JP4752443B2

JP4752443B2 - 超音波診断装置

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Publication number: JP4752443B2
Application number: JP2005301492A
Authority: JP
Inventors: 森緒西垣
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-10-17
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2025-10-17
Also published as: JP2007105360A

Description

本発明は配列振動子により送受信を行なう超音波診断装置に関する。

合成開口走査を行う超音波映像装置が知られている。この超音波映像装置は例えば（非特許文献１）で知られており、以下、その動作原理について図７に示す概略ブロック図を参照しながら説明する。

図４において、超音波プローブ１は振動子Ｔ１〜Ｔ８で構成されている。振動子Ｔｎは超音波パルスを発生し、被検体中で反射された超音波パルスはエコー超音波として振動子Ｔｎで受信される。振動子Ｔｎで受信された受信信号はマルチプレクサ（ＭＵＸ）１００を通過し増幅器１０２で増幅された後、Ａ／Ｄ１０３でディジタルデータに変換されメモリ１０４に書き込まれる。振動子Ｔｎからの受信信号のメモリ１０４への書き込みが終了すると、次にＭＵＸ１００は振動子Ｔｎとは異なる振動子Ｔｎ’を選択し、振動子Ｔｎの場合と同様に受信信号をメモリ１０４に書き込む。以上のようにして振動子Ｔ１〜Ｔ８により得られた受信信号をメモリ１０４に書き込む。次に加算器１０５において、メモリ１０４に記憶された振動子Ｔ１からＴ８により得られた各受信信号に所定の時間差を与えて加算する。

このようにしてＴ１〜Ｔ８までの振動子による送受信シーケンスを１つ１つ行ない、信号を統合することで、８つの振動子で同時に受信したのと同じ効果を得る。

振動子Ｔ１〜Ｔ８による受信期間中に被検体が静止していると仮定すれば、超音波プローブ１に対して被検体中で収束、偏向等の受信指向性を与えることができる。以上のようにして加算器１０５で加算された受信信号は信号処理器１０６で検波等信号処理され表示部１０７に表示される。

しかしながら、上記従来の合成開口部を有する超音波診断装置では振動子Ｔ１〜Ｔ８による受信期間中に被検体が運動した場合に正確な合成開口が行えないという問題があった。

図８を用いて被検体が運動した場合の改善方法について説明する。

図８において探触子１は振動子Ｔ１〜Ｔ１６により構成されている。スイッチ１０９〜１１２は４：１のスイッチであり送信回路１０８の駆動パルス信号をスイッチ１０９〜１１２で選択して４つの振動子に送り込む。例えばスイッチ１０９〜１１２がすべてａに接続されたとすると、振動子Ｔ１〜Ｔ４が選択される。この状態でスイッチ１０９がｂに切り替わると振動子Ｔ２〜Ｔ５が選択される。このようにスイッチ１０９〜１１２を順次切り替えて開口位置を変えて送受信を繰り返すことにより２次元走査を行なう。

選択された振動子から放射され、図示されない被検体内で反射された超音波は同じ振動子で電気信号に変換され、スイッチ１０９〜１１２を経てＡ／Ｄ変換器１１３〜１１６でディジタル信号に変換され、ビーム合成器１１７で遅延加算されたあと、開口合成部２を経て検波器１２１で検波され、ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）１２２で走査変換されて、表示部１０７に表示される。

合成開口時の動作について図９を用いて説明する。

図９は開口中心をＴ６とＴ７の間に位置されたときの送受信の例を示している。

この開口中心に対し、送受信シーケンスを２回行う。送信は１回目、２回目ともに振動子Ｔ５〜Ｔ８を用いて行なう。図８においてスイッチ１０９〜１１２はすべてｂに接続されている。

１回目の受信には振動子Ｔ５〜Ｔ８を用いる（これを中の開口と呼ぶ）。スイッチ１０９〜１１２はすべてbに接続されたままである。２回目の送信の直後、スイッチ１０９，１１０をｃに、スイッチ１１１，１１２をａに接続を変更する。これにより２回目の受信においては、振動子Ｔ３，Ｔ４、Ｔ９，Ｔ１０を用いる（これを外の開口と呼ぶ）。

このようにして、同じ開口中心に２回ずつの送受信を行ない、受信開口を中と外に切り替えることで、開口合成を実現する。

図８において１回目の受信信号の遅延加算された信号は、開口加算部２のメモリ３に記憶され、２回目の受信の際にメモリ３から出力され２回目の受信信号の遅延加算信号と、加算器１２において加算される。

上記のようにこの方法においては、合成開口の送受信シーケンスが２回で行なわれるために、前記従来の第１の合成開口の例に比べ、被検体の運動の影響は少ない。
P.D.Corl, et al."A digital synthetic imaging system for NDE",Proc IEEE Ultrasonics Symp.,Sept. 1978

しかしながら従来例の第２の方法においても被検体の運動速度が１回目の送受信と２回目の送受信で信号の位相が異なり打ち消しあい画像に影響が出る程度に大きい場合には運動の影響で画質が劣化するという問題がある。

本発明はこれらの問題を解決し、被検体の運動が速い場合においても良好な画質を提供することを目的とするものである。

本発明は、合成開口の複数の送受信の間における、被検体の運動による信号の差異をなくすことで、画質の優れた超音波診断装置を実現するものである。

請求項１の発明においては、配列された複数の振動子と、前記振動子で受信した信号のうちビーム形成器に入力する信号を選択するスイッチと、前記スイッチにより選択された信号によりビーム形成を行なうビーム形成器とビーム形成器の出力を一時的に記憶するメモリと、前記メモリおよびビーム形成器の出力を加算する加算器から構成され、複数回の同じ開口を用いた被検体への送受信シーケンスを含む複数回の送受信シーケンスにより１つのビーム形成を行なう合成開口方式を用い、同じ開口を用いた複数の送受信シーケンスで得た信号から送受信シーケンス間の被検体の体動による位相のずれを検出する手段および、異なる開口における送受信シーケンスにおいて得た受信信号の位相をそろえる手段を備えることで、位相差を解消し画質の劣化を防止することができる。

請求項２の発明においては、２つの信号の位相差を検出する手段として信号の振幅がゼロを横切り正から負へ、あるいは負から正へ変わるタイミングを検出することにより簡便に位相差の補正を行なうことができる。

請求項３の発明においては、２つの信号の位相差を検出する手段として相関器を用いることで、簡便に精度良く位相差の補正を行なうことができる。

請求項４の発明においては、位相のずれを検出するための同じ開口における送受信シーケンスを毎回行なわないことで、フレームレートの低下を抑えつつ、位相差の補正を行なうことができる。

本発明の超音波診断装置によれば、合成開口を行なう場合において、各回の送受信による受信信号の位相を検出し揃えることで、被検体が動いた際に生ずる位相差による信号の打ち消し合いを防ぎ、画質の良好な画像を得ることができる。

以下、本発明の実施について、図１〜図６を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における合成開口方式を行なう超音波診断装置の概略ブロック図の一例である。以下、図１をもとに本発明の内容を説明する。

本発明においては、開口加算部２は、１回目および２回目の送受信による信号を記憶するメモリ３、４、ビーム合成器１１７の出力を用いるか、メモリ３、４に記憶させたデータを用いるかを選択するスイッチ５、６、１回目および２回目の送受信による受信信号における信号の振幅がゼロを横切り正から負へ、あるいは負から正へ変わるタイミングを検出するゼロクロス検出部６、７、２つのゼロクロス検出部の出力からどちらの信号にどれだけの遅延がかかったかを算出する遅延量算出器８、遅延量算出器８で算出した遅延量を一時的に記憶させるメモリ９、遅延量算出器８で算出した遅延量をもとに、各信号に遅延をかける遅延器１０、１１、遅延器１０、１１により遅延をかけた２つの信号を加算する加算器１２から構成される。

以上のような構成により次のような動作を行なう。送受信は３回行ない、最初の２回は同じ開口で、最後の１回は別の開口で受信を行なう。

まず１回目の送受信を行ない、受信信号をメモリ４に蓄積させる。次に２回目の送受信を行ない、受信信号を得るが、このときメモリ３に信号を記憶させる。同時にスイッチ５をａに接続しこの受信信号はゼロクロス検出器７により受信信号が正から負へ、あるいは負から正へ変化するタイミングを検出する。かつそれと同時にメモリ４から１回目の送受信による受信信号を読みだし、ゼロクロス検出器８により受信信号が正から負へ、あるいは負から正へ変化するタイミングを検出する。これら２つのゼロクロス検出器７、８により検出された情報は遅延量算出器９により、どちらがどれだけ進んでいるか（あるいは遅れているか）を算出し、遅延量メモリ１０に記憶させる。

３回目の送受信で得た信号はスイッチ６をａに切り替えメモリ４を経由せずに遅延器１０に入力する。同時にスイッチ５をｂに接続し、メモリ３に記憶された２回目の送受信シーケンスの信号を読み出して、遅延器９に入力される。

遅延器１１、１３に入力された信号は遅延メモリ１０の出力の制御により遅延され、被検体の動きによる位相のずれが補正され、加算器１２により加算され１つの信号として出力される。このことで、被検体の運動により画質の劣化が起こるのをふせぐことができる。

ゼロクロス検出器７、８の内部構成の例とその動作説明図を図２に示す。ゼロクロス検出器の内部は図２（ａ）に示すように比較器２０とデータレート１つ分の信号遅延器２１、ＮＯＴゲート２２、ＡＮＤゲート２３から構成される。比較器２０の入力信号ＩＮ１がしきい値ＩＮ２（ここではゼロ）より大きくなると、出力ＯＵＴが０から１に変化する。遅延器２１およびＮＯＴゲート２２、ＡＮＤゲート２３により、出力信号を生成する。

動作は図２（ｂ）のようになり、出力信号は入力信号が負から正に切り替わった後、１クロック分だけ１となる。

この動作を１回目の受信信号、２回目の受信信号について行ない、図２（ｃ）の出力信号１と２を得る。

図示されたようなクロック信号を用い、遅延時間カウント信号が１になる時間をカウンタ（図示なし）でカウントすることで、遅延量を算出する。

この遅延量のデータを図１の遅延量メモリ１０に記憶させ、遅延器１１、１３を制御し２つの信号のタイミングを合わせる。

遅延器１１、１３は例えばＦＩＦＯメモリのようなものであり、入力信号を一定タイミングで書き込み、出力信号のタイミングを遅延量メモリ１０の制御により遅延する。

本実施の形態においては、同じ開口により得た受信信号を用いて被検体の動きによる位相のずれを計算している。この方法によれば、例えば、１回目で中側の、２回目で外側の開口を用いて得た受信信号から位相ずれを算出する方法では被検体内で反射した信号の振動子までの経路が異なることによる影響がなく、精度を向上させることができる。

音響線を逐次変化させ２次元画像を得るための送受信シーケンスを図２および（表１）を用いて説明する。

音響線は図３のように配列振動子１に対し、ａ、ｂ、ｃ・・・というように少しずつ変化させ２次元画像を構成する。この原理に関しては公知の超音波診断装置と同様である。本実施の形態では、それぞれの音響線に対し、送受信シーケンスを３回ずつ行なう。表１には１回目から１２回目までの送受信シーケンスがどのように行なわれるかを示している。１〜３回目には開口中心位置はａで送受信を行なう。受信開口は１、２回目が中、３回目は外である。位相検出には１、２回目の送受信シーケンスを、開口合成には２、３回目の送受信シーケンスを用いる。

以下、４〜６回目、７〜９回目、１０〜１２回目でそれぞれ開口位置ｂ、ｃ、ｄについての開口合成を行なう。

（表２）に本実施の形態における別の送受信シーケンスの例を示す。この例においては、送受位置がａ、ｃ、ｅの場合においてのみ被検体の動きを検出し、開口ｂ、ｄにおいては位相変化の検出を行なわず、隣接した開口における位相変化のデータを流用する。例えば開口位置ｂでは開口位置ａの位相変化のデータを流用する。これにより１枚の画像を得るための送受信シーケンスの回数を低減でき、高いフレームレートを得ることができる。

（実施の形態２）
図４は本発明の第２の実施の形態における合成開口方式を行なう超音波診断装置の概略ブロック図の一例である。以下、図４をもとに本発明の内容を説明する。

探触子１を用いて同じ開口位置において３回の送受信を行ない被検体の動き検出および中の開口と外の開口の合成を行なうところは第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態では、被検体の動きを相関器により検出する。

まず１回目の送受信を行ない、受信信号をメモリ４に蓄積させる。次に２回目の送受信を行ない、受信信号を得るが、このときメモリ３に信号を記憶させる。同時にスイッチ５をａに接続しこの受信信号を相関器１４に入力させる。かつそれと同時にメモリ４から１回目の送受信による受信信号を読みだし、相関器１４に入力させる。相関器１４はこれら２回分の受信信号の相関を取り、位相差を求め、位相メモリ１５に記憶させる。

３回目の送受信で得た信号はスイッチ６をａに切り替えメモリ４を経由せずに加算器１２に入力する。同時にスイッチ５をｂに接続し、メモリ３に記憶された２回目の送受信シーケンスの信号を読み出して、移相器１５に入力する。

移相器１５では、位相メモリ１５のデータをもとに、被検体の動きによる位相のずれが補正され、３回目の受信信号と位相が同一となるように入力信号の位相を制御する。このことで、被検体の運動により画質の劣化が起こるのをふせぐことができる。

本実施の形態における相関器の内部構成について図５を用いて説明する。相関器は直交検波器および相互相関器より構成される。

図５（ａ）が直交検波器の構成である。乗算器２４、２５とローパスフィルタ２６、２７より構成されている。乗算器２４、２５には送信パルスの中心周波数とほぼ等しい周波数の参照信号が入力されており、乗算器２４、２５では参照信号の位相が９０度異なる。

乗算器２４、２５で入力信号は参照信号を乗算され、ローパスフィルタ２６、２７において高調波成分が除去される。出力信号をＩ，Ｑとする。

１回目の送受信における深さｎの直交検波出力Ｉ１ｎとＱ１ｎ、２回目の送受信における同じ深さの直交検波出力Ｉ２ｎとＱ２ｎを図５（ｂ）のように相関器２８に入力する。

相関器２８は図５（ｃ）に示したようなベクトル演算により、１回目と２回目の信号の位相差θｎを計算し、出力する。

本実施の形態における移相器の内部構成を図６に示す。移相器は位相を９０度回転させるオールパスフィルタ２９とゲイン可変アンプ３０、３１、加算器３２から構成されている。

オールパスフィルタ２９で９０度位相が異なる信号と原信号を、ゲイン可変アンプ３０、３１において適当な振幅比で加算する。ゲイン可変アンプ３０、３１のゲインは移相出力の振幅が入力に等しくなり、任意の位相回転が得られるように設定される。ゲイン範囲は−１〜１である。

なお、実施の形態１と同様に本実施の形態においても全ての開口位置において位相検出を行なうことなく、隣接した開口位置での位相情報を流用して補正を行なうことができる。

本発明にかかる超音波診断装置は合成開口を行なう場合において、各回の送受信による受信信号の位相を検出し揃えることで、被検体が動いた際に生ずる位相差による信号の打ち消し合いを防ぎ、画質の良好な画像を得ることが可能となるので超音波診断装置等として有用である。

本発明の第１の実施の形態における合成開口を行う超音波診断装置の概略ブロック図本発明の第１の実施の形態における送受信シーケンスの説明図本発明の第１の実施の形態におけるゼロクロス検出および遅延の説明図本発明の第２の実施の形態における合成開口を行なう超音波診断装置の概略ブロック図本発明の第２の実施の形態における相関器による位相検出の説明図本発明の第２の実施の形態における移相の説明図本発明の第１の従来例における合成開口を行なう超音波診断装置の概略ブロック図従来の超音波診断装置の概略ブロック図従来の超音波診断装置の別の概略ブロック図

符号の説明

１探触子
Ｔ１〜Ｔ１６振動子
２開口合成部
３，４メモリ
５，６スイッチ
７，８ゼロクロス検出器
９遅延量算出器
１０遅延量メモリ
１１，１３遅延器
１２加算器
１４相関器
１５位相メモリ
１６移相器
２０比較器
２１信号遅延器
２２ＮＯＴ
２３ＡＮＤ
２４，２５乗算器
２６，２７ローパスフィルタ
２８相関器
２９オールパスフィルタ
３０，３１ゲイン可変アンプ
３２加算器
１００マルチプレクサ（ＭＵＸ）
１０１，１０８送信回路
１０２増幅器
１０３，１１３〜１１６Ａ／Ｄ変換器
１０４メモリ
１０５加算器
１０６信号処理器
１０７表示部
１０９〜１１２スイッチ
１１７ビーム形成器
１２１検波器
１２２ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）

Claims

配列された複数の振動子と、
前記振動子で受信した信号のうちビーム形成を行なう信号を選択するスイッチと、
前記スイッチにより選択された信号によりビーム形成を行なうビーム形成器と、
前記ビーム形成器の出力を一時的に記憶するメモリと、
前記メモリおよび前記ビーム形成器の出力を加算する加算器から構成され、
同じ送信開口で３回の被検体への送受信シーケンスを、それぞれ異なる送信開口で複数回行なうことで１つのビーム形成を行ない、前記３回の被検体への送受信シーケンスのうち、２回の送受信シーケンスを同じ送受信開口で行なう合成開口方式を用い、
前記同じ送信開口で行なう３回の被検体への送受信シーケンスにおいて、前記同じ送受信開口で行った２回の送受信シーケンスで得た信号から前記２回の送受信シーケンス間の被検体の体動による位相のずれを検出する手段および、異なる受信開口で行った送受信シーケンスにおいて得た信号の位相をそろえる手段を備えたことを特徴する超音波診断装置。
前記位相を検出する手段がゼロクロス検出器であることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
前記位相を検出する手段が相関器であることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
位相のずれを検出するための同じ開口における送受信シーケンスを毎回行なわないことを特徴とする請求項２ないし３記載の超音波診断装置。