JP4565822B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、関心領域の画像の画質向上を図った超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、複数の振動子が配列された探触子を介し、被検体に超音波を照射すると共に被検体から発生する複数の反射エコー信号を受信し、受信された各反射エコー信号をサンプリングしてディジタル信号に変換する。そして、複数の振動子に対応するディジタル化された反射エコー信号を整相加算部によりフォーカスデータを用いて整相加算して各サンプリング点における反射エコー信号を求め、その反射エコー信号から超音波診断画像（例えば、Ｂモード像、Ｍモード像、ドプラ像等）を再構成するようになっている。

このような超音波診断装置において、超音波診断画像上の特定部位について詳細に観察したい場合、その特定部位の位置に関心領域を設定し、その関心領域の画像の画質を変えることが一般に行われている。例えば、心臓の心壁の部位について詳細に観察する場合、その心壁部分に関心領域を設定し、関心領域に対応する反射エコー信号のゲインを関心領域外のゲインより大きな値にした後、その反射エコー信号から心壁に比べて比較的遅い動きをする肋骨の信号をフィルタにより取り除くことなどが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１０７８９６号公報（第５頁、第５図）

ところで、特許文献１のような超音波診断画像のゲインを調整する技術のほか、関心領域の画像の画質を向上させる技術として画像分解能を調整することが試みられている。画像分解能とは、近接して存在する２つの対象物体を分離して表示する能力のことである。画像分解能を高くするには、例えば、深度方向に隣接する全サンプリング点ごとに遅延時間差を考慮したフォーカスデータ（遅延データ）を予め設定することにより、各サンプリング点における整相精度を向上させることが考えられる。

しかし、サンプリング点は、例えば周波数５０MHｚでサンプリングする場合、深度方向に数ｃｍでも数千点を超える膨大な数になる。したがって、深度方向に隣接する複数ｎ（ｎ：２以上の自然数）のサンプリング点ごとにフォーカスデータ（以下、標準フォーカスデータ）を共通化してデータ数を減らすことにより、そのデータを格納するメモリ容量の増大を抑える方法が一般に採用される。

また、整相加算部がアナログ信号を処理するハードウェアにより構成されている場合、一旦設定された標準フォーカスデータを高精度のものに変更するとき、ハードウェアの構成変更を伴うため、変更作業が煩雑になり時間がかかる。特に、関心領域が診断画像上で任意に変更される場合、その変更ごとにハードウェアを変更するようにすると、使い勝手が悪くなるばかりでなく超音波診断のリアルタイム性を損なうという問題がある。

本発明の課題は、フォーカスデータ数の増大を抑えつつ、任意に変更される関心領域の画像分解能が他の部分に比べて高い超音波診断画像をリアルタイムに取得することにある。

上記課題を解決するため、本発明の超音波診断装置は、被検体との間で超音波を送受信する複数の振動子を配列してなる探触子と、その振動子を駆動する駆動信号を生成する送信部と、その各振動子により受波された各反射エコー信号をサンプリングしてディジタル信号に変換するＡＤ変換部と、１の送波に対応する複数の振動子のディジタル化された反射エコー信号を、深度方向に隣接する複数ｎ（ｎ：２以上の自然数）のサンプリング点ごとに共通に設定されたフォーカスデータを用いて各サンプリング点ごとに整相加算して各サンプリング点における反射エコー信号を求める整相加算部と、この整相加算された反射エコー信号に基づいて再構成した超音波診断画像を表示する表示部と、前記各部を制御する制御部とを備え、この制御部は、関心領域が設定されたとき、その関心領域内のｎ未満の１又は複数のサンプリング点ごとに関心領域用フォーカスデータを演算し、整相加算部は、その関心領域内のサンプリング点における反射エコー信号を、関心領域用フォーカスデータを用いて整相し、該関心領域外では、前記深度方向に隣接する複数ｎのサンプリング点ごとに共通に設定されたフォーカスデータを用いて各サンプリング点ごとに整相加算することを特徴とする。

これによれば、関心領域用フォーカスデータは、関心領域内に限って演算すればよいことから、全領域を対象にする場合に比べてデータ数を少なくすることができる。また、関心領域が任意に変更されても、その変更後の関心領域用フォーカスデータをリアルタイムに演算することができる。さらに、関心領域用フォーカスデータに設定された遅延時間は、標準設定のフォーカスデータの遅延時間に比べて細かく段階的に設定されているから、関心領域用フォーカスデータは高精度のものになり、関心領域の画像分解能が他の部分に比べて高い超音波診断画像を表示することができる。

この場合において、関心領域の画像分解能をより一層高くするために、深度方向に隣接する複数ｎのサンプリング点ごとにフォーカスデータを共通化することに代えて、深度方向の各サンプリング点ごとに遅延時間差が設定された関心領域用フォーカスデータを用いるのが望ましい。

また、上記の関心領域用フォーカスデータは、関心領域の位置データから演算することができる。例えば、診断画像上に関心領域が設定又は再設定されると、その関心領域の位置データ（位置、大きさ、範囲等）が取得される。取得された位置データとサンプリングクロック間隔とに基づいて関心領域内の複数のサンプリング点が特定される。特定された各サンプリング点から各振動子までの距離が求められ、求められた距離に基づいて各振動子に反射エコー信号が到達する時間が計算される。そして、計算された到達時間と基準時間との差分が整相するための遅延時間とみなされることになり、関心領域用フォーカスデータが設定される。なお、基準時間として、例えば、複数の振動子により形成された口径の中心位置に反射エコー信号が到達する時間を用いることができる。

本発明によれば、フォーカスデータ数の増大を抑えつつ、任意に変更される関心領域の画像分解能が他の部分に比べて高い超音波診断画像をリアルタイムに取得することができる。

本発明を適用してなる超音波診断装置の一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、関心領域の画像分解能が他の部分より高い超音波診断画像を表示するために、精細度が異なる２種類のフォーカスデータを用意し、関心領域に限って精細度の高い方のフォーカスデータを用いて整相するようにした一例である。図１は、本発明の一実施形態の超音波診断装置のブロック図、図２は、フォーカスデータの説明図、図３は、超音波走査のフローチャート、図４は、超音波走査の概念図、図５は、超音波走査のタイムチャート、図６は、関心領域における整相処理の説明図を示している。

図１に示すように、超音波診断装置１は、探触子１０、送受信部１２、アナログ−ディジタル変換器１４（以下、ＡＤ変換器１４）、整相加算部１６、信号処理部１８、ディジタルスキャンコンバータ２０（以下、ＤＳＣ２０）、表示部２２、メモリ３４,３６、制御部２４、操作卓３５などから構成されている。

探触子１０は、被検体との間で超音波を送受信するものであり、複数の振動子１１が配列して形成されている。送受信部１２は、送信部１２−１と受信部１２−２を有しており、送信部１２−１は、振動子１１を駆動する駆動信号を生成し、受信部１２−２は、振動子１１により受波された反射エコー信号に増幅などの処理を施す。ＡＤ変換部１４は、複数ｍ（ｍ：自然数）の変換回路を有しており、送受信部１２から出力される各反射エコー信号をサンプリングしてディジタル信号に変換する。なお、ｍは口径を形成する振動子に対応する。

整相加算部１６は、複数ｍの補正回路を有する遅延量補正部２６、メモリ２８、加算器３０などを有している。遅延量補正部２６は、振動子１１に対応するディジタル化された反射エコー信号を、深度方向に隣接する複数ｎ（ｎ：２以上の自然数）のサンプリング点ごとに共通に設定されたフォーカスデータＡを用いて整相する。メモリ２８は、遅延量補正部２６に付与するフォーカスデータを配列したフォーカスデータテーブルを格納している。また、加算器３０は、整相されたｍ個の反射エコー信号を加算する。信号処理部１８は、加算された反射エコー信号に対し検波や対数圧縮などを施して画像信号に変換する。ＤＳＣ２０は、変換された画像信号を表示用の信号に変える。表示部２２は、表示用の画像信号をモニタに表示する。

また、制御部２４は各部を制御するものであり、演算機能部２４−１、セレクタ機能部２４−２を有している。メモリ３４は、フォーカスデータＡすなわち標準用フォーカスデータＡを格納する。また、メモリ３６は、フォーカスデータＡに比べて高精細度なフォーカスデータＢすなわち関心領域用フォーカスデータを格納する。操作卓３５は、トラックボール、キーボード、又はマウスなどの方向指示装置などを有し、入力指令を制御部２４に伝達する。

このように構成される超音波診断装置１の詳細構成を動作と共に説明する。まず、被検体に探触子１０を接触させる。そして、複数（例えば１５０）の振動子１１のうち複数ｍ（例えば５０）の振動子１１―１〜１１−ｍがチャネル選択スイッチにより選択される。選択された振動子１１―１〜１１−ｍに送受信部１２から駆動パルスが供給されることにより、その振動子１１―１〜１１−ｍから超音波が被検体に送波される。被検体から発生した反射エコー信号は振動子１１―１〜１１−ｍにより受波された後、送受信部１２により増幅などの受信処理が施される。このような超音波の送受信操作が、図５の（ａ）に示すように、制御部２４から出力された送受波タイミングパルスに基づいて繰り返される。例えば、口径を構成する１つの振動子１１（チャネル）に着目すると、Ｌレベルの区間（Ｔ１）で超音波が送波され、Ｈレベルの区間（Ｒ２）で反射エコー信号が受波される。

そして、各振動子１１−１〜１１−ｍにより受波された反射エコー信号は、ＡＤ変換部１４によりサンプリングされてディジタル信号に変換される。ディジタル化された反射エコー信号は、メモリ２８から読み出されたフォーカスデータＡに基づいて、遅延量補正部２６により整相される。整相された各反射エコー信号は、加算部３０により加算され、加算された反射エコー信号は、信号処理部１８により検波や対数圧縮などが施されて画像信号に変換される。変換された画像信号は、ＤＳＣ２０により表示用の信号に変えられた後、表示部２２のモニタに超音波診断画像（例えば、Ｂモード像、Ｍモード像、ドプラ像等）として表示される。

このような超音波装置においては、フォーカスデータ、すなわち整相するために各反射エコー信号にそれぞれ与える遅延量や微少遅延量などのデータの数を減らすために、深度方向に隣接する複数ｎ（本実施形態ではｎ＝４）のサンプリング点ごとに共通に設定されたフォーカスデータＡを用いるのが一般的である。

このフォーカスデータＡについて図２を参照して簡単に説明する。図２に示すように、口径を構成する振動子１１−１〜１１−ｍが所定のピッチ間隔で配列している。その口径の中心に基準位置Ｏが設定されており、基準位置Ｏから被検体の深度方向に複数ｐのサンプリング点Ｓ１〜Ｓｐが設定されている。なお、ｐはサンプリングクロック数に等しく、各サンプリング点の間隔はサンプリングクロック間隔に等しい。

フォーカスデータＡを設定するには、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、まず、サンプリング点Ｓ１〜Ｓｐを幾つかのグループ、すなわちフォーカス段に分ける。本実施形態では、４つのグループ（ｘ）、（ｙ）、（ｚ）、（ｗ）に分けられている。分けられた各グループ、例えばグループ（ｘ）に４つのサンプリング点Ｓ１〜Ｓ４が属するようにされている。そして、グループ（ｘ）のサンプリング点Ｓ１〜Ｓ４における反射エコー信号は、同一のフォーカスデータ（ｘ）を用いて整相される。他のグループ（ｙ）、（ｚ）、（ｗ）についても同様である。このようなフォーカスデータ（ｘ）、（ｙ）、（ｚ）、（ｗ）の集まりがフォーカスデータAとして設定されてメモリ３４に保存される。そして、メモリ３４のフォーカスデータＡが、制御部２４に指令に基づいて、標準データとしてメモリ２８に転送される。なお、説明の便宜のため同一グループに４つのサンプリング点が属した例を説明したが、その数は適宜変更すればよい。

ここで、超音波診断画像上に関心領域が設定又は変更された場合の動作について説明する。まず、操作卓３５から関心領域が診断画像上に任意に設定又は変更される。設定された関心領域の位置データ（位置、大きさ、範囲等）が表示部２２の表示座標に基づいて取得される。取得された位置データとサンプリングクロックのクロック間隔とに基づいて、図２（ａ）に示すように、関心領域内の深度方向の複数ｐのサンプリング点Ｓ１〜Ｓｐが特定される。その各サンプリング点Ｓ１〜ＳＰから各振動子までの距離が求められ、求められた距離に基づいて各振動子に反射エコー信号が到達する時間が計算される。例えば、振動子１１−１からサンプリング点Ｓ６までの距離Ｌ１を求め、求めた距離Ｌ１に基づいて振動子１１−１に反射エコー信号が到達する時間を計算する。この到達時間と基準位置における反射エコー信号の到達時間との差分が整相するための遅延時間τ１とみなされる。振動子１１−２〜１１−ｍについても同様に遅延時間τ２〜τｍが同様に計算される。

このように求められた遅延時間τ１〜τｍがフォーカスデータＢ（すなわち、関心領域用フォーカスデータ）として各サンプリング点Ｓ１〜Ｓｐごとに設定されてメモリ３６に保存される。これにより、フォーカスデータＢは、フォーカスデータＡのように４つの各グループごとに共通化されたものではなくサンプリング点Ｓ１〜Ｓｐごとに遅延時間を考慮して設定されることから、フォーカスデータＡに比べて整相の精細度が高いものになる。なお、基準時間には、基準位置Ｏに反射エコー信号が到達した時間を用いているが、適宜設定することができる。

超音波走査が開始されると（Ｓ１００）、超音波ビームのビームアドレスの初期化が行われる（Ｓ１０２）。ビームアドレスは、走査方向に対応する横軸の走査アドレス（ｉ）と、深度方向に対応する縦軸の深度アドレス（ｊ）の２つのアドレスにより特定される。次いで、図４に示すように、走査アドレス（ｉ）が順に変えられるごとに（Ｓ１０３）超音波が各振動子から送波されると同時に、深度アドレス（ｊ）が順に変えられて各サンプリング点に対応した複数ｐの受信ビームが形成される。

次に、ビームアドレス（ｉ、ｊ）が関心領域内に相当するか否かが判定される（Ｓ１０５）。関心領域外に該当すると判定された場合、フォーカスデータＡがメモリ２８から読み出され、読み出されたフォーカスデータＡに基づいて反射エコー信号が整相される（Ｓ１０６）。一方、関心領域内に該当すると判定された場合、メモリ３６のフォーカスデータＢが読み出されてメモリ２８に書き込まれる。次いで、メモリ２８のフォーカスデータＢに基づいて反射エコー信号が整相される（Ｓ１０７）。なお、ビームアドレス（ｉ、ｊ）が関心領域外になったとき、メモリ３４のフォーカスデータＡがメモリ２８に再び戻されるようになっている。そして、走査アドレス（ｉ）と深度アドレス（ｊ）が設定値になったとき（Ｓ１０８、Ｓ１０９）、超音波走査が終了する（Ｓ１１０）。このような超音波走査により、複数の超音波ビームが形成されて１画面分の診断画像が取得される。

関心領域が設定されたときの整相処理について更に詳細に説明する。診断画像上に関心領域が設定又は変更されると、例えば、図５（ｂ）に示すＲＯＩタイミング信号が生成される。これにより、フォーカスデータＡ、Ｂを切り替えるタイミングが決定される。図示のＲＯＩタイミング信号は、Ｈレベルの区間がビームアドレスが関心領域に該当しない時間を示し、Ｌレベルの区間が関心領域に該当する時間を示している。

超音波ビームの走査アドレス（ｉ）が順に変えられて図４のアドレス（Ｋ）になったとき、すなわちＲＯＩタイミング信号がＨレベルからＬレベルになったとき、フォーカスデータの切替処理が行われる。例えば、メモリ３４からフォーカスデータＡが、またメモリ３６からフォーカスデータＢがそれぞれ読み出される。読み出されたフォーカスデータＡ、Ｂに基づいてフォーカスデータテーブル４０が作成され、作成されたフォーカスデータテーブル４０がメモリ２８に書き込まれる。このようなデータの読み出しからテーブルの書き込みまでの一連の処理（データ転送処理）は、超音波の送波時間（例えば、図５（ａ）に示す時間Ｔ２）内に行われる。したがって、超音波の受信時間に遅れが生じることがなく超音波診断のリアルタイム性を確保することができる。なお、ＲＯＩタイミング信号がＬレベルからＨレベルに戻ったとき、超音波の送波時間（例えば、図５（ａ）の時間Ｔ４）内に、メモリ３４のフォーカスデータＡがメモリ２８に戻される。

フォーカスデータテーブル４０は、例えば図６に示すようなものであり、関心領域にフォーカスデータＢが対応するように、フォーカスデータＡ（Ｄ１、Ｄ２…）、フォーカスデータＢ（Ｒ１、Ｒ２、…）、フォーカスデータＡ（…Ｄ（Ｎ））の順に配列されている。最初にフォーカスデータテーブル４０の深度方向の値（ｊ）が最も小さいデータ例（τ１、τ２、…τｍ）が読み出され、読み出されたデータ列の各データが補正回路２６−１、２６−２、…、２６−ｍに付与されるようになっている。そして、深度方向の値（ｊ）が変えられて次のデータ列が順に読み出されるようになっている。

このような一連の動作は制御部２４により制御される。例えば、制御部２４の演算機能部２４−１は、設定された関心領域の位置データの取得及び演算、フォーカスデータA及びＢの演算、超音波の送受波タイミング信号の生成、ＲＯＩタイミング信号の生成、フォーカスデータの切替タイミングの決定などを行う。また、セレクタ機能部２４−２は、フォーカスデータＡとフォーカスデータＢの切り替え指令をメモリ３４、３６に出力する。ただし、各機能を実現する手段を個別に設け、その手段に制御指令を与えるようにしてもよい。

本実施形態によれば、フォーカスデータＢは、関心領域に限って演算すればよいことから、全領域を対象にする場合に比べてデータ数が少ないものになる。また、フォーカスデータＡ、Ｂの切替は１回の送信区間ごとに可能であるため、関心領域が任意に変更されても、その変更後のフォーカスデータＢをリアルタイムに演算することができる。さらに、フォーカスデータＢに設定された遅延時間は、フォーカスデータＡに設定された遅延時間に比べて細かく段階的に設定されているから、フォーカスデータＢは高精細度のもとになる。これにより、関心領域の画像分解能が他の部分に比べて高い超音波診断画像をリアルタイムに表示することができる。

また、本実施形態では、フォーカスデータＢを各サンプリング点ごとに設定する例を説明したが、フォーカスデータＢは、関心領域内のｎ未満の１又は複数のサンプリング点ごとに設定されてもよい。要するに、フォーカスデータＢは、フォーカスデータＡに比べて整相の精細度が高くなるように、フォーカスデータAに比べて細かく段階的に設定されたものであればよい。

また、フォーカスデータＢの計算アルゴリズムは様々なものを適用することができる。本実施形態では、関心領域の位置データから演算する例を説明したが、フォーカスデータＡに基づいた補間計算を用いることもできる。その場合、補間計算を実行するために、遅延量補正部２６は、ソフトウェアによる変更が可能なＤＳＰ（Digital Signal Processor）やリアルタイムシグナルプロセッサ、リコンフィギュラブルプロセッサなどの演算システムから構成されるのが好ましい。

さらに、複数の計算アルゴリズムを予め設定し、そのうちから特定のアルゴリズムを適宜選択できるようにすることが望ましい。これによれば、超音波の送信時間（例えば、図５のＴ２）が超音波パルスの繰り返し周波数（ＰＲＦ）の変化により短くなったときでも、その送信時間の間に転送可能なデータを生成するアルゴリズムを選ぶことにより、超音波の受信処理に遅れが生じることを回避でき、超音波診断のリアルタイム性を確実に確保することができる。

本発明の一実施形態の超音波診断装置のブロック図である。 フォーカスデータの説明図である。 本発明の一実施形態の超音波走査のフローチャートである。 本発明の一実施形態の超音波走査の概念図である。 本発明の一実施形態の超音波走査のタイムチャートである。 関心領域における整相処理の説明図である。

符号の説明

１ 超音波診断装置
１０ 探触子
１２ 送受信部
１４ ＡＤ変換部
１６ 整相加算部
２２ 表示部
２４ 制御部
２４−１ 演算機能部
２４−２ セレクタ機能部
２８ フォーカスデータテーブル格納用メモリ
３４ フォーカスデータＡ格納用メモリ
３６ フォーカスデータＢ格納用メモリ

Claims (3)

1. 被検体との間で超音波を送受信する複数の振動子を配列してなる探触子と、
   前記振動子を駆動する駆動信号を生成する送信部と、前記各振動子により受波された各反射エコー信号をサンプリングしてディジタル信号に変換するＡＤ変換部と、
   １の送波に対応する前記複数の振動子のディジタル化された反射エコー信号を、深度方向に隣接する複数ｎ（ｎ：２以上の自然数）のサンプリング点ごとに共通に設定されたフォーカスデータを用いて各サンプリング点ごとに整相加算して各サンプリング点における反射エコー信号を求める整相加算部と、
   該整相加算された反射エコー信号に基づいて再構成した超音波診断画像を表
   示する表示部と、
   前記各部を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、関心領域が設定されたとき、該関心領域内のｎ未満の１又は複数のサンプリング点ごとに関心領域用フォーカスデータを演算し、前記整相加算部は、前記関心領域内のサンプリング点における反射エコー信号を、前記関心領域用フォーカスデータを用いて整相し、該関心領域外では、前記深度方向に隣接する複数ｎのサンプリング点ごとに共通に設定されたフォーカスデータを用いて各サンプリング点ごとに整相加算することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記関心領域用フォーカスデータは、前記深度方向の各サンプリング点ごとに演算されることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記表示部は、前記関心領域の画像分解能が他の部分に比べて高い超音波診断画像を表示することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波診断装置。

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