JP5355327B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、２次元的なスペクトルデータに基づいてドプラ情報を得る技術に関する。

超音波のパルス波を繰り返し送信して深さ方向の範囲を定めたレンジゲート内から繰り返し得られる受信信号に基づいてドプラ情報を得るパルスドプラ（ＰＷドプラ）の技術が知られている。さらに、このパルスドプラにおいて、繰り返し得られる受信信号について深さ方向と繰り返し方向の各々に関する周波数解析を行うことにより、ドプラ周波数の２次元的なスペクトルデータを得る技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ドプラ周波数の２次元的なスペクトルデータを利用すると、その２次元的なスペクトルデータを一定の速度に対応した積算方向に沿って積算することにより、その速度に関するスペクトルの積算データ（例えば、積算パワー値）を得ることができる。

特開平２−６８０４５号公報

ところが、上述した２次元的なスペクトルデータを利用する技術において、一定の速度に対応した積算方向に沿って積算する際に、積算方向に沿ったスペクトルデータの全てを積算してしまうと、例えば、周波数解析において発生する不要成分（サイドローブ）や、クラッタから得られるクラッタ成分など、積算上において好ましくない成分までも積算されてしまう。

このような状況において、本願の発明者らは、２次元的なスペクトルデータを利用する技術について研究開発を重ねてきた。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、２次元的なスペクトルデータの積算において不要な成分を低減することにある。

上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、被検体に対して超音波を送受するプローブと、プローブを制御することにより被検体内から受信信号を得る送受信部と、被検体内における深さの範囲を定めたレンジゲート内から繰り返し得られる受信信号について、深さ方向と繰り返し方向の各々に関する周波数解析を行うことにより、ドプラ周波数の２次元的なスペクトルデータを得る周波数解析部と、前記２次元的なスペクトルデータを一定の速度に対応した積算方向に沿って限定された積算領域内において積算することにより、当該速度の積算データを得る積算部と、前記積算データに基づいてドプラ画像を形成するドプラ画像形成部と、を有することを特徴とする。

望ましい具体例において、前記積算領域は、２次元的なスペクトルデータの深さ方向の範囲を送信周波数帯域に応じて限定した領域である、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記積算領域は、２次元的なスペクトルデータの繰り返し方向においてクラッタに対応した低周波数帯域を取り除いた領域であることを特徴とする。

望ましい具体例において、前記積算領域は、送信中心周波数に対応した直線に関して線対称な領域である、ことを特徴とする。

望ましい具体例において、前記積算領域は、所定の速度に対応した積算方向を境界とする領域である、ことを特徴とする。

望ましくは、前記境界の近傍にある積算対象データに対して重み付け処理を施してから積算する、ことを特徴とする。

本発明により、２次元的なスペクトルデータの積算において不要な成分が低減される。

本発明の好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。 ２次元ＦＦＴ処理を説明するための図である。 積算における不要な成分を説明するための図である。 積算における限定された積算領域を示す図である。 積算における直線の折り返しを説明するための図である。 積算領域を限定したことに伴う積算結果を示す図である。

以下に本発明の好適な実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。プローブ１０は、例えば生体などの被検体に対して超音波を送受する超音波探触子である。プローブ１０は、各々が超音波を送受する複数の振動素子を備えており、複数の振動素子が送信ビームフォーマ１２によって送信制御されて送信ビームが形成される。また、複数の振動素子が被検体から反射された超音波を受波し、これにより得られた信号が受信ビームフォーマ１４へ出力され、受信ビームフォーマ１４が受信ビームに沿った受信信号を形成する。

ゲート処理部１６は、被検体内における深さの範囲を定めるレンジゲートを設定する。例えば、ユーザがＢモード画像などを見ながら操作デバイスを利用して生体内の所望の位置を指定することにより、その指定された位置にレンジゲートが設定される。レンジゲートの範囲（幅）をユーザが設定できる構成としてもよい。

図１の超音波診断装置は、同一のビーム方向に繰り返し超音波を送受し、レンジゲート内から繰り返し得られる受信信号に基づいて、例えば血流などの移動体からドプラ情報を得る。その際に、２ＤＦＦＴ処理部２０は、メモリ等に記憶された繰り返し得られる受信信号に対して２次元ＦＦＴ処理を施す。これにより、２次元的なスペクトルデータが得られる。２次元ＦＦＴ処理については後にさらに詳述する。

積算処理部２２は、２次元的なスペクトルデータを一定の速度に対応した積算方向に沿って限定された積算領域内において積算することにより、その一定の速度に対応した積算データを得る。積算処理部２２における積算についても後にさらに詳述する。

画像形成部２４は、積算処理部２２により得られた各速度に対応した積算データに基づいて、例えばドプラ信号の時間変化を示したドプラ波形などの表示画像を形成する。そして、図１の超音波診断装置内の各部は、制御部３０により制御される。

図２は、２次元ＦＦＴ処理を説明するための図である。図２（Ａ）は、レンジゲート内から繰り返し得られる受信信号を示している。図２（Ａ）内に示される多数の円がサンプリングされた受信信号データであり、横軸を深さ方向として縦軸を繰り返し方向とすることにより、受信信号データが２次元的に示されている。受信信号データは、例えば受信ＲＦ信号の振幅値である。なお、受信信号データとして、例えば直交検波後のベースバンド信号に関する同相成分（Ｉ信号）の振幅値と直交成分（Ｑ信号）の振幅値を利用してもよい。図２（Ａ）の２次元受信信号は、例えばメモリ等に記憶され、２ＤＦＦＴ処理部２０（図１）がメモリ等に記憶された２次元受信信号データを利用して、以下に詳述する２次元ＦＦＴ処理を実行する。

２次元ＦＦＴ処理では、深さ方向と繰り返し方向の各方向について周波数解析が行われる。例えば、深さ方向について受信信号が周波数解析されて各周波数成分ごとの振幅値（複素振幅値）が算出される。深さ方向に関する周波数解析は、繰り返し方向に並ぶ複数の受信信号の各々を対象として実行される。そして、複数の受信信号に関する深さ方向の解析が終了すると、その解析により得られた各周波数成分ごとの振幅値（複素振幅値）について繰り返し方向に関する周波数解析が実行される。繰り返し方向に関する周波数解析は、深さ方向の解析により得られる複数の周波数成分の各々を対象として実行される。

図２（Ｂ）は、２次元ＦＦＴ処理の結果として得られる２次元パワースペクトルを示している。図２（Ｂ）の横軸は、深さ方向の周波数を示している。受信信号の深さ方向のスペクトルは、微小なドプラシフトや組織による減衰と散乱の影響を無視すると、送信信号のスペクトルに一致する。そのため、図２（Ｂ）の横軸は、送信信号に含まれる複数の周波数に相当する。

また、繰り返し方向に関する周波数解析により、各ドプラ周波数ごとのパワー（または振幅値）が算出される。繰り返し方向に関する周波数解析は、横軸の各周波数ごとに実行されるため、横軸の各周波数ごとにつまり送信信号に含まれる各周波数ごとに、その周波数に対応したドプラ周波数（ドプラシフト周波数）のパワーが算出される。例えば、図２（Ｂ）において、送信中心周波数ｆ_０により速度ｖの移動体から得られるドプラ周波数がｆ_ｄ０であり、このドプラ周波数ｆ_ｄ０のパワー（または振幅値）が、ｆ_０とｆ_ｄ０で決定される座標位置において輝度値や色相などにより表現される。

ちなみに、深さ方向に関する周波数解析を行わずに、繰り返し方向に関する周波数解析を実行する１次元ＦＦＴ処理では、送信中心周波数ｆ_０で帯域幅を持つ送信信号により、帯域幅Ｒのドプラ周波数が計測される。これに対し、２次元ＦＦＴ処理では、上述したように、送信信号に含まれる各周波数ごとに、その周波数に対応したドプラ周波数が識別できるという利点がある。

ドプラシフトの物理的な基本原理において、移動体に関するドプラ周波数（ドプラシフト周波数）は、計測に利用される超音波の周波数と移動体の速度に比例する。例えば、超音波ビーム方向に沿った移動体の速度がｖであり、計測に利用される超音波の周波数（送信信号の周波数）がｆであると、ドプラ周波数ｆ_ｄは、ｆ_ｄ＝（２ｖ／ｃ）・ｆ（ｃは音速）となる。

そのため、図２（Ｂ）において、速度ｖの移動体について横軸の送信周波数ｆと縦軸のドプラ周波数ｆ_ｄの対応関係を示すと、原点を通り傾きが２ｖ／ｃである直線Ｌとなる。したがって、直線Ｌに沿ってスペクトルのパワーを積算すると、速度ｖに関する積算パワー値を得ることができる。複数の速度ｖの各々について積算パワーを得るためには、速度ｖの大きさに応じて原点を通る直線Ｌの傾きを変化させ、複数の速度ｖに対応した複数の直線Ｌの各々に沿って積算値を算出すればよい。

図１の超音波診断装置では、２ＤＦＦＴ処理部２０が２次元ＦＦＴ処理を実行し、積算処理部２２が直線Ｌに沿ってスペクトルのパワーを積算する。その際に、積算処理部２２は、限定された積算領域内において積算することにより、積算において不要な成分を低減している。積算において不要な成分としては、周波数解析において発生する不要成分（サイドローブ）や、クラッタから得られるクラッタ成分や、ノイズなどがある。

図３は、積算における不要な成分を説明するための図である。一般的にＦＦＴ処理においては、ＦＦＴ処理により発生するスペクトルのサイドローブを防ぐために、窓関数が用いられる。図３（Ｉ）は、縦軸の繰り返し方向に関するＦＦＴ処理において窓関数を利用し、横軸の深さ方向に関するＦＦＴ処理において窓関数を利用していない場合の２次元パワースペクトルを示している。図３では、横軸の座標値（周波数ｆ）と縦軸の座標値（ドプラ周波数ｆ_ｄ）で決定される各位置における輝度値（黒の濃さ）がその位置に対応したドプラ周波数のパワーを示している。例えば、計測対象である血流に対応した周波数帯域や、クラッタに対応した低周波数帯域において、比較的強いパワーが得られている。

また、図３（Ｉ）においては、横軸の深さ方向に関するＦＦＴ処理において窓関数を利用していないため、横軸方向においてサイドローブが発生している。つまり、送信周波数の帯域外であるにも関わらず、ドプラ周波数のパワーが表示されている。ちなみに、図３（ＩＩ）は、横軸の深さ方向に関するＦＦＴ処理において窓関数を利用して、横軸方向のサイドローブを低減させた２次元パワースペクトルを示している。図３（Ｉ）と（ＩＩ）の比較から、図３（Ｉ）における横軸方向のサイドローブが理解できる。但し、図３（ＩＩ）のように、横軸の深さ方向に関するＦＦＴ処理において窓関数を利用すると、横軸方向のサイドローブは低減されるものの、分解能の劣化を招く可能性がある。

そこで、図１の超音波診断装置では、積算処理部２２が、限定された積算領域内において積算することにより、積算において不要な成分を低減している。

図４は、積算における限定された積算領域を示す図である。図４には、積算領域５０に関するいくつかの具体例が図示されている。

図４（Ａ）は、２次元パワースペクトルの深さ方向（横軸）の範囲を送信周波数帯域に応じて限定した積算領域５０である。この積算領域５０の横軸方向の幅は、例えば送信周波数帯域と同じ幅に設定される。また、直交検波後のベースバンド信号を利用して２次元パワースペクトルを得た場合には、直交検波におけるローパスフィルタの遮断周波数なども考慮して積算領域５０の横軸方向の幅が決定される。さらに、この積算領域５０は、送信中心周波数ｆ_０に対応した縦軸方向の直線（図示省略）に関して線対称な領域となっている。

積算処理部２２（図１）は、例えば、対象となる速度に対応した直線Ｌ１に沿ってスペクトルのパワーを積算する際に、直線Ｌ１上のスペクトルのうち、積算領域５０外のスペクトルのパワーを積算から除外し、積算領域５０内のスペクトルのパワーのみを対象として積算する。これにより、送信周波数帯域外のサイドローブが積算から除外され、積算結果に対するサイドローブの影響が低減される。望ましくはサイドローブの影響が完全に除去される。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）と同様な深さ方向（横軸）の範囲の限定に加えて、繰り返し方向（縦軸）において低周波数帯域を取り除いた積算領域５０を示している。繰り返し方向の低周波数帯域は、図３に示したように、クラッタに対応した領域である。そこで、図４（Ｂ）のように繰り返し方向において低周波数帯域を取り除くことにより、積算結果に対するクラッタの影響を低減させることが可能になる。

図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）と同様に、繰り返し方向（縦軸）において低周波数帯域を取り除いた積算領域５０であり、図４（Ｃ）には、所定の速度に対応した直線Ｌ０と直線Ｌ０´を境界とする積算領域５０が示されている。クラッタに関するドプラ周波数ｆ_ｄも送信周波数ｆに比例しており（ｆ_ｄ＝（２ｖ／ｃ）・ｆ）、図４（Ｃ）の積算領域５０においては、この比例関係に従って、積算から除外する領域を設定している。なお、クラッタ部分の境界でドプラ画像が不自然に変化しないように、例えば、直線Ｌ０と直線Ｌ０´の近傍において、積算対象データに対して重み付け処理を施してから積算するようにしてもよい。

例えば、図４に示した積算領域５０を利用することにより、周波数解析において発生する不要成分（サイドローブ）や、クラッタから得られるクラッタ成分などを積算から除外することが可能になる。なお、積算において、一定の速度に対応した直線が利用されることは上述したとおりである。ドプラシフトにおいては、ドプラ周波数の折り返し現象が知られている。積算における直線についても、ドプラシフトの折り返しが考慮される。

図５は、積算における直線の折り返しを説明するための図である。図５には、横軸を深さ方向（送信周波数）とし、縦軸を繰り返し方向（ドプラ周波数）とした、２次元パワースペクトルと同じ座標系が示されている。そして、その座標系上に、正の一定速度に対応した直線Ｌ２と、負の一定速度に対応した直線Ｌ３が図示されている。

直線Ｌ２は、原点Ｏから出発し、横軸の送信周波数が大きくなるにつれて縦軸方向に増加しており、縦軸のドプラ周波数ＰＲＦ／２の位置に達している。ＰＲＦは、パルス繰り返し周波数であり、ＰＲＦ／２を超えるドプラ周波数については、折り返し現象が発生する。そこで、直線Ｌ２についても、ドプラ周波数に対応した折り返しが考慮される。つまり、直線Ｌ２が縦軸のドプラ周波数ＰＲＦ／２の位置に達すると、横軸の送信周波数の位置を固定したまま、直線Ｌ２が縦軸のドプラ周波数−ＰＲＦ／２の位置に折り返される。そして、縦軸のドプラ周波数−ＰＲＦ／２の位置から、折り返し前の傾きを維持しつつ、横軸の送信周波数が大きくなるにつれて縦軸方向に増加する。

直線Ｌ２と同様に直線Ｌ３についても折り返しが考慮されている。つまり、直線Ｌ３は、原点Ｏから出発し、横軸の送信周波数が大きくなるにつれて縦軸方向に減少しており、縦軸のドプラ周波数−ＰＲＦ／２の位置に達している。そして、直線Ｌ３が縦軸のドプラ周波数−ＰＲＦ／２の位置に達すると、横軸の送信周波数の位置を固定したまま、直線Ｌ３が縦軸のドプラ周波数ＰＲＦ／２の位置に折り返される。さらに、縦軸のドプラ周波数ＰＲＦ／２の位置から、折り返し前の傾きを維持しつつ、横軸の送信周波数が大きくなるにつれて縦軸方向に減少する。

このように、積算のための直線についても、ドプラシフトの折り返しが考慮される。なお、直線が折り返される場合においても、その直線上において、積算領域内のみが積算の対象とされる。

図６は、積算領域を限定したことに伴う積算結果を示す図である。図６の横軸は、移動体の速度に対応しており、移動体の速度がドプラ周波数で表現されている。図６の縦軸には、移動体の各速度ごとの積算値（積算パワー）が示されている。

図６において、破線で表される波形６２は、深さ方向に関するＦＦＴ処理において窓関数を利用せず積算領域も限定していない場合の２次元パワースペクトル（図３（Ｉ）参照）から得られる積算結果である。これに対し、実線で表される波形６０は、深さ方向に関するＦＦＴ処理において窓関数を利用せず、送信周波数帯域に応じて限定した積算領域（図４（Ａ））を用いた２次元パワースペクトルから得られる積算結果である。

波形６０と波形６２を比較すると、血流以外の部分において、波形６２が比較的大きな値を示している。これは、主に送信周波数帯域外のサイドローブの影響であり、波形６０ではその影響が低減されていることが確認できる。

ちなみに、波形６４は、深さ方向に関するＦＦＴ処理において窓関数を利用して積算領域を限定していない場合の２次元パワースペクトル（図３（ＩＩ）参照）から得られる積算結果である。波形６０と波形６４を比較すると、波形６４と同じ程度に、つまり深さ方向に関するＦＦＴ処理において窓関数を利用した場合と同じ程度に、波形６０におけるサイドローブが低減されていることが確認できる。なお、窓関数を利用した波形６４の場合には、サイドローブは低減されるものの分解能の劣化を招く可能性があることは先に述べたとおりである。

また、波形６０は、送信周波数帯域に応じて限定した積算領域、つまり図４（Ａ）の積算領域５０を利用して得られた結果であり、クラッタ成分は低減の対象となっていない。そのため、図６の波形６０ではクラッタに関する積算結果も大きくなっている。しかし、図４（Ａ）の積算領域５０に換えて、図４（Ｂ）（Ｃ）の積算領域５０を利用することにより、クラッタ成分を積算から除外することができる。つまり、図４（Ｂ）（Ｃ）の積算領域５０を利用することにより、図６の波形６０におけるクラッタの部分を低減することができる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

１０ プローブ、１２ 送信ビームフォーマ、１４ 受信ビームフォーマ、１６ ゲート処理部、２０ ２ＤＦＦＴ処理部、２２ 積算処理部、２４ 画像形成部。

Claims (6)

1. 被検体に対して超音波を送受するプローブと、
   プローブを制御することにより被検体内から受信信号を得る送受信部と、
   被検体内における深さの範囲を定めたレンジゲート内から繰り返し得られる受信信号について、深さ方向と繰り返し方向の各々に関する周波数解析を行うことにより、ドプラ周波数の２次元的なスペクトルデータを得る周波数解析部と、
   前記２次元的なスペクトルデータを一定の速度に対応した積算方向に沿って限定された積算領域内において積算することにより、当該速度の積算データを得る積算部と、
   前記積算データに基づいてドプラ画像を形成するドプラ画像形成部と、
   を有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記積算領域は、２次元的なスペクトルデータの深さ方向の範囲を送信周波数帯域に応じて限定した領域である、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記積算領域は、２次元的なスペクトルデータの繰り返し方向においてクラッタに対応した低周波数帯域を取り除いた領域である、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記積算領域は、送信中心周波数に対応した直線に関して線対称な領域である、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項３に記載の超音波診断装置において、
   前記積算領域は、所定の速度に対応した積算方向を境界とする領域である、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項５に記載の超音波診断装置において、
   前記境界の近傍にある積算対象データに対して重み付け処理を施してから積算する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。

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