の1枚の画面分のデータを持っているので、前述した(b)に相当する画面内での情報圧縮は可能であり、(a)を実現するためには複数の画面分のFIFOメモリ72を持てば良い。圧縮は、高速のCPUやDSP(デジタル・シグナル・プロセッサ)による計算、または専用の装置を用いることにより実現することができる。
【0049】
例えば、データをl/3に圧縮した場合、ビットレートは、
247(Mbit/s)/3=82(Mbit/s)
となり、HDの転送速度で十分である。
【0050】
体腔内超音波診断装置の施術は最高l5分程度であり、その間のデータの量を計算すると、
82(Mbit/s)×60(s)×15(min)=72.1(Gbit)=9.01(GB)
となる。
【0051】
現在、市販されているHDで入手しやすい大容量のものは4.2GBであり、画像に使用されるシステムでは16GBまで拡張可能なものが多い。したがって、HDの容量を16GBとすると、15分間分のデータをHDに書き込むことは可能である。
【0052】
また、将来的にHDのデータ転送速度が大きくなり、容量が増えた場合、リアルタイムには圧縮を行わず、そのまま垂れ流しで書き込みを行って、施術後に時間をかけて圧縮を行う方法も可能である。その場合、装置構成が単純になるという利点と、リアルタイム処理ではないので圧縮方式の選択肢が増え、LHA方式のような可逆圧縮を行なうことができるという利点がある。
【0053】
1回の施術に対して、9GB程度の情報が得られるので、次回の施術までにHDの容量を確保するために、データをCD−R、MO、DVD−RAM等の大容量リムーバブルメディアに書き込む必要がある。
【0054】
これらの大容量リムーバブルメディアの容量は、例えば、
CD−R : 640MB
MO : 2.6GB(max)
DVD−RAM : 5.2GB(max)
となっている。したがって、各リムーバブルメディア1枚では容量が足りない。これに対する対応策としては、
(イ)DVD−RAMなら2枚というように単純に複数枚使用する
(ロ)9.01GbyteのデータをHDに書き込む場合のデータの圧縮はリアルタイムで行う必要があったが、一度、HDに書き込んだデータを圧縮する場合はリアルタイム性は要求されないので、時間をかけてMO等のメディア1枚に収まるように再度圧縮する
等がある。ここで(ロ)の圧縮は、CPU、DSP等によって行われる。
【0055】
一方、大容量リムーバブルメディアに保存されたデータを使用して、画像を構築(再生)する際は、HDに書き込まれ(前述の(ロ)のように再度圧縮をかけている場合は解凍して書き込む)、一度解凍されてD−A変換される。D−A変換時のクロックは、高速A−D変換時のクロックである必要はない。たとえば、前述した例では、フレーム周期33msに対し525本の音線があるので、1音線あたり、
1/30/525=63.5(μs)
となり、データ書き込み時のレコード長6.54μsの約10倍であるから、クロックも10倍遅くすることができる。
【0056】
ここでは、余裕を見込んで8倍遅くし、240MHzを30MHzにする場合を考える。したがって、原信号の周波数の30MHzも1/8の3.75MHzになる。これは、元の周波数30MHzと比較して、アナログ的にかなり扱いやすい周波数である。
【0057】
こうして周波数をシフトしたアナログ出力を、フィルタ処理、対数変換、検波(ここでは包路線検波を想定している。以後も同様)を行ってDSC210に入力し、画像を表示する。フィルタ特性を変えた画像を得るためには、特性の異なるフィルタを数種類用意し切り替えれば良い。
【0058】
以上の説明では、周波数30MHzを例にとって説明を行ったが、15MHzで表示深度10mmであれば、サンプリング周波数を120MHzにするのと同様の構成で良い。すなわち、扱う周波数の上限で高速A−D変換のクロックが決まり、そのクロックで時間軸伸長部70(FIFOメモリ72)の容量が決まる。扱う周波数が上限より低いときは、クロックを落として時間軸伸長部70の容量で信号のレコード長が間に合うようにすれば良い。
【0059】
また、カテーテルを回転するモータの制御および、モータの回転角と送受信のタイミングについては触れなかったが、本実施例においても従来と同様の設計で済むことは明らかである。
【0060】
<実施例2>
本発明に係る体腔内超音波診断装置の実施例2は、解凍されたデータをD−A変換することなく、デジタルのままフィルタ処理、対数変換、検波を行ってDSC210に入力し、画像を表示するものである。
【0061】
図2に、実施例2の体腔内超音波診断装置230の概略ブロック図を示す。なお、図2に示す実施例2において、前述した実施例1と同様の機能を有する部分には、同一の符号を付して説明を省略する。
【0062】
図2に示すように、実施例2の体腔内超音波診断装置230では、上述した実施例1の体腔内超音波診断装置10と比較して、データ解凍部100により解凍したデータをD−A変換するためのD−A変換部110と、フィルタ処理、対数変換、検波されたデータをA−D変換するための第2A−D変換部190が省略されている点が異なっている。
【0063】
実施例2の体腔内超音波診断装置230では、原信号の周波数が30MHzから3.75MHzに低くなっているので、この信号のフィルタは一般的なデジタルフィルタ(CPU、DSP等で実現可能)を使用することができ、過渡特性の向上、発振の防止等の効果が得られる。また、対数変換もCPU、DSP等で実現可能であり変換の直線性が向上する。また、検波もCPU、DSP等で実現可能であり、過渡特性が向上する。
【0064】
<実施例3>
本発明に係る体腔内超音波診断装置の実施例3は、時間軸伸長部70から読み出されたデータをD−A変換して得られたアナログ信号が、画像の規格であるNTSC規格またはPAL規格に準拠している。すなわち、図3に示すようにRF信号の波形を時間軸伸長し、そのレベルは、画像の輝度レベル(NTSC規格なら1Vpp内)に合わせて出力する。また、音線を画像の走査線に対応させる。
【0065】
ここで、音線の個数が525本なら、走査線と1:1の対応を付けることができる。この場合、圧縮のハード、ソフトに市販の画像圧縮ボード(例:MPEGボード)を流用できるという利点がある。
【0066】
ただし、1枚の画像データの中で圧縮をかける場合(空間圧縮)、NTSC規格の場合は画像の構築がインタレース走査なので、単純に順番どおり対応させると、1本目と2本目の間に264本目の走査線があるというように、相関が小さくなる。より効率よく圧縮を行うには、以下のような対応付けをする必要がある。その場合、バッファメモリが必要となる。
【0067】
【0068】
【発明の効果】
本発明の体腔内超音波診断装置によれば、被検体から反射して得られた画像信号をデジタルデータとして保存することによって、術後においても信号処理を行うことが可能となり、診断に最適な画像を得ることができる。
【0069】
また、保存したデジタルデータを再生する際に、D−A変換およびA−D変換を行うことなくデジタルデータのまま使用することにより、ノイズの混入を防止することができるとともに、装置構成を簡略なものとすることができる。
【0070】
また、大容量リムーバブルメディアを接続可能とし、この大容量リムーバブルメデイアに画像データを保存することにより、より大容量の画像を記録することができる。
【0071】
また、既存の画像規格に準拠した信号を出力することにより、装置の汎用性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1に係る体腔内超音波診断装置の概略ブロック図である。
【図2】 実施例2に係る体腔内超音波診断装置の概略ブロック図である。
【図3】 実施例3に係る体腔内超音波診断装置において出力される信号の説明図である。
【符号の説明】
10,230 体腔内超音波診断装置
20 送信部
30 超音波振動子
40 プリアンプ
50 バッファ
60 高速A−D変換部
62 A−D変換用IC
70 時間軸伸長部
72 FIFOメモリ
80 データ圧縮部
90 大容量記憶装置部
100 データ解凍部
110 D−A変換部
120 第1フィルタ部
130 第2フィルタ部
140 第1対数変換部
150 第2対数変換部
160 第1検波部
170 第2検波部
180 第1A−D変換部
190 第2A−D変換部
200 マルチプレクサ(MPX)
210 デジタルスキャンコンバータ(DSC)
220 CRT

Claims (4)

  1. カテーテルに内蔵された超音波振動子を励振させて被検体に超音波を送波し、該被検体から反射して得られた受信信号をA−D変換するA−D変換部と、
    該A−D変換部により得られたデータを書き込み可能で、かつ書き込み時よりも低い周波数で該データを読み出し可能な時間軸伸長部と、
    該時間軸伸長部から読み出されたデータを圧縮するデータ圧縮部と、
    該データ圧縮部により圧縮されたデータを書き込む大容量記憶装置部と、
    該大容量記憶装置部に保存された圧縮データを読み出して解凍するデータ解凍部と、
    該データ解凍部により解凍されたデータをD−A変換するD−A変換部とを備え、
    該D−A変換部のアナログ出力をフィルタ処理、対数変換、検波、A−D変換してデジタルスキャンコンバータに入力することにより、診断に最適な画像を表示することを特徴とする体腔内超音波診断装置。
  2. カテーテルに内蔵された超音波振動子を励振させて被検体に超音波を送波し、該被検体から反射して得られた受信信号をA−D変換するA−D変換部と、
    該A−D変換部により得られたデータを書き込み可能で、かつ書き込み時よりも低い周波数で該データを読み出し可能な時間軸伸長部と、
    該時間軸伸長部から読み出されたデータを圧縮するデータ圧縮部と、
    該データ圧縮部により圧縮されたデータを書き込む大容量記憶装置部と、
    該大容量記憶装置部に保存された圧縮データを読み出して解凍するデータ解凍部とを備え、
    該データ解凍部により解凍されたデジタル出力をフィルタ処理、対数変換してデジタルスキャンコンバータに入力することにより、診断に最適な画像を表示することを特徴とする体腔内超音波診断装置。
  3. 前記大容量記憶装置部との間でデータの書き込みおよび読み出しが可能な大容量リムーバブルメディアを接続可能なことを特徴とする請求項1または2記載の体腔内超音波診断装置。
  4. 前記D−A変換部からアナログ出力された信号は、NTSC規格またはPAL規格の少なくとも一方に準拠していることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項記載の体腔内超音波診断装置。
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