JP4711583B2 - Ultrasonic imaging device - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、超音波を用いて被検体内組織を画像として抽出する超音波撮像装置に係り、特にそれに用いられる超音波ビームフォーマに関するものである。
背景技術
超音波装置、例えば医療画像診断に用いられる超音波撮像装置は、超音波パルス反射法を用いて生体の軟部組織の断層像や生体内を流れる血流像等をほぼリアルタイムで得て、それをモニタに表示して観察でき、また、放射線を用いる画像診断装置のように放射線被曝を被検体に与えないことから安全性も高いとされ、更に小型で安価なことも加わり、広く医療の分野で応用されている。
超音波撮像装置では、被検体内への超音波の送信及び被検体内からのエコー信号の受信のために超音波探触子が用いられる。超音波撮像装置の走査方式の一つに電子走査方式がある。電子走査型の超音波探触子は細長い棒状の振動子を一次元アレイ状に配列し、各振動子毎に所定の遅延時間を与えて駆動する。これにより超音波探触子から被検体内の所定の深度、所定の方向に収束する超音波ビームを送信する。受波は、超音波探触子の各振動子からの受波信号に振動子毎に所定の遅延時間を与えて合成することで、所定の深度、方向からの受波信号を捕らえる。このように振動子毎に遅延時間を設定し、各振動子にその遅延時間を与える処理部分を超音波ビームフォーマという。
電子走査により良好な超音波画像を得るには、超音波ビームの走査範囲全域にわたり、各振動子毎に正確な遅延時間を与えて送波することが必要となる。この方法によってのみ、予定している焦点位置に超音波を歪んだり広がったりすることなく集めることが可能となるからである。受波に関しても同様な操作を行うことで受信エコー信号のビーム形成が行われる。なお、超音波探触子には、一次元アレイ状に配列された多数の振動子から発生される超音波を振動子の配列方向と直交する方向に収束させるためのレンズ層が設けられている。
特に、近年、超音波撮像装置の整相回路がデジタル化されて以来、超音波の送受信における遅延時間の制御及び整相を容易かつ精度良く行うことが可能となった。しかし、各振動子から送波された超音波は音速一定の媒質のみを通って焦点に集まるわけではない。送波パルスは圧電振動子で電気信号から超音波に変換された後、探触子表面のレンズ層と生体組織を通って所望の焦点位置に到達する。このとき、レンズ層と生体組織では音速が異なるので、両者の界面で圧電振動子の配列方向に音の屈折が起こる。遅延時間の計算には、この屈折による効果を織り込む必要がある。屈折角はスネルの法則で求まるので、音の屈折経路を求めることで遅延時間を計算することが可能である。
しかしながら、超音波撮像装置は、1秒間に30フレーム程度の断層像を撮像するが、1フレームの撮像中に焦点位置を横方向(方位方向)に50、深さ方向(距離方向)に20程度変える必要がある。一つの口径内にある振動子の数は探触子にもよるが、32個から192個程度である。これらのことから、一つの振動子に対する遅延時間の設定を、仮に計算によって行うとしてもかなり高速に行うことが必要である。しかし、現実の超音波撮像装置に搭載するMPU(Micro Processor Unit)あるいはDSP(Digital Signal Processor)などの演算処理性能に照らしても、リアルタイム処理できる計算量には限界がある。そのため現状の超音波撮像装置においては、予め探触子毎に各焦点位置に対する遅延時間を計算したデータをハードディスクなどの記憶媒体に記憶しておく方法、あるいは、リアルタイム処理に間に合うような計算式を用いた近似計算を行う方法のいずれかで対処している。
現在、超音波撮像装置の探触子は、診断対象臓器、部位、症状等に特化した探触子が用いられており、その種類は増える一方である。そのため、前述の遅延時間のデータを記憶しておくにはかなり大容量の記憶装置が必要となる。しかし、超音波撮像装置は、価格等の制約から余り大容量の記憶装置を搭載することは現実的ではない。特に、後から開発された探触子も使えるといった拡張性を超音波撮像装置に持たせる場合に困難が生じる。また、今後主流となるであろう2次元探触子においては更に振動子数が増えることから、記憶すべきデータ量がより増大する方向にある。
一方、近似計算で遅延時間を求める方法は、従来の計算精度では、条件によって精度不足となることがある。精度は探触子の中心周波数での周期と誤差時間の比で決まるので、高精細な探触子のように中心周波数が高い、すなわち周期の短いパルスを送波する探触子が開発されるにつれて遅延時間の精度に対する要求は厳しくなる。故に、近似方式は更に精度の高いものが必要となる。また、2次元探触子への適用を考えると、一つの振動子に関する計算時間をより短くする必要が出てくるので、より厳しい方向に向かうことは前者の場合と同様である。
超音波診断に供される画像は前記デジタル整相技術の採用とも相俟って、従来と比較し格段の画質向上が達成されたが、超音波撮像装置で得られる画像は、X線装置、X線CT装置やMRI装置等の他のモダリティで得られる画像と比較した場合には更なる画質向上が要望されている。
上記超音波画像の画質向上策として、被検体内の超音波の音速を補正する技術が最近開発されつつある。従来の超音波撮像装置では、超音波を被検体内の焦点位置へ集束させるための遅延制御データを、生体の平均的な音速に基づいて設定していたが、被検体には筋肉質の者や脂肪の多い者等個体差があるため、全ての被検体へその制御データを使用した場合には、平均的には良い画像と言える画像が得られるが、被検体毎に最良の画像が得られるとは言えず、その改善が望まれていた。上記音速補正技術はこれへの対応策とされているもので、検査される被検体毎に体内の超音波伝播速度を測定または推定することにより、その値でビーム形成のための遅延時間制御データを求めるものである。この音速補正技術は、本願出願人が特許出願した、例えば特開平8−317923号や特開平10−66694号に記載されている。
しかし、超音波画像の画質は、この音速補正技術を採用しても更に改善の余地が残されていると考えられる。それは超音波伝播経路における屈折を織り込んでビーム形成することで改善されると本発明の発明者等は考えている。超音波の伝播経路における屈折としては、レンズ層による屈折が先ず問題として挙げられるが、超音波の屈折が起きるのはレンズ層と被検体との境界面に限らない。超音波撮像装置の診断対象である生体は脂肪や筋繊維、各種臓器、血液など多様な組織からなる。これらの組織中ではそれぞれ音速が異なるので、その境界面で微妙に超音波の屈折が起きる。これらの屈折の中でも、脂肪層による屈折効果をビーム形成に取り込むことが最も容易である。
その理由は、以下に挙げるように主に3つある。第一に、脂肪層は必ず皮下に存在するので、どの臓器を見るにも経皮的に超音波探触子を当てるときには超音波パルスは脂肪層を透過する。つまり脂肪層による屈折は、経皮的な探触子を用いる限り避けられない。第二に、脂肪層は生体組織の中で一番外側にあることから、屈折がもたらす焦点位置へのずれの影響は一番大きい。第三に、皮下脂肪は探触子の口径内では一定の厚みを持っていると仮定しても良いと考えられるので、血管など、他の組織の場合に比べ計算に取り込むことが容易である。
発明の開示
本発明は以上に鑑み成されたもので、その第一の目的は、超音波画像の画質を現状よりも更に向上することにある。
本発明の第二の目的は、超音波探触子のレンズ層または/及び脂肪層による超音波の屈折の影響を考慮して遅延時間を設定することができる超音波撮像装置を提供することにある。
更に、本発明の第三の目的は、上記レンズ層または/及び脂肪層による屈折の影響と、個々の被検体の超音波伝播速度とを併せて考慮して遅延時間を設定することができる超音波撮像装置を提供することにある。
脂肪層による超音波の屈折を考慮する場合、予め遅延時間を計算して記憶装置に保存しておく方式を取ろうとすると、各脂肪層厚さに対し全て計算しておく必要があるので大容量の記憶装置が必要になる。また、個人差によって脂肪層の音速が微妙に異なる場合、その場で計算出来る方が有利である。従って、本発明では、近似精度が十分で且つ計算が速く済むアルゴリズムを用い、レンズ層及び脂肪層による超音波の屈折の影響を考慮して遅延時間を求める手法を採用する。
すなわち、本発明の代表的な例における超音波撮像装置は、配列振動子を備えた超音波探触子と、超音波を被検体に対し送信または/及び受信の際に送波フォーカシングまたは受波フォーカシングを行うために各振動子に対する遅延時間を制御する遅延制御手段と、前記配列振動子と設定された焦点位置との間の超音波伝播媒体による超音波の屈折効果を織り込んで前記送波または受波のフォーカシングを行う遅延時間を生成し前記遅延制御手段へ供給する屈折補正遅延データ生成手段と、超音波画像を表示する表示ユニットを備えたことを特徴としている。そして、前記遅延制御手段には予め生体の平均音速によって求められた遅延時間データが記憶され、その記憶された遅延時間データを用いて屈折補正データを求めるための超音波送受信が先行して行われる。 前記屈折補正遅延データ生成手段は、探触子のレンズ層厚、レンズ層の音速、振動子の配列ピッチを含む前記超音波探触子に関するパラメータを用い、前記振動子と指定された焦点との間の超音波伝播経路における超音波屈折効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を演算により求める。また、前記屈折補正遅延データ生成手段は、レンズ層厚、レンズ層の音速、振動子間ピッチを含む前記超音波探触子に関するパラメータ、並びに被検体の脂肪層厚と脂肪層の音速、生体組織の音速のデータを用い、前記振動子と指定された焦点との間の超音波伝播経路における超音波屈折効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を演算により求める。さらに、前記屈折補正遅延データ生成制御手段は、計算の対象となる振動子の隣の振動子から前記焦点に至る音の経路に関するパラメータから漸化式的に解かれたパラメータを用いて遅延時間を演算により求める。
また、本発明の超音波撮像装置は、超音波画像が表示された前記表示ユニットの画面から屈折補正用の被検体の層構造に関するデータを検出する手段と、この層構造データ検出手段の出力を用いて被検体の層構造による超音波の屈折の影響を考慮に入れた遅延制御データを生成する手段とを備えたことを特徴としている。そして、前記層構造データ検出手段は画面上において移動可能な2点のカーソルを表示し、それらの画面上でのカーソル間距離を計測するキャリパを含む。
そして、本発明の超音波撮像装置は、配列振動子を備えた超音波探触子と、超音波を被検体に対し送信または/及び受信の際に送波フォーカシングまたは受波フォーカシングを行うために各振動子に対する遅延時間を制御する遅延制御手段と、前記被検体における層を成す構造の厚さを測定する手段と,前記層構造の部分の音速を測定する手段と、前記層厚測定手段によって測定された層厚と前記音速測定手段によって測定された層構造中の音速とを用いて、前記振動子と指定された焦点との間の超音波伝播経路における超音波屈折効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を求め前記遅延制御手段へ供給する屈折補正遅延制御手段と、超音波画像を表示する表示ユニットを備えたことを特徴としている。そして、前記音速測定手段は、複数の振動子が受信したエコー信号を整相処理する遅延回路の出力を用いて各受信チャンネルの遅延時間誤差を演算により求め、この遅延誤差から被検体内の音速を求める音速計測手段を含む。また、前記音速計測手段は,音速計測領域を被検体の脂肪層と、この脂肪層の内部の組織部とに特定して、各々について音速を計測する手段を含む。
さらに、本発明の超音波撮像装置は、超音波探触子のレンズ層厚、レンズ層の音速、振動子配列ピッチを含む超音波探触子に関するパラメータを用い、超音波が前記振動子を出てから指定された焦点に到達するまでに屈折する効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を計算する方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを、または、レンズ層厚、レンズ層の音速、振動子間ピッチを含む超音波探触子に関するパラメータ、並びに被検体の脂肪層厚と脂肪層の音速と脂肪層を除いた生体組織の音速のデータとを用い、超音波が前記振動子を出てから指定された焦点に到達するまでに屈折する効果を考慮して各振動子に与える遅延時間を計算する方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを内蔵したことを特徴としている。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明による超音波撮像装置の一例を示す概略構成図である。超音波撮像装置100は本体10と超音波探触子20とから成る。超音波撮像装置の本体10は、制御部11、メモリ12、画像表示部13及び超音波ビームフォーマ14を備える。制御部11には、キーボードやポインティングデバイス等の入力部15が接続されている。超音波探触子20は、超音波撮像装置の本体10に着脱自在になっており、被検体30の診断対象に応じて適切なものが選択され、装着される。超音波探触子20は、振動子アレイ21とメモリ22とを備える。本体10のメモリ12には、探触子のID番号に対応した探触子固有のデータの表、皮下脂肪層中の音速、生体組織中の音速等のデータが格納されている。ここでいう探触子固有のデータとは例えばレンズ層の厚さ、レンズ層中の音速、振動子ピッチ、コンベックス型探触子の場合はその半径、オブリーク型探触子の場合にはオブリーク角度などのパラメータ等のことである。
超音波ビームフォーマ14は、制御部11の制御の下に、超音波探触子20内の振動子アレイ21の動作を制御する。この超音波ビームフォーマを用いて、超音波ビームを被検体内で走査することで超音波画像データが得られる。制御部11は、得られた超音波画像データに基づいて、画像表示部13に被検体30の超音波断層像を表示する。
図2は、超音波ビームフォーマの一例を示すブロック図である。超音波ビームフォーマは、演算・制御回路41、パルサー42、プリアンプ及びAD変換器43、遅延回路44、加算回路45を備える。超音波ビームフォーマ14では、演算・制御回路41によって遅延時間が演算され、制御されている。演算・制御回路41はコンピュータとソフトウェアとで実現しても良い。その場合、遅延時間演算のためのプログラムをROM等の記録媒体に記録しておき、それをコンピュータで読み込む構成によって演算・制御回路41を実現する。
送波、受波それぞれのビームフォーミングの仕組みは以下の通りである。まず、演算・制御回路41から、超音波探触子20が備える振動子アレイ21の各振動子250,251,252,…,25nに接続されたパルサー群42に、各振動子の遅延時間分だけずれたタイミングでパルス信号が送られる。このパルス信号を受け取った各パルサー42は、直ちにパルス信号を自分に接続されている振動子250,251,252,…,25nに送る。振動子250,251,252,…,25nはその圧電性により電圧に応じた超音波を発生させ、被検体30内に超音波を送波する。被検体30内で反射された超音波は再び超音波探触子20の振動子アレイ21に戻り、個々の振動子250,251,252,…,25nにおいて圧電性により電気信号に変換され、プリアンプ及びA/D変換器43で増幅されデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、演算・制御回路41からの信号で調整された遅延回路44で時間をずらされて加算回路45に入り加算されることで整相加算が行われる。
次に、超音波探触子20に備えられている振動子アレイ21による超音波ビームの走査方式について説明する。超音波ビームの走査に当たっては、図3に示した超音波診断画像の例から分かるように、深さ方向と、横方向との両方に超音波ビームの焦点を移動する必要がある。ここで、図3において、Iが超音波画像とすると、超音波画像Iは点Fn1,Fn2,Fn3,…,FnN(ここに、nは1からNまでの整数)から成るN本の受信ビームデータにより構成されている。この点Fn1,Fn2,Fn3,…,FnNのデータの繋がりが1本の超音波ビームにより計測される。
図4は、焦点F11に向けて超音波パルスを送波し、焦点F11からの反射信号を検出する超音波探触子を模式的に示す図である。図4は一定時間間隔Ts毎の波面の移動についての様子を表している。図4(a)に示すように、超音波探触子の焦点をF11に合わせるには、超音波探触子の口径内振動子250〜25nから送波された超音波パルスが焦点F11に集まるように、各振動子の動作にそれぞれ遅延時間を与えて超音波を送波する。図4(a)の場合、口径の両端に位置する振動子250,25nに与える遅延時間は0であり、j番目の振動子25jに与える遅延時間Tjは、図示のように振動子250,25nの位置にある仮想的な超音波の波面WAが振動子25jの振動面に達するまでの時間である。このように各振動子の動作に遅延時間を与えて超音波を送波すると波面WAは図4(a)に示すように焦点F11に向かって収束していく。この焦点F11での反射波の波面WBは、図4(b)に示すように伝播して、両端の振動子250,25nへ到達する時刻よりも遅延時間Tjの分だけずれて振動子25jの振動子面に到達する。従って、超音波探触子の口径内振動子250〜25nの各々において遅延時間Tjの分をずらして整相した信号を加算することで、焦点F11からの反射信号を拾うことができる。
この送受信動作を点Fnn(nは1からNまでの整数)に対して行うことで画像が取得される。実際の装置では、この送受信動作はダイナミックフォーカス法として知られている方法、すなわち、送波は被検体内の関心領域(ROI:Region of Interest)内に位置する特定深度に焦点を設定して超音波を送信し、受信時は送波された超音波パルスが被検体内を進行するのに伴って浅い領域から深い領域へと受波の焦点位置を連続的に変えて1本の受信ビーム信号を得るという方法を用いる。そして、1本のビームの計測が完了したら、ビーム位置を順次隣接方向(方位方向)へ移し、同様な送受信動作を繰り返し、N本の受信ビーム信号を得て画像を形成する。
ビームを方位方向へ移動する方法には、送波口径が固定のものと、可変なものとの2通りが存在する。前者は、セクタ型探触子に用いられる走査方式であり、この方式では毎回の送受信に探触子の全振動子を用い、ビーム方向を放射状に変えていく。この場合、送波口径に対して、ビーム方向が、言い換えれば送受信の焦点が口径の正面に来る場合はわずかである。このことは後の遅延時間の計算において大きな意味をもつ。後者は、リニア型探触子やコンベックス型探触子に用いられる方式である。この方式は前者と異なり、1回の送波に探触子が備える全振動子を用いず、例えば、全振動子数が192チャンネルの探触子で、1回の送波に64チャンネルの口径を用いる。この場合、ある位置のビームを得るときにはその正面に口径を位置させて送受信し、ビーム位置の移動は口径を動かすことでなされ、前者の場合と逆に常に口径の正面に焦点がくるような送波の仕方をする。
次に、図5のフローチャートにより本発明の超音波撮像装置を用いた断層像撮像の流れの一例を説明する。超音波撮像装置において超音波探触子は着脱自在で交換可能であるので、撮像に先立って、ステップ11において、超音波撮像装置の本体10に装着されている超音波探触子20の認識を行う。この認識は、超音波探触子20のメモリ22に格納されている探触子ID番号等のパラメータを読み取ることにより行われる。
次に、ステップ12において、後述する屈折率補正をかけない状態で、すなわち装置へ初期設定された生体の平均音速に基いて求めた遅延制御データによって被検体の断層像を撮像する。図6は、このとき画像表示部13に表示される診断画面の模式図であり、補正がかかっていないため幾分ぼけた対象の像が表示される。なお、図6に示した画像はコンベックス型探触子で撮像した画像で、探触子に接する側に皮下脂肪層が写っている。
ステップ13において、診断者はこの脂肪層の厚さを測定し、入力する。具体的には、従来より超音波撮像装置に備えられているキャリパーを使ってそれを計測する。図6中に、Aで示した脂肪層が始まる所と、Bで示した脂肪層が終わる所とのそれぞれにキャリパのカーソルを合わせることで、キャリパーの計測機能により画面上にA−B間の距離が求まる。(図の例の場合、13mm)この値を脂肪層の厚さとして使うことが出来る。診断者によって脂肪層の厚さが入力された後は、診断装置内で全ての処理が実行される。
以下、撮像モードに入り、診断者はステップ14において入力部15から超音波撮像装置の制御部11を介してビームフォーマ14に送波の焦点深度を指示する。ビームフォーマ14は、ステップ15において演算・制御回路41により後述する屈折率補正を行った遅延時間を計算する。ここで計算される遅延時間は、送波の焦点深度に対応した送波用の各振動子へ与えられる遅延時間と、1本の超音波受信ビームを形成するために各振動子へ与えられる遅延時間、すなわち前述のように受波の焦点位置を連続的に変えるための遅延時間とである。
続いて、ステップ16において、求められた送波用遅延時間を用いて超音波探触子の振動子アレイが励起されると、1番目の超音波ビームライン上に指定された焦点に収束するように超音波ビームが送波される。次に、ステップ17において、超音波探触子の振動子アレイによる受波信号をステップ15で計算した受波用遅延時間を用いて整相し、加算することで1番目の受信ビーム信号が得られる。
ステップ18では、撮像画面内の全ての点からの信号取得が完了したかどうかを判定する。すなわち、超音波画像をN本の超音波ビームで形成する場合、N番目のアドレスの超音波ビームが得られたか否かを判定する。そして、完了していなければステップ14に戻り、ビーム位置を変えて送受信を行う。これを繰り返し、深さ方向の走査と横方向の走査に関して全撮像範囲を走査し終えたら一枚の診断画像が撮り終わる。診断画像を撮り終えたら、ステップ19に進み、それを画像表示部13に表示して終了する。なお、画像表示は、一枚の診断画像全ての点についてデータを取り終えてから一括して表示する代わりに、ステップ17で一つの受信ビームについてのデータを取得する毎に、それを画像表示部13に順次表示するようにしてもよい。これは超音波撮像装置が備えているディジタル・スキャン・コンバータの機能を活用することで可能である。
次に、図5のフローチャートのステップ15における「屈折率補正を行った遅延時間を計算」の処理内容について詳細に説明する。ここでは一例として、リニアやセクタ型探触子のように探触子の送波面が、アレイ方向に曲率をもたない場合について説明する。コンベックス型など他のタイプの探触子についても、式の形が変わるのみで同じ考え方で取り扱うことができる。
図7を参照して、口径内のある振動子25jに電気パルス信号を送った後、振動子25jから発せられた超音波が焦点位置に到達するまでを考える。超音波探触子は、振動子ピッチpで一次元的に配列している振動子列と、振動子列の前面に配置された厚さd1のレンズ層を備えるものとする。レンズ層は、振動子列から発生された超音波を振動子列に直交する方向(図7の紙面に直交する方向)に収束させるためのものである。また、生体の脂肪層よりも内部に存在する生体組織内での音速は平均的に均一であるとし、脂肪層は超音波探触子の送波口径内で一定の厚みd2を持っているものと考える。こうすると、振動子から送波された超音波は、レンズ層、脂肪層、生体組織の3層を伝播して焦点へ到達することとなり、屈折は3層問題となる。
いま、振動子列の中心から距離Xの位置にあるj番目の振動子25jから出た超音波が、振動子列の中心前方、深さFに位置する焦点に到達するまでの経路を考える。電気パルス信号は、整合層を前面に有した圧電振動子25jで超音波に変換される。振動子25jから発生された超音波は、厚さd1のレンズ層を振動子列の配列方向に距離x1だけずれて進み、皮下脂肪層に入射角θ1で入し、レンズ層と脂肪層の境界で屈折(屈折角θ2)した超音波は、厚さd2の皮下の脂肪層を振動子列の配列方向に距離x2だけずれて進み、入射角θ2で脂肪層の下の生体組織に入射する。脂肪層と生体組織の界面で屈折(屈折角θ3)した超音波は、生体組織内を振動子列の配列方向に距離x3、深さ方向にd3の対角線方向へ進み、生体組織内の焦点に到達する。
各層間の境界面での超音波の屈折は、スネルの法則に従う。したがって、レンズ層中の音速をc1、脂肪層中の音速をc2、生体組織中の音速をc3とすると、上記屈折角θ1、θ2,θ3との間に式1が成り立つ。
ここに、音速c1はレンズの材質によって決まり、また実測可能であるので既知のものである。また、音速c2,c3も以下の説明において、経験的に近似値として既知であるとの条件の下で以下の説明を進め、既知ではなくそれを計測によって求める方法については他の実施形態として後に説明する。なお、音速c1は超音波探触子20のメモリ22内に、また、音速c2,c3は超音波撮像装置本体10のメモリ12内に保持されているものとする。
本発明では、この問題の数値的な解法として2つの方法を提案する。まず第1の方法について以下に説明する。式1からsinを消去すると次の式2のようになる。
しかし、式2は、このままでは解析的に解くことはできない。ここでは、解析的な解を求めるために式2を3つの連立方程式で解くことにする。ここで変数を落とすときに残す変数として、レンズ層中での横方向の移動量x1、脂肪層中での横方向の移動量x2、生体中での横方向の移動量x3のどれを残すかについての選択肢があるが、誤差の大きさを考えた時に多くの条件下で一番有利となるのはx3を残す方法である。これは、音速がレンズ層、脂肪層、生体組織中と段々速くなるため、各層の中を通る音波の経路が段々横に寝てくること、および多くの撮像条件下ではこのことと併せて、厚さd3が一番大きいことによる。故に実際の系では生体組織中で、音の経路は横方向移動量が一番大きくなる。一番大きな量を計算で直接求めるのが相対的な誤差を一番小さくする方法であるから、通常の撮像条件下ではx3を求めればよくなる。しかし、条件によらずレンズ層が一番薄いが、脂肪層の厚さと生体組織の厚さは撮像条件、撮像対象部位の深さによって異なることがある。よって脂肪層の厚さと焦点距離の関係で、x2を残すか、x3を残すか条件判定してから一変数の多項式を解くことを考えるアルゴリズムも有り得る。しかし、ここではその方法の説明は省略してx3を求める方法についてのみ説明することにする。
x1,x2を連立方程式から消去して式3を得る。式3では、x3を求めるのであるから、以下、これを単にxと略記するとともに、r2=(c3×c3)/(c2×c2)と置き換えている。
実際の超音波撮像装置における超音波ビームフォーマの計算処理部では、前述のようにMPUもしくはDSPを使っている。このうちDSPを用いている場合には、計算は全て積和に換算される。代表的なDSPにおいては、平方根は積和32回に相当する。割り算は値に依存するので、計算前には計算回数がわからない。よって式3を平方根、割り算のない形に変形することはDSPを用いる場合に重要であり、その操作をした結果が式4である。
ガロアの理論により、因数分解によって次数を落とすことの出来ない多項式は5次以上の場合、解の公式は存在しないことが知られている。このことから、式4をいきなり解くことは不可能である。ただし、式4は12次方程式とはいえ、有理多項式であり、全範囲で微分可能であることから、十分に解の近傍では直線として近似することが可能である。常に解の近傍にあるという条件さえ満たすxがあればよい。
解の近傍での式4の振る舞いを解析してみると、式3から式4への変換において平方根を除くために両辺自乗したわけであるが、これは式3の前項をg1、後項をg2とすると、g1(x)−g2(x)の解を探していたのがg1(x)×g1(x)−g2(x)×g2(x)=(g1(x)−g2(x))×(g1(x)+g2(x))の解を探していることになることから、式4の解には、本来のg1(x)−g2(x)の解に加え、g1(x)+g2(x)の解も含まれている。この両辺自乗と言う操作は2回行われているので、関係ない解が2つ余計に入っていることになるが、2回目の自乗によって式4に新たに含まれた解は、十分に本来の解から離れているので、ここでは問題とならない。g1(x)+g2(x)の解も持つことで式4は解近傍で変曲点を持つので、近似的な値を求める位置はこの変曲点より真の解に近いことが必要である。その条件に適するものとして、図中の表記を用いてx+p×d3/Fを近似解の出発点として用いる。そうすると振動子位置NでのxであるxNは次の式5により求まる。ここからは、式4の左辺をf(x)と表記する。
ここからは、この漸化式を用いてリアルタイムに振動子毎の遅延時間を計算する方法についてフローチャートを交えて説明する。最初に、図8のフローチャートを用いて、リニア型探触子またはコンベックス型探触子のように、焦点と口径の中心振動子を結ぶ線分と送波面が直交する探触子の遅延時間を計算する場合について説明する。この条件では、焦点が口径の正面にあるので、各振動子の遅延時間は口径内で左右対称である。つまり、片側半分だけ計算すれば十分である。
探触子に関するパラメータは図5のステップ11で既に与えられており、焦点深度の値は図5のステップ14において既に与えられている。ここでは、口径の中心の振動子から始めて、一つずつ外側に向かって順に遅延時間を計算する。まず、ステップ21において、計算対象を中心の振動子とする。中心の振動子から焦点に向かう超音波は層の界面に垂直に入射し、界面では屈折しないのでx0=0である。また、振動子番号Nを1(中心の振動子に対する隣の振動子)とする。
次に、ステップ22において、x0=0であることから、振動子番号N=1に対するx1を漸化式式5により計算する。次に、ステップ23に進み、ステップ22で求めたx1をもとに、振動子番号N=1の振動子に対する遅延時間τを次の一連の式、すなわち式6により求める。
次に、ステップ24に進み、振動子番号を1つ増やし、その隣の振動子に移り、ステップ25からステップ22に戻って、再び漸化式(式5)でx2を計算し、そのx2をもとに式6を用いて振動子番号2の振動子に対する遅延時間τを計算する。この操作を口径内振動子全てについて行う。ステップ25の判定が「YES」であれば、この焦点深度に関しては全振動子分の遅延時間を計算したことになるので、ステップ26に進み、計算結果を演算・制御回路から遅延回路へ出力する。次の計算すべき焦点深度が超音波ビームフォーマに与えられたら、同様にしてまた全口径内振動子について計算する。これを全焦点深度について繰り返すことで屈折によるずれを補正した撮像が行われる。
次に、図9のフローチャートを用いて、オブリーク型探触子またはセクタ型探触子、フェイズドアレイ型探触子のように、焦点と口径の中心振動子を結ぶ線分と送波面が直交しないタイプの探触子に対して遅延時間を計算する方法、もしくは焦点と口径の中心振動子を結ぶ線分と送波面のなす角が変化していくようなタイプの探触子に対して遅延時間を計算する方法について説明する。この時、焦点位置と口径、振動子列の関係は図10に略示するように、オブリーク角度θの大きさによって、
(1) 焦点Fから振動子の並んだ面に降ろした垂線の足Aが送波口径内に入る場合
(2) 前記Aが送波口径内に入らない場合
の二通りがある。後者の場合はAから口径の端の振動子までの間を素子ピッチで刻み仮想的な振動子列を考える。そしてこの考えに基づき、遅延時間の計算に入る前、すなわち図5でいうと、ステップ13の次の段階で式5によってAの位置にある仮想的な振動子を漸化式の第一項として逐次xを計算して、口径の端にある振動子でのxを求めておく。オブリーク角度などの探触子に関するパラメータは図5のステップ11で既に与えられており、焦点深度や焦点方向等の値は図5のステップ14において既に与えられている。
図9のステップ31では、撮像すべき範囲内での各焦点深度、方向に関して、その焦点から送波面に降ろした垂線の足(図10中の点A)が口径内にあるか否かを計算する。口径内に有るときは、ステップ39に進み、その垂線の足から口径の左右の端までの振動子数を計算し、ステップ40において、その足に一番近い位置にある振動子をN=1,x0=0とする。続いて、ステップ33において漸化式(式5)によりxを求め、ステップ34において式6によりxから遅延時間τを求める処理を、振動子番号を増加しながら口径の端の位置まで行う(S26,S27)。この場合、対称性は使えないので、ステップ37、ステップ41、ステップ40のように、N=0の振動子から両側に口径の端まで計算していく必要がある。これはFcosθが振動子ピッチの整数倍となるとは限らないからである。
焦点から送波面に降ろした垂線の足が口径の中にない場合は、ステップ31からステップ32に進み、口径の端の振動子でのxを読み込む。この点Aを遅延時間の計算の開始点とするので、焦点距離FはFcosθ、d3は本来のFを用いて、d3=Fcosθ−d1−d2と置換する必要がある。
次に、口径の端の位置でのxをx0に入力し、N=1とする。その後、ステップ33において漸化式(式5)によりxを求め、ステップ34において式6によりxから遅延時間τを求める。次に、ステップ35で隣の振動子に移り、ステップ36で口径の端の振動子に達したと判定されるまでステップ33からステップ35の処理を繰り返す。これで、この焦点深度、焦点方向に関しては全振動子分の遅延時間を計算したことになるので、ステップ38において計算結果を演算・制御回路から遅延回路へ出力する。次の計算すべき焦点深度、焦点方向が超音波ビームフォーマに与えられたら、同様にしてまた全口径内振動子について計算する。これを全焦点深度、焦点方向について繰り返すことで屈折によるずれを補正した撮像が行われる。
前述の式5の漸化式を用いることで、遅延時間の近似値は十分な精度(1/中心周波数の1/10精度)で求めることが可能となる。この方法は従来の近似式に比べると十分な精度を有し、且つ精度を重視してイテレーションで求める方法に比べて、アルゴリズム中にループを持たないので、計算速度はかなり速い。このアルゴリズムと近年の演算処理装置の高速化と相俟って、本発明のような脂肪層による屈折まで含めたリアルタイム高速遅延時間計算アルゴリズムが実現できたわけである。さらに一般の漸化式の計算に比べると、誤差が蓄積していかない点で著しく有利である。これは、近似解を求めるためのxには毎回誤差が含まれていても、f(x)は近似を含まない関数であるために、xとf(x)、f’(x)の間には誤差が存在しないため、式5にはxN−1での誤差がxNに反映されないためである。
この考え方はDSPに特化した解き方であるが、もしもその制約が無い場合にはより計算は容易になる。式3は解近傍で直線とみなせるので、微分係数から傾きを求める必要がなく、解を明らかに挟む二点として、隣の振動子でのx+p×d3/F、x+pを用い、内分点として次式のように解が求まる。したがって、漸化式(式5)の代わりに漸化式(式7)を用いることで処理速度を向上することができる。
次に、図11を用いて本発明による超音波ビームフォーマの他の実施形態を説明する。図11では、振動子位置XNにある振動子Nからレンズ層内に角度θNで出た音が、焦点Fに到達すると考える。この角度θNを求めると、各層での屈折角が求まるので、音の経路が決定され、遅延時間を決定することができる。この遅延時間を求めるために従来は、まず適当な角度で音を出し、焦点のどちら側を音が通るか計算する。もし音が焦点より遠くを通ればθNを大きくし、焦点の手前を通ればθNを小さくする。音が焦点を通るまでこの作業を繰り返すことで、θNを求めている。しかし、この方法では収束させるまでにループをかなりの回数繰り返さざるを得ず、必要な速度に計算が間に合わない。速い収束を達成するには、ずれの大きさに応じてθNの変化のさせ方を大きくすることが必要である。
本実施形態による超音波ビームフォーマで用いるアルゴリズムは、ニュートン・ラフソン法を改良し、明示的な関数を持たない系にも適応出来るようにしたものである。すなわち、次のように考える。まず適当な角度θで超音波が出たとすると、ずれの大きさはΔX(θ)となる。このΔXが0になるθが求めるべき解であるから、ΔXの微分係数を求めるためにθ+dθの角度で放射されたときのずれΔX(θ+dθ)を求める。図12に示すように、横軸θ、縦軸ΔXの空間で、この二点を通る直線がx軸を横切るときのθは、元のθに比べより良い近似解となる。これを式で表すと式8になる。
ずれ量としては、ΔXを使う以外にΔYを使う方法、ΔXとΔYの自乗和を使う方法も考えることができる。いずれも本発明で使うことはできるが、この実施形態ではΔXを使う場合を説明する。
この操作を繰り返すことで、θは真の解に近づいていく。このとき最初に用いるθと真の解の差が小さいほど計算の繰り返しが少なくなるので、計算時間の点から有利となる。本発明では、ここでθの初期値として、N番目の振動子の遅延時間を求めるときにはN−1番目の振動子で求まったθN−1を用いる。この方法では、実用的な計算精度では、ループ2回で収束することがわかった。よってループの回数を2回に決めて計算する。ループの回数が従来の方法に比べ格段に少ないので従来の方法に比べ格段に優れている。N番目の振動子についてθが求まると、このθを初期値にしてN+1番目の振動子についてのθを求める。この方法の場合も前記方法と同様焦点が振動子の正面にある場合は屈折がないのでθ=0となり、それを計算の出発点として用いることができる。
図13のフローチャートを用いて、リニア型探触子またはコンベックス型探触子のように、焦点と口径の中心振動子を結ぶ線分と送波面が直交する探触子の遅延時間を計算する方法について説明する。この条件では、焦点が口径の正面にあるので、各振動子の遅延時間は口径内で左右対称である。つまり、片側半分だけ計算すれば十分である。探触子に関するパラメータは図5のステップ11で既に与えられており、焦点深度の値は図5のステップ14において既に与えられている。
図13のステップ51において、口径の中心にある振動子から出た超音波はレンズ層と脂肪層の境界面、及び脂肪層と生体組織の境界面に垂直に入射し、屈折することなく焦点に達するので、振動子番号0の振動子に対してθ=0とし、N=1とする。次に、ステップ52に進み、番号N=1の振動子から角度θで超音波を放射したときの経路と、目標とする焦点位置とのずれΔX(θ)を求める。ここで、角度θとしては、隣の振動子(番号0の振動子)に対する角度θを用いる。また、ステップ53において、番号1の振動子から角度θ+dθで超音波を放射したときの超音波の経路と目標とする焦点位置とのずれΔX(θ+dθ)を求める。
ここで、コンベックス型の探触子の場合、リニア型探触子とは異なり、以下のように計算される。コンベックス型探触子で、被検体を観測するときは、探触子を被検体へ押し付けて観測するので、脂肪層も探触子に沿って曲がる。脂肪層をコンベックス探触子の構造と同心円であると仮定すると、音の経路は図15に示すようになる。素子を出発して焦点近傍を通るときのずれΔを求める方法と、焦点を出発して素子近傍を通るときのずれΔを求める二通りの方法は原理的には同じであるが、全反射条件や、音の経路が図15の左半分側に行くことはあり得ないことからこの系は対称ではなく、前者の解き方は解の安定性が良くないので、後者の方法で解くことが望ましい。この音の経路を各層毎に分けて解析的に解くと、音が層に入る点及び角度から層を出て行く点の位置及び角度を求めれば、各層順に計算することで最後に到達する点が求まり、ずれΔも求めることができる。例として脂肪層の外側に生体中での音の経路を求めると、音の出発点の位置をF=(x4、y4)出るときの位置をP3=(x3、y3)、音が出て行く側の層界面の曲率をR、音が入るときの角度をθとする。するとx4、y4は式9の連立式からx4を消去した二次方程式の±2通りある解のうち常に正となる側の解を解くことで求まる。
このときθ4に関しては三角形OFP3を考えることで求まる。すなわち、今求まった(x3、y3)からθp3が求まるので、θ4=θ+θp3の式から求まる。後はθ4からスネルの法則を用いてθ3が求まり、同様にして順に或る層を通過するときの経路が求まる。この例では三層問題を例に説明したが、全く同じ方法で層数がより多いときにも適用可能である。また脂肪層と脂肪層外の生体との界面が探触子の同心円で表せなくとも、f(x3)の形で表せれば、式9を変形した式10を用い、θ4はθ+arctan(−f’(x3))を代わりに用いることで求めることが可能となる。
次にステップ54において、式8より外挿で新しいθを求める。続いて、ステップ55からステップ52に戻り、ステップ54で求めた新しいθを用いてずれΔX(θ)を求める。また、ステップ53において、新しい角度θ+dθで超音波を放射したときの超音波の経路と目標とする焦点位置とのずれΔX(θ+dθ)を求める。次に、ステップ54において、式8より外挿で新しいθを求める。
次に、ステップ56に進み、求めたθから次の式11によって遅延時間τを計算する。次に、振動子番号を1つ増加し、ステップ42からの処理を繰り返す。ステップ58において、使用口径内全振動子についての計算が終了したと判定されれば、ステップ59に進んで計算結果を出力する。
図13に示したフローチャートは、図8に示したフローチャートにおける漸化式の計算処理を、焦点位置からのずれの計算処理と、外挿による新しいθの計算処理と、この部分のループ処理をするためのループ回数の判断処理とで置き換えたものに相当する。
この第2の方法に関しても、焦点が送波口径の正面にない場合について、撮像前に予め送波口径に端の振動子でのθを求め、それを記憶しておく。送波口径の端の振動子でのθは、異なる皮下脂肪層の厚さに対して複数求めておく。撮像中にこの条件になったとき、このθを読み込み、漸化式の第1項として漸化式を解くのに用いる。この計算の流れを図14のフローチャートに示す。この詳細は、第1の方法で図8の計算処理と図9の計算処理の関係と、図13の計算処理と図14の計算処理の関係が全く同じであることから容易に説明される。
この口径の端の振動子でのパラメータを予め計算する方法は、現在の中級超音波撮像装置に搭載のDSPもしくはMPUに余裕がないための方策であって、高速の演算処理部を搭載できる高級機では、リアルタイムで計算するときも焦点から口径面に降ろした垂線の足の位置にある仮想的口径の中心から無駄になる計算も含めて全て撮像とリアルタイムに計算することも可能である。その場合は、撮像前の計算が不要になる。もちろん、この場合、仮想的な振動子に関しても実際の振動子と同じ振動子間隔で並べて計算する必要はないので、仮想的な部分のみ振動子間隔を粗くすることは計算を速くする上で有効である。この撮像前の計算は脂肪層の厚さが変わると毎回計算する必要が生じるのでその度に撮像が止まってしまう。その問題を解決するには以下のような2つの方法がある。
その第1の方法は、考えられる範囲で脂肪層厚さ毎の計算を全て事前に行い、この撮像前の計算結果をすべてデータとして超音波探触子20のメモリ22に記憶させておく方法である。そして、超音波探触子20を超音波撮像装置本体10に接続したときに、その内容を超音波撮像装置本体10のメモリ12に転送する。撮像中にはこのパラメータと、制御部11により与えられた焦点深度に対し、超音波ビームフォーマ14で遅延時間を計算し、その遅延時間を振動子アレイ21に与え、被検体30に対し送波する。受波もこの遅延時間分で整相し、制御部11で診断画像を計算し、画像表示部13に出力する。
一方、第2の方法は、予め計算したデータをCD−ROM等のメディアに入れておき、超音波探触子に付属させておく。そして、前もって、あるいは探触子を使用する際にそのCD−ROM等からデータを超音波撮像装置本体10のメモリ12にインストールする方法である。インストール以後の操作は前記第1の方法と全く同様である。
図16は、本発明による超音波撮像装置の他の例を示す概略構成図である。図16において、図1と同じ機能部分には図1と同じ符号を付し、重複する説明を省略する。今までの説明では、皮下脂肪層の厚さの入力は診断者が行っていた。すなわち、図6に示すように、診断装置の診断画面上で診断者が脂肪層の始まりの部分と終わりの部分を指示することで、画面上にその距離が表示される。この値を診断者が入力していた。
図16に示した超音波撮像装置は、制御部11中に脂肪層厚計算部16を備え、皮下脂肪層に関する画面出力を直接、超音波ビームフォーマ14に入力できるようにしたものである。脂肪層厚計算モードにおいて、診断者が図6に示すように、ポインティングデバイス等で皮下脂肪層が始まる箇所Aと終わる箇所Bを指定すると、脂肪層厚計算部16はその間の距離を計算し、計算結果をビームフォーマ14に送信する。
次に、本発明の超音波ビームフォーマ搭載のアルゴリズムを生かして、撮像中にアダプティブに画質を改良する方法について説明する。これまで説明してきた計算アルゴリズムには、脂肪層は均質、厚さ一定であり、個人や対象部位によって脂肪層中での音速が異なることはないという前提があった。この前提は、遅延時間計算に一定の誤差があるときは、その誤差に埋もれて影響が解らなかった。しかし、本発明によって高精度な撮像が可能となると、この前提を取り除くことで画質が改善されるのがはっきりする。前記前提を取り除くには、撮像しながら微妙に脂肪層の音速を変えることができるようにしておけばよい。
図17は、本発明による超音波撮像装置の他の例を示す概略構成図である。図17において、図1と同じ機能部分には図1と同じ符号を付し、重複する説明を省略する。この超音波撮像装置は、脂肪層に関するパラメータを微調整することを可能にし、均質、厚さ一定でない脂肪層に対応できるようにしたものである。具体的には、図1に示す構成の超音波撮像装置へ入力装置及びパラメータ計算部17を備え、超音波ビームフォーマが保持する脂肪層の音速を可変できるようにした。この装置では、入力装置及びパラメータ計算部17において入力値に対し対応するパラメータを計算し、その値を超音波ビームフォーマ14に入力する。 このパラメータを変えることの効果は次のように説明される。まず屈折がない場合を考えると式12のようにして、各振動子から焦点まで到達するのに要する時間が計算される。これをグラフに表すと図18のようになる。
このとき、式12中のパラメータすなわち音速、ピッチp、Fのいずれか、もしくは複数を変化させると、図18に図示するようにグラフの曲率が変化する。このことは、今回の問題のようにレンズ層、脂肪層、脂肪層以外の生体組織と3層からなる屈折を考慮すべき問題でも事情が複雑になるだけで原理的には同じである。遅延時間は各振動子から焦点まで到達するのに要する時間で決定されるので、「縦軸:各振動子から焦点まで到達するのに要する時間」対「横軸:各振動子の位置」の関係の曲線で遅延時間は表現される。よって、先に述べたように脂肪層の音速が場所によって一定でないようなときは、この曲線が歪むので、それにカーブフィッティングするように諸パラメータを変更することで、焦点のぼけを改善することが可能となる。カーブフィッティングは撮像画面が最適になるように調整するのが最も好ましく、パラメータは外部つまみなどによって制御すると操作性が良い。このとき脂肪層の音速に代えて脂肪層の厚さ、もしくは振動子ピッチ、これらの複数のパラメータを適切に連動させて変えて調整することも有効である。なお、図18において、(a)は振動子ピッチ、脂肪層の音速に手を加えない場合、(b),(c)は振動子ピッチ,脂肪層音速を調整した場合を示す。
ここからは,被検体の表面に層構造が存在した場合の例についての実施例を説明する。まず、診察中に被検体表面部の層構造の厚さ、音速を求める具体例について示す。
図19に検者がそれらを選択可能とした実施例を示す。図19(b)に示す厚さのテーブル、及び音速のテーブルを予め用意し装置内へ組み込み、検者が、モニタ120に表示された画像170を観察し、深度スケール160を参照して得た結果から層の厚さを読み取り、スイッチSW2(140)等で近い厚さを選択し、音速も同様でスイッチSW1(150)により選択可能とする。この場合スイッチSW1とスイッチSW2とは独立に操作が可能として、それぞれの値として検者がふさわしいと考える値を選択できるようにする。音速に関しては、数値でも良いし、脂肪層、筋肉層という選択でも良い。例えば、図19の画面で脂肪層170が、画面に記されている深度方向のスケール160から概略2cmと読めた場合、コンソール130に設けた層厚み設定スイッチ140により2cmを選択する。すると、画面上に厚さ(Thickness)が2cmと表示される。次に,音速設定スイッチ150を所定方向へ操作して、音速を選択する。それらの選択値を確認するために、それらの入力値を画面に表示すると良い。その表示は,1450m/sのように数値でも良いが,硬い筋肉質、筋肉質、標準、脂肪、高脂肪のような表現でも良い。また,スイッチは回転式でもなんでも良い。もちろんタッチパネルでも良い。
以上の説明は、生体の層構造から生ずる超音波の屈折の影響を除去して、超音波画像の画質を向上する実施形態について説明したが、超音波画像の画質を更に向上するためには、生体内での超音波の伝播速度を正確に把握して、そのデータを超音波ビームフォーマでの上記屈折補正制御に反映させることが必要である。
このことから、次に、本発明の他の実施形態を図20に示す。これは層構造を有する生体の音速を求め、その音速により前述の実施形態の屈折補正処理を行うものである。図20は超音波撮像装置において音速を求める部分の実施例を示すブロック図である。図において、200は探触子で受信した複数の超音波信号を遅延制御し、受信ビーム信号を出力するデジタル制御可能なデジタル遅延部で、受信に供した振動子数に対応したチャンネル数の回路を有している。210はデジタル遅延部200で遅延させた複数の信号を入力し、演算により遅延制御に供したデジタル遅延データの真の遅延データに対する誤差を推定する遅延データ誤差推定部、220はデジタル遅延部200の各チャンネルの動作制御を行うデジタル遅延制御部である。
以上の構成へ加え、本実施例の超音波撮像装置装置は、さらに、予め複数の媒質音速による遅延時間を蓄えておく音速対応遅延時間記録部230と、遅延誤差推定部210で得た遅延誤差から新たな遅延時間を算出し、それを音速対応遅延時間記録部230に記憶されている値と照合し、その記憶値と最も近いデータを出力する遅延時間比較部240と、音速対応遅延時間記録部230に蓄えられた遅延時間データがいかなる媒質音速によるものかを記録しておく音速データ記録部250と、遅延時間比較部240の出力と一致する遅延時間の記録場所から遅延時間記録部を参照し媒質音速を選択する媒質音速選択部260とを備えている。そして、媒質音速選択部260の出力ラインは図2に示す演算・制御回路41へ接続され、またデジタル遅延制御部220は演算・制御回路41により制御されるように接続されている。
このように、図2に示す構成において、遅延回路をデジタル制御可能なものとし、その出力へ遅延誤差推定部210を設けるとともに、演算・制御回路41へデジタル遅延制御部220を付加し、さらに上記の如く音速対応遅延時間記録部230と遅延時間比較部240と音速データ記録部250と媒質音速選択部260とを新たに設けることにより、本実施例の超音波撮像装置は真の媒質音速にほぼ等しい音速による屈折補正が可能となる。
次に、上記の如く構成された部分の動作の説明を行う。まず、生体内の音速を例えば生体の平均的な値の等音速と仮定して求めた遅延時間データを演算・制御回路42よりデジタル遅延部2へ出力して超音波を被検体内へ送信する。このときの送波の焦点は適宜な深度に設定する。そして、送波と同じ音速に基づく遅延時間データDを演算・制御回路41よりデジタル遅延部220を介してデジタル遅延部200へ供給してこの受信信号を遅延制御する。
そして、デジタル遅延部200の各チャンネルの遅延制御された信号であって整相のために加算処理される前の信号が遅延誤差推定部210へ入力され、使用した遅延時間データDに対する誤差ΔD1を演算により推定値として求め、Dc1=D+ΔD1を出力する。この演算手法としては前述の特開平8−317923号公報に開示された相関処理法を用いることができる。遅延誤差推定部210から出力されたDc1は遅延時間比較部240へ入力される。すると、遅延時間比較部240は音速対応遅延時間記録部230に記録されたデータと入力したデータDc1とを比較し、Dc1に最も近い遅延時間データを選び出し、それを媒質音速選択部260へ出力する。データが入力すると、媒質音速選択部260は入力したデータの音速が幾らであるかを選択する。この選択は、音速対応遅延時間記録部230のデータと音速記録部250の音速データとの記憶アドレスを対応させておくことで可能である。したがって、音速対応遅延時間記録部230と音速記録部250とを一つに纏めることもできる。
そして、媒質音速選択部260で選択された音速データは演算・制御回路41を介してデジタル遅延制御部へフィードバックされる。このフィードバック回路は正確な音速を求めるために、上記動作を繰り返すためのもので、必要に応じて、演算・制御回路41から上記動作の繰り返し実行指令を発する。以上の動作により生体内の音速を推定値としてではあるが測定することができる。
なお、遅延時間比較部240での比較動作を簡便にするために、遅延誤差推定部210が出力するデータDc1と音速対応遅延時間記録部230に記録されたデータとを2次元分布データとし、カーブフィッティング手法を用いることができるようにすると扱う情報量を少なくできるため有用である。さらに、遅延時間分布の階差を求め該階差遅延時間列に対して1次直線を当て嵌めるようにすると扱う情報量がさらに減少するので有用である。
次に、図20に示す構成で層構造を有す生体の各層の音速を求める方法を説明する。図21は超音波撮像装置のモニタに表示された被検体の超音波断層像である。その画像中の170は脂肪層、190は脂肪層170より深い組織領域である。まず脂肪層170の音速を求める。このために、脂肪層170の内部の適宜な深さ位置、例えば脂肪層170と組織領域の境界に近い計測位置に焦点位置を前述のキャリパのカーソルを用いて設定し、その値を計測するとともに演算・制御回路41へ焦点位置を与える信号を供給する。その後、探触子より超音波パルスを送信し、その反射信号を受信する。脂肪層170の音速を求めるためには脂肪層からの反射信号のみを図20に示す音速測定部へ取り込む必要がある。このために演算・制御回路41にゲーティング機能を持たせる。このゲーティング機能は前記キャリパ機能に連動するようにすると良い。そして、このゲーティング機能によって脂肪層170からの反射信号をデジタル遅延部200へ取り込み、前述の図20に示す構成の動作説明に従って音速を求める。求める音速はある1点のものでも良いが、複数の点についての音速を求めて、それらから平均音速を求めることが望ましい。
次に、脂肪層170より深い組織領域の音速を求める。このときには、計測のための焦点位置を図21に示す190の位置に設定する。この設定にも前述のキャリパ機能を用いる。そして演算・制御回路41へ焦点位置を与える信号を供給し、その後、探触子より超音波パルスを送信し、その反射信号を受信する。組織領域の音速を求めるためには組織領域からの反射信号のみを取り込めれば良いのであるが、この場合の反射波は脂肪層170を通過せざるを得ないために、それは不可能である。そこで、前記ゲーティング機能によって、焦点位置からの反射信号を取り込む。そして、この反射信号から音速を求める。ここで求められた音速は、探触子面と計測点との間の平均音速を示すことと成る。
以上の二つの計測から組織領域の音速を求めることができる。最初に測定した脂肪層の平均音速をc1、次に求めた脂肪層と組織領域の双方を含む平均音速をcaと符号を付ける。そして、脂肪層の厚さ、つまり焦点位置180の深度をlf、後者の計測の焦点深度をlaとすると、組織領域における音速c2は式13により求められる。
これにより求まった脂肪層の音速c1と組織中の音速c2とを前述の式1以下へ適用することで、超音波のレンズ層、脂肪層及び組織中の音速を加味した屈折補正が可能となる。以上の計測値はモニタ画面へ数値等で表示されるようにする。図21における表示例は、v:1450/1540m/sは脂肪層の音速が1450m/s,組織内の音速が1540m/sを示し、t:2/8cmは脂肪層の厚みが2cm,組織内の焦点位置深さが8cmであることを示している。
次に、他の実施例を述べる。この実施例は、上記音速計測に用いたキャリパの距離計測機能の補正を考慮するものである。すなわち、超音波撮像装置に組み込まれたキャリパの距離計測機能は、装置に初期設定された音速に基いた演算により成されるようになっている。したがって、式13に用いたlf,laのキャリパによる距離測定値は実際の音速によるものに補正して使用することが望ましい。本実施例はこれに対応するものである。本実施例では、まず、超音波撮像装置を駆動して、関心領域(ROI)を含む断面の超音波断層像を取得し、その断層像をモニタへ表示する。この状態で、図19に示す超音波撮像装置の操作盤上に配置された屈折補正実行用スイッチ310をオンにする。この屈折補正実行スイッチ310は、オンすると屈折補正が実行され、オフ状態にしておけば屈折補正を行わない通常の撮像を可能とするものである。このスイッチ操作を行うとモニタ120の画面に2点のカーソルから成るキャリパ300が表示される。そして、トラックボール叉はジョイスティック等の入力操作器を操作してキャリパ300の一つのカーソルをを被検体の体表面へ、もう一方のカーソルを脂肪層の末端に移動し、入力情報固定キー(Enter key)320を操作して計測される脂肪層を特定する。、次に,キャリパ300における二つのカーソルのうち、前記脂肪層の末端に位置させたカーソルをそれより深い地点で関心領域内に移動し,前記キー320を操作して組織中における音速計測のための測定点を特定する。以上の2ステップの操作で入力した計測点のデータを制御部11に読み込ませ、前述した前述の音速計測手法の計算が実行される。
装置設定音速がv0,その音速v0でのキャリパ深度x0,計測された脂肪層の平均音速cfmとすると、脂肪層の真の厚みlrtは式14から求まる。
これらの値cfm、lftから組織中の真の平均音速com、組織中の真の音波伝播距離lotを求め式13に適用することより屈折補正のための遅延時間データを演算することができ、そのフォーカスデータで超音波の送受信を行うと、良好な画像が得られる。
層構造を有する生体の音速と距離を求める方法としては上記の他に種々な方法を挙げることができる。一例として、超音波ビームのある特定のビーム、例えば中心のビーム着目し、そのビーム中の受信信号の強度が体表面近傍において非常に大きいところを検出し,それを時間として求め、前述の計算を自動的に行うようにしても良い。この計測方法は,層構造の境界では反射信号が大きいことから、検出のための閾値を決めておけば可能である。
以上述べた屈折補正法を装置へ自動シーケンスとしてプログラミングして組み込み、撮像中に数フレーム毎に繰り返して実行し、設定値を更新するようにしておけば,複数の検査部位がある場合のように探触子を移動させて検査していても屈折補正が自動的に行われるので、画像は常に良好となる。
屈折補正を可能とした装置では、表示画像に通常画像と屈折補正画像とを識別するマーキングを施す態様や、複数画像の同時表示法を用い、画面の左に通常の画像、右に屈折補正画像を表示する態様を採ることができる。着目点の画像が良好になっても,複雑な生体構成の場合,他の領域で画像が乱れる可能性がある。したがって,同時表示することにより実時間で屈折補正有り無しの画像を見比べることができるため、ユーザにとって有効となる。また,診断部位をROIとして指定し,その部位にのみ屈折補正を施した画像を取得し、それを通常の画像の中に嵌め込み合成して表示することも有用である。
本発明は、上記の特定の実施形態に限定されるものでなく、その技術思想の範囲を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
以上述べたように、本発明によれば、レンズ層と脂肪層(あるいは筋肉層など)による屈折の影響を低減することができるので、超音波画像の画質向上が図れる。さらに、本発明によれば、層構造を有する被検体の各層の音速を計測して、その値を加味して超音波の各層における屈折の影響を低減することができるので、画質をさらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は本発明の一実施形態による超音波撮像装置の概略構成例を示すブロック図、図2は図1に示す超音波撮像装置ないの超音波ビームフォーマの一実施形態を示すブロック図、図3は振動子アレイと超音波画像の関係を示す図、図4は超音波送受波時の振動子アレイと遅延時間の関係を示す図、図5は本発明の屈折補正の一例を適用した断層像撮像の流れを示すフローチャート、図6は画像表示部に表示された画像により層の厚みを計測する方法の一例を示す図、図7は超音波パルスの屈折状態を示す説明図、図8は本発明による屈折補正用の遅延時間計算の手順の第1の例を説明するフローチャート、図9は本発明による屈折補正用の遅延時間計算の手順の第2の例を説明するフローチャート、図10はフェーズドアレイ型探触子における焦点位置と送波口径位置の関係を説明する図、図11は超音波パルスの屈折状態の説明図、図12は離散ニュートン法の説明図、図13は本発明による屈折補正用の遅延時間計算の手順の第3の例を説明するフローチャート、図14は本発明による屈折補正用の遅延時間計算の手順の第4の例を説明するフローチャート、図15はコンベックス型探触子における超音波パルスの屈折状態の説明図、図16は本発明による超音波撮像装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図、図17は本発明による超音波撮像装置のさらなる他の実施形態の概略構成を示すブロック図、図18は各振動子から焦点まで到達するのに要する時間を表すグラフ、図19は屈折補正機能のためのスイッチを備えた装置概観図、図20は屈折補正のための音速を求めるための装置構成を示すブロック図、図21は音速測定の画面表示例を示す図である。Technical field
The present invention relates to an ultrasonic imaging apparatus that extracts an intra-subject tissue as an image using ultrasonic waves, and particularly relates to an ultrasonic beam former used therein.
Background art
An ultrasonic device, for example, an ultrasonic imaging device used for medical image diagnosis, obtains a tomographic image of a soft tissue of a living body or a blood flow image flowing in the living body using an ultrasonic pulse reflection method in almost real time. It can be displayed on a monitor for observation, and it is considered to be highly safe because it does not give radiation exposure to the subject as in the case of diagnostic imaging equipment that uses radiation. Applied.
In an ultrasound imaging apparatus, an ultrasound probe is used for transmitting ultrasound into the subject and receiving echo signals from the subject. One scanning method of the ultrasonic imaging apparatus is an electronic scanning method. The electronic scanning ultrasonic probe is arranged by arranging elongated rod-like transducers in a one-dimensional array, and driving each transducer with a predetermined delay time. Thereby, an ultrasonic beam that converges in a predetermined direction and a predetermined depth in the subject is transmitted from the ultrasonic probe. The received wave is synthesized by giving a predetermined delay time for each transducer to the received signal from each transducer of the ultrasonic probe, thereby capturing a received signal from a predetermined depth and direction. A processing portion in which a delay time is set for each transducer and the delay time is given to each transducer is called an ultrasonic beam former.
In order to obtain a good ultrasonic image by electronic scanning, it is necessary to transmit an accurate delay time for each transducer over the entire scanning range of the ultrasonic beam. This is because only by this method, it is possible to collect ultrasonic waves at a planned focal position without distorting or spreading. The reception echo signal is beam-formed by performing the same operation for reception. The ultrasonic probe is provided with a lens layer for converging ultrasonic waves generated from a large number of transducers arranged in a one-dimensional array in a direction perpendicular to the arrangement direction of the transducers. .
In particular, since the phasing circuit of an ultrasonic imaging apparatus has been digitized in recent years, it has become possible to easily and accurately control delay time and phasing in ultrasonic transmission / reception. However, the ultrasonic waves transmitted from each transducer do not collect at the focal point only through a medium having a constant sound velocity. The transmission pulse is converted from an electric signal to an ultrasonic wave by a piezoelectric vibrator, and then reaches a desired focal position through the lens layer and the biological tissue on the probe surface. At this time, since the sound velocity is different between the lens layer and the living tissue, sound refraction occurs in the direction of arrangement of the piezoelectric vibrators at the interface between the two. It is necessary to incorporate this refraction effect in the calculation of the delay time. Since the refraction angle is obtained by Snell's law, the delay time can be calculated by obtaining the refraction path of sound.
However, the ultrasonic imaging apparatus captures a tomographic image of about 30 frames per second, but the focal position is 50 in the horizontal direction (azimuth direction) and about 20 in the depth direction (distance direction) during the imaging of one frame. Need to change. The number of transducers in one aperture is about 32 to 192, depending on the probe. For these reasons, it is necessary to set the delay time for one vibrator at a considerably high speed even if it is calculated. However, there is a limit to the amount of calculation that can be performed in real time even in light of arithmetic processing performance such as MPU (Micro Processor Unit) or DSP (Digital Signal Processor) installed in an actual ultrasonic imaging apparatus. Therefore, in the current ultrasonic imaging apparatus, a method of storing data obtained by calculating the delay time for each focus position in advance for each probe in a storage medium such as a hard disk, or a calculation formula in time for real-time processing is used. One of the methods used to perform the approximate calculation is handled.
Currently, probes specialized for diagnosis target organs, parts, symptoms and the like are used as probes of ultrasonic imaging apparatuses, and the types of probes are increasing. Therefore, a considerably large capacity storage device is required to store the data of the delay time described above. However, it is not realistic for an ultrasonic imaging apparatus to be equipped with a storage device with an excessively large capacity due to price restrictions. In particular, difficulties arise when the ultrasonic imaging apparatus is provided with extensibility such that a probe developed later can be used. Further, in the two-dimensional probe that will become mainstream in the future, the number of transducers further increases, so that the amount of data to be stored is increasing.
On the other hand, the method for obtaining the delay time by the approximate calculation may be insufficient with the conventional calculation accuracy depending on conditions. Since the accuracy is determined by the ratio of the period and error time at the center frequency of the probe, a probe that transmits a pulse with a high center frequency, that is, a short period, like a high-definition probe is developed. As the delay time becomes more demanding, the accuracy becomes stricter. Therefore, an approximation method with higher accuracy is required. Also, considering application to a two-dimensional probe, it is necessary to shorten the calculation time for one transducer, so that going in a more severe direction is the same as in the former case.
The image used for the ultrasonic diagnosis, combined with the adoption of the digital phasing technique, has achieved a marked improvement in image quality compared to the conventional one, but the image obtained by the ultrasonic imaging apparatus is an X-ray apparatus, When compared with images obtained by other modalities such as an X-ray CT apparatus and an MRI apparatus, further improvement in image quality is desired.
As a measure for improving the image quality of the ultrasonic image, a technique for correcting the sound velocity of the ultrasonic wave in the subject has been recently developed. In the conventional ultrasonic imaging apparatus, delay control data for converging the ultrasonic wave to the focal position in the subject is set based on the average sound speed of the living body. Because there are individual differences such as those with a lot of fat, when the control data is used for all subjects, an image that can be said to be a good image on average is obtained, but the best image is obtained for each subject However, the improvement was desired. The above-mentioned sound speed correction technology is a countermeasure for this, and by measuring or estimating the ultrasonic propagation velocity in the body for each subject to be examined, the delay time control data for beam formation with that value. Is what you want. This sound speed correction technique is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-317923 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-66694 filed by the present applicant.
However, it is considered that there is still room for improvement in the image quality of the ultrasonic image even if this sound speed correction technique is adopted. The inventors of the present invention believe that this can be improved by forming a beam by incorporating refraction in the ultrasonic wave propagation path. As refraction in the propagation path of ultrasonic waves, refraction by the lens layer is first cited as a problem, but the refraction of ultrasonic waves is not limited to the boundary surface between the lens layer and the subject. A living body that is a diagnostic target of the ultrasonic imaging apparatus is composed of various tissues such as fat, muscle fiber, various organs, and blood. Since the speed of sound is different in each of these tissues, the ultrasonic wave is slightly refracted at the boundary surface. Among these refractions, it is easiest to incorporate the refraction effect by the fat layer into the beam formation.
There are mainly three reasons for this. First, since the fat layer always exists under the skin, when an ultrasonic probe is applied transcutaneously to see any organ, the ultrasonic pulse penetrates the fat layer. That is, refraction by the fat layer is inevitable as long as a transcutaneous probe is used. Second, since the fat layer is on the outermost side in the living tissue, the influence of the shift to the focal position caused by refraction is the greatest. Third, subcutaneous fat can be assumed to have a certain thickness within the aperture of the probe, so it is easier to incorporate into the calculation than other tissues such as blood vessels. .
Disclosure of the invention
The present invention has been made in view of the above, and a first object thereof is to further improve the image quality of an ultrasonic image as compared with the current situation.
A second object of the present invention is to provide an ultrasonic imaging apparatus capable of setting a delay time in consideration of the influence of ultrasonic refraction by the lens layer and / or fat layer of an ultrasonic probe. is there.
Furthermore, a third object of the present invention is to set a delay time that can be set in consideration of the influence of refraction by the lens layer and / or the fat layer and the ultrasonic propagation velocity of each subject. An object is to provide an acoustic imaging apparatus.
When taking into account the refraction of ultrasonic waves by the fat layer, it is necessary to calculate the delay time in advance and store it in the storage device. Storage device is required. Moreover, when the sound speed of the fat layer is slightly different due to individual differences, it is advantageous to be able to calculate on the spot. Therefore, the present invention employs a technique for obtaining a delay time in consideration of the influence of refraction of ultrasonic waves by the lens layer and the fat layer, using an algorithm with sufficient approximation accuracy and quick calculation.
That is, an ultrasonic imaging apparatus according to a representative example of the present invention includes an ultrasonic probe including an array transducer, and transmission focusing or reception when transmitting or receiving ultrasonic waves to a subject. Delay control means for controlling a delay time for each transducer for performing focusing, and the transmission or transmission of the ultrasonic wave by incorporating an ultrasonic refraction effect by an ultrasonic propagation medium between the array transducer and a set focal position A refraction correction delay data generation unit that generates a delay time for performing focusing of received waves and supplies the delay time to the delay control unit, and a display unit that displays an ultrasonic image are provided. The delay control means stores delay time data obtained in advance based on the average sound speed of the living body, and ultrasonic transmission / reception for obtaining refraction correction data is performed in advance using the stored delay time data. . The refraction correction delay data generation means uses parameters related to the ultrasonic probe including the lens layer thickness of the probe, the sound speed of the lens layer, and the arrangement pitch of the transducers, and uses the parameters of the transducer and the designated focus. In consideration of the ultrasonic refraction effect in the ultrasonic propagation path, the delay time given to each transducer is obtained by calculation. The refraction correction delay data generation means includes a lens layer thickness, a sound speed of the lens layer, parameters relating to the ultrasonic probe including a pitch between transducers, a fat layer thickness of the subject and a sound speed of the fat layer, and a biological tissue. The delay time given to each transducer is obtained by calculation in consideration of the ultrasonic refraction effect in the ultrasonic propagation path between the transducer and the designated focal point. Further, the refraction correction delay data generation control means calculates a delay time using a parameter recursively solved from a parameter relating to a sound path from a transducer adjacent to a transducer to be calculated to the focal point. Calculate by calculation.
Further, the ultrasonic imaging apparatus of the present invention has a means for detecting data relating to the layer structure of the subject for refraction correction from the screen of the display unit on which the ultrasonic image is displayed, and an output of the layer structure data detecting means. And means for generating delay control data taking into account the influence of ultrasonic refraction due to the layer structure of the subject. The layer structure data detection means includes a caliper that displays two cursors movable on the screen and measures the distance between the cursors on the screen.
The ultrasonic imaging apparatus of the present invention is for performing an ultrasonic probe provided with an array transducer and a transmission focusing or a receiving focusing when transmitting or receiving ultrasonic waves to a subject. A delay control means for controlling a delay time for each vibrator; a means for measuring the thickness of the layered structure in the subject; a means for measuring the sound velocity of the layer structure portion; and the layer thickness measuring means. Using the measured layer thickness and the sound velocity in the layer structure measured by the sound velocity measuring means, each of the ultrasonic refraction effects in the ultrasonic propagation path between the transducer and the designated focal point is considered. A refraction correction delay control means for obtaining a delay time to be given to the vibrator and supplying the delay control means to the delay control means, and a display unit for displaying an ultrasonic image are provided. Then, the sound velocity measuring means obtains a delay time error of each reception channel by using an output of a delay circuit that performs phasing processing on echo signals received by a plurality of transducers, and the sound velocity in the subject is calculated from the delay error. Sound speed measuring means for obtaining The sound velocity measuring means includes means for specifying the sound velocity measurement region to the fat layer of the subject and the tissue part inside the fat layer and measuring the sound velocity for each.
Furthermore, the ultrasonic imaging apparatus of the present invention uses parameters related to the ultrasonic probe including the lens layer thickness of the ultrasonic probe, the sound velocity of the lens layer, and the transducer arrangement pitch, and the ultrasonic wave is emitted from the transducer. A program for causing a computer to execute a method of calculating a delay time given to each transducer in consideration of the effect of refraction until reaching a specified focal point, or the lens layer thickness, the sound velocity of the lens layer, Using the parameters related to the ultrasound probe, including the pitch between the transducers, and the fat layer thickness of the subject, the sound velocity of the fat layer, and the sound velocity data of the living tissue excluding the fat layer, the ultrasonic waves output the transducer. It is characterized by a built-in program for causing a computer to execute a method of calculating a delay time given to each transducer in consideration of the effect of refraction until reaching a specified focal point.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of an ultrasonic imaging apparatus according to the present invention. The
The ultrasonic beam former 14 controls the operation of the
FIG. 2 is a block diagram showing an example of an ultrasonic beam former. The ultrasonic beam former includes an arithmetic /
The beamforming mechanism for both transmission and reception is as follows. First, each
Next, an ultrasonic beam scanning method by the
FIG. 4 shows the focus F 11 Send an ultrasonic pulse toward the focus F 11 It is a figure which shows typically the ultrasonic probe which detects the reflected signal from. FIG. 4 shows the state of wavefront movement at regular time intervals Ts. As shown in FIG. 4A, the focus of the ultrasonic probe is F. 11 In order to match with this, the
This transmission / reception operation is indicated by point F. nn An image is acquired by performing for (n is an integer from 1 to N). In an actual apparatus, this transmission / reception operation is a method known as a dynamic focus method, that is, the transmission is performed by setting a focus on a specific depth located in a region of interest (ROI) within the subject. A single received beam signal is transmitted by continuously changing the focal position of the received wave from a shallow area to a deep area as the transmitted ultrasonic pulse travels through the subject. Is used. When the measurement of one beam is completed, the beam position is sequentially moved in the adjacent direction (azimuth direction), and similar transmission / reception operations are repeated to obtain N received beam signals to form an image.
There are two methods for moving the beam in the azimuth direction: a fixed transmission aperture and a variable transmission aperture. The former is a scanning method used for a sector type probe. In this method, all transducers of the probe are used for transmission and reception each time, and the beam direction is changed radially. In this case, the beam direction with respect to the transmission aperture is insignificant when the focal point of transmission / reception comes in front of the aperture. This has significant implications in later delay time calculations. The latter is a method used for a linear probe or a convex probe. Unlike the former, this method does not use all the transducers included in the probe for one transmission, for example, a probe with a total of 192 channels and a caliber of 64 channels for one transmission. Is used. In this case, when a beam at a certain position is obtained, transmission is performed with the aperture positioned in front of the beam, and the beam position is moved by moving the aperture. In contrast to the former case, transmission is performed so that the focal point is always in front of the aperture. How to wave.
Next, an example of the flow of tomographic imaging using the ultrasonic imaging apparatus of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. Since the ultrasonic probe is detachable and exchangeable in the ultrasonic imaging apparatus, prior to imaging, in
Next, in
In
Thereafter, the imaging mode is entered, and the diagnostician instructs the beam former 14 from the input unit 15 via the
Subsequently, in step 16, when the transducer array of the ultrasonic probe is excited using the obtained transmission delay time, it converges to the focal point designated on the first ultrasonic beam line. An ultrasonic beam is transmitted. Next, in
In step 18, it is determined whether or not signal acquisition from all points in the imaging screen has been completed. That is, when an ultrasonic image is formed by N ultrasonic beams, it is determined whether or not an Nth address ultrasonic beam is obtained. If it is not completed, the process returns to step 14 to perform transmission / reception by changing the beam position. This is repeated, and when the entire imaging range has been scanned with respect to scanning in the depth direction and scanning in the horizontal direction, one diagnostic image is taken. When the diagnostic image has been taken, the process proceeds to step 19 where it is displayed on the
Next, the processing content of “calculate the delay time after refractive index correction” in step 15 of the flowchart of FIG. 5 will be described in detail. Here, as an example, a case will be described in which the transmission surface of the probe has no curvature in the array direction, such as a linear or sector type probe. Other types of probes such as convex type can be handled in the same way just by changing the form of the expression.
Referring to FIG. 7, a
Now, the j-
The refraction of ultrasonic waves at the interface between each layer follows Snell's law. Therefore, the speed of sound in the lens layer is c 1 C is the velocity of sound in the fat layer 2 C represents the speed of sound in the body tissue. 3 Then, the refraction angle θ 1 , Θ 2 , Θ 3 Equation 1 holds between
Where the speed of sound c 1 Is determined by the material of the lens and is known because it can be measured. Also, the speed of sound c 2 , C 3 However, in the following description, the following description is advanced under the condition that it is empirically known as an approximate value, and a method for obtaining it by measurement instead of the known value will be described later as another embodiment. Note that the speed of sound c 1 Is stored in the
In the present invention, two methods are proposed as a numerical solution to this problem. First, the first method will be described below. When sin is deleted from
However,
x 1 , X 2 Is eliminated from the simultaneous equations to obtain
The calculation unit of the ultrasonic beam former in an actual ultrasonic imaging apparatus uses an MPU or DSP as described above. Of these, when a DSP is used, all calculations are converted to sums of products. In a typical DSP, the square root corresponds to 32 product sums. Since division depends on the value, the number of calculations is not known before the calculation. Therefore, transforming
According to Galois theory, it is known that there is no solution formula when a polynomial whose degree cannot be reduced by factorization is 5th or higher. From this, it is impossible to solve
Analyzing the behavior of
Hereafter, a method for calculating the delay time for each transducer in real time using this recurrence formula will be described with reference to a flowchart. First, using the flowchart of FIG. 8, the delay time of the probe in which the line segment connecting the focal point and the center transducer of the aperture is orthogonal to the transmission surface, such as a linear probe or a convex probe, is calculated. The case of calculating will be described. Under this condition, since the focal point is in front of the aperture, the delay time of each transducer is symmetrical within the aperture. That is, it is sufficient to calculate only one half.
The parameters for the probe are already given in
Next, in
Next, the process proceeds to step 24, where the vibrator number is incremented by one, the next vibrator is moved to, the process returns from
Next, using the flowchart of FIG. 9, the line segment connecting the focal point and the center transducer of the aperture and the transmission surface are not orthogonal to each other as in the case of the oblique type probe, the sector type probe, or the phased array type probe. A method of calculating the delay time for a type of probe, or a delay time for a type of probe in which the angle between the line segment connecting the focal point and the center transducer of the aperture and the transmission surface changes A method of calculating the will be described. At this time, the relationship between the focal position, the aperture, and the transducer array is schematically shown in FIG.
(1) When the foot A of the perpendicular line dropped from the focal point F to the surface where the transducers are lined enters the transmission aperture
(2) When A does not enter the transmission aperture
There are two ways. In the latter case, an imaginary transducer array is considered by ticking from A to the transducer at the end of the aperture with an element pitch. Based on this idea, before entering the delay time calculation, that is, in FIG. 5, in the next stage of
In step 31 of FIG. 9, with respect to each focal depth and direction within the range to be imaged, it is calculated whether or not the perpendicular foot (point A in FIG. 10) dropped from the focal point to the transmission surface is within the aperture. To do. If it is within the caliber, the process proceeds to step 39 where the number of vibrators from the perpendicular foot to the right and left ends of the caliber is calculated. In
If the perpendicular foot dropped from the focal point to the transmission surface is not in the aperture, the process proceeds from step 31 to step 32, where x at the transducer at the end of the aperture is read. Since this point A is the starting point for calculating the delay time, the focal length F is Fcos θ, d 3 Uses the original F and d 3 = Fcosθ-d 1 -D 2 Needs to be replaced.
Next, x at the end of the aperture is x 0 And N = 1. Thereafter, in
By using the recurrence formula of the above formula 5, the approximate value of the delay time can be obtained with sufficient accuracy (1 / accuracy of 1/10 of the center frequency). This method has sufficient accuracy as compared with the conventional approximate expression, and the calculation speed is considerably faster because the algorithm does not have a loop as compared with the method for obtaining the accuracy by focusing on the iteration. Combined with this algorithm and the recent speedup of arithmetic processing devices, a real-time high-speed delay time calculation algorithm including refraction by a fat layer as in the present invention has been realized. Furthermore, compared with the calculation of a general recurrence formula, it is extremely advantageous in that errors do not accumulate. This is because between x and f (x), f ′ (x) because f (x) is a function that does not include approximation even if x for obtaining an approximate solution includes an error every time. Since there is no error in Equation 5, x in Equation 5 N-1 The error at x is N It is because it is not reflected in.
This way of thinking is a DSP-specific solution, but if there are no restrictions, the calculation is easier. Since
Next, another embodiment of the ultrasonic beam former according to the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 11, the transducer position X N Angle θ from the vibrator N in the lens layer N It is assumed that the sound emitted at the point reaches the focal point F. This angle θ N Since the refraction angle in each layer is obtained, the sound path is determined and the delay time can be determined. In order to obtain this delay time, conventionally, a sound is first emitted at an appropriate angle, and the side through which the sound passes is calculated. If the sound passes farther than the focus, θ N Is increased and θ passes through the focal point. N Make it smaller. By repeating this process until the sound passes through the focus, θ N Seeking. However, with this method, the loop must be repeated a considerable number of times before convergence, and the calculation is not in time for the required speed. To achieve fast convergence, θ N It is necessary to increase the way that changes are made.
The algorithm used in the ultrasonic beamformer according to the present embodiment is an improvement of the Newton-Raphson method so that it can be applied to a system having no explicit function. That is, it thinks as follows. First, assuming that an ultrasonic wave is emitted at an appropriate angle θ, the magnitude of the deviation is ΔX (θ). Since θ at which ΔX becomes 0 is a solution to be obtained, a deviation ΔX (θ + dθ) when radiated at an angle of θ + dθ is obtained in order to obtain a differential coefficient of ΔX. As shown in FIG. 12, in the space of the horizontal axis θ and the vertical axis ΔX, θ when a straight line passing through these two points crosses the x axis is a better approximate solution than the original θ. When this is expressed by an equation, it becomes an
As the amount of deviation, in addition to using ΔX, a method using ΔY and a method using a square sum of ΔX and ΔY can be considered. Any of them can be used in the present invention, but in this embodiment, a case where ΔX is used will be described.
By repeating this operation, θ approaches the true solution. At this time, the smaller the difference between θ used first and the true solution, the smaller the number of repetitions of calculation, which is advantageous in terms of calculation time. In the present invention, when the delay time of the Nth vibrator is obtained as the initial value of θ here, θ obtained by the (N−1) th vibrator is obtained. N-1 Is used. In this method, it was found that the practical calculation accuracy converges in two loops. Therefore, the number of loops is determined as 2 times for calculation. Since the number of loops is significantly smaller than that of the conventional method, it is significantly superior to the conventional method. When θ is obtained for the Nth vibrator, θ is obtained as an initial value for θ for the (N + 1) th vibrator. In the case of this method as well, when the focal point is in front of the vibrator, there is no refraction and θ = 0, which can be used as a starting point for the calculation.
A method for calculating the delay time of a probe in which the line segment connecting the focal point and the center transducer of the aperture is orthogonal to the transmission surface, such as a linear probe or a convex probe, using the flowchart of FIG. Will be described. Under this condition, since the focal point is in front of the aperture, the delay time of each transducer is symmetrical within the aperture. That is, it is sufficient to calculate only one half. The parameters for the probe are already given in
In
Here, in the case of a convex probe, unlike the linear probe, calculation is performed as follows. When observing an object with a convex probe, the probe is pressed against the object and the fat layer bends along the probe. Assuming that the fat layer is concentric with the structure of the convex probe, the sound path is as shown in FIG. The two methods of calculating the deviation Δ when passing through the vicinity of the element starting from the element and the method of obtaining the deviation Δ when passing through the vicinity of the element starting from the focus are the same in principle, but the total reflection condition Also, since the sound path cannot go to the left half of FIG. 15, this system is not symmetric, and the former method is not stable, so it is desirable to solve by the latter method. If the sound path is divided into each layer and analytically solved, the position and angle of the point where the sound enters the layer and the point that exits the layer from the angle are obtained, and the point that reaches the end by calculating in order of each layer And the deviation Δ can also be obtained. For example, when the sound path in the living body is obtained outside the fat layer, the position of the starting point of the sound is expressed as F = (x 4 , Y 4 ) P when exiting 3 = (X 3 , Y 3 ), Let R be the curvature of the layer interface on the side where the sound comes out, and θ be the angle when the sound comes in. Then x 4 , Y 4 Is x from the simultaneous equation of Equation 9. 4 It can be obtained by solving a solution which is always positive among ± 2 types of solutions of the quadratic equation in which is eliminated.
At this time θ 4 For the triangle OFP 3 It is obtained by thinking. In other words, now (x 3 , Y 3 ) To θ p3 Is obtained, so θ 4 = Θ + θ p3 It can be obtained from the following formula. After θ 4 From Snell's law 3 In the same manner, a route when passing through a certain layer in order is obtained. In this example, the three-layer problem has been described as an example, but the present invention can also be applied when the number of layers is larger by the same method. Even if the interface between the fat layer and the living body outside the fat layer cannot be represented by a concentric circle of the probe, f (x 3 ) Can be expressed in the form of
Next, in
Next, the process proceeds to step 56, where the delay time τ is calculated by the following
The flowchart shown in FIG. 13 performs the recurrence formula calculation process in the flowchart shown in FIG. 8, the deviation calculation process from the focus position, the new θ calculation process by extrapolation, and the loop process of this part. This corresponds to the replacement with the determination processing of the number of loops.
Also in the case of this second method, when the focal point is not in front of the transmission aperture, θ at the end transducer is obtained in advance at the transmission aperture before imaging and stored. A plurality of θs for the transducers at the end of the transmission aperture are obtained for different subcutaneous fat layer thicknesses. When this condition is met during imaging, this θ is read and used to solve the recurrence formula as the first term of the recurrence formula. The calculation flow is shown in the flowchart of FIG. This detail is easily explained because the relationship between the calculation process of FIG. 8 and the calculation process of FIG. 9 and the relationship of the calculation process of FIG. 13 and the calculation process of FIG.
The method of calculating the parameters of the vibrator at the end of the caliber in advance is a measure for the DSP or MPU mounted in the current intermediate ultrasonic imaging apparatus having no margin, and is a high-class capable of mounting a high-speed arithmetic processing unit. In the machine, even when calculating in real time, it is also possible to perform all imaging and real time calculations including calculation that is wasted from the center of the virtual aperture at the position of the foot of the perpendicular line dropped from the focal point to the aperture surface. In that case, the calculation before imaging becomes unnecessary. Of course, in this case, it is not necessary to calculate the virtual transducers side by side with the same transducer spacing as the actual transducer, so it is effective to speed up the calculation by increasing the transducer spacing only in the virtual portion. It is. Since the calculation before imaging needs to be calculated every time the thickness of the fat layer changes, imaging stops every time. There are the following two methods for solving the problem.
The first method is a method in which all calculations for each fat layer thickness are performed in advance within a conceivable range, and all the calculation results before imaging are stored in the
On the other hand, in the second method, data calculated in advance is put in a medium such as a CD-ROM and attached to the ultrasonic probe. Then, the data is installed in the
FIG. 16 is a schematic configuration diagram illustrating another example of the ultrasonic imaging apparatus according to the present invention. 16, the same functional parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. In the explanation so far, the thickness of the subcutaneous fat layer has been input by the diagnostician. That is, as shown in FIG. 6, the distance is displayed on the screen when the diagnostician indicates the beginning and end of the fat layer on the diagnosis screen of the diagnostic apparatus. This value was entered by the diagnostician.
The ultrasonic imaging apparatus shown in FIG. 16 includes a fat layer thickness calculation unit 16 in the
Next, a method for adaptively improving the image quality during imaging using the ultrasonic beamformer mounted algorithm of the present invention will be described. The calculation algorithm described so far has the premise that the fat layer is uniform and has a constant thickness, and that the speed of sound in the fat layer does not vary depending on the individual or target site. This assumption was buried in the error when the delay time calculation had a certain error, and the effect was not understood. However, when high-accuracy imaging is possible according to the present invention, it is clear that the image quality is improved by removing this premise. In order to remove the premise, it is only necessary to change the sound speed of the fat layer while imaging.
FIG. 17 is a schematic configuration diagram illustrating another example of the ultrasonic imaging apparatus according to the present invention. 17, the same functional parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. This ultrasonic imaging apparatus makes it possible to finely adjust parameters relating to the fat layer, and to deal with a fat layer that is not uniform and has a constant thickness. Specifically, the ultrasonic imaging apparatus having the configuration shown in FIG. 1 includes an input device and a
At this time, if one or more of the parameters in
From here, an example of an example in which a layer structure exists on the surface of the subject will be described. First, a specific example for obtaining the thickness and sound speed of the layer structure on the surface of the subject during the examination will be described.
FIG. 19 shows an embodiment in which the examiner can select them. A thickness table and a sound velocity table shown in FIG. 19B are prepared in advance and incorporated into the apparatus, and the examiner observes the
In the above description, the embodiment of removing the influence of refraction of ultrasonic waves generated from the layer structure of the living body and improving the image quality of the ultrasonic image has been described. In order to further improve the image quality of the ultrasonic image, It is necessary to accurately grasp the ultrasonic wave propagation speed in the living body and reflect the data in the refraction correction control in the ultrasonic beam former.
Thus, next, another embodiment of the present invention is shown in FIG. In this method, the sound speed of a living body having a layer structure is obtained, and the refraction correction processing of the above-described embodiment is performed based on the sound speed. FIG. 20 is a block diagram showing an embodiment of a portion for obtaining the sound speed in the ultrasonic imaging apparatus. In the figure,
In addition to the above configuration, the ultrasonic imaging apparatus of the present embodiment further includes a delay
As described above, in the configuration shown in FIG. 2, the delay circuit can be digitally controlled, the delay
Next, the operation of the portion configured as described above will be described. First, delay time data obtained by assuming that the sound speed in the living body is, for example, a constant sound speed of an average value of the living body is output from the arithmetic / control circuit 42 to the
Then, a delay-controlled signal of each channel of the
The sound speed data selected by the medium
In order to simplify the comparison operation in the delay
Next, a method of obtaining the sound speed of each layer of a living body having a layer structure with the configuration shown in FIG. FIG. 21 is an ultrasonic tomogram of the subject displayed on the monitor of the ultrasonic imaging apparatus. In the image, 170 is a fat layer, and 190 is a tissue region deeper than the
Next, the sound speed of the tissue region deeper than the
The sound speed of the tissue region can be obtained from the above two measurements. The average sound velocity of the fat layer measured first is c 1 Next, the average velocity of sound including both the fat layer and the tissue region obtained is c a And sign. Then, the thickness of the fat layer, that is, the depth of the
The speed of sound c of the fat layer determined by this 1 And sound velocity c in the organization 2 Is applied to the
Next, another embodiment will be described. This embodiment considers correction of the caliper distance measurement function used for the sound velocity measurement. That is, the caliper distance measurement function incorporated in the ultrasonic imaging apparatus is performed by a calculation based on the sound velocity that is initially set in the apparatus. Therefore, l used in
Device set sound speed is v 0 , The speed of sound v 0 Caliper depth x 0 , Average sound velocity of fat layer c measured fm Then, the true thickness of the fat layer l rt Is obtained from Equation 14.
These values c fm , L ft To true average speed of sound c in the organization om , The true acoustic propagation distance in tissue ot By applying the above to
In addition to the above, there are various methods for obtaining the sound speed and distance of a living body having a layer structure. As an example, paying attention to a specific beam of the ultrasonic beam, for example, the central beam, detecting a place where the intensity of the received signal in the beam is very large near the body surface, obtaining it as time, and calculating the above-mentioned calculation You may make it carry out automatically. This measurement method is possible if the threshold value for detection is determined because the reflection signal is large at the boundary of the layer structure.
If the refraction correction method described above is programmed and incorporated into the apparatus as an automatic sequence and is repeatedly executed every several frames during imaging, and the setting value is updated, as in the case where there are a plurality of examination sites. Even if the probe is moved and inspected, refraction correction is automatically performed, so the image is always good.
In a device that enables refraction correction, the display image is marked with a marking that distinguishes between a normal image and a refraction correction image, and a multiple image simultaneous display method is used. The mode which displays can be taken. Even if the image of the point of interest becomes good, the image may be distorted in other areas in the case of a complex biological structure. Accordingly, simultaneous display enables comparison of images with and without refraction correction in real time, which is effective for the user. It is also useful to designate a diagnostic site as an ROI, acquire an image with refraction correction applied only to that site, fit it into a normal image, synthesize and display it.
The present invention is not limited to the specific embodiment described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the technical idea thereof.
As described above, according to the present invention, the influence of refraction by the lens layer and the fat layer (or muscle layer, etc.) can be reduced, so that the image quality of the ultrasonic image can be improved. Furthermore, according to the present invention, the sound velocity of each layer of the subject having a layer structure can be measured, and the influence of refraction in each layer of ultrasonic waves can be reduced by taking the value into account, thereby further improving the image quality. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration example of an ultrasonic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of an ultrasonic beamformer without the ultrasonic imaging apparatus shown in FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the transducer array and the ultrasonic image, FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the transducer array and the delay time during ultrasonic transmission / reception, and FIG. 5 is a tomographic image to which an example of refraction correction of the present invention is applied. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a method for measuring the thickness of a layer from an image displayed on the image display unit, FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a refraction state of an ultrasonic pulse, and FIG. FIG. 9 is a flowchart for explaining a first example of a procedure for calculating a delay time for refraction correction according to the present invention, FIG. 9 is a flowchart for explaining a second example of a procedure for calculating a delay time for refraction correction according to the present invention, and FIG. In phased array transducers FIG. 11 is an explanatory diagram of the refraction state of an ultrasonic pulse, FIG. 12 is an explanatory diagram of the discrete Newton method, and FIG. 13 is a delay time calculation for refraction correction according to the present invention. FIG. 14 is a flowchart for explaining a fourth example of the procedure for calculating the delay time for refraction correction according to the present invention, and FIG. 15 is a flowchart for explaining the ultrasonic pulse in the convex probe. FIG. 16 is a block diagram showing a schematic configuration of another embodiment of the ultrasonic imaging apparatus according to the present invention, and FIG. 17 shows a schematic configuration of still another embodiment of the ultrasonic imaging apparatus according to the present invention. FIG. 18 is a graph showing the time required to reach the focal point from each transducer, FIG. 19 is an overview of the apparatus having a switch for the refraction correction function, and FIG. 20 is the sound speed for refraction correction. Block diagram showing an apparatus configuration for determining, FIG. 21 is a diagram showing a screen display example of sound speed measurement.
Claims (8)
前記屈折補正遅延データ生成制御手段は、計算の対象となる振動子の隣の振動子から前記焦点に至る音の経路に関するパラメータから漸化式的に解かれたパラメータを用いて遅延時間を演算により求めることを特徴とする超音波撮像装置。Ultrasound probe with array transducers and delay control to control the delay time for each transducer to transmit or receive ultrasound when transmitting or receiving ultrasound to the subject And a delay time for focusing the transmitted or received wave by incorporating an ultrasonic refraction effect by an ultrasonic wave propagation medium between the array transducer and the set focal position and generating the delay time to the delay control unit In an ultrasonic imaging apparatus comprising a refraction correction delay data generating means to be supplied and a display unit for displaying an ultrasonic image,
The refraction-corrected delay data generation control means calculates a delay time by using a parameter recursively solved from a parameter related to a sound path from a transducer adjacent to a calculation target transducer to the focal point. What is claimed is: 1. An ultrasonic imaging apparatus comprising:
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