JP5393568B2 - 超音波撮像方法および超音波撮像装置 - Google Patents

超音波撮像方法および超音波撮像装置 Download PDF

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Description

この発明は、超音波画像を生成する超音波撮像方法および超音波撮像装置に係り、特に、頭蓋骨内の超音波画像を生成する超音波撮像方法および超音波撮像装置に関する。
超音波プローブから被検体に向けて撮像用超音波ビームを送信すると共に被検体で反射した超音波エコーを受信して超音波画像を生成する超音波撮像が知られている。近年、超音波撮像は、頭蓋骨内の観察にも応用されており、例えばこめかみなどの頭蓋骨の薄い箇所から被検体に向けて撮像用超音波ビームを送信することで頭蓋骨内の超音波画像が生成されている。
このような、頭蓋骨内の超音波撮像では、頭蓋骨内に送信された撮像用超音波ビームの一部が頭蓋骨の内面などで繰り返し反射される多重反射が引き起こされることがある。撮像用超音波ビームの多重反射は、生成された超音波画像のノイズとなると共に脳組織に影響を及ぼすおそれもある。
そこで、例えば、特許文献１には、超音波プローブの表面と生体内の間での多重反射において、超音波プローブで反射して再度生体内に送られる反射波を打ち消すことで超音波画像のノイズを減少させる技術が提案されている。
特開２００７−１１７１６５号公報
しかしながら、超音波プローブの表面における反射波を打ち消しても頭蓋骨の内面で引き起こされる超音波エコーの多重反射は残存するため、残存した超音波エコーが脳組織に影響を及ぼすおそれがある。
この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、頭蓋骨内における超音波エコーの多重反射を抑制することができる超音波撮像方法および超音波撮像装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る超音波撮像方法は、撮像用プローブのアレイトランスデューサから被検体に向けて撮像用超音波ビームが送信されると共に被検体による超音波エコーを受信した前記撮像用プローブのアレイトランスデューサから出力された受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波撮像方法であって、予め頭蓋骨内における骨構造からの超音波エコーを測定し、測定された前記超音波エコーに基づいて頭蓋骨による超音波の伝達関数を求め、前記伝達関数に基づいて頭蓋骨の内面で反射する超音波エコーと逆位相の打ち消し用超音波ビームを生成し、前記撮像用超音波ビームに起因する頭蓋内における骨構造からの超音波エコーに合わせて前記打ち消し用超音波ビームを送信することにより前記超音波エコーを打ち消しながら撮像を行うものである。
ここで、前記撮像用超音波ビームを送信した際の頭蓋内の画像表示領域の最深部からの超音波エコーより後の超音波エコーに合わせて前記打ち消し用超音波ビームを送信することができる。
また、骨構造からの超音波エコーのうち第１エコーを画像化に必要な程度残すように前記打ち消し用超音波ビームを送信するのが好ましい。
また、前記撮像用プローブとは異なる打ち消し用プローブから前記打ち消し用超音波ビームを送信してもよい。また、前記撮像用プローブのアレイトランスデューサのうち一部のトランスデューサから前記打ち消し用超音波ビームを送信してもよい。
また、本発明に係る超音波撮像装置は、撮像用プローブのアレイトランスデューサから被検体に向けて撮像用超音波ビームが送信されると共に被検体による超音波エコーを受信した前記撮像用プローブのアレイトランスデューサから出力された受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波撮像装置であって、予め頭蓋骨内における骨構造からの超音波エコーを測定するエコー測定手段と、前記エコー測定手段で測定された前記超音波エコーに基づいて頭蓋骨による超音波の伝達関数を求める伝達関数算出手段と、前記伝達関数に基づいて頭蓋骨の内面で反射する超音波エコーと逆位相の打ち消し用超音波ビームを生成して前記撮像用超音波ビームに起因する頭蓋内における骨構造からの超音波エコーに合わせて送信する打ち消し用超音波ビーム送信手段とを備えたものである。
前記打ち消し用超音波ビーム送信手段は、前記撮像用超音波ビームを送信した際の頭蓋内の画像表示領域の最深部からの超音波エコーより後の超音波エコーに合わせて前記打ち消し用超音波ビームを送信することができる。
また、前記打ち消し用超音波ビーム送信手段は、骨構造からの超音波エコーのうち第１エコーを画像化に必要な程度残すように前記打ち消し用超音波ビームを送信するのが好ましい。
また、前記打ち消し用超音波ビーム送信手段は、前記撮像用プローブとは異なる打ち消し用プローブから前記打ち消し用超音波ビームを送信してもよい。前記打ち消し用超音波ビーム送信手段は、前記撮像用プローブのアレイトランスデューサのうち一部のトランスデューサから前記打ち消し用超音波ビームを送信してもよい。
本発明によれば、頭蓋骨内における超音波エコーの多重反射を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態で用いられたプローブの配置位置を示す図である。 プレスキャン時における超音波ビームの伝搬の様子を示す図である。 頭蓋骨からの超音波エコーを打ち消す様子を示す図である。 撮像時における超音波ビームの伝搬の様子を示す図である。 変形例におけるプローブの配置位置を示す図である。 他の変形例におけるプローブの配置位置を示す図である。 さらに他の変形例で用いられるプローブを示す図である。
以下に、添付の図面に示す好適な実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１に、本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示す。超音波撮像装置は、撮像用プローブ１と、打ち消し用プローブ２と、装置本体３とを有する。
撮像用プローブ１および打ち消し用プローブ２は、アレイ状に配列された複数の超音波トランスデューサをそれぞれ有する。撮像時において、撮像用プローブ１は被検体に向けて撮像用超音波ビームを送信すると共に被検体による超音波エコーを受信し、打ち消し用プローブ２は頭蓋骨内に向けて打ち消し用超音波ビームを送信する。また、プレスキャン時において、撮像用プローブ１は、頭蓋骨内に向けてプレスキャン用超音波ビームを送信すると共に頭蓋骨内における骨構造からの超音波エコーを受信する。
装置本体３は、撮像用プローブ１に接続された受信信号処理部４と、撮像用プローブ１に接続された撮像用送信信号生成部５と、打ち消し用プローブ２に接続された打ち消し用送信信号生成部６とを有する。
受信信号処理部４には、撮像用プローブ１で受信された超音波エコーに応じた受信信号が撮像用プローブ１から入力される。撮像用送信信号生成部５は、撮像用送信信号およびプレスキャン用送信信号をそれぞれ生成して撮像用プローブ１に出力する。打ち消し用送信信号生成部６は、伝達関数に基づいて頭蓋骨の内面で反射する超音波エコーと逆位相の打ち消し用超音波ビームに応じた打ち消し用送信信号を生成して打ち消し用プローブ２に出力する。
受信信号処理部４、撮像用送信信号生成部５、および打ち消し用送信信号生成部６に、制御部７が接続されている。制御部７は、装置本体３内の各部に対して入力および出力の制御を行う。
制御部７には、さらに伝達関数算出部８および表示部９がそれぞれ接続されている。伝達関数算出部８は、プレスキャン時に予め得られた頭蓋骨内における骨構造からの超音波エコーに基づいて、頭蓋骨による超音波の伝達関数を求める。ここで、伝達関数は、頭蓋骨のそれぞれの位置における頭蓋骨の厚さに起因した超音波の伝搬遅延量および波形の変形量（振幅、位相等を含む）を含むものである。
表示部９は、受信信号処理部４で受信された超音波エコーに応じた受信信号に基づいて生成された超音波画像を表示する。
上述した撮像用プローブ１、受信信号処理部４、および撮像用送信信号生成部５により本発明のエコー測定手段が構成され、打ち消し用プローブ２および打ち消し用送信信号生成部６により本発明の打ち消し用超音波ビーム送信手段が構成されている。
次に、図１に示した超音波撮像装置の動作を説明する。
まず、図２に示すように、頭部の所定の位置に撮像用プローブ１を配置すると共に打ち消し用プローブ２を撮像用プローブ１と隣接する位置に配置する。撮像用プローブ１および打ち消し用プローブ２が配置されると、撮像用送信信号生成部５がプレスキャン用送信信号を生成して撮像用プローブ１に出力する。これにより、撮像用プローブ１からプレスキャン用超音波ビームが頭蓋骨の内面に向けて送信され、頭蓋骨内における骨構造のプレスキャンが行われる。
撮像用プローブ１から送信されたプレスキャン用超音波ビームは、図３に示すように、頭蓋骨Ｈを伝搬し、頭蓋骨内面のＡ点で反射して戻る超音波エコーＥａが撮像用プローブ１で受信される。ここで、超音波は、頭蓋骨Ｈを伝搬する時に、頭蓋骨Ｈの厚みに起因して伝搬遅延および減衰による波形の変形を生じている。
一方、頭蓋骨ＨのＡ点を通過したプレスキャン用超音波ビームの一部は、撮像用プローブ１が配置された側とは反対側の頭蓋骨内面のＢ点に到達し、その骨構造から反射された超音波エコーＥｂが再び頭蓋骨ＨのＡ点に到達する。頭蓋骨ＨのＡ点を通過した超音波エコーＥｂは撮像用プローブ１で受信される。また、超音波エコーＥｂの一部は頭蓋骨ＨのＡ点でさらに反射され、これが繰り返されることで多重反射が引き起こされる。
撮像用プローブ１で受信された骨構造からの超音波エコーＥａおよびＥｂの受信信号は、受信信号処理部４に入力される。受信信号処理部４は入力された超音波エコーＥａおよびＥｂに応じた受信信号を制御部７に出力すると、制御部７がその受信信号を伝達関数算出部８に出力する。
伝達関数算出部８は、受信された骨構造からの超音波エコーＥａの受信信号に基づいて頭蓋骨Ｈにおける超音波の伝達関数を求める。すなわち、伝達関数算出部８は、撮像用プローブ１から送信されたプレスキャン用超音波ビームの送信時刻と波形ならびに撮像用プローブ１で受信された超音波エコーＥａの受信時刻と波形に基づき、頭蓋骨Ｈにおける超音波の伝達関数を求める。また、伝達関数算出部８は、撮像用プローブ１で受信された超音波エコーＥａおよびＥｂの受信時刻に基づき、撮像用プローブ１から送信された超音波が頭蓋骨ＨのＢ点で反射されて頭蓋骨ＨのＡ点に到達するまでの到達時間を求める。このようにして求められた伝達遅延量、波形の変形量、および到達時間は、制御部７に出力され、制御部７から打ち消し用送信信号生成部６に出力される。
次に、頭蓋骨Ｈ内の被検体の撮像について説明する。図４に示すように、撮像用送信信号生成部５が撮像用送信信号Ｓｔを生成して撮像用プローブ１に出力し、撮像用プローブ１から撮像用超音波ビームが時刻Ｔ０に送信される。
撮像用超音波ビームは頭蓋骨Ｈを伝搬して頭蓋骨ＨのＡ点を通って頭蓋骨Ｈ内の血管等の被検体に到達し、被検体により反射された超音波エコーＳｒが再び頭蓋骨ＨのＡ点を通って撮像用プローブ１で受信される。一方、被検体を伝搬した撮像用超音波ビームの一部は、頭蓋骨ＨのＢ点に到達し、その骨構造から反射された第１エコーＥ１が時刻Ｔ１に再び頭蓋骨ＨのＡ点に到達する。
この時、打ち消し用送信信号生成部６は、伝達関数算出部８から制御部７を介して入力された伝搬遅延量と到達時間に基づいて、超音波が打ち消し用プローブ２から頭蓋骨ＨのＡ点に到達する時間Δｔを求めると共に第１エコーＥ１が頭蓋骨ＨのＡ点に到達する時刻Ｔ１を求め、第１エコーが頭蓋骨ＨのＡ点に到達する時刻Ｔ１からΔｔだけ早い時刻Ｔ１ａに打ち消し用プローブ２から打ち消し用超音波ビームを送信させる。ここで、打ち消し用送信信号生成部６は、伝達関数算出部８で求められた頭蓋骨Ｈにおける超音波の波形の変形量に基づいて、第１エコーＥ１と逆位相で且つ第１エコーＥ１を画像化に必要な程度残すような振幅の打ち消し用超音波ビームＣ１を送信している。なお、画像化に必要な程度とは、画像化において周囲のノイズに埋もれることなく骨構造の位置を確認できる量である。
このようにして、打ち消し用プローブ２から第１エコーＥ１と逆位相で送信された打ち消し用超音波ビームは、図５に示すように、頭蓋骨Ｈを減衰しながら伝播し、頭蓋骨ＨのＡ点において第１エコーＥ１と逆位相で且つ第１エコーＥ１を画像化に必要な程度残すような振幅の波形で第１エコーＥ１と干渉する。
また、第１エコーＥ１が頭蓋骨ＨのＡ点で反射された後に再び頭蓋骨ＨのＢ点で反射された第２エコーＥ２が時刻Ｔ２に頭蓋骨ＨのＡ点に到達するが、同様にして、打ち消し用送信信号生成部６が、第２エコーＥ２を全て打ち消すような打ち消し用超音波ビームＣ２を第２エコーＥ２が頭蓋骨ＨのＡ点に到達する時刻Ｔ２よりもΔｔだけ早い時刻Ｔ２ａに打ち消し用プローブ２から送信することで、頭蓋骨ＨのＡ点に到達した第２エコーＥ２を全て打ち消す。なお、その後第３エコーＥ３，第４エコーＥ４，・・・が発生する場合には、第３エコーＥ３，第４エコーＥ４，・・・が頭蓋骨ＨのＡ点に到達する時刻Ｔ３，Ｔ４，・・・よりもΔｔだけ早い時刻Ｔ３ａ，Ｔ４ａ，・・・に第３エコーＥ３，第４エコーＥ４，・・・を全て打ち消すような打ち消し用超音波ビームＣ３，Ｃ４，・・・を打ち消し用プローブ２から送信することで同様に打ち消すことができる。
このようにして、第１エコーＥ１を減少させると共に第２エコーＥ２以降のエコーＥ３，Ｅ４，・・・を全て打ち消すことで、頭蓋骨Ｈ内における超音波エコーの多重反射を抑制することができる。
このようにして打ち消し用超音波ビームを送信することにより、頭蓋骨ＨのＢ点で反射して戻ってくるエコーは、その大部分が打ち消され、これらエコーの残差信号は図４に示されるように、第１エコーＥ１と打ち消し用超音波ビームＣ１との差分に相当するもののみとなる。この残差信号は、撮像用プローブ１から受信信号処理部４に出力され、受信信号処理部４が制御部７に出力する。制御部７は入力された被検体の超音波エコーＳｒに応じた受信信号および残差信号を表示部９に出力し、表示部９が入力信号に基づいて超音波画像を生成して表示する。このようにして、表示部９には、頭蓋内の画像表示領域の最深部からのエコーより後の第１エコーＥ１を減少させると共に第２エコーＥ２，第３エコーＥ３，第４エコーＥ４，・・・を打ち消して得られた画像が表示される。
本実施形態の超音波撮像装置によれば、第１エコーＥ１を減少させると共に第２エコーＥ２以降のエコーＥ３，Ｅ４，・・・を全て打ち消すことで、頭蓋骨Ｈ内における超音波エコーの多重反射を抑制することができる。
なお、本実施形態において、頭部における打ち消し用プローブ２の配置は、撮像用プローブ１から撮像用超音波ビームが送信されて頭蓋骨Ｈ内の骨構造からの超音波エコーを打ち消し用プローブ２からの打ち消し用超音波ビームにより打ち消すことができれば特に限定されない。例えば、図６に示すように、打ち消し用プローブ２は、頭部に配置された撮像用プローブ１と相対する位置に配置することができる。また、図７に示すように、打ち消し用プローブ２を頭部に配置された撮像用プローブ１に隣接して２つ配置することで、頭蓋骨Ｈ内で拡散して伝搬する骨構造からの超音波エコーを精度よく打ち消すこともできる。
また、打ち消し用プローブ２を省略して撮像用プローブ１と打ち消し用送信信号生成部６を接続し、打ち消し用送信信号生成部６が、撮像用プローブ１の複数のトランスデューサのうち一部の超音波トランスデューサから打ち消し用超音波ビームを送信してもよい。例えば、図８に示すように、撮像用プローブ１０は、複数の撮像用トランスデューサ１１を中央に配置し、打ち消し用トランスデューサ１２を複数の撮像用トランスデューサ１１を挟む両側に配置することができる。これにより、撮像用プローブ１０のみで頭蓋骨Ｈ内における超音波エコーの多重反射を抑制することができる。また、撮像用プローブ１０は、複数の撮像用トランスデューサ１１の一方にのみ複数の打ち消し用トランスデューサ１２が隣接するような配置とすることもできる。
また、本実施形態においては、撮像用プローブ１から撮像用超音波ビームおよびプレスキャン用超音波ビームが送信され、打ち消し用プローブ２から打ち消し用超音波ビームが送信されているが、第１エコーを打ち消し用超音波ビームで打ち消すことができれば超音波を送信する方法は特に限定されない。例えば、撮像用プローブ１から撮像用超音波ビームを送信し、打ち消し用プローブ２からプレスキャン用超音波ビームおよび打ち消し用超音波ビームを送信してもよい。
１，１０ 撮像用プローブ、２ 打ち消し用プローブ、３ 装置本体、４ 受信信号処理部、５ 撮像用送信信号生成部、６ 打ち消し用送信信号生成部、７ 制御部、８ 伝達関数算出部、９ 表示部、１１ 撮像用トランスデューサ、１２ 打ち消し用トランスデューサ、Ｈ 頭蓋骨。

Claims (10)

  1. 撮像用プローブのアレイトランスデューサから被検体に向けて撮像用超音波ビームが送信されると共に被検体による超音波エコーを受信した前記撮像用プローブのアレイトランスデューサから出力された受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波撮像方法であって、
    予め頭蓋骨内における骨構造からの超音波エコーを測定し、
    測定された前記超音波エコーに基づいて頭蓋骨による超音波の伝達関数を求め、
    前記伝達関数に基づいて頭蓋骨の内面で反射する超音波エコーと逆位相の打ち消し用超音波ビームを生成し、
    前記撮像用超音波ビームに起因する頭蓋内における骨構造からの超音波エコーに合わせて前記打ち消し用超音波ビームを送信することにより前記超音波エコーを打ち消しながら撮像を行うことを特徴とする超音波撮像方法。
  2. 前記撮像用超音波ビームを送信した際の頭蓋内の画像表示領域の最深部からの超音波エコーより後の超音波エコーに合わせて前記打ち消し用超音波ビームを送信する請求項１に記載の超音波撮像方法。
  3. 骨構造からの超音波エコーのうち第１エコーを画像化に必要な程度残すように前記打ち消し用超音波ビームを送信する請求項１または２に記載の超音波撮像方法。
  4. 前記撮像用プローブとは異なる打ち消し用プローブから前記打ち消し用超音波ビームを送信する請求項１〜３のいずれかに記載の超音波撮像方法。
  5. 前記撮像用プローブのアレイトランスデューサのうち一部のトランスデューサから前記打ち消し用超音波ビームを送信する請求項１〜３のいずれかに記載の超音波撮像方法。
  6. 撮像用プローブのアレイトランスデューサから被検体に向けて撮像用超音波ビームが送信されると共に被検体による超音波エコーを受信した前記撮像用プローブのアレイトランスデューサから出力された受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波撮像装置であって、
    予め頭蓋骨内における骨構造からの超音波エコーを測定するエコー測定手段と、
    前記エコー測定手段で測定された前記超音波エコーに基づいて頭蓋骨による超音波の伝達関数を求める伝達関数算出手段と、
    前記伝達関数に基づいて頭蓋骨の内面で反射する超音波エコーと逆位相の打ち消し用超音波ビームを生成して前記撮像用超音波ビームに起因する頭蓋内における骨構造からの超音波エコーに合わせて送信する打ち消し用超音波ビーム送信手段と
    を備えたことを特徴とする超音波撮像装置。
  7. 前記打ち消し用超音波ビーム送信手段は、前記撮像用超音波ビームを送信した際の頭蓋内の画像表示領域の最深部からの超音波エコーより後の超音波エコーに合わせて前記打ち消し用超音波ビームを送信する請求項６に記載の超音波撮像方法。
  8. 前記打ち消し用超音波ビーム送信手段は、骨構造からの超音波エコーのうち第１エコーを画像化に必要な程度残すように前記打ち消し用超音波ビームを送信する請求項６または７に記載の超音波撮像装置。
  9. 前記打ち消し用超音波ビーム送信手段は、前記撮像用プローブとは異なる打ち消し用プローブから前記打ち消し用超音波ビームを送信する請求項６〜８のいずれかに記載の超音波撮像装置。
  10. 前記打ち消し用超音波ビーム送信手段は、前記撮像用プローブのアレイトランスデューサのうち一部のトランスデューサから前記打ち消し用超音波ビームを送信する請求項６〜８のいずれかに記載の超音波撮像装置。
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