JP4656892B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、走査密度を変更できる機械走査式超音波診断装置に関する。

超音波診断装置における超音波ビーム走査方式として、電子走査式と機械走査式が知られている。電子走査式超音波診断装置は、超音波ビームの形成を電気的に行うため、ビームの形成位置、方向、時間の自由度が高く、近年では主流となっている。一方、機械走査式超音波診断装置は、超音波ビームの走査を機械的に行うため、ビームの形成位置、方向、時間の自由度が電子式に比較してかなり低いものの、装置構成を簡単にできることから小型、低価格な超音波診断装置として、よく用いられる。

また、電子式は、複数の超音波振動子アレイによって超音波ビームを形成させるのに対し、機械式は単円盤または複数同心円状の超音波振動子が用いられるため、電子式と比較してサイドローブの少ないビームが形成でき、高画質な超音波断層像を得ることができるという特徴を有する。

ところで、従来の機械走査式超音波診断装置により行われる超音波の送受信は、超音波ビームを形成すべき位置を、超音波振動子あるいは超音波振動子を回転させる回転軸に取り付けられたロータリエンコーダからのパルスをカウントすることで得、所定の位置で発生したエンコーダパルスを超音波送信タイミングとしている（例えば特許文献１参照）。

走査を目的とした超音波振動子の回転運動は、通常一定速度となるよう制御される。また、超音波振動子を往復運動させて往復走査を行う場合も、同様に超音波ビームを送受する期間は、超音波振動子が一定速度となるよう制御される。

ところで、機械走査式超音波診断装置では、超音波振動子をいかに一定速度となるように制御したとしても、完全に一定速度を確保することは不可能であり、ある程度の速度変動をもって回転運動または往復運動することは不可避である。特許文献１記載の超音波診断装置における超音波ビーム走査は、ロータリエンコーダのパルスをもって超音波送信タイミングとしているため、ロータリエンコーダパルスが超音波振動子の位置に対応して正しく発生される限り、速度変動に起因する超音波断層画像のゆれ、ゆがみは発生しない。

近年では、超音波診断装置のディジタル化、表示装置の高精細化が進行し、超音波断層画像の高画質化要請も高まっている。
特開平６−２２９５９号公報

従来の機械走査式超音波診断装置では、超音波ビームを形成する位置、すなわち超音波送信タイミングは、超音波振動子を回転駆動する回転軸に取り付けられたロータリエンコーダによるパルスの発生タイミングにおいてなされるため、用いられるロータリエンコーダにより一意に決定される。

すなわち、例えばロータリエンコーダが、超音波振動子の回転角度１度あたり１パルス発生するように構成されているとすれば、超音波ビームの走査密度は１度が密度限界であり、第二選択の走査密度として２パルスに一回超音波送信を行うと、２度となる。超音波ビームの走査密度は、生体内の超音波断層像を表示するために必要なエコー情報量そのものであり、走査密度が高いほど情報量が多い、つまり高画質であるということができる。

一般に超音波ビーム走査密度を高めようとすれば、１つの断層像を得る時間（フレームレート）が長くなるため、走査密度とフレームレートはトレードオフとなる。従来の機械式超音波診断装置の場合、フレームレートは、超音波振動子の回転速度そのものであってその速度選択自由度が高い一方、走査密度についてはロータリエンコーダに依存しており選択自由度が低い。従って、超音波断層像を表示させて診断作業を行う際、その観測対象となる生体内の臓器、胎児、腫瘍の位置や状態に応じて適宜走査密度を変更しようとしても極端にフレームレートを変えざるを得ず、最適な画像をもって診断したいという操作者の希望に沿うことができないという問題を有している。

また、走査密度の自由度を上げる目的で、ロータリエンコーダのパルス発生レートを上げる、複数のエンコーダを用いるなどの方法があるが、診断装置の実現コストの上昇を免れることができない。あるいは、エンコーダパルスの立ち上がり立ち下りの両エッジを利用して、超音波送信タイミングの自由度を上げるという方法もあるが、一般にエンコーダパルスのデューティを特定値に保証することは困難であり、保証すればコストが上昇し、保証しないのであれば超音波ビームの形成位置の確度が低くなるという問題も有している。

本発明は、従来の問題を解決するもので、超音波振動子の回転運動または往復運動にある程度の速度変動があったとしても、超音波断層画像のゆれ、ゆがみを発生させないという従来の特徴を維持しながら、超音波ビームの走査密度の自由度を上げることができる機械走査式超音波診断装置を提供することを目的としている。

本発明の超音波診断装置は、超音波を送受する超音波振動子と、前記超音波振動子を機械的に回転させる回転駆動手段と、前記回転駆動手段が一定速度の回転をするように制御する回転制御手段と、前記超音波振動子の回転角度に応じてパルスを発生するロータリエンコーダと、前記超音波振動子を励振させる超音波送信手段と、前記超音波振動子から得られる超音波エコーの電気信号を検波して映像信号化する受信検波手段とを備え、前記ロータリエンコーダが発生する前記パルスに基づいたタイミングにより、超音波送信手段が前記超音波振動子を励振させる。上記の問題を解決するために、前記ロータリエンコーダから得られる超音波送信直前の所定個数のパルスの複数パルス周期を計測し、前記複数パルス周期を所定数で分割したタイミングを決定する送信タイミング決定手段を有し、前記超音波送信手段は前記送信タイミング決定手段により決定されたタイミングで前記超音波振動子を励振させることを特徴とする。

この構成により、超音波振動子を励振させるタイミングの自由度を上げることができる。

また、前記映像信号を映像表示装置の走査方式に走査変換するディジタルスキャンコンバータを備えた構成にしてもよい。

また、前記超音波振動子が往復運動を行うように前記回転制御手段が構成されても良い。

この構成により、超音波振動子を往復運動させて走査することで超音波断層像を表示させる場合でも、超音波送信タイミングを精度よく予測できるとともに、超音波送信タイミングの自由度を上げることができる。

また、前記送信タイミング決定手段は、前記複数パルス周期を複数回計測し、その計測結果に基づいて、前記超音波送信手段における超音波送信タイミングを決定する構成にすることができる。

この構成により、超音波送信タイミングを１組の過去の複数パルス周期に基づいた超音波送信タイミングより、さらに精度よく予測できるとともに、超音波送信タイミングの自由度を上げることができる。

また、Ｋ回目、Ｋ−１回目の前記複数パルス周期をそれぞれＴ_K、Ｔ_K-1とし、前記所定の数をｎとすると、前記Ｋ＋１回目の超音波送信タイミングの周期が、次式により算出される構成にすることもできる。

（２×Ｔ_K−Ｔ_K-1）／ｎ

本発明の機械走査式超音波診断装置は、超音波送信タイミングを、ロータリエンコーダから得られた過去のパルス複数個分の時間に基づいて決定するので、超音波送信タイミングを精度よく予測できるとともに、超音波送信タイミングの自由度を上げることができる。このため超音波振動子の回転駆動または往復駆動にある程度の速度変動があったとしても、超音波断層画像のゆれ、ゆがみを発生しないという従来の特徴を維持しながら超音波ビームの走査密度の自由度が上がるという効果を有する。

以下、本発明の実施の形態における超音波診断装置について、図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における超音波診断装置の構成を示すブロック図である。この超音波診断装置は、生体内に超音波を送波し、生体内組織からの超音波エコーを電気信号に変換する超音波振動子１と、超音波振動子１が取り付けられているロータ１０と、ロータ１０を回転させる回転駆動部３（回転駆動手段）と、ロータ１０の回転軸に取り付けられたロータリエンコーダ２と、回転制御部４（回転制御手段）とを有する。

さらに、ロータリエンコーダ２の出力から超音波送信タイミングを決定する送信タイミング決定部７（送信タイミング決定手段）と、送信タイミング決定部７の出力により、超音波振動子１に送信パルスを送信する超音波送信部８（超音波送信手段）とを有する。さらに、超音波振動子１で超音波エコーを電気信号に変換したエコー信号を増幅、検波処理を行う受信検波部５（受信検波手段）と、検波処理されたエコー信号を送信タイミング決定部７と同期し、走査変換するディジタルスキャンコンバータ６と、走査変換した信号を表示する表示装置９とを有する。

回転駆動部３は、回転制御部４によって、ロータ１０が等角速度運動するように制御される。また近年、ロータ１０については、回転駆動部３と一体となったモータがあり、これを用いても良い。このようにロータ１０すなわち超音波振動子１が等角速度運動している間に、超音波振動子１は、超音波送信部８から供給される送信パルスによって励振され、生体内に超音波が送出される。生体に送出された超音波は、生体内の各組織から時々刻々エコーとして戻ってくる。

超音波振動子１によって電気信号に変換されたエコー信号に対し、最終的に超音波断層画像として表示できる可視信号に変換するため、受信検波部５では増幅を行うと共に検波処理を行う。検波されて得られた可視受信エコー信号は、表示装置９の走査方式に則って表示できるようディジタルスキャンコンバータ６によって走査変換され、表示部９により表示される。

ディジタルスキャンコンバータ６は、受信検波部５より次々と入力される可視受信エコー信号を、超音波断層像として表示させるために、可視受信エコー信号を２次元的にマッピングする必要があるが、このための画像開始同期信号は、送信タイミング決定部７より得る。また、ディジタルスキャンコンバータ６は、ディジタルデータとなった可視受信エコー信号を処理することで走査変換を行うため、少なくともその入力時点では、ディジタルデータとなっていることが必要である。

このため、ディジタルスキャンコンバータ６の入力部に可視受信エコー信号をディジタル化するＡ／Ｄ変換器を置く構成も可能であるが、近年では、検波処理その他のフィルタ処理をディジタル信号処理で実施することが一般化しており、この目的で受信検波部５内のいずれかにおいて、受信エコー信号をディジタル化する構成にすることも可能である。

このようにして、等角速度で運動する超音波振動子１から超音波が送受されて、生体内組織のある二次元断面の超音波断層像が得られる。しかし、ロータ１０は、完全には等角速度運動をしておらず、速度変動が生じる。そこで、送信タイミン決定部７は、超音波送信部８の超音波送信タイミングを決めるにあたって、ロータ１０の回転軸に取り付けられたロータリエンコーダ２と、ロータリエンコーダ２から出力されるパルスから、次に示すようにして、超音波送信タイミングを決定する。

図２は、第１の実施の形態におけるロータリエンコーダ２の構成を示した斜視図である。このロータリエンコーダ２は、回転軸１１と、回転軸１１に取り付けられたＺパルスロータ１２及びＡパルスロータ１３と、Ｚパルスロータ１２及びＡパルスロータ１３のそれぞれの回転により、パルスを発生するＺパルスセンサ１４とＡパルスセンサ１５とで構成されている。

Ｚパルスロータ１２は、特定の角度においてＺパルスセンサ１４が一個のパルス（以下Ｚパルス）を出力するように構成されている。例えば、磁気式エンコーダであれば、Ｚパルスロータ１２は、一回転あたり一個のＺパルスを発生するよう着磁されており、Ｚパルスセンサ１４は、Ｚパルスロータ１２の着磁部分１２ａを検出してＺパルスを出力する。

同様に、Ａパルスロータ１３は、Ａパルスセンサ１４が一回転あたり固定的に数百個のパルス（以下Ａパルス）を等角で発生するように構成されている。図２は、一回転あたり、つまりＺパルスの１周期の間に、Ａパルスが１６個出力される場合を示している。なお、本実施の形態では、磁気式エンコーダを用いた例を示しているが、光学式、機械式エンコーダを用いても本発明の構成には差し支えない。

ロータリエンコーダ２から出力されるＡパルス及びＺパルスは、送信タイミング決定部７で受信され、送信タイミング決定部７が、以下のような手順で超音波送信タイミングパルスと画像開始同期信号とを出力する方法について、図３を用いて説明する。図３は、エンコーダパルスと超音波送信タイミングの関係図である。

まず、送信タイミング決定部７は、Ａパルスｍ個分の周期（複数パルス時間）を計測し、その周期をＴ_Kとする。図３では、ｍ＝３としている。なお、その時点でのＡパルスｍ個分の周期の計測は、Ｋ回目であったとする。時間計測の好適な例としては、Ａパルスのとり得る最短周期より十分短い周期のクロックを用いて、Ａパルスｍ個分の時間をカウントする方法が挙げられる。次に、送信タイミング決定部７は、Ａパルスｍ個の周期計測完了とともに、超音波送信タイミングパルスを発し、得られた計測時間Ｔ_Kの１／ｎすなわちＴ_K／ｎを以降の超音波送信タイミングの周期として、ｎ−１個パルスを発生する。図３では、ｎ＝４としている。

図３に示すように、ｍ＝３、ｎ＝４の場合、送信タイミング決定部７は、Ａパルス３つ分の周期Ｔ_Kに対して、Ｔ_Kを計測した直後に超音波送信タイミングパルスを発し、Ｔ_K／４時間ごとに１回、合計３回のパルスを発生させる。また、その期間に、送信タイミング決定部７は、Ａパルス３つ分の周期Ｔ_K+1を計測する。

このように超音波送信タイミングの周期を決定したのは、超音波振動子１がある程度の速度変動をもって回転運動していたとしても、直前の速度は、直後の速度ときわめて高い相関をもっているという予測に基づいている。すなわち、Ｋ回目で得られたＴ_Kは、直後のＡパルスｍ個分の周期に高い相関をもって引き継がれるであろうから、直後のＡパルスｍ個分の間は、Ｔ_K／ｎなる周期を超音波送信タイミングとすることでロータ１０に対してほぼ等角に超音波を発することができると言えるのである。

Ｔ_K／ｎなる周期で超音波送信している一方では、（Ｋ＋１）回目のＡパルスｍ個分の周期Ｔ_K+1を計測し、次の超音波送信タイミング生成のために備える。Ｔ_K+1は、前回のＴ_Kとは高い相関があるとはいえ実際には異なるので、（Ｋ＋１）回目の超音波送信タイミングの周期は、改めてＴ_K+1／ｎとする。これをロータ１０の全周に亘って次々繰り返すことで、超音波振動子１が速度変動をもちながら回転していたとしても、超音波ビームはほぼ等角で形成され、画像のゆれ、ゆがみを発生させない。

また、ロータリエンコーダ２の１回転あたりのＡパルス数をｊとすれば、全周の超音波送信数は、
ｊ×ｎ／ｍ ・・・（１）
で求めることができる。ｊは用いるロータリエンコーダ２に依存した固定値であるが、ｎ、ｍを送信タイミン決定部７に与えるパラメータとすることで、全周の超音波送信数すなわち超音波ビームの走査密度を適宜変更することができるようになる。

例えば、ｍ＝３、ｎ＝４の場合に、ｊ＝３００とすれば、全周の超音波送信数は４００回となり、超音波ビーム走査密度は３６０°／４００＝０．９°となり、ロータリエンコーダ２のＡパルスによる超音波ビーム走査密度（３６０°／３００＝１．２°）とは独立した走査密度を作り出すことができる。

また、図３に例示するように、ＺパルスからＳ回目の超音波送信タイミングを画像開始同期信号としている。Ｚパルスは、超音波振動子１の特定角度で出力されるので、画像開始を示すＺパルスからの超音波送信タイミングの回数Ｓを送信タイミング決定部７に与えることで、画像開始同期信号を決定することができる。さらにＳを送信タイミング決定部７に対するパラメータとすれば、画像開始同期信号の発生角度を適宜変更することができるので、超音波断層画像のスクロール操作ができるようになるのは言うまでもない。

なお、上記実施の形態は、超音波振動子１が常に一方向に回転する機械走査式超音波診断装置について述べたが、超音波振動子１を往復回転運動させ、表示すべき角度範囲を走査している期間では等角速度運動させるような超音波診断装置に対しても本発明の構成を適用することが可能である。

このようにして、Ａパルスから超音波送信タイミングを決定することにより、速度変動をもったロータによる診断画像のゆれ、ゆがみを発生させることなく、走査密度を変化させることができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態における超音波診断装置について説明する。超音波診断装置の構成は、送信タイミング決定部７におけるタイミングの生成方法が異なる以外は、第１の実施の形態と同様である。第２の実施の形態では、送信タイミング決定部７における超音波送信タイミングを、過去２回の計測により求められたＡパルスｍ個分周期から決定する方法をとる。

第１の実施形態では、Ｋ回目のＡパルスｍ個分周期Ｔ_Kをもって、得られるであろう（Ｋ＋１）回目のＡパルスｍ個分周期と予測したが、実際には速度変動しながら回転しているので当然完全には一致しない。これをさらに精度良く（Ｋ＋１）回目のＡパルスｍ個分周期を予測するために、送信タイミング決定部７が（Ｋ−１）回目のＡパルスｍ個分周期Ｔ_K-1とＫ回目のＡパルスｍ個分周期Ｔ_Kとを用いて、超音波送信タイミングを生成する構成にする。

図４は、Ａパルスｍ個分周期Ｔと、Ａパルスｍ個分周期Ｔの計測回数の関係をグラフにしたものである。実線は、それぞれの計測回数時におけるＡパルスｍ個分周期を直線で結んだものであり、破線は、計測回数（Ｋ−１）とＫ及びＫと（Ｋ＋１）におけるグラフ上の点を結んだ延長線を示している。図４に示すように、（Ｋ−１）回目で得られたＴ_K-1とＫ回目で得られたＴ_Kから、（Ｋ＋１）回目のＡパルスｍ個分周期は、Ｔ_K-1とＴ_Kを結んだ直線延長上にあると予測し、
２×Ｔ_K−Ｔ_K-1
とする。従って、Ｋ回目の周期計測後における超音波送信タイミングの周期は、
（２×Ｔ_K−Ｔ_K-1）／ｎ
である。同様に（Ｋ＋１）回目の周期計測後における超音波送信タイミングの周期は、
（２×Ｔ_K+1−Ｔ_K）／ｎ
であり、次々と繰り返しながら超音波振動子１を全周に渡って回転させる。このように、ある時点でのＡパルスｍ個分周期予測は、前回と前前回の計測結果に基づいてなされるため、回転速度が減少傾向にあるのか、あるいは増加傾向にあるのかという要素が加味され、より確からしい予測となる。

結果として、１回転あたりの超音波ビームの生成数は、式１で示す自由度を保ったまま、超音波ビームはより確からしい角度に形成できるようになる。

なお、本実施の形態では、Ａパルスｍ個分周期の最近２回分の計測結果から、次のＡパルスｍ個分周期を予測しているが、これを拡張応用して、３個以上の周期をもって予測できることは言うまでもない。例えば、３個の周期Ｔ_K-2、Ｔ_K-1、Ｔ_Kとから二次関数をあてはめ、Ｔ_K+1を推定することができる。

本発明は、超音波ビームの走査密度を変化させることができる機械走査式超音波診断装置として有用である。

本発明の第１の実施の形態における超音波診断装置のブロック図 本発明の第１の実施の形態におけるロータリエンコーダの斜視図 本発明の第１の実施の形態におけるエンコーダパルスと超音波送信タイミングの関係図 本発明の第２の実施の形態におけるエンコーダパルス周期と予測周期の関係を示した図

符号の説明

１ 超音波振動子
２ ロータリエンコーダ
３ 回転駆動部
４ 回転制御部
５ 受信検波部
６ ディジタルスキャンコンバータ
７ 送信タイミング決定部
８ 超音波送受信部
９ 表示装置
１０ ロータ
１１ 回転軸
１２ Ｚパルスロータ
１２ａ 着磁部分
１３ Ａパルスロータ
１４ Ｚパルスセンサ
１５ Ａパルスセンサ

Claims (5)

1. 超音波を送受する超音波振動子と、
   前記超音波振動子を機械的に回転させる回転駆動手段と、
   前記回転駆動手段が一定速度の回転をするように制御する回転制御手段と、
   前記超音波振動子の回転角度に応じてパルスを発生するロータリエンコーダと、
   前記超音波振動子を励振させる超音波送信手段と、
   前記超音波振動子から得られる超音波エコーの電気信号を検波して映像信号化する受信検波手段とを備え、
   前記ロータリエンコーダが発生する前記パルスに基づいたタイミングにより、超音波送信手段が前記超音波振動子を励振させる超音波診断装置において、
   前記ロータリエンコーダから得られる超音波送信直前の所定個数のパルスの複数パルス周期を計測し、前記複数パルス周期を所定数で分割したタイミングを決定する送信タイミング決定手段を有し、
   前記超音波送信手段は前記送信タイミング決定手段により決定されたタイミングで前記超音波振動子を励振させることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記映像信号を映像表示装置の走査方式に走査変換するディジタルスキャンコンバータを備えた請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記超音波振動子が往復運動を行うように前記回転制御手段が構成された請求項１または２記載の超音波診断装置。
4. 前記送信タイミング決定手段は、前記複数パルス周期を複数回計測し、その計測結果に基づいて、前記超音波送信手段における超音波送信タイミングを決定する請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
5. Ｋ回目、Ｋ−１回目の前記複数パルス周期をそれぞれＴ_K、Ｔ_K-1とし、前記所定の数をｎとすると、前記Ｋ＋１回目の超音波送信タイミングの周期が、次式により算出される請求項４記載の超音波診断装置。
   （２×Ｔ_K−Ｔ_K-1）／ｎ

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