JP4698073B2

JP4698073B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP4698073B2
Application number: JP2001192404A
Authority: JP
Inventors: 勝徳浅房; 隆一篠村
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: JP2003000596A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、超音波診断装置に係わり、特に、超音波探触子より生体へ送波した超音波（基本波）によって生ずるエコー信号中の高調波成分を画像化することができる超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置は、被検体に超音波ビームを照射し、エコー信号を受信し、この受信信号を画像化して、表示するものである。超音波画像の深度方向に対する分解能（距離分解能）は使用される超音波の周波数が高い程良い。しかし、送信する超音波の周波数を高くすると超音波の減衰によって深部が見えにくくなる。これを解決する方法に送信する超音波の周波数を２MHz程度の低い周波数とし、生体内から得られるエコー信号の高調波成分を画像化する、いわゆるハーモニックイメージングが普及してきている。このハーモニックイメージングのためには、探触子から生体内へ送波した超音波の周波数帯域の大部分（基本波成分）をエコー信号から除去し、高周波成分を抽出する手法が用いられている。
【０００３】
エコー信号から上記基本周波成分を除去し、高調波成分を抽出する技術として、USP,5,706,819および、USP,5,632,277がある。これらは、極性が正反対の超音波パルスまたは180°の位相差を有した超音波パルスを1ビーム方向に2回送信し、受信した超音波受信信号を加算することによって、基本周波成分を除去し、高調波成分を抽出するものである。両技術によれば、基本周波成分を次数の高いフィルタを使用することなしに、除去することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとしている課題】
しかし、これら従来方式の場合、1つの超音波走査線における画像データを得るために、2度の超音波送信パルスを送信する必要があった。そのため、一定の間隔で超音波送信パルスを送る場合、通常のBモード走査と比較し2倍の計測時間を必要とする。このため同じ走査領域で比較した場合、これらの従来技術はBモードの1／2のフレームレートとなるため、心臓等の動きを有する臓器の場合、良い画像が得られなかった。
【０００５】
本発明の目的は、超音波診断装置において、フレームレートを低下させないでエコー信号から基本周波成分を除去し、高調波成分を抽出してそれを画像化することができる超音波診断装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、被検体内へ超音波を送信する超音波送信部と、前記被検体内から反射するエコー信号を受信する超音波受信部と、反射エコー信号の整相、加算処理を行う整相加算部と、この整相加算部から出力された信号に対し画像化前処理を行う信号処理部と、前記反射エコー信号を画像に変換するためのデジタルスキャンコンバータ部と、前記エコー信号から血流や、臓器移動を検出し、それらをカラー表示をするための演算処理を行うカラードプラ演算部と、画像を表示する表示手段を有する超音波診断装置において、前記超音波受信部とディジタルスキャンコンバータの間に、前記エコー信号をディジタル信号へ変換するA/D変換器と、このA/D変換器の出力に任意の遅延時間を与える遅延回路と、この遅延回路の出力の位相を可変制御する位相制御回路と、前記遅延回路と位相制御回路へ付与する遅延データを前記エコー信号から演算する演算回路と、前記エコー信号と前記位相制御回路の出力信号を合成し、前記エコー信号から基本波成分を除去し、高調波成分を抽出・強調する信号合成手段を備えたことを特徴としている。
【０００７】
【実施の実施の形態】
以下、本発明の第一の実施形態を図面により説明する。
図14は、第一の実施形態の超音波診断装置の全体構成図である。図14において、18は超音波を送信する超音波送信部、20は超音波を受信する超音波受信部、21は本発明の特徴部分である基本周波成分を除去し高調波成分を検出するための高調波検出部、22はエコー信号の整相、加算処理を行う整相加算部、23はエコー信号を断層画像化するための包絡線検出部、24は超音波のエコー信号23を画像に変換するためのディジタルスキャンコンバータ部、25は血流や、体動などを検出し、それをカラー表示するための演算処理を行うカラードプラー演算部、26は画像を表示する表示手段である。
【０００８】
次に、図1に高調波検出部21の内部構造を示す。図1において、1は遅延素子等で構成される時間遅延手段、2は2つの波を実数部も虚数部も合わせて乗算する複素乗算器、3は加算器で構成される信号合成手段、6は高調波検出のための制御信号を出力する高調波検出制御部である。
【０００９】
次に上記構成になる超音波診断装置および高調波検出部の動作を説明する。先ず、超音波送信部18から、被検体に超音波が送信される。すると、被検体からエコーが反射される。反射されたエコーは超音波受信部20により受信された後、高調波検出手段21により高調波が検出され、整相加算部22により整相加算処理が行われる。その後、包絡線検出部23により画像信号化された後、ディジタルスキャンコンバータ部24によりモニタ表示用の画像データに変換される。同時に整相加算処理されたエコー信号はカラードプラー演算部25により被検体内の血流情報等をカラー画像表示するための処理が施され、ディジタルスキャンコンバータ部24へ入力される。ディジタルスキャンコンバータ部24へ入力された２つの画像データは、択一的に又は合成されて表示手段26に表示される。
【００１０】
高調波検出部21内部の動作は、次のようである。図1において、高調波検出部21に入力されたエコー信号X（t）は、高調波検出制御部6で、基本周波と高調波の周波数の解析が行われ、遅延制御量nと微少な位相制御量e^-jw0t'が出力される。（高周波検出制御部6内部の具体例については、図10を用い後述する。）遅延制御量nは時間遅延手段1に送られ、n×Δt（Δtはサンプリング間隔）の時間分だけX（t）が遅延される。更に、微少な位相制御量e^-jw0t'が複素乗算器2に送られ、時間遅延手段1の出力結果に乗ぜられる。複素乗算器2の出力結果は、信号合成手段3に送られ、もともとのエコー信号X（t）と合成されY（t）となる。
【００１１】
時間遅延手段1による遅延量n×Δtと、微少な位相制御量e^-jw0t'による遅延量t’の和が除去したい基本周波成分の2分の1波長（T₀／2）であれば、Y（t）はX（t）から基本周波成分が除去された信号となる。これを式及び図で表すと、次のようである。ただし、ここではエコー信号X（t）は振幅がA₀、初期位相が０、周波数がω₀の基本周波X₀（t）と、振幅がA₁、初期位相が０、周波数がω₁の高調波X₁（t）より成るものとすると式（1）のように表わされる。
【数１】

図2（a）は、エコー信号X（t）を示し、図2（b）はエコー信号X（t）を基本周波X₀（t）と高調波X₁（t）の2個の波に分けて表示したものである。
【００１２】
次に、時間遅延手段１でエコー信号X（t）をn×Δtの時間分だけ遅延させると、出力X’（t）は、次式（2）のようになる。
【数２】

図3（a）は、エコー信号X（t）とそれをn×Δtだけ遅延シフトした信号X’（t）を表わし、左にシフトした図、図3（b）はX（t）とX’（t）とをそれぞれ2個の波に分けて表示したものであり、点線が遅延させる前、実線が遅延させた後の波を示している。
【００１３】
更に、エコー信号X（t）をn×Δtだけ遅延シフトした信号X’（t）に対し複素乗算器2により位相制御量e^-jw0t'が掛け合わされると、出力X”（t）は次式（3）のようになる。
【数３】

図4（a）は、X’（t）とこれを位相遅延制御量e^-jw0t'で遅延シフトしたX”（t）を示し、図4（b）はそれらを基本波X₀’（t），X”₀（t）と高調波X₁’（t），X₁”（t）に2個の波に分けて表示したものである。
【００１４】
ここで、n・Δt＋t’が、基本周波（ω₀）に対して180°、高調波（ω₁）に対して360°の遅延とする。すると、式（3）は次式（4）のように変形される。
【数４】

【００１５】
最後に信号合成手段3の出力Y（t）は、式（1）と式（4）より、次のように合成される（図5）。
【数５】

ここで、t’＜＜T₀とすると、
【数６】

よって、式（6）より、エコー信号から基本周波成分を除去し且つ、高調波成分を抽出することができる。図5では、高調波X₁（t）が強調されてX₁（t）＋X₁”（t）となるのに対して、もともとX（t）に含まれていたX₀（t）が除去されている。
【００１６】
次に図10を用い、高調波検出制御部6の内部構造を説明する。図10において、7はFFT演算手段やウェーブレット演算手段などの周波数解析手段、8はレジスタ、比較器等で構成される基本周波数検出手段、9はメモリ10、12やカウンタ11で構成される遅延位相制御手段である。
【００１７】
高調波検出制御部6の動作を説明する。先ず、周波数解析手段7は、時間応答のエコー信号X（t）から周波数応答のエコー信号X（f）に変換する。基本周波数検出手段8は、各周波数の反射エコー信号強度を比較し、最大値をとる周波数f0を出力する。遅延位相制御手段9は、基本周波数検出手段8の出力f₀に対し、概ね遅延間隔がT₀／2になるための遅延量であるサンプリング間隔の数nと、前記サンプリング間隔×nでは、正確にT₀／2にならなかった分として、補正の位相回転量（位相制御量）e^-jw0t'を出力する。
【００１８】
次に、本発明の第二の実施形態を図面により説明する。図15は、第二の実施形態の超音波診断装置の全体構成図である。第二の実施形態では、第一の実施形態と対比して、高調波検出部21と整相加算部22の配置の順番が入れ変わっている。このことによって、整相加算した後高調波の検出を行うので、高調波検出部において必要な回路のチャンネル数が1個で済む。
【００１９】
次に、本発明の第三の実施形態を図面により説明する。図16は、第三の実施形態における超音波断層装置の全体構成図である。第三の実施形態では、整相加算部22の中に高調波検出部21が設けられている。この構造にすることによって、複素乗算器や加算器を整相加算部22と高調波検出部2で共有できるので、回路の規模を小さくすることができる。
【００２０】
次に、本発明の第四の実施形態を図面により説明する。図11は、第四の実施形態における高調波検出部21の内部構造である。4は新たに追加された複素乗算器である。本実施形態では、エコー信号X（t）とともに高調波成分の単位ベクトルe^-jw0t'が入力され、複素乗算器4でX（t）に乗算される。これにより、エコー信号X（t）の高調波成分がベースバンドに周波数シフトされるので、高調波成分の検出精度が改善される。一方、入力される単位ベクトルが基本周波（ω₀）の場合には、基本周波成分がベースバンドに周波数シフトされるので、基本周波成分の検出精度が改善される。
【００２１】
第四の実施形態の場合には、高調波検出制御部6の内部構造は、図11に示すようである。図11の場合には、第一の実施形態の図10の場合と比較して、レジスタ8の出力f0が、直接メモリ12に入力されるという違いがある。第四の実施形態の場合には、周波数シフトをさせてから遅延位相制御を行うので、遅延位相制御を行う際にf0をも考慮に入れて計算しなければならないためである。
【００２２】
一方、通常超音波受信信号は、ある包絡線を有するパルス波形であるので、実際の高調波検出部内の信号の流れは図7のようになる。図7（a）はエコー信号を、図7（b）は反射エコー信号を2つの波形に分解したものを、図7（c）は複素乗算器2の出力を、図7（d）は信号合成手段3の出力を示している。これによれば、基本周波成分と高調波成分で包絡線の形状に違いがあるので、パルスの始点と終点付近で基本周波成分の除去率が小さくなる。しかし、この基本波成分を完全に除去できないことにもメリットがある。すなわち、包絡線検出部23から出力された信号をディジタルスキャンコンバータ部24で画像化してモニタ26へ表示すると、基本波と高調波が合成されて表示される。したがって、高調波を生じない部位は基本波で表示され、高調波を生ずる部位は高調波が強調されて画像に表示される。
【００２３】
次に、本発明の第五の実施形態を図面により説明する。図8は、第五の実施形態における高調波検出部21の内部構造である。図8において、5は加算器である。第五の実施形態では、時間遅延手段1、複素乗算器2、高調波検出制御部6をn組有している。本実施形態では、振幅と遅延時間を変えた波をn組作成し、加算するので、基本周波成分と高調波成分に含まれる包絡線の影響を図9のように除去できる。
【００２４】
第五の実施形態の場合には、高調波検出制御部6の内部構造は、図12のようである。図12において、13は基本周波成分および高調波成分の帯域幅を検出するための帯域幅検出部、14は遅延させて作成する波形の係数（振幅と遅延時間）を計算するための係数計算手段である。この高調波検出制御部6は、各波の帯域を検出した後、基本周波と高調波の帯域の境界を判別し、遅延波の係数を決め各波を分離するので、分離精度が高まる。
【００２５】
更に図13は、上記係数を求めるために最適化をする手順を模式的に示した図である。図13において、15はレジスタ、乗算器、加算器等で構成されるフィルタ、16は減算器、17はレジスタ、メモリ、比較器等で構成される最小2乗誤差演算手段である。この模式図のように、1度信号を合成した後、再度フィルタをかけ減算処理を行い、最小2乗法により最適な係数値と求めるといった手順をとれば、基本周波成分の除去率が高くなる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、エコー信号をもとに遅延信号を作成し、エコー信号と遅延処理されたエコー信号とを合成することにより、高調波成分を抽出し、強調し、画像化表示するようにしたので、フレームレートの低下を招くことがなく、診断し易い画像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態における高調波検出部の内部構造を示すブロック図。
【図２】模式的エコー信号X（t）と、それを基本波成分と高調波成分に分解して示した波形図。
【図３】基本波成分X（t）と時間遅延手段によりそれを遅延シフトした際の波形を示す図。
【図４】図3に示す信号X’（t）と複素乗算器によりそれを位相遅延制御した際の波形を示す図。
【図５】信号合成手段の出力波形を示す図。
【図６】本発明の第四の実施形態における高調波検出部の内部構造を示すブロック図。
【図７】実際のエコー信号の高調波成分を抽出し強調する処理手順における信号波形を示す図。
【図８】本発明の第五の実施形態における高調波検出部の内部構造を示すブロック図。
【図９】包絡線の影響を除去した波形を示す図。
【図１０】本発明の第一の実施形態における超音波検出制御部の内部構造を示すブロック図。
【図１１】本発明の第四の実施形態における超音波検出制御部の内部構造を示すブロック図。
【図１２】本発明の第五の実地形態における超音波検出制御部の内部構造を示すブロック図。
【図１３】係数を求めるために最適化する手順。
【図１４】本発明の第一の実施形態における超音波診断装置の全体構成図を示すブロック図。
【図１５】本発明の第二の実施形態における超音波診断装置の全体構成図を示すブロック図。
【図１６】本発明の第三の実施形態における超音波診断装置の全体構成図を示すブロック図。
【符号の説明】
１…時間遅延手段、２…複素乗算器、３…信号合成手段、６…高調波検出制御部、２１…高調波検出部

Claims

被検体内へ超音波を送信する超音波送信部（１８）と、前記被検体内から反射するエコー信号を受信する超音波受信部（２０）と、前記受信されたエコー信号に整相、加算処理を行う整相加算部（２２）と、前記整相加算された信号を画像に変換するディジタルスキャンコンバータ部（２４）と、前記変換された画像を表示する表示手段（２６）と、前記受信されたエコー信号について基本波と高調波の周波数成分を解析する高調波検出部（２１）と、を有する超音波診断装置であって、
前記高調波検出部（２１）は、前記受信されたエコー信号から周波数応答のエコー信号に変換する周波数解析手段（７）と、各周波数の反射エコー信号強度を比較し、最大値をとる周波数を基本波の周波数（ｆ０）成分として出力し、前記基本波の周波数（ｆ０）成分を除去する手段と、を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
前記高調波検出部（２１）は、前記基本波の周波数（ｆ０）成分に対し、遅延間隔が基本波の周波数成分の２分の１波長になるための遅延量であるサンプリング間隔とその数と、周波数成分の２分の１波長にならなかった分として、補正の位相制御量とを出力する遅延位相制御手段（９）と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
前記高調波検出部（２１）は、前記整相加算部（２２）の後段に配置され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。
前記高調波検出部（２１）は、前記整相加算部（２２）の中に設けられ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。
前記整相加算されたエコー信号を断層画像化する包絡線検出部（２３）と
前記断層画像化された包絡線信号を画像に変換する前記ディジタルスキャンコンバータ部（２４）と、を有し、
前記遅延位相制御手段（９）は、前記出力された基本周波数（ｆ０）成分を記憶するメモリ（１２）を具備することを特徴することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の超音波診断装置。