JP5442938B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波画像を撮像する超音波診断装置に関する。詳細には、デジタルデータを用いて超音波ビームを形成して送受波するデジタル整相方式の超音波診断装置に関する。

一般に、超音波診断装置は、被検体に超音波を送波すると共に被検体からの反射信号を受波する振動子を複数個備えた探触子と、各送波信号に対して振動子からフォーカス点までの到達時間差に相当する遅延データを付与して超音波ビームを形成する送波部と、各振動子で受波した受波信号を所定の遅延データに従って整相加算処理して超音波ビームを形成する受波部と、から構成される。

送波部は、波形データを格納するための波形メモリを有し、波形メモリから所定の遅延データに基づいて波形データを読み出し、フォーカスされた送波信号を出力する。出力された送波信号は、ＤＡコンバータによってアナログ信号に変換されて振動子に供給される（例えば、［特許文献１］［特許文献２］［特許文献３］参照。）。

特開平８−６２８号公報 特開２００１−８９３４号公報 特開２００４−２７５６３５号公報

しかしながら、波形データの格納に関しては、サンプリング点数及び波数の増加に伴う波形データ量の増加により、これらの波形データを格納するために大容量の外部メモリが必要であるという問題点がある。
また、チャネル数の増加により、外部メモリからチャネル毎に所望の波形データを波形メモリに読み込むには膨大な転送時間を必要とするという問題点がある。

また、遅延精度の高精度化を実現するには、波形メモリ及びＤＡコンバータの動作クロックの周波数を非常に高くすることや、波形メモリから読み出された波形データを位相回転してクロックの１周期以内の遅延精度を確保することが考えられる。しかしながら、前者の場合、高速動作するＤＡコンバータが波形メモリと比較して高価であり、コストパフォーマンスの面で実現困難であるという問題点がある。また、後者の場合、波形メモリに格納される波形のサンプリングが粗いと振幅誤差が大きくなるという問題点がある。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、外部メモリの容量を低減すると共に、超音波ビームの集束に係る遅延精度を向上させることを可能とする超音波診断装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために第１の発明は、複数の振動子が配列されて多チャネルに形成され被検体との間で超音波を送受波する探触子と、前記探触子のチャネル毎に波形データを整相して送波信号を出力する送波部と、前記探触子から出力される受波信号を受波整相する受波部と、前記受波部から出力された受波信号に基づいて超音波画像を構成する画像処理部と、前記超音波画像を表示する表示部と、を備える超音波診断装置において、前記送波部は、前記波形データを格納し基本クロックで動作する波形メモリと、前記基本クロックと比較して低速のクロックで動作するＤ／Ａ変換部と、前記低速のクロックに遅延を付与する遅延補正部と、を備えて、前記波形メモリに格納された波形データから前記Ｄ／Ａ変換部を介して前記送波信号を生成することを特徴とする超音波診断装置である。

第１の発明の超音波診断装置は、基本クロックで高速動作する波形メモリに波形データを格納し、基本クロックより低速のクロックに遅延を付与してＤ／Ａ変換部に出力して、波形データから送波信号を生成する。具体的には、フォーカス制御に関する遅延データに基づいて、波形メモリから波形データを読み出すタイミングを計数する。また、超音波診断装置は、分周器によって基本クロックを分周して分周クロックを出力し、当該分周クロックに遅延を付してＤ／Ａ変換部に出力する。

これにより、高速動作可能な波形メモリを用いて、Ｄ／Ａ変換部のクロック周期よりも細かい遅延精度を実現することができ、超音波画像の画質向上を図ることができる。

また、遅延データと分周クロックの分周率との間で剰余演算を行って得られた剰余に基づいて、分周クロックの位相を補正することが望ましい。
これにより、Ｄ／Ａ変換部に出力される補正分周クロックと同期させて波形メモリから波形データを読み出し、送波信号をＤ／Ａ変換部に出力することができる。

また、送波部は、波形データを生成する波形生成部をチャネル毎に備え、各波形生成部は、波形データの基本波形を生成する基本波形生成部と、波形データの窓関数を生成する窓関数生成部と、を有する。各波形生成部は、チャネル毎に基本波形と窓関数とを独立して生成し、基本波形と窓関数とを用いて波形データを生成する。

基本波形生成部は、ｓｉｎ波形の１／４周期分を保持し、折り返し処理及び符号反転処理によって１周期分のｓｉｎ波形を生成する。窓関数生成部は、ｃｏｓ２πとｃｏｓ４πとｃｏｓ６πとｃｏｓ８πの各ｃｏｓ波形の１／４周期分を保持し、サンプリング点数及び波数に基づいて、１周期分及び２周期分及び３周期分及び４周期分の各ｃｏｓ波形を生成する。基本波形生成部及び窓関数生成部は、生成したｓｉｎ波形及びｃｏｓ波形に対して重み係数を乗算する。

このように、波形生成部は、基本波形テーブル及び窓関数テーブルを保持し、チャネル毎にサンプリング点数及び波数に応じて基本波形及び窓関数をそれぞれ独立して生成することにより、所望の波形データを生成する。これにより、波形データを格納する外部メモリの容量を低減すると共に、波形メモリへの波形データの転送時間を短縮することができる。予め、外部メモリに波形データを格納する必要がなく、また、外部メモリから順次、波形データを各送波部の波形メモリに転送する必要がない。

また、基本波形テーブルの読出アドレスを制御することにより位相回転を行ってもよい。
これにより、波形データ生成時に演算処理により遅延処理を行うので、動作クロックに関わらず精細な遅延精度を実現することができる。

本発明によれば、外部メモリの容量を低減すると共に、超音波ビームの集束に係る遅延精度を向上させることを可能とする超音波診断装置を提供することができる。

以下添付図面を参照しながら、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、以下の説明及び添付図面において、略同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。

（１．超音波診断装置の構成）
最初に、図１を参照しながら、超音波診断装置１の構成について説明する。
図１は、超音波診断装置１の構成図である。
超音波診断装置１は、探触子２、送受分離部３、Ｄ／Ａ変換部４及び送波整相部８を有する送波部１２、Ａ／Ｄ変換部５及び受波整相部７を有する受波部１３、外部メモリ６、信号処理部９、ＤＳＣ部１０（ＤＳＣ：ｄｉｇｉｔａｌ ｓｃａｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、表示部１１から構成される。

探触子２は、被検体に接触させて被検体との間で超音波を送受波する装置である。探触子２には、複数の短冊形の超音波振動子が配列される。探触子２は、送受分離部３から供給される駆動信号に基づいて被検体に超音波を射出し、被検体内で反射された反射エコー信号を受波して送受分離部３に出力する。

送受分離部３は、超音波同期信号に基づいて受波信号と送波信号との切替を行う。
Ｄ／Ａ変換部４は、送波整相部８から供給されるデジタル送波信号をアナログ送波信号に変換して送受分離部３に出力する。
Ａ／Ｄ変換部５は、送受分離部３から供給されるアナログ受波信号をデジタル受波信号に変換して受波整相部７に出力する。

外部メモリ６は、遅延データ（フォーカスデータ）及びゲインデータ（口径重みデータ）を保持する。外部メモリ６は、受波整相部７及び送波整相部８に遅延データやゲインデータを適宜供給する。

受波整相部７は、外部メモリ６から供給される遅延データに基づいて、チャネル毎に異なる位相の受波信号が全て同位相になるように位相合わせを行い、全チャネルの受波信号を束ねることにより超音波ビームを形成して信号処理部９に出力する。

送波整相部８は、外部メモリ６から供給される遅延データに基づいてチャネル毎に遅延処理を行って、デジタル送波信号をＤ／Ａ変換部４に出力する。また、送波整相部８は、外部メモリ６から供給されるゲインデータに基づいて送波波形のゲイン調整を行う。

信号処理部９は、受波整相部７から供給されるデジタル送波信号に対して、フィルタリングや圧縮処理や検波処理や時間可変増幅処理を行ってＤＳＣ部１０に出力する。ＤＳＣ部１０は、信号処理部９から供給される信号に対して、座標変換処理等の画像処理を行って表示部１０に出力する。表示部１０は、画像処理された超音波画像を表示する表示装置である。

（２．送波部１２）
次に、図２及び図３を参照しながら、本発明の実施形態に係る送波部１２について説明する。

（２−１．送波部１２の構成）
図２は、送波部１２の構成図である。
送波部１２は、送波整相部８及びＤ／Ａ変換部４を備える。送波整相部８は、外部メモリアドレス生成部２１、ゲイン設定部２３及び遅延設定部２４を有する設定部２２、クロック分周器２５、波形処理部２７を備える。基本クロック発生器１４は、システムクロックとして基本クロック６１を発生する装置である。

外部メモリアドレス生成部２１は、読出アドレス及び書込アドレスの生成及び制御を行う。読出アドレスは、送波モードに基づいてゲインデータ及び遅延データ６３を外部メモリ６から読み出すためのアドレスである。書込アドレスは、ゲイン設定部２３の内部レジスタに一時的にデータを格納するためのアドレスである。

ゲイン設定部２３は、外部メモリ６から読み出されたゲインデータを一時的に格納するレジスタ群である。ゲインデータは、波形メモリ２９から出力される波形データと乗算されてゲイン調整が行われる。
遅延設定部２４は、外部メモリ６から読み出された遅延データ６３を一時的に格納するレジスタ群である。遅延データ６３は、遅延設定部２４からカウンタ部３０及びクロック分周器２５に出力される。

クロック分周器２５は、分周率６５に応じて基本クロック６１を分周して分周クロックを生成する。クロック分周器２５は、遅延補正部２６を有する。遅延補正部２６は、遅延データ６３と分周クロックの分周率６５との剰余演算を行って剰余を算出する。遅延補正部２６は、算出した剰余の分だけ分周クロックに遅延を付与して補正分周クロック６７を生成する。補正分周クロック６７は、Ｄ／Ａ変換部４に出力される。

波形処理部２７は、波形生成部２８、波形メモリ２９、カウンタ部３０を有する。波形処理部２７は、チャネル毎に設けられる。波形処理部２７は、チャネル毎に送波モードに応じて遅延制御及びゲイン制御された送波信号６９を生成し、Ｄ／Ａ変換部４に出力する。

波形生成部２８は、送波モードに応じた波形データを生成して波形メモリ２９に出力する。
波形メモリ２９は、基本クロック発生器１４からの基本クロック６１に基づいて高速動作可能なメモリである。波形メモリ２９は、波形生成部２８によって生成された波形データを格納する。波形メモリ２９は、カウント部３０から出力される波形メモリ読出アドレスに基づいて波形データを読み出して送波信号６９としてＤ／Ａ変換部４に出力する。

カウンタ部３０は、遅延カウンタ及び読出アドレスカウンタとして動作する。カウンタ部３０は、遅延設定部２４から出力される遅延データ６３に基づいて、遅延時間に相当するカウント数を計数し、その後、波形メモリ読出アドレスを計数する。
Ｄ／Ａ変換部４の動作クロックとして補正分周クロック６７が用いられるので、カウンタ部３０は、分周クロックの分周率に応じて波形メモリ読出アドレスも同様に分周して波形メモリ２９に出力する。波形メモリ読出アドレスの分周率は、分周クロックの分周率の整数倍である。カウンタ部３０によって波形メモリ読出アドレスのタイミングを制御することにより、送波信号６９の遅延制御が行われる。

（２−２．タイミングチャート）
図３は、動作クロック及び送波信号等に係るタイミングチャートである。
図３のタイミングチャートは、基本クロック６１、送波開始信号６２、遅延データ６３、遅延カウント値６４、分周率６５、分周クロック６６、補正分周クロック６７、波形メモリ読出アドレス６８、送波信号６９の一態様を示す。

時点７１は、送波開始の時点を示す。時点７１は、送波開始信号６２によって決定される、時点７２は、時点７１から所定の遅延時間が経過した時点を示す。時点７２は、遅延データ６３が示す遅延カウント値６４の計数が終了した時点である。

時点７１では、遅延データ６３が「１０」であり、分周率６５が「３」である。カウンタ部３０は、遅延データ６３「１０」が示す遅延カウント値６４「１」〜「１０」の計数を行って時点７２を決定する。分周器２５は、分周率６５「３」に基づいて、基本クロック６１を分周して分周クロック６６を生成する。分周クロック６６の１周期は、基本クロック６１の３周期分に相当する。

分周器２５の遅延補正部２６は、分周クロック６６に対して、遅延データ６３「１０」と分周クロック６６の分周率６５「３」との剰余演算を行って剰余「１」（１０＝３×３＋「１」）を算出する。分周器２５の遅延補正部２６は、算出した剰余「１」の分だけ分周クロック６６に遅延７３を付与して補正分周クロック６７を生成する。

カウンタ部３０は、補正分周クロック６７に同期して、波形メモリ読出アドレス６８「Ａ１」「Ａ２」…を波形メモリ２９に出力する。波形メモリ２９は、カウンタ部３０から出力される波形メモリ読出アドレス６８に基づいて、送波信号６９「Ｈ１」「Ｈ２」…をＤ／Ａ変換部４に出力する。

時点７２では、補正分周クロック６７と波形メモリ読出アドレス６８及び送波信号６９のタイミングが一致する。Ｄ／Ａ変換部４には、動作クロックとして補正分周クロック６７が入力され、当該補正分周クロック６７のタイミングと同期して、波形メモリ２９から送波信号６９が入力される。

尚、波形メモリ２９及び遅延カウンタ部３０は、基本クロック６１を動作クロックとして、遅延データ６３が示す遅延カウント値６４を計数したり、波形メモリ読出アドレス６８及び送波信号６９を出力する。従って、送波開始の時点７１から遅延した時点７２を基本クロック６１を単位として精細に制御することができる。

（２−３．送波部１２における効果）
このように、超音波診断装置１は、高速の基本クロック６１によって波形メモリ２９を動作させ、基本クロック６１を分周して遅延補正した補正分周クロック６７によってＤ／Ａ変換部４を動作させる。

これにより、基本クロックと比較して低速のクロックによってＤ／Ａ変換部を動作させる場合であっても、波形メモリにおける波形データの読出開始時点の設定を精細に設定できるので、超音波ビームの集束に係る遅延精度を向上させることができる。Ｄ／Ａ変換部のクロック周期よりも精細な遅延精度を実現することができ、超音波画像の画質を向上させることができる。
また、Ｄ／Ａ変換部は、波形メモリと比較して高速動作を要求されないので、費用的負担を軽減することができる。また、基本クロックを分周及び補正した補正分周クロックを用いるので、多相クロック構成とする必要がなく回路構成や回路規模を簡素化させることができる。

（３．波形生成部２８）
次に、図４を参照しながら、波形生成部２８について説明する。
図４は、波形生成部２８の詳細図である。
波形生成部２８は、基本波形生成部４１及び窓関数生成部４４を備える。

基本波形生成部４１は、基本波形テーブル４２及び基本波形アドレス生成部４３を有する。基本波形生成部４１は、サンプリング点数及び波数に基づいて基本波形を生成する。
基本波形テーブル４２は、ｓｉｎ波形の１／４周期分を保持する。基本波形生成部４１は、基本波形テーブル４２のアドレスの折り返し制御や符号反転制御により、ｓｉｎ波形の１周期分の基本波形を生成する。

基本波形アドレス生成部４３は、位相回転量に応じた初期アドレスオフセットとサンプリング点数に応じたアドレスのステップ幅をテーブルとして保持する。基本波形アドレス生成部４３は、初期アドレスオフセットにステップ幅をサンプリング点数の分だけ累加算して波数分繰り返し処理を行い、基本波形テーブル４２の読出アドレスを生成する。
尚、ステップ幅と初期アドレスオフセットは、整数部と小数部とからなる固定小数点とし、アドレス演算は、累加算処理による誤差の影響を受けないように固定小数点演算とすることが望ましい。

窓関数生成部４４は、窓関数テーブル４６、窓関数アドレス生成部４７、重み係数レジスタ５５、乗算器５２及び加算器５３を有する。窓関数生成部４４は、基本波形に対するエンベロープ波形を生成する。
窓関数テーブル４６は、ｃｏｓ２πテーブル４６−１、ｃｏｓ４πテーブル４６−２、ｃｏｓ６πテーブル４６−３、ｃｏｓ８πテーブル４６−４の４種類のｃｏｓテーブルを有する。窓関数生成部４４は、サンプリング点数及び波数に基づいて窓関数テーブル４６が保持する４種類のｃｏｓテーブルに対するアドレッシングを制御することにより、１周期分及び２周期分及び３周期分及び４周期分の各ｃｏｓ波形を生成する。

窓関数アドレス生成部４７は、送波波形全体のサンプリング点数に応じたアドレスのステップ幅をテーブルとして保持する。窓関数アドレス生成部４７は、送波波形全体のサンプリング点数の分だけ累加算し、窓関数テーブル４６が保持する４種類のｃｏｓテーブルの読出アドレスを生成する。
尚、ステップ幅は、整数部と小数部とからなる固定小数点とし、アドレス演算は、累加算処理による誤差の影響を受けないように固定小数点演算とすることが望ましい。

窓関数生成部４４は、乗算器５２及び加算器５３によって、窓関数テーブル４６が保持する４種類のｃｏｓテーブルからの出力と重み係数レジスタ８２が保持する窓関数重み係数８２−１〜窓関数重み係数８２−４との積和を算出し、さらに、窓関数重み係数８２−０を加算して総和をエンベロープ波形８３として出力する。

具体的には、エンベロープ波形８３（Ｗ（ｋ））は、窓関数重み係数８２−０（ａ０）、窓関数重み係数８２−１（ａ１）、窓関数重み係数８２−２（ａ２）、窓関数重み係数８２−３（ａ３）、窓関数重み係数８２−４（ａ４）を用いて、次式で表される。

［式］Ｗ（ｋ）＝ａ０−ａ１×ｃｏｓ（２πｋ／Ｎ）＋ａ２×ｃｏｓ（４πｋ／Ｎ）−ａ３×ｃｏｓ（６πｋ／Ｎ）＋ａ４×ｃｏｓ（８πｋ／Ｎ）、（０≦ｋ＜Ｎ）。

波形生成部２８は、乗算器５１によって、基本波形生成部４１から出力される基本波形に対して、波形重み係数を乗算した後、乗算器５４によってエンベロープ波形８３と乗算し、所望の波形データを生成する。波形生成部２８は、生成した波形データを波形メモリ２９に出力する。尚、波形生成部２８は、基本波形のみ、または、エンベロープ波形のみを波形データとして出力することもできる。

このように、波形生成部２８は、基本波形テーブル及び窓関数テーブルを保持し、チャネル毎にサンプリング点数及び波数に応じて基本波形及び窓関数をそれぞれ独立して生成することにより、所望の波形データを生成する。
これにより、波形データを格納する外部メモリの容量を低減すると共に、波形メモリへの波形データの転送時間を短縮することができる。また、基本波形テーブル及び窓関数テーブルの読出アドレスを制御することにより容易に位相回転を行うことができる。すなわち、波形データ生成時に演算処理により遅延処理を行うので、動作クロックに関わらず精細な遅延精度を実現することができる。

（４．効果等）
以上詳細に説明したように、本発明の実施形態によれば、高速動作可能な波形メモリを用いて、Ｄ／Ａ変換部のクロック周期よりも細かい遅延精度を実現することができ、超音波画像の画質向上を図ることができる。また、波形データを格納する外部メモリの容量を低減すると共に、波形メモリへの波形データの転送時間を短縮し、診断効率を向上させることができる。また、基本クロックを変更したり異なる波形データを読み出すことに代えて、分周クロックの分周率あるいはサンプリング点数を変更することにより、送波信号の周波数を変更することができる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

超音波診断装置１の構成図 送波部１２の構成図 動作クロック及び送波信号等に係るタイミングチャート 波形生成部２８の詳細図

符号の説明

１………超音波診断装置
２………探触子
３………送受分離部
４………Ｄ／Ａ変換部
５………Ａ／Ｄ変換部
６………外部メモリ
７………受波整相部
８………送波整相部
９………信号処理部
１０………ＤＳＣ部
１１………表示部
１２………送波部
１３………受波部
１４………基本クロック発生器
２１………外部メモリアドレス生成部
２２………設定部
２３………ゲイン設定部
２４………遅延設定部
２５………クロック分周器
２６………遅延補正部
２７………波形処理部
２８………波形生成部
２９………波形メモリ
３０………カウンタ部
４１………基本波形生成部
４２………基本波形テーブル
４３………基本波形アドレス生成部
４４………窓関数生成部
４６………窓関数テーブル
４７………窓関数アドレス生成部
５１、５２、５４………乗算器
５３………加算器
５５………重み係数レジスタ
６１………基本クロック
６２………送波開始信号
６３………遅延データ
６４………遅延カウント値
６５………分周率
６６………分周クロック
６７………補正分周クロック
６８………波形メモリ読出アドレス
６９………送波信号
７１………送波開始時点
７２………遅延時点
７３………遅延
８２−０〜８２−４………窓関数重み係数
８３………エンベロープ波形

Claims (8)

1. 複数の振動子が配列されて多チャネルに形成されて被検体との間で超音波を送受波する探触子と、前記探触子のチャネル毎に波形データを整相して送波信号を出力する送波部と、前記探触子から出力される受波信号を受波整相する受波部と、前記受波部から出力された受波信号に基づいて超音波画像を構成する画像処理部と、前記超音波画像を表示する表示部と、を備える超音波診断装置において、
   前記送波部は、
   前記波形データを格納し基本クロックで動作する波形メモリと、
   前記基本クロックと比較して低速のクロックで動作するＤ／Ａ変換部と、
   前記低速のクロックに遅延を付与する遅延補正部と、
   を備えて、前記波形メモリに格納された波形データから前記Ｄ／Ａ変換部を介して前記送波信号を生成することを特徴とする超音波診断装置。
2. フォーカス制御に関する遅延データに基づいて、前記波形メモリから前記波形データを読み出すタイミングを計数するカウンタ部と、
   前記基本クロックを分周して分周クロックを出力する分周器と、を具備し、
   前記遅延補正部は、前記分周器が出力する分周クロックに遅延を付して前記Ｄ／Ａ変換部に出力す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. 前記遅延補正部は、前記遅延データと前記分周クロックの分周率との間で剰余演算を行って得られた剰余に基づいて、前記分周クロックの位相を補正す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. 前記送波部は、さらに、前記波形データを生成する波形生成部を前記チャネル毎に具備し、
   前記波形生成部は、前記波形データの基本波形を生成する基本波形生成部と、前記波形データの窓関数を生成する窓関数生成部と、を有し、前記基本波形生成部によって生成された基本波形と前記窓関数生成部によって生成された窓関数とを用いて前記波形データを生成することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の超音波診断装置。
5. 前記波形生成部は、前記波形データの生成時に前記遅延データに基づいて位相回転を行うことを特徴とする請求項４に記載の超音波診断装置。
6. 前記基本波形生成部及び前記窓関数生成部は、重み係数を乗算する乗算器を有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の超音波診断装置。
7. 前記基本波形生成部は、ｓｉｎ波形の１／４周期分を保持し、折り返し処理及び符号反転処理によって１周期分のｓｉｎ波形を生成することを特徴とする請求項４から請求項６までのいずれかに記載の超音波診断装置。
8. 前記窓関数生成部は、ｃｏｓ２πとｃｏｓ４πとｃｏｓ６πとｃｏｓ８πの各ｃｏｓ波形の１／４周期分を保持し、サンプリング点数及び波数に基づいて、１周期分及び２周期分及び３周期分及び４周期分の前記各ｃｏｓ波形を生成することを特徴とする請求項４から請求項７までのいずれかに記載の超音波診断装置。

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