JP5366359B2

JP5366359B2 - 超音波診断装置及び超音波送信制御プログラム

Info

Publication number: JP5366359B2
Application number: JP2006292983A
Authority: JP
Inventors: 哲也川岸
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2026-10-27
Also published as: JP2008109951A

Description

本発明は、ハーモニック成分を映像化することができる超音波診断装置及び超音波診断装置に用いられる超音波送信制御プログラムに関する。

超音波診断装置は生体内情報の超音波画像を取得し表示する診断装置であり、Ｘ線診断装置やＸ線コンピュータ断層撮影装置などの他の画像診断装置に比べ、安価で被爆が無く、非侵襲性に実時間で観測するための有用な装置として利用されている。係る特性から、超音波診断装置の適用範囲は広く、心臓などの循環器から肝臓、腎臓などの腹部、抹消血管、産婦人科、脳血管などの診断に利用されている。

この様な超音波診断装置では、近年、ハーモニック成分を用いた映像化（ハーモニック映像化）が行われている。これは、超音波の被検体内伝播に伴って発生するハーモニック成分（高調波成分）又は媒体（すなわち造影剤）の非線形的な振る舞いに起因して発生するハーモニック成分を強調し映像化するものである。このハーモニック映像化は、受信ビームの方位分解能を向上させることから、ノイズの少ない超音波画像を取得し得る技術の一つとして注目されている。

図６は、従来の二次ハーモニック成分の映像化について説明するための図である。同図に示すように、帯域Ｒｃを持つプローブによって受信された二次ハーモニック成分をフィルタ等で抽出し、これを映像化することで超音波画像を取得する。

なお、本願に関連する公知文献としては、例えば次のようなものがある。
関伸之他、高周波パラメトリック音源による超音波映像、電子通信学会技術研究報告、１９８４年１１月２６日発行、第８４巻、第２０６号、第３５−４０頁

しかしながら、従来の超音波診断装置を用いたハーモニック映像化においては、例えば次の様な問題がある。

第１に、距離分解能が充分ではない場合がある。すなわち、図６に示したように、プローブ帯域Ｒｃに含まれるハーモニック成分は、高周波側の二次ハーモニック成分のみであり、低周波側にはその成分を持たない。従って、結果的に狭帯域の信号を用いた映像化となり、充分な距離分解能を得ることができない。

第２に、画像の劣化が生じる場合がある。すなわち、ＤＣハーモニック成分（スペクトラム分布において周波数０の付近に出現するハーモニック成分）と二次ハーモニック成分との位相の打ち消し合いが発生すると、被検体表面から浅い領域では、図７に示すようにハーモニック成分が周波数軸上で二つのピークを持つようになる。その結果、画像上で二重化が発生し、画像の劣化を招くことになる。

第３に、二次ハーモニック成分のみを映像化する場合には、深部感度が充分ではない。すなわち、一般に、被検体表面から浅い領域は比較的高周波成分によって映像化され、一方、被検体表面から深い領域は比較的低周波成分によって映像化される。被検体表面から深い領域から得られる二次ハーモニック成分は、生体減衰により図８に示すように相対的に小さくなるため、深部感度が充分でない場合がある。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、ハーモニック成分を映像化する場合において、被検体表面の近距離から遠距離まで高い距離分解能で多重化の無い画像を取得することができる超音波診断装置及び超音波診断装置に用いられる超音波送信制御プログラムを提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。

一実施形態に係る超音波診断装置は、供給される駆動信号に基づいて超音波を被検体に送信し、当該被検体からの反射波を受信してエコー信号を発生する超音波プローブと、
前記超音波プローブに前記駆動信号を供給する送信手段と、前記被検体からの反射波に含まれそれぞれが異なる次数に対応する二つのハーモニック成分が位相干渉することによって、前記二つのハーモニック成分から構成され中央付近にピークを持つスペクトラム分布を有する融合ハーモニック成分が形成され、前記被検体からの反射波に含まれた二次ハーモニック成分とＤＣハーモニック成分とによって前記融合ハーモニック成分が構成されるように、前記超音波プローブに供給される前記駆動信号を制御する制御手段と、前記エコー信号に含まれる前記融合ハーモニック成分を用いて、超音波画像を生成する画像生成手段と、を具備するものである。
一実施形態に係る超音波送信制御プログラムは、超音波診断装置に内蔵されるコンピュータに、被検体からの反射波に含まれそれぞれが異なる次数に対応する二つのハーモニック成分が位相干渉することによって、前記二つのハーモニック成分から構成され中央付近にピークを持つスペクトラム分布を有する融合ハーモニック成分が形成され、前記被検体からの反射波に含まれた二次ハーモニック成分とＤＣハーモニック成分とによって前記融合ハーモニック成分が構成されるように、前記送信超音波の波形を決定させる決定機能と、前記決定された波形を発生するための駆動信号を生成させる信号生成機能と、前記駆動信号を超音波プローブに供給することで、前記被検体に対し前記超音波プローブから超音波を送信させる送信機能と、を具備するものである。

以上本発明によれば、ハーモニック成分を映像化する場合において、被検体表面の近距離から遠距離まで高い距離分解能で多重化の無い画像を取得することができる超音波診断装置及び超音波診断装置に用いられる超音波送信制御プログラムを実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１０のブロック構成図を示している。

同図に示すように、本超音波診断装置１０は、装置本体１１、超音波プローブ１２、入力装置１３、モニター１４とから構成される。

入力装置１３には、オペレータからの各種指示・命令・情報、条件等の入力、関心領域（ＲＯＩ）の設定などを行うためのトラックボール、スイッチ・ボタン、マウス、キーボードが設けられる。

装置本体１１には、超音波送信部２１、超音波受信部２２、Ｂモード処理部２３、ドプラ処理部２４、画像生成部２５、表示制御部２７、制御プロセッサ（ＣＰＵ）２８、インタフェース部２９、記憶部３２が設けられる。

超音波プローブ１２は、圧電セラミック等の音響／電気可逆的変換素子としての複数の超音波振動子を有する。複数の超音波振動子は並列され、プローブ１２の先端に装備される。各超音波振動子は、供給される駆動信号（電圧パルス）に従ってそれぞれ所定のタイミングで超音波を発生する。各超音波振動子からの超音波はビームを形成し、被検体内の音響インピーダンスの不連続面で反射される。各超音波振動子は、この反射波を受信しエコー信号を発生し、チャンネル毎に超音波受信部２２に取り込まれる。

なお、超音波プローブ１２は、複数の超音波振動子が一方向に沿って配列された一次元アレイプローブ、複数の超音波振動子が二次元マトリックス状に配列された二次元アレイプローブのいずれであってもよい。

また、この超音波プローブ１２は、送信超音波に起因して発生する二次ハーモニック成分とＤＣハーモニック成分との双方を含む広帯域なもの（例えば、比帯域１００％程度のもの）とする。ここで、ＤＣハーモニック成分とは、スペクトラム分布において周波数０の付近に出現するハーモニック成分を意味する。また、二次ハーモニック成分とは、例えば周波数ｆ_１の基本波を送信した場合に、スペクトラム分布において周波数２ｆ_１の付近に出現するハーモニック成分を意味する。

超音波送信部２１は、超音波プローブ１２に超音波送信のための駆動信号を供給する装置である。特に、超音波送受信部２１は、制御プロセッサ２８の制御のもと、後述する広帯域送受信機能に従う処理（広帯域送受信処理）において、例えば時間軸に関して偶対称となるような波形を有する超音波が送信されるように、超音波プローブ１２に供給する駆動信号を制御する。

超音波受信部２２は、超音波プローブ１２から受け取ったエコー信号をチャンネル毎に増幅し、受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与えた後、加算する。この加算により受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調され、超音波受信ビームが形成される。また、この受信指向性と送信指向性とにより超音波送受信の総合的な指向性が決定される（この指向性は、一般に「走査線」と呼ばれる）。加算後のエコー信号は、Ｂモード処理部２３と、ドプラ処理部２４に送られる。

Ｂモード処理部２３は、図示しないが、対数変換器、包絡線検波回路、アナログディジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）から構成される。対数変換器は、エコー信号を対数変換する。包絡線検波回路は対数変換器からの出力信号の包絡線を検波する。この検波信号はアナログディジタルコンバータを介してディジタル化され、検波データとして出力される。

ドプラ処理部２４は、周波数解析によりその解析結果や、フィルタを用いて血流成分を抽出し平均速度、分散、パワー等の血流情報を多点について求める。

画像生成部２５は、Ｂモード処理部２３から入力した走査線信号列で構成される検波データを用いてフレーム相関処理等を実行した後、空間情報に基づいた直交座標系のデータに変換することでＢモード画像を生成する。また、画像生成部２５は、ドプラ処理部２４から入力した血流情報を用いて、平均速度画像、分散画像、パワー画像、これらの組み合わせ画像を作成する。

表示制御部２７は、画像生成部２５から受け取った超音波画像と所定の情報（例えば文字情報、指定されたＲＯＩ等）とを合成し、モニター１４に送り出す。

制御プロセッサ２８は、ユーザの入力装置１３やネットワークを経由して入力されたモード選択、ＲＯＩ設定、送信開始・終了等の各種指示に基づき、記憶部３２に記憶された送受信条件、装置制御プログラム等を読み出し、これらに従って、当該超音波診断装置を静的又は動的に制御する。また、制御プロセッサ２８は、記憶部３２に記憶された専用プログラムを読み出し、これに従って、広帯域送受信機能を実現するように、超音波送信部２１等を制御する。

記憶部３２は、制御プロセッサ２７の制御のもと、Ｂモード処理部２３やドプラ処理部２４から受け取った信号データ（生データ）、画像生成部２５から受け取った画像データ（静止画像、動画像）を記録する。また、記憶部３２は、当該装置の制御プログラム、診断プロトコルや送受信条件等の各種データ群、広帯域送受信機能を実現するための専用プログラム、各送信条件と広帯域送受信を行うための波形情報とを対応付けたテーブル等を記憶する。

モニター１４は、表示制御部２７からのビデオ信号に基づいて、生体内の形態学的情報や、血流情報を静止画像又は動画像として表示する。

（広帯域送受信機能）
次に、本超音波診断装置１が有する、広帯域送受信機能について説明する。この機能は、ハーモニック成分の映像化を行う場合、エコー成分に含まれる異なる次数のハーモニック成分が相互に重なり（干渉し）、その結果、広帯域の一周波数成分（ハーモニック成分）が形成されるような送信を行うものである。本実施形態では、説明を具体的にするため、ＤＣハーモニック成分と二次ハーモニック成分とが同位相重なり合い、その結果、広帯域の一周波数成分（ハーモニック成分）が形成されるような送信を行う場合を例とする。

図２は、本広帯域送受信機能によって得られるエコー信号のスペクトラム分布の一例を示した図であり、本広帯域送受信機能の概念を説明するための図である。同図に示すように、本広帯域送受信機能によれば二次ハーモニック成分とＤＣハーモニック成分とが、例えば周波数ｆ１付近で位相干渉し重なり合うことになる。その結果、二次ハーモニック成分とＤＣハーモニック成分とから構成される融合ハーモニック成分は、図３に示すようになり、その中心付近にピークを持つ理想的なスペクトラム分布を持つようになる。

この様な広帯域送受信は、例えば次のようにして実現することができる。すなわち、ＤＣハーモニック成分と二次ハーモニック成分とを用いて広帯域送受信を行う場合には、図４に例示するような波形が時間軸で見て偶対称（時間に関して偶対称）となるような超音波送信を行う。なお、波形が時間に関して偶対称とは、波形の中心での時間軸の反転に関して対称であることを意味する。

これにより、ＤＣハーモニック成分と二次ハーモニック成分とは同一位相で発生し、相互に干渉し重なり合うことになる。また、例えば一次ハーモニック成分と三次ハーモニック成分とを用いて広帯域送受信を行う場合には、波形が時間軸で見て奇対称（時間に関して奇対称）となるような超音波送信を行うことで、相互の重なり合いの部分の位相を同期させて発生させることができる。送信超音波の波形を時間軸で見て偶対称とするか奇対称とするかは、いずれの次数の高調波を重ね合わせるかに応じて、例えば入力装置１３から選択できる。

なお、本広帯域送受信によって得られるハーモニック成分は、例えばフェイズインバージョン法により抽出することができる。ここで、フェイズインバージョン法とは、例えば、同一方向に続けて２回の超音波送信（ただし、１回目と２回目の超音波の位相は反転している）を行うことで、一回目の超音波送信に起因する基本波成分と二回目の超音波送信に起因する基本波成分とを逆位相で発生させると共に、一回目の超音波送信に起因する二次ハーモニック成分と二回目の超音波送信に起因する二次ハーモニック成分とを同位相で発生させるものである。しかしながらこれに拘泥されず、例えばフェイズインバージョン法と類似の方法やフィルタ法によって抽出する様にしてもよい。

（動作）
次に、本超音波診断装置１の受信感度均一送信処理における動作について説明する。

図５は、本超音波診断装置１によって実行される広帯域送受信処理の流れを示したフローチャートである。同図に示すように、まず、入力装置１３から患者情報等が入力され（ステップＳ１）、広帯域送受信が選択され送信条件が設定される（ステップＳ２）。制御プロセッサ２８は、例えば設定された送受信条件等と記憶部３２に格納されたテーブルとに基づいて、今回の広帯域送受信に用いる波形（時間軸で見て偶対称となるような波形）を決定する（ステップＳ３）。なお、この広帯域送受信に用いる波形は、所定の計算式等に従って決定するようにしてもよい。

次に、制御プロセッサ２８は、波形が時間軸で見て偶対称となるような超音波が各走査線につき位相を反転させながら連続的（例えば２回）に送信されるように、超音波送信部２１を制御する（ステップＳ４）。この送信によって取得されるエコー信号は、超音波受信部２２、Ｂモード処理部２３において所定の処理を受け、画像生成部２５に供給される。画像生成部２５は、供給されたエコー信号に基づいて、超音波画像を生成する。モニター１４は、生成された超音波画像を所定の形態で表示する（ステップＳ５）。

（効果）
以上述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。

本超音波診断装置によれば、波形が時間軸で見て偶対称となるような超音波送信を行うことで、ＤＣハーモニック成分と二次ハーモニック成分とを同一位相で発生させ、相互に重なり合うようにする。これにより、二次ハーモニック成分とＤＣハーモニック成分とから構成される融合ハーモニック成分を、その中心付近にピークを持つ理想的なスペクトラム分布にすることができる。従って、この融合ハーモニック成分を用いることで、ハーモニック映像化において、被検体表面の近距離から遠距離まで高い距離分解能で多重化の無い画像を取得することができる。

また、本超音波診断装置では、送信超音波の波形を時間軸で見て偶対称とするか奇対称とするかは、いずれの次数の高調波を重ね合わせるかに応じて、任意に選択することができる。従って、従来に比して自由度の高いハーモニック映像化を実現することができ、画像診断の質の向上に寄与することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。具体的な変形例としては、例えば次のようなものがある。

本実施形態に係る各機能は、当該処理を実行するプログラムをワークステーション等のコンピュータにインストールし、これらをメモリ上で展開することによっても実現することができる。このとき、コンピュータに当該手法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどの記録媒体に格納して頒布することも可能である。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

図１は、本発明の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示したブロック図である。図２は、本広帯域送受信機能によって得られるエコー信号のスペクトラム分布の一例を示した図である。図３は、本広帯域送受信機能によって得られるエコー信号のスペクトラム分布の一例（二次ハーモニック成分とＤＣハーモニック成分とを融合したもの）を示した図である。図４は、本広帯域送受信機能において用いられる送信超音波の波形の一例を示した図である。図５は、本超音波診断装置１によって実行される広帯域送受信処理の流れを示したフローチャートである。図６は、従来の二次ハーモニック成分の映像化について説明するための図である。図７は、従来の二次ハーモニック成分の映像化について説明するための図である。図８は、従来の二次ハーモニック成分の映像化について説明するための図である。

符号の説明

１０…超音波診断装置、１１…装置本体、１２…超音波プローブ、１３…入力装置、１４…モニター、２１…超音波送信部、２２…超音波受信部、２３…Ｂモード処理部、２４…ドプラ処理部、２５…画像生成部、２７…表示制御部、２８…制御プロセッサ（ＣＰＵ）、２９…インターフェース部、３２…記憶部

Claims

供給される駆動信号に基づいて超音波を被検体に送信し、当該被検体からの反射波を受信してエコー信号を発生する超音波プローブと、
前記超音波プローブに前記駆動信号を供給する送信手段と、
前記被検体からの反射波に含まれそれぞれが異なる次数に対応する二つのハーモニック成分が位相干渉することによって、前記二つのハーモニック成分から構成され中央付近にピークを持つスペクトラム分布を有する融合ハーモニック成分が形成され、前記被検体からの反射波に含まれた二次ハーモニック成分とＤＣハーモニック成分とによって前記融合ハーモニック成分が構成されるように、前記超音波プローブに供給される前記駆動信号を制御する制御手段と、
前記エコー信号に含まれる前記融合ハーモニック成分を用いて、超音波画像を生成する画像生成手段と、
を具備することを特徴とする超音波診断装置。
前記制御手段は、前記二つのハーモニック成分が同位相となるように、前記超音波プローブに供給される前記駆動信号を制御することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
前記制御手段は、前記超音波プローブから送信される超音波が時間に関して偶対称な波形となるように、前記超音波プローブに供給される前記駆動信号を制御することを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
前記制御手段は、前記被検体からの反射波に含まれた三次ハーモニック成分と一次ハーモニック成分とによって前記融合ハーモニック成分が構成されるように、前記超音波プローブに供給される前記駆動信号を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波診断装置。
前記制御手段は、前記超音波プローブから送信される超音波が時間に関して奇対称な波形となるように、前記超音波プローブに供給される前記駆動信号を制御することを特徴とする請求項４記載の超音波診断装置。
前記二つのハーモニック成分をいずれの次数のハーモニック成分にするかに応じて、前記超音波プローブから送信される超音波について、時間に関して偶対称な波形と奇対称な波形とを選択するための選択手段をさらに具備し、
前記制御手段は、前記超音波プローブから送信される超音波が前記選択手段によって選択された波形となるように、前記超音波プローブに供給される前記駆動信号を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の超音波診断装置。
前記超音波プローブは、前記二つのハーモニック成分を含む帯域を有することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の超音波診断装置。
前記超音波プローブは、前記二つのハーモニック成分に対して比帯域が実質的に１００％であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の超音波診断装置。
超音波診断装置において用いられる超音波送信制御プログラムであって、
前記超音波診断装置に内蔵されるコンピュータに、
被検体からの反射波に含まれそれぞれが異なる次数に対応する二つのハーモニック成分が位相干渉することによって、前記二つのハーモニック成分から構成され中央付近にピークを持つスペクトラム分布を有する融合ハーモニック成分が形成され、前記被検体からの反射波に含まれた二次ハーモニック成分とＤＣハーモニック成分とによって前記融合ハーモニック成分が構成されるように、前記送信超音波の波形を決定させる決定機能と、
前記決定された波形を発生するための駆動信号を生成させる信号生成機能と、
前記駆動信号を超音波プローブに供給することで、前記被検体に対し前記超音波プローブから超音波を送信させる送信機能と、
を具備することを特徴とする超音波送信制御プログラム。