JP5074963B2

JP5074963B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP5074963B2
Application number: JP2008063829A
Authority: JP
Inventors: 将則久津; 景文曹
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: JP2009219511A

Description

本発明は超音波診断装置に関し、特に、ドプラ波形画像を生成する超音波診断装置に関する。

スペクトルドプラ法には周知のようにパルスドプラ法（ＰＷ法）と連続波ドプラ法（ＣＷ法）とがある。ＰＷ法では、超音波パルスの送波及び反射波の受波からなる送受波が繰り返される。これによりビームデータが順次得られる。各ビームデータに対してはゲート処理が適用される。具体的には、ビームデータからサンプルゲート（観測部位としてのサンプルボリューム）に相当する部分が切り出され、その部分の平均値が求められる。時間軸上において順次取得される平均値からなる平均値列に対してＦＦＴ演算等の周波数解析処理が適用され、これによってスペクトル信号が得られる。そのスペクトル信号に基づいてドプラ波形が生成される。ドプラ波形の横軸は時間軸であり、その縦軸はドプラ偏移周波数又はそれに対応する速度軸であり、各画素の輝度はパワーを表す。なお、ゲート処理の前に複素信号変換処理（ＲＦ信号に参照信号をミキシングし、ローパスフィルタリング（ＬＰＦ）してＲＦ信号をベースバンド複素信号に変換する直交検波処理が実行される。一方、ＣＷ法では、通常、アレイ振動子上に送信開口と受信開口とが別々に設定され、それぞれの開口を利用して送信ビーム及び受信ビームが連続的に形成される。それらのビームの交差部位が実質的に観測部位となる。ドプラ情報の処理方法は基本的に上記のＰＷ法と同じであるが、連続波が送信されるため距離分解能はなく、観測部位からの情報が支配的に観測されることになる。

ところで、ＰＷ法におけるサンプルゲートが、あるいは、ＣＷ法におけるビーム交差部位制御が、拍動、呼吸、手振れ等によって、実際に観測したい血流部分から多少外れても、ドプラ情報を十分に観測できるようにすることが望まれる。すなわち、観測部位の範囲を広げてその範囲内に当該血流部位が含まれるようにするものである。この要望から、送受信のビーム幅を広げることがまず考えられるが、そのために単に送受信開口を小さくすると、感度が低下してしまう。そこで、１つの送信ビームに対して２つの受信ビームを同時に形成し、それらの受信ビームを互いにずらすことが考えられる。つまり、送受信開口を無用に狭くすることなく観測部位の大きさを拡大できるようにするものである。特許文献１にはこの手法が記載されている。但し、複数の受信ビームに相当する複数の受信信号は、ＲＦ信号の状態で加算され、それによる加算ＲＦ信号に対して復調（ベースバンド複素信号への変換を行う直交検波等）、周波数分析、等の処理が実行されている。

特開平２−２７４２３７号公報

本発明者らの研究、検討によれば、上記特許文献１の手法によると、一定の利点を得られるものの、ＲＦ受信信号の段階で加算を行っているため、つまりコヒーレント処理のために、一般にＳ／Ｎ比改善の利点を得られるが、信号の統計的変動を抑制する効果（特にドプラ波形固有のドプラスペックル）を改善する効果はほとんど期待できない、ということが判明している。また、通常、直交検波時におけるＬＰＦ処理やサンプルゲート内の信号加算により、ノイズ自体を十分に抑圧できているので、Ｓ／Ｎ比の改善よりも画質改善を優先させる方が理にかなっているとの考えに至っている。そこで、本発明は、パラレル受信とインコヒーレント処理との有機的な組み合わせを実現するものである。

本発明の目的は、観測部位の増大を図りつつドプラスペックルを解消又は低減することにある。

本発明は、送信ビームに対して複数の受信ビームを設定し、生体内の観測部位に存在する運動体の運動情報を表す複数の受信信号を取得する送受波手段と、前記複数の受信信号を個別的に周波数解析し、複数のスペクトル信号を生成する解析手段と、前記複数のスペクトル信号に対して合成処理を適用し、合成スペクトル信号を生成する合成手段と、前記合成スペクトル信号に基づいてドプラ波形画像を形成する画像形成手段と、を含み、前記送受波手段は、前記複数の受信ビームの中心線が前記観測部位内の基準点の深さにおいて互いにずれて中心線間隔が生じるように前記複数の受信ビームを同時に形成し、前記複数のスペクトル信号の合成処理により前記ドプラ波形画像に現れるドプラスペックルが解消又は低減される、ことを特徴とする超音波診断装置に関する。

上記構成によれば、送信ビームに対して複数の受信ビームを互いにずらして設定することにより、基準点近傍における観測部位を広げることができ、しかも、複数の受信信号に基づく複数のスペクトル信号を生成した後にそれらを合成して合成スペクトル信号を生成するので、インコヒーレント処理の適用によって空間コンパウンドを実現し、これによってドプラ波形画像に現れるドプラスペックルを解消又は低減可能である。この手法はパルスドプラ法（ＰＷ法）及び連続波ドプラ法の両方に対して適用可能である。後者の場合には、送信ビームと同時に複数の受信ビームが同時に形成され、それら３つ以上のビームの交差部位として観測部位が形成される。その場合に、送信ビーム上の送信フォーカス点の左右近傍を２つの受信ビームの各中心軸が通過し、送信フォーカス点の左右に２つの受信フォーカス点が定められるように構成するのが望ましい。そして、ユーザーにより観測部位あるいはサンプルゲートの位置が空間的に移動されるならば、それに連動して各フォーカス点の位置が適応的に定められるように構成されるのが望ましい。

望ましくは、前記送受波手段は、パルスドプラ法又は連続波ドプラ法に従って超音波の送受波を行う。望ましくは、前記解析手段は、前記複数の受信信号の周波数解析を時分割で実行する。

以上説明したように、本発明によれば、パラレル受信とインコヒーレント処理との有機的な組み合わせを実現して、観測部位の増大を図りつつもドプラスペックルを解消又は低減できる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。この超音波診断装置は、医療の分野において用いられ、例えば心臓内の血流についてのドプラ波形を形成する機能を具備している。

探触子１０は、超音波の送受波を行うプローブであり、探触子１０は本実施形態において１Ｄアレイ振動子を有している。１Ｄアレイ振動子は、複数の振動素子により構成され、それらの振動素子により送信ビームが形成され、また後述するように複数の受信ビームが同時に形成される。本実施形態においては、パルスドプラ法または連続波ドプラ法が適用されており、前者においては、送信ビームの形成の後、２つの受信ビームが同時に形成されており、後者においては、送信ビームと２つの受信ビームとが同時に形成される。探触子１０に２Ｄアレイ振動子を設けるようにしてもよい。３つ以上の受信ビームが同時に形成されてもよい。

受信部１２は本実施形態において並列的に配置された２つの整相加算器１４，１６によって構成されている。各整相加算器１４，１６は複数の受信信号に対して整相加算処理を実行し、これによって電子的に受信ビームを形成するものである。これによりそれぞれの整相加算器１４，１６からビームデータが出力される。ちなみに、図１において、送信部については図示省略されている。送信ビーム及び複数の受信ビームの形成は図示されていない制御部によって制御されている。

受信部１２の後段には、２つのスペクトルドプラ処理器１８，２０が並列的に設けられている。各スペクトルドプラ処理器１８，２０は、互いに同一の構成を有し、直交検波器、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、レンジゲート、ＦＦＴ回路等を具備している。直交検波器はビームデータすなわち受信信号をベースバンドの複素信号に変換する回路であり、ローパスフィルタは直交検波後におけるベースバンド領域の信号成分を抽出する回路である。レンジゲートは所定の深さ範囲内における信号成分を切り出すための回路であり、ＦＦＴ回路は周波数解析処理を行ってパワースペクトルを表す信号を生成する回路である。本実施形態においては、２つのスペクトルドプラ処理器１８，２０から２つのパワースペクトル信号が出力されることになる。

加算器２２は、２つのパワースペクトル信号を加算する合成器として機能する。加算後のパワースペクトル信号はドプラ画像形成器２４に出力される。ドプラ画像形成器２４は合成後のパワースペクトル信号に基づいてドプラ波形を画像として形成する。ドプラ波形において横軸は時間軸であり、縦軸はドプラ偏移周波数すなわち速度を表す軸である。またその波形の輝度は各周波数成分におけるパワーを表す。表示器２６にはドプラ画像としてのドプラ波形が表示される。

図２には、ＰＷ法が示されている。（Ａ）は従来法を表しており、アレイ振動子３０に基づいて送信ビーム及び受信ビームが形成される。それらが符号３２によって表されている。送信ビーム及び受信ビームのフォーカス点が（Ａ）においてＦで表されており、そのフォーカス点はユーザーにおいて設定される深さ軸上のレンジゲート、すなわちサンプルボリューム３４の中心に相当する。サンプルボリューム３４の大きさ及び深さはユーザーにより任意に設定可能である。本実施形態における送受信方法が（Ｂ）で示されている。送信ビームについては（Ａ）に示した方式と同様に形成され、一方、受信時においては（Ｂ）に示されるように複数の受信ビーム３２Ａ，Ｂが同時に形成される。それらの中心軸はフォーカス点Ｆの近傍を通過するように設定されており、すなわち、それらの中心軸は基準点としてのフォーカス点Ｆの近傍において互いに方位方向に隔てられている。これによって、観測部位３８が形成され、それは（Ａ）に示した観測部位３６よりも方位方向に拡大している。したがって、このような観測部位の拡大により探触子におけるぶれ等が生じた場合においてもターゲット付近からのドプラ情報を効果的に取得することが可能である。

一方、図３には連続波ドプラ法が示されている。（Ａ）は従来法を示しており、ここにおいてアレイ振動子３０上には送信開口Ｔ及び受信開口Ｒが設定されている。送信開口Ｔを利用して送信ビーム４０が形成され、そのフォーカス点はＦで表されている。送信ビームの形成と同時に受信ビームが形成される。具体的には受信開口Ｒを利用して受信ビーム４２が形成される。その受信ビームのフォーカス点も上記のＦに一致している。これによって観測部位４４が構成される。送信ビーム及び受信ビーム共に連続的に構成されるため、パルスドプラ方式のような深さ方向の分解能は有していないが、２つのビームをクロスさせることにより注目部分からのドプラ情報を支配的に取り込むことが可能である。これに対し、（Ｂ）には本実施形態における送受信方式が示されている。アレイ振動子３０上には送信開口Ｔ及び受信開口Ｒが設定されている。送信開口Ｔを利用して従来同様に送信ビーム４０が形成される。ただし、受信開口Ｒを利用して２つの受信ビーム４２Ａ，４２Ｂが同時に形成される。それらの中心軸はフォーカス点Ｆの近傍を通過し、互いの中心軸は方位方向に少しずれている。その結果、観測部位４６は方位方向かつ深さ方向に広がることになり、上述した探触子のぶれ等の問題に効果的に対処することが可能である。

図２の（Ｂ）及び図３の（Ｂ）に示した本実施形態の方式によれば、上述したように観測部位３８，４６を拡大することが可能である。しかも、送信開口及び受信開口は従来方法同様の大きさを持っているため、感度の面でも従来同様のレベルを得ることが可能である。

図４には、通過帯域特性が示されている。符号１００はＬＰＦの通過帯域特性を示しており、符号１０２はＰＷ法におけるレンジゲート内の加算処理により得られる通過帯域特性を表している。それらに示されるように、いずれの特性も極めて狭帯域を示しており、このような特性により注目する周波数帯域外に存在するノイズを十分に軽減できることが理解される。逆に言えば、コヒーレント処理により受信ビームを加算した場合におけるＳ／Ｎ比の改善効果はあまり期待できず、その一方において、インコヒーレント処理によるスペクトルの加算による効果を優先させた方がよいことがこの図から理解できる。

すなわち、本実施形態の構成によれば、スペクトル段階において加算を行うため、インコヒーレント処理によりドプラスペックルを効果的に解消あるいは低減することが可能である。すなわち、いわゆる空間コンパウンドによりスペックルの改善を図るものである。したがって、本実施形態の方法によれば、観測部位の拡大と同時に、感度を維持しつつもスペックルの低減を行えるという実用上極めて有益なる効果を得られる。

図５には、他の実施形態に係る構成が示されている。図１に示した構成と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。受信部１２の後段には切り換えスイッチ５０を介してひとつのスペクトルドプラ処理器５２が設けられている。このスペクトルドプラ処理器５２は時分割動作し、すなわち時間軸において一方の整相加算器１４から出力されるビームデータと他方の整相加算器１６から出力されるビームデータとを交互に処理する。そして先に処理した結果がバッファメモリ５４に格納され、一方、後の処理結果がそのまま加算器２２へ出力される。加算器２２では、図１に示した加算器２２と同様に２つのスペクトル信号を加算する処理を実行する。このような構成によれば、装置構成を簡略化できるという利点がある。さらに、整相加算器１４，１６についても時分割動作させれば、実質的に単一の回路によって２つの受信ビームを形成することができる。

図６には比較例の構成が示されている。上述した実施形態と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。この図６に示す構成では、２つの整相加算器１４，１６から出力されるＲＦ信号としての受信信号が加算器５６に入力され、ＲＦ段階において信号加算が行われた後、その加算結果がスペクトルドプラ処理器５８に入力されている。この方式によると理論上はノイズ低減効果を得られることになるが、上述したように、ＬＰＦやレンジゲートの周波数特性に鑑みると、信号加算による直接的なノイズ低減効果は薄いと言える。その一方において、コヒーレント処理のためドプラスペックルを効果的に低減できないという点を指摘できる。これに対し、本実施形態の方式によれば、ノイズ低減効果を十分に得つつも、同時にスペックルを低減できるのであり、上述したように極めて実用的な価値を得ることが可能となる。本実施形態の装置によれば、ドプラ波形においてスペックルが解消または低減されるため、その波形観測においてドプラスペックルによる影響を排除または軽減し、疾病診断上の有益なる利点を得られる。

本実施形態に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。パルスドプラ法を示す概念図である。連続波ドプラ法を示す概念図である。ＬＰＦ及びレンジゲートにおける通過帯域特性を示す図である。他の実施形態における超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。比較例の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０探触子、１２受信部、１４，１６整相加算器、１８，２０スペクトルドプラ処理器、２２加算器、２４ドプラ画像形成器、２６表示器。

Claims

送信ビームに対して複数の受信ビームを設定し、生体内の観測部位に存在する運動体の運動情報を表す複数の受信信号を取得する送受波手段と、
前記複数の受信信号を個別的に周波数解析し、複数のスペクトル信号を生成する解析手段と、
前記複数のスペクトル信号に対して合成処理を適用し、合成スペクトル信号を生成する合成手段と、
前記合成スペクトル信号に基づいてドプラ波形画像を形成する画像形成手段と、
を含み、
前記送受波手段は、前記複数の受信ビームの中心線が前記観測部位内の基準点の深さにおいて互いにずれて中心線間隔が生じるように前記複数の受信ビームを同時に形成し、
前記複数のスペクトル信号の合成処理により前記ドプラ波形画像に現れるドプラスペックルが解消又は低減される、ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１記載の装置において、
前記送受波手段は、パルスドプラ法又は連続波ドプラ法に従って超音波の送受波を行う、ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１記載の装置において、
前記解析手段は、前記複数の受信信号の周波数解析を時分割で実行する、ことを特徴とする超音波診断装置。