JP5148194B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を送受信することにより生体内の臓器等の撮像を行って、診断のために用いられる超音波画像を生成する超音波診断装置に関する。

医療用に用いられる超音波診断装置においては、通常、超音波の送受信機能を有する複数の超音波トランスデューサを含む超音波探触子（プローブ）が用いられる。複数の超音波トランスデューサから送信される超音波ビームによって被検体を走査し、被検体内部において反射された超音波エコーを受信することにより、超音波エコーの強度に基づいて、被検体の組織に関する画像情報が得られる。また、超音波エコーに含まれているドプラ効果による周波数変移情報に基づいて、被検体内における血液の移動に関する情報が得られる。

現在、真の血流速度を求める方法としては、図５に示すように、音線方向と血流方向とのなす角（ドプラ角）θを算出することにより、ドプラ効果によって求められた音線方向における速度成分Ｖｙに基づいて、真の血流速度Ｖを計算することが行われている。例えば、次式を用いることによって、真の血流速度Ｖを計算することができる。
Ｖ＝Ｖｙ／ｃｏｓθ
しかしながら、ドプラ角θが９０°となる付近においては、計算によって求められる血流速度Ｖの誤差が増大し、又は、血流速度Ｖを求めることが不可能となってしまう。

関連する技術として、特許文献１には、実時間で高精度に２次元的な血流速度や組織変位量を求め、超音波が斜めに反射されても反射強度に応じた強度の信号を得ることを目的とする超音波診断装置が開示されている。この超音波診断装置は、複数の重み付け加算手段を備え、各重み付け加算手段において受信ビームの方向が互いに異なる方向となるようにして、各加算信号に基づいて血流速度及び／又は組織変位量の各受信ビームの方向の成分を求め、これらの線分を合成して２次元ベクトル量としての血流速度及び／又は組織変位量を求めて表示する。

また、特許文献２には、シングルビームのドプラ法により求められるビーム方向速度成分の情報しか得られないという制約の下で、実用上ある程度妥当な観測面内の流れの様子を求めることを目的とした観測装置が開示されている。この観測装置は、ドプラ法によって求められた各点のビーム方向速度成分をビームに直交する経路に沿って積分して流量関数を計算し、その経路に沿ってビーム方向速度成分の正の値のみの積分値と負の値のみの積分値とを求め、両者の内の小さい方を渦流の流量とみなし、両者の内の大きい方に対する渦流の流量の割合から渦流のビーム方向の速度成分を求め、渦流を２次元流とみなすことにより渦流の流れ関数を計算し、さらに、流れ関数からビームに直交する方向の渦流の速度成分を計算する。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２においては、ドプラ法によって求められた各速度成分に対して角度による補正を行っているので、計算される血流速度は角度依存性を有している。即ち、ドプラ角が９０°になると計算不能になってしまうので、真の血流速度を求めているとはいえない。また、それら以外にも、２次元アレイプローブやクロスビームシステムを使用して真の血流速度を求める方法も考えられるが、装置が大規模になってしまうので、現実的ではない。
特開平５−１１５４７９号公報（第１頁、図１） 特開２００５−１１０９３９号公報（第１、４頁、図３）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、装置をあまり大規模にすることなく、角度依存性の影響を受けずに血流速度を定量的に求めることができる超音波診断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波診断装置は、被検体に向けて超音波を送信し、被検体内で反射された超音波エコーを受信して複数の受信信号をそれぞれ出力する複数の超音波トランスデューサを含む超音波探触子と、複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の受信信号に基づいて、被検体内の音線方向における移動体の移動に関する第１の移動情報を算出する第１の移動情報演算手段と、方位方向に並べられた複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の受信信号をサンプリングすることにより、方位方向における移動体の位置に応じた受信波形を求めて、方位方向における受信波形が表す方位方向成分信号を算出する信号演算手段と、信号演算手段によって複数の異なる時間において算出される複数の方位方向成分信号に相関処理を施すことにより、被検体内の方位方向における移動体の移動に関する第２の移動情報を算出する第２の移動情報演算手段と、第１及び第２の移動情報演算手段によってそれぞれ算出される第１及び第２の移動情報に基づいて、被検体内を移動する移動体の２次元速度情報を求める２次元速度演算手段とを具備する。

本発明によれば、複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の受信信号に基づいて方位方向成分信号を算出し、方位方向成分信号に基づいて方位方向における移動体の移動に関する情報を算出することにより、装置をあまり大規模にすることなく、角度依存性の影響を受けずに血流速度を定量的に求めることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。この超音波診断装置は、超音波探触子１０と、走査制御部１１と、送信遅延パターン記憶部１２と、送信制御部１３と、駆動信号発生部１４と、受信信号処理部２１と、受信遅延パターン記憶部２２と、受信制御部２３と、Ｂモード画像データ生成部２４と、速度情報生成部２５と、メモリ２６と、Ｄ／Ａ変換器２７と、表示部２８と、操作卓２９と、制御部３０と、格納部３１とを含んでいる。

被検体に当接させて用いられる超音波探触子１０は、１次元又は２次元のトランスデューサアレイを構成する複数の超音波トランスデューサ１０ａを備えている。それらの超音波トランスデューサ１０ａは、印加される駆動信号に基づいて超音波ビームを送信すると共に、伝搬する超音波エコーを受信して受信信号を出力する。

各超音波トランスデューサは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinylidene difluoride）に代表される高分子圧電素子等の圧電性を有する材料（圧電体）の両端に電極を形成した振動子によって構成される。そのような振動子の電極に、パルス状又は連続波の電気信号を送って電圧を印加すると、圧電体が伸縮する。この伸縮により、それぞれの振動子からパルス状又は連続波の超音波が発生し、それらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。それらの電気信号は、超音波の受信信号として出力される。

走査制御部１１は、超音波ビームの送信方向及び超音波エコーの受信方向を順次設定する。送信遅延パターン記憶部１２は、超音波ビームを形成する際に用いられる複数の送信遅延パターンを記憶している。送信制御部１３は、走査制御部１１において設定された送信方向に応じて、送信遅延パターン記憶部１２に記憶されている複数の遅延パターンの中から所定のパターンを選択し、そのパターンに基づいて、複数の超音波トランスデューサ１０ａの駆動信号にそれぞれ与えられる遅延時間を設定する。

駆動信号発生部１４は、例えば、複数の超音波トランスデューサ１０ａにそれぞれ対応する複数のパルサによって構成されている。駆動信号発生部１４は、送信制御部１３によって選択された送信遅延パターンに基づいて、複数の超音波トランスデューサ１０ａから送信される超音波が超音波ビームを形成するように複数の駆動信号の遅延量を調節して超音波探触子１０に供給しても良いし、複数の超音波トランスデューサ１０ａから一度に送信される超音波が被検体の撮像領域全体に届くように複数の駆動信号を超音波探触子１０に供給しても良い。

信号処理部２１は、複数の超音波トランスデューサ１０ａに対応して、複数の増幅器（プリアンプ）２１ａと、複数のＡ／Ｄ変換器２１ｂとを含んでいる。超音波トランスデューサ１０ａから出力される受信信号は、増幅器２１ａにおいて増幅され、増幅器２１ａから出力されるアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器２１ｂによってディジタル信号（受信データ）に変換される。Ａ／Ｄ変換器２１ｂから出力される受信データは、受信制御部２３及び速度情報生成部２５に入力される。

受信遅延パターン記憶部２２は、複数の超音波トランスデューサ１０ａから出力される複数の受信信号に対して受信フォーカス処理を行う際に用いられる複数の受信遅延パターンを記憶している。受信制御部２３は、走査制御部１１において設定された受信方向に基づいて、受信遅延パターン記憶部２２に記憶されている複数の受信遅延パターンの中から所定のパターンを選択し、そのパターンに基づいて複数の受信信号に遅延を与えて加算することにより、受信フォーカス処理を行う。この受信フォーカス処理により、超音波エコーの焦点が絞り込まれた音線データが形成される。

Ｂモード画像データ生成部２４は、被検体内の組織に関する断層画像情報であるＢモード画像データを生成する。Ｂモード画像データ生成部２４は、ＳＴＣ（sensitivity time control）部２４ａと、包括線検波部２４ｂと、ＤＳＣ（Digital Scan Converter：ディジタル・スキャン・コンバータ）２４ｃとを含んでいる。

ＳＴＣ部２４ａは、受信制御部２３によって形成された音線データに対して、超音波の反射位置の深度に応じて、距離による減衰の補正を施す。包絡線検波部２４ｂは、ＳＴＣ部２４ａにおいて補正が施された音線データに対して、包絡線検波処理を施すことにより、包絡線データを生成する。ＤＳＣ２４ｃは、包絡線検波部２４ｂによって包絡線検波処理が施された音線データを通常のテレビジョン信号の走査方式に従う画像データに変換（ラスター変換）し、階調処理等の必要な画像処理を施すことにより、Ｂモード画像データを生成する。

速度情報生成部２５は、被検体内の移動体（例えば、血管内の血液）の２次元速度情報を表す画像データを生成する。速度情報生成部２５は、音線方向における移動体の移動に関する情報を算出する音線方向移動情報演算部２５ａと、音線方向と直交する方位方向における超音波エコーの成分を表す方位方向成分信号を算出する方位方向成分信号演算部２５ｂと、方位方向成分信号に基づいて、方位方向における移動体の移動に関する情報を算出する方位方向移動情報演算部２５ｃと、音線方向及び方位方向における移動体の移動に関する情報に基づいて、被検体内を移動する移動体の２次元速度情報を求める２次元速度演算部２５ｄとを含んでいる。

音線方向移動情報演算部２５ａは、受信信号処理部２１から出力される受信データに基づいて、被検体内の音線方向における移動体の移動に関する音線方向移動情報を算出する。例えば、音線方向移動情報演算部２５ａは、受信データに対して、直交検波処理を施し、さらに、相関演算処理又はＰＷ（パルス幅）法による処理等を施すことによって、音線方向におけるドプラ変移周波数を算出し、それに基づいて音線方向移動情報を算出する。

方位方向成分信号演算部２５ｂは、受信信号処理部２１から出力される受信データに基づいて、音線方向と直交する方位方向における超音波エコーの成分を表す方位方向成分信号を算出する。さらに、方位方向移動情報演算部２５ｃは、方位方向成分信号演算部２５ｂによって算出される方位方向成分信号に基づいて、被検体内の方位方向における移動体の移動に関する方位方向移動情報を算出する。

図２は、方位方向成分信号及び方位方向移動情報を算出する原理を説明するための図である。図２の（ａ）及び（ｂ）において、横軸は、複数の受信素子（超音波トランスデューサ）が並べられているライン方向（方位方向）を表しており、縦軸は、被検体の深さ方向を表している。複数の受信素子（超音波トランスデューサ）は、被検体に向けて超音波を周期的に送信することにより、複数のエコー系列を周期的に受信する。

図２の（ａ）は、時間ｔ＝ｔ_１において複数の受信素子が受信するエコー系列（第Ｋ番目）を示しており、それに基づいて、被検体の血管中に存在する赤血球の位置に応じた受信波形（第Ｋ番目）が得られる。また、図２の（ｂ）は、時間ｔ＝ｔ_２において複数の受信素子が受信するエコー系列（第（Ｋ＋１）番目）を示しており、赤血球の位置が移動しているので、それに応じた受信波形（第（Ｋ＋１）番目）が得られる。これらの受信波形は、音線方向と直交する方位方向における超音波エコーの成分を表す方位方向成分信号を表している。

図２の（ａ）及び（ｂ）に示す受信波形において、黒丸は実測値のサンプルを表しているが、受信素子の数によってサンプル数が限られている。そこで、方位方向成分信号演算部２５ｂは、複数の受信素子によって得られる複数の受信信号に対して補間処理を施すことにより、白丸で表す補間値を追加するようにしても良い。

図２の（ｃ）は、図２の（ａ）に示す時間ｔ＝ｔ_１における受信波形（第Ｋ番目）と、図２の（ｂ）に示す時間ｔ＝ｔ_２における受信波形（第（Ｋ＋１）番目）とを、重ねて示す図である。赤血球の位置の移動に伴って、受信波形も移動しており、この受信波形の移動は、血管中における血液の移動量に相当している。時間ｔ＝ｔ_１における受信波形と時間ｔ＝ｔ_２における受信波形とは、相関性（周期性）を有しているので、これらの受信波形は、相関関数を用いて表すことができる。そこで、図１に示す方位方向移動情報演算部２５ｃは、方位方向成分信号演算部２５ｂによって算出された方位方向成分信号に対して相関処理を施すことにより、方位方向移動情報を算出している。

図３は、複数の時間において得られた受信データに基づいて方位方向成分信号を算出する動作を説明するための図である。図３の（ａ）に示すように、方位方向成分信号演算部２５ｂ（図１）は、ライン方向（方位方向）に並べられた複数の受信素子（ここでは、４つの受信素子とする）によって時間ｔ＝ｔ_１において受信されたエコー系列に基づいて受信データＤ１〜Ｄ４を生成し、時間ｔ＝ｔ_２において受信されたエコー系列に基づいて受信データＤ５〜Ｄ８を生成し、時間ｔ＝ｔ_３において受信されたエコー系列に基づいて受信データＤ９〜Ｄ１２を生成する。

実際には、それぞれの深さにおいて反射された超音波エコーに基づいて複数の受信データの組が生成されるが、図３の（ａ）には、ある深さにおいて反射された超音波エコーに基づいて得られた１組の受信データＤ１〜Ｄ１２のみが示されている。また、図３の（ｂ）には、ある深さにおいて反射された超音波エコーに基づいて、受信データＤ１〜Ｄ４によって表される第Ｋ番目の受信波形と、受信データＤ５〜Ｄ８によって表される第（Ｋ＋１）番目の受信波形と、受信データＤ９〜Ｄ１２によって表される第（Ｋ＋２）番目の受信波形とが、時系列に示されている。

ここで、方位方向成分信号演算部２５ｂは、複数の異なる時間において算出される方位方向成分信号を加算平均することにより、ノイズを低減するようにしても良い。また、方位方向成分信号演算部２５ｂは、複数の異なる時間において複数の受信素子によって得られる複数の受信信号に対して、多項式補間等による数値補間処理を施すことにより、数値補間処理が施された複数の受信信号に基づいて方位方向成分信号を算出するようにしても良い。

図３の（ｃ）は、受信データに対する補間処理を説明するための図である。図３の（ｃ）に示すように、実際に受信された超音波エコーに基づいて得られたサンプルデータに対して、補間データＤ１３が追加されている。例えば、補間データＤ１３の値は、同じ時間ｔ＝ｔ_２において取得されたサンプルデータＤ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ８等の値に基づいて算出しても良いし、複数の異なる時間ｔ＝ｔ_１〜ｔ_３において取得されたサンプルデータＤ２、Ｄ３、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ１０、Ｄ１１等の値に基づいて算出しても良い。

再び図１を参照すると、２次元速度演算部２５ｄは、音線方向移動情報演算部２５ａによって算出される音線方向移動情報、及び、方位方向移動情報演算部２５ｃによって算出される方位方向移動情報に基づいて、被検体内を移動する移動体の２次元速度情報（例えば、指定された位置における移動体の速度ベクトル）を表す画像データを求める。このようにして、被検体内を移動する移動体の２次元速度情報を表す画像データが生成される。

メモリ２６は、速度情報生成部２５から出力される２次元速度情報画像データを必要に応じて格納する。Ｄ／Ａ変換器２７は、Ｂモード画像データ生成部２４から出力されるＢモード画像データと、速度情報生成部２５から出力され、又は、メモリ２６から読み出される２次元速度情報画像データとを、アナログの画像信号に変換する。表示部２８は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等のディスプレイ装置を含んでおり、アナログの画像信号に基づいて、被検体のＢモード画像、及び、被検体の血管中における血液の２次元速度情報画像を表示する。

制御部３０は、操作卓２９を用いたオペレータの操作に従って、走査制御部１１、Ｂモード画像データ生成部２４、及び、速度情報生成部２５を制御する。上記の走査制御部１１、Ｂモード画像データ生成部２４、速度情報生成部２５、及び、制御部３０は、ＣＰＵとソフトウェア（プログラム）によって実現することができる。ソフトウェア（プログラム）は、格納部３１に格納される。格納部３１における記録媒体としては、内蔵のハードディスクの他に、フレキシブルディスク、ＭＯ、ＭＴ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、又は、ＤＶＤ−ＲＯＭ等を用いることができる。

図４は、表示部に表示される超音波画像の例を示す図である。この超音波画像４０は、被検体のＢモード画像４１と、被検体の血管中における血液の２次元速度情報画像４２とを含んでいる。オペレータが、図１に示す操作卓２９を用いて、Ｂモード画像４１に表示されている血管の周囲に関心領域（ＲＯＩ：region of interest）を設定し、さらに、血管中の位置Ａを指定すると、制御部３０の制御の下で、２次元速度演算部２５ｄが、指定された位置Ａにおける血液の速度ベクトルを求めて、この速度ベクトルを表す２次元速度情報画像４２をグラフとして表示部２８に表示させる。２次元速度情報画像４２においては、複数の時間ｔ＝ｔ_１、ｔ_２、・・・における速度ベクトルの経時的な変化が表されている。

本発明は、超音波を送受信することにより生体内の臓器等の撮像を行って、診断のために用いられる超音波画像を生成する超音波診断装置において利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 方位方向成分信号及び方位方向移動情報を算出する原理を説明するための図である。 複数の時間において得られた受信データに基づいて方位方向成分信号を算出する動作を説明するための図である。 表示部に表示される超音波画像の例を示す図である。 真の血流速度を求める方法を示す図である。

符号の説明

１０ 超音波探触子
１０ａ 超音波トランスデューサ
１１ 走査制御部
１２ 送信遅延パターン記憶部
１３ 送信制御部
１４ 駆動信号発生部
２１ 受信信号処理部
２１ａ 増幅器
２１ｂ Ａ／Ｄ変換器
２２ 受信遅延パターン記憶部
２３ 受信制御部
２４ Ｂモード画像データ生成部
２４ａ ＳＴＣ部
２４ｂ 包絡線検波部
２４ｃ ＤＳＣ
２５ 速度情報生成部
２５ａ 音線方向移動情報演算部
２５ｂ 方位方向成分信号演算部
２５ｃ 方位方向移動情報演算部
２５ｄ ２次元速度演算部
２６ メモリ
２７ Ｄ／Ａ変換器
２８ 表示部
２９ 操作卓
３０ 制御部
３１ 格納部
４０ 超音波画像
４１ Ｂモード画像
４２ ２次元速度情報画像

Claims (5)

1. 被検体に向けて超音波を送信し、被検体内で反射された超音波エコーを受信して複数の受信信号をそれぞれ出力する複数の超音波トランスデューサを含む超音波探触子と、
   前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の受信信号に基づいて、被検体内の音線方向における移動体の移動に関する第１の移動情報を算出する第１の移動情報演算手段と、
   方位方向に並べられた前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の受信信号をサンプリングすることにより、方位方向における移動体の位置に応じた受信波形を求めて、方位方向における受信波形が表す方位方向成分信号を算出する信号演算手段と、
   前記信号演算手段によって複数の異なる時間において算出される複数の方位方向成分信号に相関処理を施すことにより、被検体内の方位方向における移動体の移動に関する第２の移動情報を算出する第２の移動情報演算手段と、
   前記第１及び第２の移動情報演算手段によってそれぞれ算出される第１及び第２の移動情報に基づいて、被検体内を移動する移動体の２次元速度情報を求める２次元速度演算手段と、
   を具備する超音波診断装置。
2. 前記信号演算手段が、複数の異なる時間において算出される方位方向成分信号を加算平均することによりノイズを低減する、請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記信号演算手段が、前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の受信信号に対して補間処理を施し、補間処理が施された複数の受信信号に基づいて方位方向成分信号を算出する、請求項１又は２記載の超音波診断装置。
4. 前記信号演算手段が、複数の異なる時間において前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の受信信号に対して数値補間処理を施し、数値補間処理が施された複数の受信信号に基づいて方位方向成分信号を算出する、請求項３記載の超音波診断装置。
5. 前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の受信信号に基づいてＢモード画像データを生成することにより、Ｂモード画像を表示部に表示させるＢモード画像データ生成手段をさらに具備し、
   前記２次元速度演算手段が、前記表示部に表示されたＢモード画像において位置が指定されたときに、指定された位置における移動体の速度ベクトルを求めて、該速度ベクトルを表す画像を前記表示部に表示させる、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波診断装置。