JP5513976B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置に関する。

血流などの移動体の移動速度に関する空間分布を生成するいわゆるカラードプラでは、同一の超音波ラスタ（以下単にラスタという）の方向に超音波の送受信を複数回繰り返す必要がある。そのため１秒当たりのフレーム数（フレームレート）をある程度確保しようとすると、十分多いラスタ本数が得られない。フレームレート（時間分解能）とラスタ本数（空間分解能）にはトレードオフの関係がある。

空間分解能をある程度維持したままで時間分解能の低下を抑える方法としては、ラスタ補間がある。ラスタ補間の主流は、最終的な血流などの平均速度を直接的に補間することである。しかし、例えば隣り合うラスタ間の速度情報が＋α、−αだった場合、単純に平均化するとゼロ速度となってしまい、補間ラスタに不自然な黒抜けが発生してしまう恐れがある。それを改善した方法として、図６、図７に例示するように、直交検波による複素データを用いたラスタ補間方法がある。この複素データ上でのラスタ補間処理（複素補間）では、元の振幅も考慮されるため、平均速度に変換した際に、補間した速度成分の推定精度をあげることができる。

しかし、複素補間は、特に速度変化に対する補間精度の低下が、図８に示すように画像上に縦筋状のアーチファクトとして顕在化してしまう。

特開２００２−２２４１０７号公報

目的は、カラードプラにおいて、複素データ上でのラスタ補間に起因するアーチファクトの発生を抑制することにある。

本実施形態に係る超音波診断装置は、超音波プローブと、前記超音波プローブを介して複数の超音波ラスタそれぞれに対して超音波をＮ回ずつ繰り返し送受信して、エコー信号を発生する超音波送受信部と、前記エコー信号から直交検波処理を介して複素データを生成するエコー処理部と、前記超音波ラスタが同一であって同一深度に関するＮ個の複素データのセットについて、前記セットごとに前記Ｎ個の複素データのいずれかの基準位相に対する位相差を特定し、前記特定した位相差だけ前記セットごとに前記Ｎ個の複素データの位相をシフトする位相補正部と、前記位相をシフトされた前記Ｎ個の複素データからなる前記セットから補間処理により、隣り合う超音波ラスタ間の補間ラスタに関する複素データからなる補間セットを生成する補間処理部と、前記位相を補正された前記Ｎ個の複素データからなる前記セットと前記補間処理により生成された補間セットとから自己相関処理を介して血流又は他の移動体の移動情報に関する画像のデータを発生する画像データ発生部とを具備する。

図１は本実施形態に係る超音波診断装置の構成を示す図である。 図２は図１の受信ユニット、補間部のの構成を示す図である。 図３は図２の位相補正部による位相補正処理の説明図である。 図４は図１の補間部による補間処理の説明図である。 図５は本実施形態による画像例を示す図である。 図６は従来の補間処理の問題点を示す図である。 図７は従来の補間処理の説明図である。 図８は従来の画像例を示す図である。 図９は図２のメモリ４２の出力データを示す図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係わる超音波診断装置を説明する。
なお、カラードプラでは、各超音波ラスタ（以下単にラスタという）に対して所定の繰り返し周期（１／ＰＲＦ）で繰り返し超音波をＮ回ずつ送受信する。この場合、Ｎがアンサンブル数として定義される。図９ではＮ＝５として示している。送受信ごとに得られるエコー信号は直交検波され、所定のサンプリング周期で繰り返しサンプリングされる。このサンプリングにより得られる各深度のデータを、サンプルデータと称する。サンプルデータは、実数部、虚数部からなる複素データとして扱われる。１回の送受信で得られる同一のラスタに関する深度の異なる複素データの１セットを“ラスタデータ”と称する。またラスタが同一であって同一深度に関する時系列のＮ個の複素データの１セットを“アンサンブルデータ”と称する。同一のラスタに対して、繰り返される送受信をアンサンブル番号で区別する。

まず、本実施形態の処理手順の概要を以下に示す。
１）あるラスタのある深度に関するアンサンブルデータを構成するＮ個のサンプルデータのどれか一つの位相と基準位相（ゼロ°）との位相差を特定する。
２）特定した位相差だけ、当該アンサンブルデータを構成するＮ個のサンプルデータ全てについて個々に位相シフトをする。位相差特定に用いたサンプルデータの位相はゼロ°となる。位相差特定に用いたサンプルデータと、他の（Ｎ−１）個のサンプルデータ各々との間の位相差は、位相シフト処理前の位相差のまま維持される。

３）全ての深度、全てのラスタについて上記１）の処理及び２）の処理を実行する。
４）隣り合うラスタ間のラスタ上のサンプルデータの補間値を、同じ深度で同じアンサンブル番号のサンプルデータどうしで計算する。補間ラスタ上の各深度ごとにアンサンブルデータ（補間データ）が生成される。
５）実測ラスタ及び補間ラスタ上の各深度ごとに、実測アンサンブルデータ、補間アンサンブルデータを自己相関処理にかけて、血流又は他の移動体の平均速度等の移動情報を計算する。カラードプラ画像が生成される。

上述したとおり、ドプラ情報を得るためには自己相関法を用いるのが主流であり、この自己相関法を用いるためには、１ラスタにつき複数回（Ｎ回）の送受信を行い、複数個のラスタデータを収集する必要がある。自己相関法を用いることによって、速度表示に用いられる位相情報を得る。本実施形態では、自己相関処理を行うこと、また直交検波による複素データ上での補間が可能であることを前提とする。以下に示す説明では、アンサンブル数を５、アンサンブル番号が１のサンプルデータがアンサンブルデータを構成する５個のサンプルデータの中で最も古いデータであり、アンサンブル番号が５のサンプルデータがアンサンブルデータを構成する５個のサンプルデータの中で最も新しいデータであるとする。基準位相はゼロ°とするが、それには限定されない。また基準位相との間の位相差を特定するサンプルデータは、それを含むアンサンブルデータを構成する５個のサンプルデータの中のいずれでもよいが、ここでは中心のサンプルデータとする。また、（ｎ−１）本目のラスタとｎ本目のラスタとの間で１本の中央ラスタに関するアンサンブルデータを、（ｎ−１）本目のラスタに関するアンサンブルデータとｎ本目のラスタに関するアンサンブルデータとに基づいて、補間するものとして説明するが、（ｎ−１）本目のラスタとｎ本目のラスタとの間で複数本のラスタを補間するものであってもよい。

図１に示すように、本実施形態に係る超音波診断装置は、超音波プローブ２を有する。超音波プローブ２は、一列に配列された複数の振動子を有する多チャンネル型である。振動子は、圧電素子と、圧電素子の表面に形成された個別電極と、圧電素子の裏面に形成された共通電極とからなる。電気的に分離する１つのチャンネルは１つ又は近隣の数個の振動子から構成される。この超音波プローブ２はコンソールケースに収容された装置本体２１のコネクタに着脱自在に接続される。

装置本体２１は、超音波プローブ２に接続された送信ユニット３と受信ユニット４とを有する。送信ユニット３は、チャンネル個々に設けられたパルサを有する。パルサは、パルス発生器から一定の周期（パルス繰り返し周波数ＰＲＦの逆数）で発生され、送信遅延回路でチャンネル毎に遅延されたパルス信号をトリガとして、振動子に駆動信号（高周波の電圧信号）を印加する。

振動子の駆動信号による機械的な振動により発生した超音波は、被検体内部を伝播し、その途中にある音響インピーダンスの不連続面で反射し、エコーとして超音波プローブ２に返ってくる。このエコーは、超音波プローブ２の圧電素子を機械的に振動する。これにより発生した微弱な電気信号は、受信ユニット４のプリアンプで増幅され、そしてアナログ／ディジタル変換器でディジタルデータに変換され、受信遅延回路で遅延され、加算器で加算される（整相加算処理）。これによりエコー信号に指向性が与えられた受信データが生成される。

受信データは、図２に示すように、直交検波回路４１で直交検波処理を受けて、ラスタコード、深さコード及びタイムコードを属性されて複素データとしてメモリ４２に記憶される。カラードプラモードでは、上述したとおり、１ラスタにつき複数回（Ｎ回）の送受信を行う。ラスタ毎及び深さ毎にアンサンブル数分の複素データが揃った時点で、Ｎ個の複素データのセット、つまりアンサンブルデータとして位相補正部４３に読み出される。

位相補正部４３は、ラスタが同一であって同一深度に関するＮ個の複素データのセット（アンサンブルデータ）ごとに基準位相に対する位相差を特定し、特定した位相差分だけ当該アンサンブルデータを構成するＮ個の複素データの位相をシフトする。この位相シフト（位相補正）の処理は、全てのラスタ、全ての深度（サンプル点）について個々に行われる。

つまり、図３に示すように、典型的には基準位相はゼロ°として、この基準位相と、アンサンブルデータの中の中央のアンサンブル番号（この例では３番目、基準アンサンブル番号という）の複素データ（Ａ３）の位相との間の位相差（αA）を特定し、特定した位相差（αA）だけ、当該アンサンブルデータを構成する５個の複素データ（Ａ１〜Ａ５）の全ての位相を個々にシフトする。換言すると、アンサンブルデータの中心の複素データ（Ａ３）の位相がゼロ°になるように、当該アンサンブルデータを構成する５個の複素データ（Ａ１〜Ａ５）の位相をそれぞれ同じ位相角（αA）だけシフトする。なお、基準アンサンブル番号、基準位相は、入力部１１を介して操作者により任意に変更可能である。

アンサンブル番号３の複素データの位相角を基準位相としても良い。仮に、アンサンブル番号２の複素データの位相をアンサンブル番号３の複素データの位相に揃えるように補正する場合、アンサンブル番号２の複素データの位相は次のように補正される。
アンサンブル番号３の複素データ(基準)；a + b*i
アンサンブル番号２の複素データ(補正前)；c + d*i
アンサンブル番号２の複素データ(補正後)；(c + d*i)/(a + b*i)*|(a + b*i)|
なお、今回の例ではアンサンブル数を５として説明したが、これが仮に偶数の６であり、かつ中心のアンサンブル番号の複素データを基準として位相シフトをする場合、アンサンブル番号３の複素データとアンサンブル番号４の複素データの平均を取って、位相補正のための新たな基準複素データを作り、基準複素データと基準位相との位相差だけアンサンブルデータの各複素データを位相シフトする方法を取ってもよい。この場合、基準位相データは位相補正処理のみに使われ、ドプラ信号処理ユニット７には供給されない。

補間部５は、メモリ５１、補間データ生成部５２、遅延回路５３を有する。ｎ番目のラスタに関する位相補正部４３で位相補正されたアンサンブルデータ（Ｂ１〜Ｂ５）と、ｎ番目のラスタの隣の（ｎ−１）番目のラスタに関する位相補正部４３で位相補正されたアンサンブルデータ（Ａ１〜Ａ５）とがメモリ５１を介して補間データ生成部５２に供給される。

補間データ生成部５２は、隣り合う２本のラスタに関するアンサンブルデータ（実測アンサンブルデータ）に基づいて、隣り合う２本のラスタ間の典型的には中心に位置する１本のラスタ（補間ラスタ、（ｎ＋（ｎ−１））／２番目のラスタ）に関するアンサンブルデータ（補間アンサンブルデータ）を生成する。

複素データの補間は、以下のように計算される。
（ｎ−１）本目のラスタのアンサンブル番号２のある深さの複素データ；An-1 + Bn-1*j
ｎ本目のラスタのアンサンブル番号２の深さの複素データ；An + Bn*j
とした場合、補間ラスタの同じ深さの複素データは、
(An-1 + An)/2 + (Bn-1 + Bn)*i/2
で得られる。なお、補間データを作る際に隣り合うラスタ間の複素データの平均を取ったが、どのような方法を用いてもよい。

補間処理としては具体的には、図４に示すように、ｎ番目のラスタ上のある深度に関する実測アンサンブルデータを構成する５個の複素データのうち各アンサンブル番号の複素データと、（ｎ−１）番目のラスタ上の同一深度に関する実測アンサンブルデータのうち同一アンサンブル番号の複素データとの間で、典型的には平均値を計算して、補間ラスタのアンサンブルデータ（ＡＢ１〜ＡＢ５）を生成する。この処理を全てのアンサンブル番号、さらに全ての深度（サンプル点）及びラスタ間に関して繰り返す。全てのアンサンブルデータ間で、基準アンサンブル番号の複素データの位相がゼロ°に統一される。それによりラスタ間の位相ズレが解消又は軽減される。従って、複素補間による特に速度変化に対する補間精度の低下が抑制され、図５に示すように、図８に示す画像と比較すると分かるように、画像上の縦筋状のアーチファクトが軽減され得る。しかも補間によるラスタ本数の増加により、時間分解能を維持したまま空間分解能を略２倍に向上させることができる。

補間されたラスタのラスタデータ（補間ラスタ上の複素データのセット）は、遅延回路５３を介して（ｎ−１）番目の実測ラスタデータの後であって、ｎ番目の実測ラスタデータの前に出力される。

ドプラ信号処理ユニット７はウォールフィルタ７１と自己相関回路７２とを有する。ウォールフィルタ７１は、位相補正されたラスタデータから、主に血球等の速い移動体での反射により周波数偏移を受けた高周波成分（血流成分）だけを通過し、主に心臓壁等の遅い移動体での反射により周波数偏移を受けた低周波成分（クラッタ成分）を除去する。自己相関回路７２は、ウォールフィルタ７１でクラッタ成分を除去されたラスタデータから自己相関処理により速度情報（平均速度、分散、パワー）を求める。

得られた血流情報は画像生成ユニット８によりテレビ走査方式に変換され、またアナログ信号に変換されて表示用モニタ９に、入力部１１を介して操作者から指示された平均速度画像、分散画像、パワー画像、又はこれらの任意の組み合わせ画像としてカラーで表示される。

なお、本装置にはＢモード処理ユニット６も装備されている。Ｂモード処理ユニット６は、検波回路と、対数増幅器と、アナログデジタルコンバータとから構成され、複素データ上で位相補正されたラスタデータ又は位相補正を受けずに受信遅延及び加算されたままの受信データを検波し、対数増幅して、組織形態を反映した画像データを生成する。この画像データは、画像生成ユニット８を介して表示用モニタ９に濃淡画像として表示される。

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。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。

２…超音波プローブ、３…送信ユニット、４…受信ユニット、５…補間部、６…Ｂモード信号処理ユニット、７…ドプラ信号処理ユニット、８…画像生成ユニット、９…表示用モニタ、２１…装置本体、４１…直交検波回路、４２…メモリ、４３…位相補正部、５１…メモリ、５２…補間データ生成部、５３…遅延回路、７１…ウォールフィルタ、７２…自己相関回路。

Claims (5)

1. 超音波プローブと、
   前記超音波プローブを介して複数の超音波ラスタそれぞれに対して超音波をＮ回ずつ繰り返し送受信して、エコー信号を発生する超音波送受信部と、
   前記エコー信号から直交検波処理を介して複素データを生成するエコー処理部と、
   前記超音波ラスタが同一であって同一深度に関するＮ個の複素データのセットについて、前記セットごとに前記Ｎ個の複素データのいずれかの基準位相に対する位相差を特定し、前記特定した位相差だけ前記セットごとに前記Ｎ個の複素データの位相をシフトする位相補正部と、
   前記位相をシフトされた前記Ｎ個の複素データからなる前記セットから補間処理により、隣り合う超音波ラスタ間の補間ラスタに関する複素データからなる補間セットを生成する補間処理部と、
   前記位相を補正された前記Ｎ個の複素データからなる前記セットと前記補間処理により生成された補間セットとから自己相関処理を介して血流又は他の移動体の移動情報に関する画像のデータを発生する画像データ発生部とを具備することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記Ｎが奇数のとき、前記複素データのセットのうち、（Ｎ＋１）／２番目の複素データにより前記位相差を特定することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記Ｎが偶数のとき、前記複素データのセットのうち、Ｎ／２番目の複素データに関する位相差と、（Ｎ／２）＋１番目の複素データに関する位相差との平均を特定することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
4. 前記基準位相は、ゼロ°であることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
5. 前記補間処理部は、前記補間ラスタに関する複素データとして前記隣り合う超音波ラスタに関する複素データの実数部平均と虚数部平均とを計算することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。

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