JP5186389B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、３次元データを表示する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置における超音波データは、通常はフレームで取得され、各フレームは、トランスデューサ面から放射される超音波ビームの掃引に対応している。超音波ビームの掃引は、典型的には、１つの走査面に沿って複数の走査線を生成することによって得られる。走査線のセットは典型的には「スライス」と称されるものを形成する。スライスは典型的には、１つのフレームに対応している。例えば、３次元（ボリューム）走査では、多数のスライスがフレームを構成する。

２次元（２Ｄ）マトリックスプローブは、多数のスライス（フレーム）のセットより３次元形状を形成する。これらの多数のスライスはスライスによって占有される容積に対する超音波データを生成する。所与の容積に対して収集されたすべてのデータを処理すると、計算負荷が大きくなって収集されたデータのフレームレートが低減されてしまう。そこで、すべてのデータを処理することを要せずに３次元データを表示するシステムの出現に対する要望が強かった。

その要望を満たすものとして、２次元マトリックスプローブと、所望の超音波画像に対応する少なくとも２つの超音波スライスを決定するシステム制御装置と、少なくとも２つの超音波スライスから得られるデータから所望の超音波画像を得る走査変換器と、所望の超音波画像を表示するディスプレイとを含む超音波診断装置が提案されている（例えば、下記の特許文献１参照）。
特表２００４−５３０５０２号公報（段落００１６〜００３２）

しかしながら、上述した従来の超音波診断装置においては、所望の超音波画像がスライスでしか得られないという問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は３次元空間の複数の関心領域についてそれぞれレンダリング画像を得ることができる超音波診断装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る超音波診断装置は、超音波振動子が少なくとも２次元に配列されたマトリックスアレイと、
あらかじめ設定された３次元空間の複数の関心領域を走査する超音波ビームを発生するように前記マトリックスアレイを駆動する送信ビームフォーマと、
前記複数の関心領域からの反射波による前記マトリックスアレイの受信信号に基づいて、それぞれ前記関心領域に対応する複数のビーム形成信号を生成する受信ビームフォーマと、
前記受信ビームフォーマで生成されたビーム形成信号を処理することにより、前記関心領域ごとにあらかじめ設定された視点を基準として、前記複数の関心領域の各レンダリング画像を生成する信号処理部と、
前記信号処理部で生成された複数のレンダリング画像を並行的に表示する表示部と、
外部からの操作によって、前記送信ビームフォーマが走査する前記複数の関心領域を設定する手段と、
前記信号処理部が前記レンダリング画像を生成する前記視点を前記関心領域ごとに設定する手段とを有し、
前記信号処理部は、前記視点から見て同一直線上に位置する前記関心領域内の画像データに対し重み付け加算を行って前記レンダリング画像を生成するものであり、
前記制御部は、外部からの操作によって、前記複数の関心領域をそれぞれ部分領域に分割する手段、及び前記部分領域の少なくとも１つを走査単位として、異なる前記関心領域における異なる前記部分領域が順次走査されるように前記関心領域における前記部分領域の走査順を設定する手段を有している。
この構成により、３次元空間の複数の関心領域についてそれぞれボリュームのレンダリング画像を得ることが可能になるとともに複数の関心領域の走査が並行して行われるので、より有益な診断情報が得られる。

また、本発明に係る超音波診断装置は、前記制御部が、外部からの操作によって、前記関心領域ごとに長断面を選択し、それぞれ選択された前記長断面の法線上に、少なくとも１つの視点を設定する手段を有している。
この構成により、３次元空間の複数の関心領域についてボリュームのレンダリング画像を得る際の視点の設定が容易になる。

また、本発明に係る超音波診断装置は、前記制御部が、外部からの操作によって、前記複数の関心領域の被験深度をそれぞれ独立に設定する手段を有している。
この構成により、３次元空間の複数の関心領域についてそれぞれの被験深度に応じて超音波ビームの走査速度の設定が可能となり、これによって高速の走査が可能になる。

また、本発明に係る超音波診断装置は、前記制御部が、外部からの操作によって、前記複数の関心領域の走査のボリュームレートをそれぞれ独立に設定する手段を有している。
この構成により、複数の関心領域のうちの、より関心度の高い関心領域、あるいは動きの早い関心領域に関して他の関心領域よりも高い走査のボリュームレートの設定が可能となり、これによって、より有益な診断情報が得られる。

また、本発明に係る超音波診断装置は、前記制御部が、外部からの操作によって、前記複数の関心領域の各走査速度を、１心拍内で変更可能にする手段を有している。
この構成により、１心拍内で複数の関心領域においてそれらの組織における変位速度のピーク値が関心領域ごとに異なる場合、それぞれの変位速度のピーク値に対応して超音波ビームによる走査速度が高くなるように制御されるので、より有益な診断情報が得られる。

また、本発明に係る超音波診断装置は、前記複数の関心領域の走査が、心拍に同期しているものである。
この構成により、心拍の特定のタイミングで複数の走査領域のボリュームレートを変更することができる。

本発明は、３次元空間の複数の関心領域について超音波ビームによる走査を行い、各走査領域について独立に視点の設定を行い、レンダリングにより得られた複数の画像を並行表示することにより、３次元空間の複数の関心領域についてボリュームのレンダリング画像を得ることが可能になり、これによって、３次元空間全体の画像を得る場合に比べ高速な走査が可能になるという効果を有する超音波診断装置を提供することができる。

以下、本発明を図面に示す好適な実施の形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１Ａは本発明に係る超音波診断装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図と併せて超音波ビームによる走査状態を示した図であり、図１Ｂは第１の実施の形態における走査領域の底面と超音波ビームとが交差する状態を示した図であり、図１Ｃは第１の実施の形態における画像の表示例を示した図である。

図１Ａにおいて、マトリックスアレイ１は２次元に配列された多数の超音波振動子で構成され、それぞれ不図示の音響部品と組み合わされてハウジング内に装着されて超音波プローブを形成する。送信ビームフォーマ２はあらかじめ設定された３次元空間の関心領域を走査する超音波ビームを発生するようにマトリックスアレイ１を駆動するものである。送信された超音波ビームは被験体内で反射され、その反射波がマトリックスアレイ１によって受信される。受信ビームフォーマ３はマトリックスアレイ１で受信された信号の増幅、遅延の処理を行って、関心領域に対応する複数のビーム形成信号を生成するものである。信号処理部４は受信ビームフォーマ３で生成されたビーム形成信号を処理することにより、あらかじめ設定された視点を基準として、関心領域のレンダリング画像を生成するものである。表示部５は信号処理部４で生成されたレンダリング画像を表示する。制御部２０は、外部からの操作によって、送信ビームフォーマ２、受信ビームフォーマ３、信号処理部４及び表示部５を関連付けて制御するものである。

このうち、制御部２０は、キーボード、タッチパネルなどの周知の入力装置を用いて送信ビームフォーマ２が走査する複数の関心領域を設定する機能と、信号処理部４がレンダリング画像を生成する視点を関心領域ごとに設定する機能と、信号処理部４で生成された複数のレンダリング画像を表示部５に並行的に表示させる機能とを有している。

上記のように構成された第１の実施の形態の動作について以下に説明する。制御部２０に付帯する図示省略の入力装置を介して、ユーザが複数の関心領域と、関心領域ごとの視点とを設定する。この視点の設定は、関心領域を走査する長断面を選択し、選択された長断面の法線上に、少なくとも１つの視点を設定することによって行われる。制御部２０の設定に応じてマトリックスアレイ１は、図１Ａに示したように、超音波ビームにより３次元空間の関心領域である領域Ｖ１と領域Ｖ２を３次元走査する。領域Ｖ１はマトリックスアレイ１内に不図示の頂点を有し、斜線で示された長方形の底面６と、底面６の長辺及び頂点を通る２つの側面１１と、底面６の短辺及び頂点を通る２つの側面１２とで表現される錐体を形成し、底面６の長辺の長さがＷ１である。そして、２つの側面１１の中間における後述する長断面に対する１つの法線Ｌ１の延長線上に視点Ｐ１が設定されている。同様にして、領域Ｖ２はマトリックスアレイ１内に不図示の頂点を有し、斜線で示された長方形の底面７と、底面７の長辺及び頂点を通る２つの側面１３と、底面７の短辺及び頂点を通る２つの側面１４とで表現される錐体を形成し、底面７の長辺の長さがＷ２である。そして、２つの側面１３の中間における後述する長断面に対する１つの法線Ｌ２の延長線上に視点Ｐ２が設定されている。

図１Ｂにおいて、領域Ｖ１の底面６中の破線で囲まれた面８には、底面６と１本の送信ビームとの交差位置が黒丸印で示され、底面６と１つの送信の超音波ビームで得られる１６（＝４ｘ４）本の並列受信ビームとの交差位置が白丸印で示されている。同様にして複数の送信ビームの送信により、底面６には２次元に配列された並列受信ビームが交差する位置が示されている。また、受信ビームのそれぞれは頂点Ａ１で交差し、頂点Ａ１及び底面６の各辺を通過する受信ビームが領域Ｖ１を形成している。この例では領域Ｖ１は４枚のスライスで構成されている。領域Ｖ１の一対の側面１１の中心の長断面（図示せず）は、底面６と一点鎖線Ｘにおいて交差し、法線Ｌ１に垂直に交わる。一点鎖線Ｘは底面６の長手方向に略平行となるように選ばれる。

ここで、信号処理部４は下記のような処理を行う。図１Ｂに示した法線Ｌ１上の視点Ｐ１が無限遠方にある場合、底面６と受信ビームとが交差する位置Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４に対応する受信ビームにより得られる画像データのうち、視点Ｐ１から見て、同一線上に位置する画像データＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４に対してそれぞれ重み付け加算（ボクセル値の加算、不透明度の定義を含む）を行う。重み付け加算は受信ビームの様々な深さで行われる。各受信ビームについて同様な演算が行われることにより領域Ｖ１についてボリュームのレンダリングが完成し、これによって３次元画像が得られる。同様にして領域Ｖ２について３次元画像が得られる。そこで、表示部５において、図１Ｃに示したように、領域Ｖ１の３次元画像９と領域Ｖ２の３次元画像１０が並行表示される。

このように、本発明に係る超音波診断装置の第１の実施の形態によれば、３次元空間の複数の領域について超音波ビームによる走査を行い、各走査領域について独立に視点の設定を行い、レンダリングにより得られた複数の画像を並行表示することにより、３次元空間の複数の関心領域についてボリュームのレンダリング画像を得ることが可能になり、３次元空間全体の画像を得る場合に比べて高速な走査が可能になる。また、各走査領域の視点はそれぞれの走査の領域の長断面の法線上に位置するので、視点の位置設定が容易である。

なお、図１Ｂにおいて、送信超音波ビームは底面６と直交する方向に１本である場合を示したが、複数本の場合においても同様な効果が得られる。

＜第２の実施の形態＞
図２Ａは本発明に係る超音波診断装置の第２の実施の形態の超音波ビームによる走査状態を示した図であり、図２Ｂは第２の実施の形態による複数の領域の走査のタイミングを示した図である。なお、マトリックスアレイ１、送信ビームフォーマ２、受信ビームフォーマ３、信号処理部４、表示部５及び制御部２０のハードウェア構成は図１Ａに示した第１の実施の形態と同一であるので図示及びその説明を省略する。

第２の実施の形態は、制御部２０に、外部からの操作によって、複数の関心領域の被験深度をそれぞれ独立に設定する手段を設けたものである。すなわち、図２Ａに示したように、マトリックスアレイ１が領域Ｖ１と領域Ｖ２を３次元走査するとき、領域Ｖ１の被験深度と領域Ｖ２の被験深度とが互いに異なるように、それぞれ独立に設定可能にしたものである。

次に、第２の実施の形態の動作について、第１の実施の形態と構成を異にする部分について説明する。まず、領域Ｖ１は走査時間ＴＶ１で走査される。次に領域Ｖ２は走査時間ＴＶ２（＜ＴＶ１）で走査される。このような走査が、図２Ｂに示したように、交互に行われる。このとき、領域Ｖ２は領域Ｖ１に比べて被験深度が浅いため受信時間が短く、その結果として、全体の走査時間は短くなるとともに、走査速度は速くなることから、高速で運動する組織の３次元表示に適している。

このように本発明に係る超音波診断装置の第２の実施の形態によれば、複数の領域の被験深度が独立に設定可能であることにより、３次元空間の複数の関心領域についてそれぞれの被験深度に応じて超音波ビームの走査速度を設定することが可能となり、高速な走査が可能になる。

＜第３の実施の形態＞
図３Ａは本発明に係る超音波診断装置の第３の実施の形態の超音波ビームによる走査状態を示した図であり、図３Ｂは第３の実施の形態による複数の領域の走査のタイミングを示した図である。なお、マトリックスアレイ１、送信ビームフォーマ２、受信ビームフォーマ３、信号処理部４、表示部５及び制御部２０のハードウェア構成は図１Ａに示した第１の実施の形態と同一であるので図示及びその説明を省略する。

第３の実施の形態は、制御部２０に、外部からの操作によって、複数の関心領域の走査のボリュームレートをそれぞれ独立に設定する手段と、複数の関心領域の走査速度を、１心拍内でそれぞれ変更することを可能にする手段とを設けたものである。

次に、第３の実施の形態の動作について、第１の実施の形態と構成を異にする部分について説明する。図３Ａに示したように、マトリックスアレイ１は、領域Ｖ１と領域Ｖ２を３次元走査する。この３次元走査に際して、心拍に同期した複数のパルスＲ１１、Ｒ１２が生体より得られる。パルスＲ１１、Ｒ１２としては例えば、心電波形から得られるＲ波トリガでもよい。そして、パルスＲ１１の直後では、領域Ｖ１を走査時間ＴＶ１で２回走査し、次に領域Ｖ２を走査時間ＴＶ２（＜ＴＶ１）で１回走査する。これにより、パルスＲ１１の直後では領域Ｖ１のボリュームレートを領域Ｖ２のボリュームレートより高くすることができる。一方、パルスＲ１２の直前では、領域Ｖ１を走査時間ＴＶ１で１回走査し、次に領域Ｖ２を走査時間ＴＶ２で２回走査する。これにより、パルスＲ１２の直前では領域Ｖ２の走査のボリュームレートを領域Ｖ１の走査のボリュームレートより高くすることができる。

このように本発明に係る超音波診断装置の第３の実施の形態によれば、複数の領域の超音波ビームによる走査のボリュームレートを独立に設定可能な構成とすることにより、心拍の特定のタイミングで複数の走査領域のボリュームレートを可変にすることができ、例えば心臓の僧帽弁と大動脈弁のように閉鎖するタイミングが異なる部位を観察する場合に、それぞれの弁が閉鎖するタイミングでそれぞれの領域の走査のボリュームレートを高くすることが可能になる。

＜第４の実施の形態＞
図４Ａは本発明に係る超音波診断装置の第４の実施の形態の超音波ビームによる走査状態を示した図であり、図４Ｂは第３の実施の形態による複数の領域の走査のタイミングを示した図である。なお、マトリックスアレイ１、送信ビームフォーマ２、受信ビームフォーマ３、信号処理部４、表示部５及び制御部２０のハードウェア構成は図１Ａに示した第１の実施の形態と同一であるので図示及びその説明を省略する。

第４の実施の形態は、制御部２０に、外部からの操作によって、複数の関心領域をそれぞれ部分領域に分割する手段、及び部分領域の少なくとも１つを走査単位として、異なる関心領域における異なる部分領域が順次走査されるように関心領域における部分領域の走査順を設定する手段を設けたものである。

次に、第４の実施の形態の詳しい動作について説明する。図４Ａに示したように、マトリックスアレイ１は、領域Ｖ１と領域Ｖ２を３次元走査する。領域Ｖ１は部分領域ａ１、ａ２、ａ３、ａ４に分割される。領域Ｖ２は部分領域ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４に分割される。これらの部分領域に対する３次元走査に際して、心拍に同期したパルスＲ１１、Ｒ１２が生体より得られる。パルスＲ１１、Ｒ１２としては、例えば、心電波形から得られるＲ波トリガでもよい。

そこで、パルスＲ１１の直後では、部分領域ｂ１を走査時間Ｔｂ１で走査し、部分領域ｂ２を走査時間Ｔｂ２（＝Ｔｂ１）で走査する。次に部分領域ａ１を走査時間Ｔａ１（＞Ｔｂ１）で走査する。さらに部分領域ｂ３を走査時間Ｔｂ３（＝Ｔｂ１）で走査し、部分領域ｂ４を走査時間Ｔｂ４（＝Ｔｂ１）で走査する。次に部分領域ａ２を走査時間Ｔａ２（＝Ｔａ１）で走査する。このようにして領域Ｖ２のボリュームの走査が完成する。さらに部分領域ｂ１を走査時間Ｔｂ１で走査し、部分領域ｂ２を走査時間Ｔｂ２で走査する。次に部分領域ａ３を走査時間Ｔａ３（＝Ｔａ１）で走査する。さらに部分領域ｂ３を走査時間Ｔｂ３で走査し、部分領域ｂ４を走査時間Ｔｂ４で走査する。次に部分領域ａ４を走査時間Ｔａ４（＝Ｔａ１）で走査する。このようにして領域Ｖ１と領域Ｖ２のボリュームの走査が完成する。以上のようにしてパルスＲ１１の直後では領域Ｖ２の走査のボリュームレートを領域Ｖ１の走査のボリュームレートより高くすることができる。

一方、パルスＲ１２の直前では、部分領域ｂ１を走査時間Ｔｂ１で走査する。続いて部分領域ａ１を走査時間Ｔａ１で走査し、部分領域ａ２を走査時間Ｔａ２で走査する。次に部分領域ｂ２を走査時間Ｔｂ２で走査する。さらに部分領域ａ３を走査時間Ｔａ３で走査し、部分領域ａ４を走査時間Ｔａ４で走査する。次に部分領域ｂ３を走査時間Ｔｂ３で走査する。さらに部分領域ａ１を走査時間Ｔａ１で走査し、部分領域ａ２を走査時間Ｔａ２で走査する。次に部分領域ｂ４を走査時間Ｔｂ４で走査する。さらに部分領域ａ３を走査時間Ｔａ３で走査し、部分領域ａ４を走査時間Ｔａ４で走査する。このようにして領域Ｖ１と領域Ｖ２のボリュームの走査が完成する。以上のようにして、パルスＲ１２の直前では領域Ｖ１の走査のボリュームレートを領域Ｖ２の走査のボリュームレートより高くすることができる。

以上のように本発明に係る超音波診断装置の第４の実施の形態によれば、複数の領域をそれぞれ部分領域に分割し、複数の領域の走査を交互に行い、分割された部分領域の走査速度をそれぞれ変化させ、複数の領域の超音波ビームによる走査のボリュームレートが独立に設定可能な構成としたことにより、複数の領域の走査が並行して行われ、さらに心拍の特定のタイミングで複数の走査領域のボリュームレートを変更することができる。

なお、上述した各実施の形態では、超音波振動子が２次元に配列されたマトリックスアレイで構成された超音波プローブを用いる場合について説明したが、３次元走査が可能なものであれば他の超音波プローブを用いても上述したと同様な動作をさせることができる。

また、上述した各実施の形態では、関心領域が２つである場合について説明したが、関心領域が３つ以上である場合でも上述したと同様な動作をさせることができる。

以上のように、本発明に係る超音波診断装置は、３次元空間の複数の領域について超音波ビームによる走査を行い、各走査領域について独立に視点の設定を行い、レンダリングにより得られた複数の画像を並行表示することにより、３次元空間の複数の関心領域についてそれぞれボリュームのレンダリング画像を得ることが可能になり、３次元空間全体の画像を得る場合に比べ高速な走査が可能になるという効果を有し、３次元空間の複数の領域についてそれぞれレンダリング画像を得るようにした超音波診断装置などに有用である。

本発明に係る超音波診断装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図と併せて超音波ビームによる走査状態を示した図 第１の実施の形態における走査領域の底面と超音波ビームとが交差する状態を示した図 第１の実施の形態における画像の表示例を示した図 本発明に係る超音波診断装置の第２の実施の形態の超音波ビームによる走査状態を示した図 第２の実施の形態による複数の領域の走査のタイミングを示した図 本発明に係る超音波診断装置の第３の実施の形態の超音波ビームによる走査状態を示した図 第３の実施の形態による複数の領域の走査のタイミングを示した図 本発明に係る超音波診断装置の第４の実施の形態の超音波ビームによる走査状態を示した図 第４の実施の形態による複数の領域の走査のタイミングを示した図

Claims (4)

1. 超音波振動子が少なくとも２次元に配列されたマトリックスアレイと、
   あらかじめ設定された３次元空間の複数の関心領域を走査する超音波ビームを発生するように前記マトリックスアレイを駆動する送信ビームフォーマと、
   前記複数の関心領域からの反射波による前記マトリックスアレイの受信信号に基づいて、それぞれ前記関心領域に対応する複数のビーム形成信号を生成する受信ビームフォーマと、
   前記受信ビームフォーマで生成されたビーム形成信号を処理することにより、前記関心領域ごとにあらかじめ設定された視点を基準として、前記複数の関心領域の各レンダリング画像を生成する信号処理部と、
   前記信号処理部で生成された複数のレンダリング画像を並行的に表示する表示部と、
   外部からの操作によって、前記送信ビームフォーマが走査する前記複数の関心領域を設定する手段と、
   前記信号処理部が前記レンダリング画像を生成する前記視点を前記関心領域ごとに設定する手段とを有し、
   前記信号処理部は、前記視点から見て同一直線上に位置する前記関心領域内の画像データに対し重み付け加算を行って前記レンダリング画像を生成するものであり、
   前記制御部は、外部からの操作によって、前記複数の関心領域をそれぞれ部分領域に分割する手段、及び前記部分領域の少なくとも１つを走査単位として、異なる前記関心領域における異なる前記部分領域が順次走査されるように前記関心領域における前記部分領域の走査順を設定する手段を有している、超音波診断装置。
2. 前記制御部は、外部からの操作によって、前記関心領域ごとに長断面を選択し、それぞれ選択された前記長断面の法線上に、少なくとも１つの視点を設定する手段を有している請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記制御部は、外部からの操作によって、前記複数の関心領域の各走査速度を、１心拍内で変更可能にする手段を有している請求項１に記載の超音波診断装置。
4. 前記複数の関心領域の走査が、心拍に同期している請求項１に記載の超音波診断装置。