JP5371386B2 - 互いに対向するトランスデューサを備える超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、より具体的には互いに対向するトランスデューサを備える超音波診断装置に関する。

使用が便利で人体に害がなく、診断医療分野で広く用いられている超音波映像システムは、超音波が対象体内の生体組織を通過する時に発生する超音波の反射、散乱、吸収特性を用いて生体組織の超音波映像を獲得する。超音波映像システムは、対象体に超音波信号を送信し、対象体内で反射されて戻る超音波信号を受信し、受信された超音波反射信号を電気的信号に変換して超音波映像を形成する。

特開２００８−１０００６８号公報 特開２００８−０７３５０７号公報

本発明は、互いに対向するトランスデューサを備える超音波診断装置を提供する。

前記目的を達成するために本発明による超音波診断装置は、互いに対向して超音波信号を送受信する一対のトランスデューサを備える。

互いに対向するように配置されたトランスデューサを用い、対象体をトランスデューサ間に固定し、対象体がトランスデューサに密着した状態で超音波診断を実施することができる。また、対向するトランスデューサを通じてそれぞれ超音波映像を獲得することができるので、深さによる超音波映像の解像度低下を補償することができ、改善された画質の超音波映像を得ることができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１を参照すれば、本発明の実施形態による超音波診断装置は互いに対向する一対のトランスデューサ１０、２０を備える。図２ａ及び図２ｂに示した通り、各トランスデューサ１０、２０は送信信号を超音波信号に変換して送信スキャンラインに沿って対象体に送信し、対象体から受信された超音波信号を受信信号に変換するための多数の変換素子（ｅｌｅｍｅｎｔ）１１、２１を備える。各トランスデューサ１０、２０の変換素子１１、２１は線状配列（ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ）形態を有する。２つのトランスデューサ１０、２０の間の距離は対象体によって、診断条件に応じて任意に調節することができる。対象体は互いに対向する２つのトランスデューサ１０、２０の間に固定されることによって人体のような対象体の動きによる誤差を減らすことができる。

本発明の実施形態では、２つのトランスデューサが互いに対向するように配置されているため、反射モード及び透過モードで映像を得ることができる。本発明の一実施形態による反射モードで対象体から反射される超音波エコー信号に基づいて互いに対向する２つのトランスデューサ１０、２０からそれぞれ受信信号を獲得し、２枚の予備フレームを得ることができる。２枚の予備フレームを平均して新たなフレームを形成することができる。本発明の他の実施形態によって、互いに対向する２つのトランスデューサ１０、２０から多数の偏向角で超音波信号をそれぞれ送受信して獲得された受信信号から多数の予備フレームを得ることができる。同一のトランスデューサ１０、２０から得た受信信号から形成された多数の予備フレームを合成し（ｃｏｍｐｏｕｎｄｉｎｇ）、それぞれのトランスデューサに対応する２枚の予備フレームを形成することができる。２枚の予備フレームを合成して最終超音波映像を形成する。前述した実施形態のように、本発明は従来の超音波映像形成に比べ、実質的に２倍数のフレームを合成して超音波映像を形成することができるので、スペックル（ｓｐｅｃｋｌｅ）を減少させたりＳＮＲ（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）を増加させることができる。

一方、単一変換素子を用いて超音波送信ビームを送信する場合、ＳＮＲが減少することがある。従って、ＳＮＲを増加させるために超音波送信ビームとして平面波（例、制限回折ビーム）が用いられる。本発明の実施形態によって互いに対向するトランスデューサで平面波を偏向させて超音波信号を送受信するので、トランスデューサを回さなくも良い。例えば、±１０°間で１°間隔で平面波を送信すれば２１枚のフレームを得ることができるのでトランスデューサを２０゜だけ回す効果を得ることができる。即ち、２つのトランスデューサ１０、２０で送受信された平面波に応答して獲得したフレームを合成集束して超音波映像を形成することができる。互いに対向する２つのトランスデューサ１０、２０でそれぞれ一定の送信角（θ１、θ２）で超音波信号を偏向して送信する場合、図３ａ〜図３ｃに示した通り、一つのトランスデューサで示される陰影領域は反対側トランスデューサで送信される超音波信号により補償されることができ、陰影領域が減少できる。また、図３ａ及び図３ｂで図面符号’１４’及び’２４’はそれぞれ波面（ｗａｖｅ ｆｒｏｎｔ）を示す。このように、制限された範囲で進行される平面波によって映像を得ることができない部分（陰影領域）は互いに対向する２つのトランスデューサでそれぞれ送受信を行うことによって陰影領域を減少させることができる。

一つのトランスデューサで送信された超音波送信ビームは、対象体を透過して反対側トランスデューサで受信されることができる。このように受信される超音波信号の速度及び減衰程度を測定し、これを用いた断層撮影（ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）技法を用いて信号の減衰と音速映像を得ることができる。乳房の正常組織での音速は１４５０ｍ／ｓであり、腫瘍での音速は１５５０ｍ／ｓであるので、音速映像を通じて腫瘍有無を判断することができる。また、腫瘍での減衰が正常組織での減衰より大きく、減衰映像を通じて腫瘍有無を診断することができる。

一方、従来の超音波断層撮影は、水を媒介として対象体の映像を得ることによって水による超音波信号の屈折で歪曲された映像を得ることがある。しかし、本発明の実施形態では水を媒介とせず、トランスデューサを人体に直接接触することによって、水中で超音波診断を実施する場合のように水と対象体の境界で超音波屈折の影響を減少させることによって映像の解像度を向上させることができる。

通常、用いられる７ＭＨｚ超音波信号は乳房（ｂｒｅａｓｔ）などの組織を通過する時に減衰が大きく示される。従って、トランスデューサから送信された後、対象体組織を通過することによって相当量の超音波信号が減衰されてトランスデューサに戻ってくるので、超音波映像の形成に寄与する反射超音波信号（ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｅｃｈｏ ｓｉｇｎａｌ）の強度が相対的に弱い。本発明の実施形態によって互いに対向するトランスデューサを用いてそれぞれに対応するフレームを得てこれを合成して最終超音波映像を得ることによって対象体の深さによる超音波信号の減衰を補償することができる。

前述した合成集束以外にも、双方向画素基盤集束（Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｐｉｘｅｌ Ｂａｓｅｄ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ）で超音波映像を形成することができるのはもちろん、本発明の実施形態によってトランスデューサ１０、２０を用いた多様な集束方法が用いられる。

本発明の実施形態によって対向するトランスデューサ間に対象体が置かれた状態で２つのトランスデューサ間の間隔を微細に調節して対象体に圧縮を加えることができる。即ち、互いに対向する２つのトランスデューサ間の距離に基づいて圧縮率を変化させて圧縮による対象体の変化を測定して変形率映像（ｓｔｒａｉｎ ｉｍａｇｅ）を形成することができる。また、２つのトランスデューサ間の距離に基づいて対象体に加えられる圧力の大きさを間接的に算出することによって、圧縮による対象体の変化を容易に把握することができる。

図４は、本発明の他の実施形態によって２つのトランスデューサ１０、２０及び２つのトランスデューサ１０、２０のそれぞれの両端から延びた拡張接触部１２、２２を備えるトランスデューサを備える。拡張接触部１２、２２は対象体に圧力を加えることができる板（ｐｌａｔｅ）で具現できる。図５ａ及び図５ｂに示した通り、拡張接触部１１、１２は変形率映像の形成時に乳房のような対象体（Ｏｂ）に圧力が加えられる時、２トランスデューサ１０、２０の両端部に広がった対象体（Ｏｂ）部分に均一に圧力を加える。従って、手で対象体に圧力を加える触診（ｐａｌｐａｔｉｏｎ）よりは均一の力で全ての領域で対象体を圧縮することができ、良好な変形率映像を得ることができる。

図６は、互いに対向する２つのトランスデューサ１０、２０の軸方向に対象体を圧縮して得た弾性映像（変形率映像）Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４を示し、図７は圧縮された弾性映像を再び圧縮率の逆数で与えられる比率で展開して対象体の動きを報償した弾性映像Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ１３、Ｆ１４を示す概略図である。２つのトランスデューサ１０、２０間の距離を調節しながら得た多数の弾性映像を平均することにより、計算誤差を減少させることができ、Ｂモードなどの映像と同様に互いに対向するトランスデューサで受信された超音波信号により、送受信時毎に２枚の弾性映像を得ることができる。

図８は、本発明の実施形態によって互いに対向するトランスデューサ１１０、１２０を備える超音波診断装置を示す。互いに対向するトランスデューサ１１０、１２０は送信信号を超音波信号に変換して送信スキャンラインに沿って対象体に送信し、対象体から受信された超音波信号を受信信号に変換するための多数の変換素子を備える。送信ビームフォーマ（ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｂｅａｍ ｆｏｒｍｅｒ）１３０は、トランスデューサ１１０、１２０に一つの超音波映像フレームを得るための超音波送信（以下、１回の超音波送信という）に参与する多数変換素子別に時間遅延が反映された送信信号を提供する。受信ビームフォーマ１４０は各変換素子から入力される受信信号を一定のレート（ｒａｔｅ）でサンプリングしてデジタル信号に変換し、毎回送信ごとに各変換素子の受信信号から得られたデジタル信号に基づいて送信スキャンライン別受信信号を形成し、多数送信スキャンライン別受信信号を集束遅延して各変換素子に対応する受信データを形成する。格納部１５０は、トランスデューサ１１０、１２０の送信スキャンライン別受信信号と各変換素子別受信データを区分して格納する。デジタル信号処理部（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ、 ＤＳＰ）１６０は受信データに基づいてＢ、ＣまたはＤモード（ｍｏｄｅ）を表現するための映像データを形成する。デジタルスキャン変換部（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｃａｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１７０は映像データをディスプレイフォーマットに合うようにスキャン変換する。ディスプレイ部１８０はスキャン変換された映像データに基づいて超音波映像をディスプレイする。

本発明の実施形態でトランスデューサ移動部１９０は、 互いに対向するトランスデューサ１１０、１２０のうち少なくともいずれか一つを移動させる。圧力判断部１９５はトランスデューサ１１０、１２０間の距離に基づいて対象体に加えられる圧力の大きさを判断する。ＤＳＰ１６０は圧力判断部１９５で判断された圧力の大きさに基づいて弾性映像データを形成する。デジタルスキャン変換部１７０は映像データを弾性映像データをディスプレイフォーマットに合うようにスキャン変換し、ディスプレイ部１８０はスキャン変換された弾性映像データに基づいて弾性映像をディスプレイする。

図９は、他の実施形態による超音波診断システムの構成を示すブロック図である。図９に示された超音波診断システムは、図８に示された超音波診断システムの全ての構成要素に回転角算出部１９６をさらに備える。トランスデューサ移動部１９０は、図１０ａ〜図１０ｃに示した通り、同一平面上でトランスデューサ１０、２０を回転させる。回転角算出部１９６は、トランスデューサ１０、２０の回転角を算出する。

図１０ａ〜１０ｃを参照すれば、２トランスデューサ間に対象体が置かれた状態で、少なくとも一つのトランスデューサを回転軸ＡＸ１を中心に回転させていくつかの断面の映像２００、２０１、２０２、２０３を得ることができる。多数の断面の映像をトランスデューサの回転角（θ３）を考慮して合成することによって３Ｄの映像を構成することができる。回転角を微細に調節して、合成される３Ｄ映像の解像度を調節することができる。また、乳房のような対象体（ｏｂ）内部組織のボリュームを測定することができる。ガン組織のように詳細な観察が必要な場合、常に均等な回転角でトランスデューサを回転するのでなく、特定領域についてさらに微細な回転角を適用することによって関心領域でさらに高い解像度の合成映像を構成するので診断に役立つ。

図１１は、一つのトランスデューサ１０を固定してもう一つのトランスデューサを回転して多数の超音波断面映像を形成する例を示す。図１１を参照すれば、一つのトランスデューサ２０を回転して多数の超音波断面映像２０ａ、２０ｂ、２０ｃを得ることができる。デジタル信号処理部１６０は多数の超音波断面映像を合成して３次元超音波映像を形成することができる。

２つのトランスデューサ間に対象体が置かれた状態で少なくとも一つのトランスデューサを対象体の表面に沿って移動させ、いくつかの断面の超音波映像を得ることができる。例えば、図１２に示した通り、トランスデューサ１０を固定させた状態でもう一つのトランスデューサ２０を対象体（図示せず）の表面に沿って回転させ、多数の超音波映像断面２０４、２０５、２０６、２０７、２０８を得ることができる。この時、トランスデューサ１０は回転軸ＡＸ２を基準に移動するようになり、移動する程度に応じて観察することができる対象体の範囲が広くなる。基準映像２０４に対するトランスデューサの回転角θ４を考慮し、多数の超音波断面映像を合成することによって３Ｄ映像を具現することができる。トランスデューサ中の一つ２０は、基準映像２０４を中心に移動角θ４の大きさが変化しながら移動し、もう一つのトランスデューサ１０は扇状に移動するトランスデューサと互いに対向するように小さな角で移動して超音波映像を得ることができる。

図１３は、本発明の他の実施形態による２対のトランスデューサを示す概略図である。図１３に示した通り、一対の追加アレイトランスデューサ３０、４０は一対のアレイトランスデューサ１０、２０に追加して備えられる。一対のアレイトランスデューサ３０、４０は互いに対向するアレイトランスデューサ１０、２０と類似して配置できる。追加アレイトランスデューサ３０、４０はアレイトランスデューサ１０、２０に直角に配列されるように構成することができる。４つのトランスデューサが用いられるため４つの映像フレームを獲得することができ、これを合成して超音波映像を獲得する場合、良好な画質の超音波映像を得ることができる。

本発明の一実施形態による対向する一対のトランスデューサを示す概略図である。 一対のトランスデューサを用いた超音波信号送受信例（その１）を示す概略図である。 一対のトランスデューサを用いた超音波信号送受信例（その２）を示す概略図である。 一対のトランスデューサを用いた合成集束を説明するための概略図（その１）である。 一対のトランスデューサを用いた合成集束を説明するための概略図（その２）である。 一対のトランスデューサを用いた合成集束を説明するための概略図（その３）である。 本発明の他の実施形態による対向する一対のトランスデューサを示す概略図である。 本発明の実施形態による一対のトランスデューサを用いた弾性映像形成時に圧力による対象体の変化を示す概略図（その１）である。 本発明の実施形態による一対のトランスデューサを用いた弾性映像形成時に圧力による対象体の変化を示す概略図（その２）である。 弾性映像形成例（その１）を示す概略図である。 弾性映像形成例（その２）を示す概略図である。 本発明の実施形態による超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施形態による超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 トランスデューサを回転させて超音波断面映像を獲得する例を示す例示図（その１）である。 トランスデューサを回転させて超音波断面映像を獲得する例を示す例示図（その２）である。 トランスデューサを回転させて超音波断面映像を獲得する例を示す例示図（その３）である。 一つのトランスデューサのみを回転する例を示す例示図である。 一つのトランスデューサが他のトランスデューサを基準に回転する例を示す例示図である。 本発明の他の実施形態によって一対の追加トランスデューサを備えた例を示す例示図である。

符号の説明

１０，２０、１１０、１２０トランスデューサ
１３０送信ビームフォーマ
１４０受信ビームフォーマ
１５０格納部
１６０ＤＳＰ
１７０ＤＳＣ
１８０ディスプレイ部
１９０トランスデューサ移動部
１９５圧力判断部
１９６回転角算出部

Claims (9)

1. 超音波診断装置であって、
   互いに対向し、それぞれが超音波信号を対象体に送信し前記対象体から反射される超音波エコー信号を受信する超音波信号を送受信する一対のトランスデューサと、
   反射モードまたは透過モードで前記トランスデューサそれぞれから受信信号を取得し、前記取得された受信信号に基づいて複数の予備フレームを形成し、前記複数の予備フレームを平均または合成して超音波映像を形成するデジタル信号処理部とを備えることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記それぞれのトランスデューサは、線状配列形態の多数の変換素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記超音波信号が対象体に設定されたスキャンラインに沿って集束されるように前記変換素子に印加される送信信号を遅延して提供するための送信ビームフォーマと、
   前記各変換素子から入力される受信信号をデジタル信号に変換し、前記デジタル信号を遅延して受信データを形成するための受信ビームフォーマと、
   前記超音波映像をディスプレイするためのディスプレイ部と
   をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の超音波診断装置。
4. 前記一対のトランスデューサのうち少なくとも一つを軸方向に移動させるためのトランスデューサ移動部をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の超音波診断装置。
5. 前記トランスデューサ間の距離に基づいて対象体に加えられる圧力の大きさを判断するための圧力判断部をさらに備え、
   前記デジタル信号処理部は、前記圧力判断部で判断された圧力の大きさに基づいて弾性映像データを形成し、かつ、前記弾性映像データをディスプレイフォーマットに合うようにスキャン変換し、
   前記ディスプレイ部は、前記スキャン変換された弾性映像データに基づいて弾性映像をディスプレイすることを特徴とする請求項４に記載の超音波診断装置。
6. 前記トランスデューサそれぞれの両端から延びた拡張接触部をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の超音波診断装置。
7. 前記移動部は、前記トランスデューサのうち少なくとも一つを同一平面上で回転させ、又は前記一対のトランスデューサが互いに対向しながら一つのトランスデューサが反対側トランスデューサを軸に回転するように動作することを特徴とする請求項４に記載の超音波診断装置。
8. 前記トランスデューサの回転角を算出するための回転角算出部をさらに備え、前記デジタル信号処理部は前記回転角に基づいて多数の超音波断面映像データを形成し、前記多数の超音波断面映像データを合成して３次元映像を形成することを特徴とする請求項７に記載の超音波診断装置。
9. 互いに対向して超音波信号を送受信する一対の追加トランスデューサをさらに備え、前記追加トランスデューサは前記一対のトランスデューサに直角に配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。

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