JP5575554B2

JP5575554B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP5575554B2
Application number: JP2010143099A
Authority: JP
Inventors: 健吾岡田; 浩之四方
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: CN102293665A; CN102293665B; US9134419B2; JP2012005600A; KR20110139643A; US20110319764A1

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、医療分野において、生体（患者）の疾病を診断するために用いられる。詳細には、超音波診断装置は、超音波振動子を備えた超音波プローブにより被検体内に超音波を送信する。そして、被検体内部における音響インピーダンスの不整合によって生じる超音波の反射波を超音波プローブで受信し、かかる反射波に基づいて被検体の内部状態を画像化する。

超音波診断装置として、複数の超音波振動子がアレイ状に配列された１次元アレイプローブが使用されている。

しかし、焦点付近では高い解像度が得られるが、焦点から離れた部分において十分な解像度が得られず、広範囲にわたる良好な画像を得ることができなかった。

そこで、各々の超音波振動素子が異なった焦点距離を有し、前記焦点距離に応じて受信時の超音波振動子の開口径を変化させる技術が開示されている（特許文献１）。

しかし、この先行技術文献の技術は、超音波振動子アレイを直線状に並べたものについての技術であり、超音波振動子アレイを２次元的に配列した超音波プローブを使用したものには考慮されていなかった。

従来技術は、１次元アレイプローブにおいて、焦点距離を変化させるものであるが、２次元アレイプローブにおいて、開口径の変化に応じて焦点を変化させるものではなかった。

特開平５−２０００２７号公報

本発明の実施形態は上記の問題点を解決するものであり、２次元アレイを用いた超音波プローブによる超音波送受信により被検体の立体画像を得る超音波診断装置において、画質の向上を図ることのできる超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の実施形態によれば、被検体に対して超音波を送信し、前記被検体から受信された信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置であって、複数の超音波振動子から構成され、１回の受信期間中は固定された遅延パターンを有するサブアレイと、サブアレイが２次元的に配列されたメインアレイと、前記メインアレイの開口径をマトリックススイッチにより選択する開口径決定手段と、超音波の送信信号に遅延時間を付与して加算処理する送信遅延加算手段と、前記開口径に含まれるサブアレイによって受信される信号に遅延時間を付与して加算処理する受信遅延加算手段と、前記メインアレイの開口径の大きさに対応して前記サブアレイ毎に焦点距離を予め保持しておき、前記開口径決定手段によって選択された開口径に応じた焦点距離を選択する焦点距離決定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態における２次元マトリックスアレイにおける配置図である。本発明の第１の実施形態における２次元マトリックスアレイの開口変化を示す開口変化図である。本発明の第１の実施形態における送信遅延加算を示す模式図である。本発明の第１の実施形態における受信遅延加算を示す模式図である。本発明の第１の実施形態におけるメインアレイの開口とサブアレイ毎の焦点の関係を示す模式図である。従来のメインアレイの開口とサブアレイ毎の焦点の関係を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置により超音波を受信する際に形成される音場分布を示す図である。従来技術により超音波を受信する際に形成される音場分布を示す図である。本発明の第１の実施形態における開口径決定と焦点決定の関係を示す作用説明図である。本発明の実施形態における開口径の変化と焦点の関係を説明するための模式図である。本発明の第２の実施形態における焦点決定と開口径決定の関係を示す作用説明図である。

[実施例１]
本発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置の構成について図１及び図２を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る超音波診断装置の概略構成を示すブロック図である。同図に示すように、本実施形態に係る超音波診断装置は、超音波プローブ１２、送信遅延加算手段２１、送信処理手段２２、制御プロセッサ（ＣＰＵ）２８、開口径決定手段４３、受信遅延加算手段（サブアレイ遅延加算手段）４４、焦点距離決定手段４５、受信処理手段４６、信号処理手段４７、表示制御手段２７、モニター１４を具備する。

超音波プローブ１２は、超音波振動子、整合層、バッキング材等を有する。

超音波プローブ１２は、既知の背面材上に複数の超音波振動子が設けられ、その超音波振動子上には既知の整合層が設けられている。すなわち、背面材、超音波振動子、整合層の順番で積層されている。超音波振動子において、整合層が設けられている面が超音波の放射面側となり、その面の反対側の面（背面材が設けられている面）が背面側となる。超音波振動子の放射面側には共通（ＧＮＤ）電極が接続され、背面側には信号電極が接続されている。

超音波振動子としては、圧電セラミック等の音響／電気可逆的変換素子等が使用され得る。例えば、チタン酸ジリコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）又はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）などのセラミック材料が好ましく用いられる。

超音波振動子は、送信処理手段２２からの駆動信号に基づき超音波を発生する。発生した超音波は、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、信号を発生し、チャンネル毎に受信処理手段４６に取り込まれる。

整合層は、超音波振動子の音響インピーダンスと被検体の音響インピーダンスとの音響整合を良好にするために設けられる。整合層は、１層だけであってもよく、２層以上設けてもよい。

バッキング材は、超音波振動子から後方への超音波の伝播を防止する。

また、背面材は、超音波振動子から発振された超音波振動や受信時の超音波振動のうち、超音波診断装置の画像抽出にとって必要でない超音波振動成分を減衰吸収する。背面材には、一般的に、合成ゴム、エポキシ樹脂又はウレタンゴムなどにタングステン、フェライト、酸化亜鉛などの無機粒子粉末などを混入した材料が用いられる。

本発明の第１の実施形態においては、サブアレイが２次元的に配列した２次元マトリックスアレイを使用する。図２は、本発明の第１の実施形態における２次元マトリックスアレイにおける配置図である。同図において、２次元マトリックスアレイはメインアレイ１から構成される。さらに、サブアレイ２は、例えば超音波振動子群丸Ａ、丸Ｂ、丸Ｃ、丸Ｄのように構成される。メインアレイ１はサブアレイ２が２次元マトリックス状に配列されている。サブアレイを単位として用いることにより、サブアレイ毎に信号を処理するので、ＣＰＵにおける処理量を減少させることが可能となり、また、配線等も少なくすることが可能となる。

図３は、本発明の第１の実施形態における２次元マトリックスアレイの開口変化を示す開口変化図である。同図において、開口径が最小のＳ１から、開口径が大きくなるにつれてＳ２、Ｓ３と変化する様子が示される。図２におけるメインアレイ１において、使用するサブアレイ２の数を増減することにより、開口径の大きさを調整する。例えば、開口径を大きくするには、使用するサブアレイ数を増加させる。一方、開口径を小さくするためには、使用するサブアレイ数を減少させる。

図４は、本発明の第１の実施形態における送信遅延加算を示す模式図である。同図において、送信遅延加算手段２１により、超音波の送信時に遅延をかけて、遅延フォーカスを実施する。すなわち、開口中心付近のサブアレイ４１ｃにおける超音波振動子から焦点Ｆまでの距離と開口端部のサブアレイ４１ａ、４１ｅにおける超音波振動子から焦点Ｆまでの距離には、経路差が生じる。このため、焦点Ｆで超音波ビームが集束するようにするためには、距離の長い端部のサブアレイ４１ａ、４１ｅにおける超音波振動子に対し、中心付近のサブアレイ４１ｃにおける超音波振動子の超音波の送信タイミングを遅くする。また、開口中心と開口端部の間に存在するサブアレイ４１ｂ、４１ｄについても焦点Ｆまでの距離に応じて送信タイミングを遅くする。このような処理により、超音波ビームが焦点Ｆに到達した際に位相が揃い焦点とすることができる。

送信処理手段２２は、信号発生器、送信ミキサ、周波数変調／復調ユニットを有する。そして、遅延が掛けられた送信タイミングで駆動パルス信号を発生し、超音波振動子に送信する。

図５は、本発明の第１の実施形態における受信遅延加算を示す模式図である。受信遅延加算手段（サブアレイ遅延加算手段）４４により、開口径に含まれるサブアレイの超音波振動子に受信される信号に遅延時間を付与して加算処理する。受信に際しては、図４で示した送信タイミングとは逆のタイミングで遅延加算する必要がある。すなわち、焦点Ｆから戻る超音波ビームに対し、焦点Ｆとの距離の長い端部のサブアレイ４１ａ、４１ｅにおける超音波振動子に対し、中心付近のサブアレイ４１ｃにおける超音波振動子の超音波の受信タイミングを早くする。また、端部と中心の間に存在するサブアレイ４１ｂ、４１ｄについても、各超音波振動子と焦点までの距離に応じて受信タイミングを早くすることにより調整する。

開口径決定手段４３は、制御プロセッサ（ＣＰＵ）２８における主遅延加算手段（図示しない）に含まれる。開口径決定手段４３は、メインアレイの開口径の大きさを決定する。開口径の大きさを決定するため、マトリックススイッチを用いることができる。マトリックススイッチは、多入力多出力が可能なスイッチである。マトリックススイッチは、送信処理手段２２に接続するサブアレイの数を増減することによりメインアレイの開口径の大きさを変更する。例えば、マトリックススイッチは、メインアレイ中における多数の超音波振動子であるｅ１、ｅ２、…、ｅｎの中からｍ（≦ｎ）個からなる超音波振動子群を構成単位としてサブアレイとして選択し、送信処理手段２２に接続するサブアレイの数を増減することによりメインアレイの開口径の大きさを調節する。例えば、図３でサブアレイ数を最小とする場合、開口径がＳ１となり、サブアレイ数を増加させて、開口径Ｓ２を経由して、最大開口径Ｓ３とすることができる。

図６は、本発明の第１の実施形態におけるメインアレイの開口とサブアレイ毎の焦点の関係を示す模式図である。同図において、開口径決定手段４３は、超音波送信開始後、送信時間の経過にともない開口径を変化させる。開口径決定手段４３は、予め入力されたデータに基づき、開口径を決定する。

本実施形態においては、焦点距離決定手段４５は、サブアレイに対して開口径決定手段４３により選択された開口径の大きさに応じて、焦点の位置を変更する。かかる処理により、サブアレイ毎に、異なる焦点距離で信号を受信したものとして処理される。焦点距離決定手段４５は、開口径が大きくなるにつれて、サブアレイにおける焦点距離が長くなるように焦点距離を決定する。

また、サブアレイの焦点距離を、最も焦点距離の短い第１の開口径の場合の焦点距離に対して、次に焦点距離の短い第２の開口径の場合における焦点距離を、第１の開口径におけるサブアレイの焦点距離の√２倍に乗じた距離とするように決定することもできる。

図３及び図６を用いて具体的に説明する。例えば、図３において開口径が最小のＳ１では、図６におけるサブアレイ７ｄ、７ｄ´が対応している。図６に示されるように開口径決定手段４３により決定されたサブアレイ７ｄ、７ｄ´に対し、焦点距離決定手段４５は、焦点を５ｄの位置に決定する。同様に、図３において開口径が最大のＳ３では、図６におけるサブアレイ７ａ、７ａ´が対応している。図６に示されるように開口径決定手段４３により決定されたサブアレイ７ａ、７ａ´に対し、焦点距離決定手段４５は、焦点を５ａの位置に決定する。同様に、図６に示されるように開口径が最小と最大の間におけるサブアレイ７ｃ、７ｃ´においては、焦点を５ｃと決定し、サブアレイ７ｂ、７ｂ´においては、焦点を５ｂと決定する。

そして、送信遅延加算手段２１は、前記焦点距離に応じて遅延加算処理をする。受信遅延加算手段４４は、送信遅延加算手段２１による遅延タイミングと逆のタイミングで遅延加算処理をする。

受信処理手段４６は、アポダイゼーションユニット（図示しない）、周波数変調／復調ユニット（図示しない）、受信バッファユニット（図示しない）、受信ミキサ（図示しない）、ＤＢＰＦ（図示しない）、離散フーリエ変換ユニット（図示しない）、ビームメモリ（図示しない）を有する。そして、遅延が掛けられた受信タイミングで信号を受信し、増幅する。増幅された信号は、信号処理手段４７に出力される。

信号処理手段４７は、Ａ／Ｄ変換回路、Ｂモード処理回路、ドプラ処理回路等を有する。

Ａ／Ｄ変換回路は、受信処理手段４６によって受信された信号をＡ／Ｄ変換する。

Ｂモード処理回路は、受信処理手段４６から信号を受け取り、対数増幅、包洛線検波処理などを施し、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータを生成する。このデータは、表示制御手段２７に送信され、反射波の強度を輝度にて表したＢモード画像としてモニター１４に表示される。

ドプラ処理回路は、受信処理手段４６から受け取った信号から速度情報を周波数解析し、ドプラ効果による血流や組織、造影剤エコー成分を抽出し、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。特に、ドプラ処理回路は、受信処理手段４６から多位相復調データを逐次読み出し、各レンジで得られたスペクトラムを演算し、これを用いてＣＷスペクトラム画像のデータを演算する。

表示制御手段２７は、信号処理手段４７から受け取ったデータを用いて、超音波画像を生成する。さらに、生成された画像を種々のパラメーターの文字情報や目盛等と共に合成し、ビデオ信号としてモニター１４に出力する。

制御プロセッサ（ＣＰＵ）２８は、情報処理装置としての機能を有し、前記した各手段の動作を制御する。すなわち、超音波診断装置本体の動作を制御する。制御プロセッサ２８は、記憶部から後記する三次元画像のリアルタイム表示機能を実現するための専用プログラム、所定のスキャンシーケンスを実行するための制御プログラムを読み出して自身が有するメモリ上に展開し、各種処理に関する演算・制御等を実行する。

記憶部は、異なる画角設定により複数のボリュームデータを収集するための所定のスキャンシーケンス、三次元画像のリアルタイム表示機能を実現するための専用プログラム、画像生成、表示処理を実行するための制御プログラム、診断情報（患者ＩＤ、医師所見等）、診断プログラム、送受信条件、ボディマーク生成プログラムその他のデータ群を保管する。

図７は、従来のメインアレイの開口とサブアレイ毎の焦点の関係を示す模式図である。同図に示されるように、従来は、開口径の大きさにかかわらずに、全てのサブアレイ７ａ、７ａ´、７ｂ、７ｂ´、７ｃ、７ｃ´、７ｄ、７ｄ´に対して、理想的な焦点５ａの位置を同一として、同一の焦点距離となるように遅延加算処理が施される。同図において、理想的な焦点５よりも近距離である実際の焦点６ａにおいては、各サブアレイ毎では、遅延誤差が生じている。

図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の実施形態に係る超音波診断装置により超音波を受信する際に形成される音場分布を示す図である。図８（ａ）は焦点距離１５ｍｍにおける音場分布を示す図である。図８（ｂ）は焦点距離６０ｍｍにおける音場分布を示す図である。図８（ｃ）は焦点距離１２０ｍｍにおける音場分布を示す図である。

図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、従来技術により超音波を受信する際に形成される音場分布を示す図である。図９（ａ）は焦点距離１５ｍｍにおける音場分布を示す図である。図９（ｂ）は焦点距離６０ｍｍにおける音場分布を示す図である。図９（ｃ）は焦点距離１２０ｍｍにおける音場分布を示す図である。

両図を比較すると、焦点距離１５ｍｍの場合、本発明の実施形態においては、グレーティングローブ強度は、従来技術の場合のグレーティングローブ強度よりも低下している。また、焦点距離の異なる位置（各深さ）におけるグレーティングローブ強度の差は、従来技術よりも本発明の実施形態においては差が小さくなっている。

図９は、従来技術により超音波を受信する際に形成される音場分布を示す図である。同図と図８の焦点距離１５ｍｍの場合を比較すると、グレーティングローブが発生し、音響Ｓ／Ｎの低下による画質低下が生じる。また、焦点距離１５０ｍｍの場合、図９と図８を比較すると、画質低下や感度低下が生じる。

図１０は、本発明の実施形態における開口径の決定と焦点の決定の関係の動作説明のための作用説明図である。

図１１は、本発明の実施形態における開口径の変化と焦点の関係説明のための模式図である。

図１１においては、サブアレイＡの開口径を最小とし、その最小の開口径をＳ１、焦点をＦ１とし、サブアレイの開口径がＳ２、Ｓ３と大きくなるにつれて、それに伴い焦点をＦ２、Ｆ３とする。

図１０に戻って、開口径決定手段４３は、サブアレイＡの開口径の大きさをＳ１に決定する。焦点距離決定手段４５は、焦点Ｆ１を決定する。受信遅延加算手段４４は、決定された焦点Ｆ１に対応した遅延加算処理を受信信号に施し、受信処理手段４６に送信する。信号処理手段４７は、遅延加算処理された受信信号に対して、信号処理する。開口径決定手段４３は、サブアレイＢの開口径の大きさをＳ２に決定する。焦点距離決定手段４５は、焦点Ｆ２を決定する。受信遅延加算手段４４は、決定された焦点Ｆ２に対応した遅延加算処理を受信信号に施し、受信処理手段４６に送信する。信号処理手段４７は、遅延加算処理された受信信号に対して、信号処理する。開口径決定手段４３は、サブアレイＣの開口径の大きさをＳ３に決定する。焦点距離決定手段４５は、焦点Ｆ３を決定する。受信遅延加算手段４４は、決定された焦点Ｆ３に対応した遅延加算処理を受信信号に施し、受信処理手段４６に送信する。信号処理手段４７は、遅延加算処理された受信信号に対して、信号処理する。開口径決定手段４３は、サブアレイＮの開口径の大きさをＳＮに決定する。焦点距離決定手段４５は、焦点ＦＮを決定する。受信遅延加算手段４４は、決定された焦点ＦＮに対応した遅延加算処理を受信信号に施し、受信処理手段４６に送信する。信号処理手段４７は、遅延加算処理された受信信号に対して、信号処理する。本実施形態により、焦点距離の短い部分を対象とする画像においてもグレーティングローブの発生を防止し、音響Ｓ／Ｎの低下による画質低下が生じない。さらに、焦点距離の長い部分を対象とする画像においても、深さ方向での画質の差が小さくなり、撮像視野全体で均一な画質を得ることができる。

[実施例２]
次に、本発明の超音波診断装置の第２の実施形態を図面を用いて説明する。本実施形態と第１の実施形態とは、焦点距離を最初に決定し、それに対応して開口径を決定する点が相異する。本実施形態における各手段は、第１の実施形態と同様である。

図１２は、本発明の実施形態における焦点距離の決定と開口径の決定の関係の動作説明のための作用説明図である。

焦点距離決定手段４５は、図１１に示す焦点距離が最小となるサブアレイＡの焦点Ｆ１を決定する。開口径決定手段４３は、開口径Ｓ１を決定する。受信遅延加算手段４４は、決定された開口径Ｓ１に対応した遅延加算処理を受信信号に施し、受信処理手段４６に送信する。信号処理手段４７は、遅延加算処理された受信信号に対して、信号処理する。焦点距離決定手段４５は、サブアレイＢの焦点Ｆ２を決定する。開口径決定手段４３は、開口径Ｓ２を決定する。受信遅延加算手段４４は、決定された開口径Ｓ２に対応した遅延加算処理を受信信号に施し、受信処理手段４６に送信する。信号処理手段４７は、遅延加算処理された受信信号に対して、信号処理する。焦点距離決定手段４５は、サブアレイＢの焦点Ｆ３を決定する。開口径決定手段４３は、開口径Ｓ３を決定する。受信遅延加算手段４４は、決定された開口径Ｓ３に対応した遅延加算処理を受信信号に施し、受信処理手段４６に送信する。信号処理手段４７は、遅延加算処理された受信信号に対して、信号処理する。焦点距離決定手段４５は、サブアレイＮの焦点Ｆ３を決定する。開口径決定手段４３は、開口径ＳＮを決定する。受信遅延加算手段４４は、決定された開口径ＳＮに対応した遅延加算処理を受信信号に施し、受信処理手段４６に送信する。信号処理手段４７は、遅延加算処理された受信信号に対して、信号処理する。本実施形態により、焦点距離の短い部分を対象とする画像においてもグレーティングローブの発生を防止し、音響Ｓ／Ｎの低下による画質低下が生じない。さらに、焦点距離の長い部分を対象とする画像においても、深さ方向での画質の差が小さくなり、撮像視野全体で均一な画質を得ることができる。

１２超音波プローブ
１４モニタ
２１送信遅延加算手段
２２送信処理手段
２７表示制御手段
２８制御プロセッサ（ＣＰＵ）
４３開口径決定手段
４４受信遅延加算手段
４５焦点距離決定手段
４６受信処理手段
４７信号処理手段

Claims

被検体に対して超音波を送信し、前記被検体から受信された信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置であって、
複数の超音波振動子から構成され、１回の受信期間中は固定された遅延パターンを有するサブアレイと、サブアレイが２次元的に配列されたメインアレイと、
前記メインアレイの開口径をマトリックススイッチにより選択する開口径決定手段と、
超音波の送信信号に遅延時間を付与して加算処理する送信遅延加算手段と、
前記開口径に含まれるサブアレイによって受信される信号に遅延時間を付与して加算処理する受信遅延加算手段と、
前記メインアレイの開口径の大きさに対応して前記サブアレイ毎に焦点距離を予め保持しておき、前記開口径決定手段によって選択された開口径に応じた焦点距離を選択する焦点距離決定手段と、
を備えることを特徴とする超音波診断装置。
前記焦点距離決定手段は、前記メインアレイの開口径の大きさに対応した長さの前記サブアレイの焦点距離を保持することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
前記焦点距離決定手段は、第２の開口径におけるサブアレイの焦点距離を、第１の開口径におけるサブアレイの焦点距離の√２倍に乗じた距離として保持することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波診断装置。
被検体に対して超音波を送信し、前記被検体から受信された信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置であって、
複数の超音波振動子から構成されるサブアレイが２次元的に配列されたメインアレイと、
前記サブアレイ毎の焦点距離を決定する焦点距離決定手段と、
焦点距離に対応して前記メインアレイの開口径を予め保持しておき、前記焦点距離決定手段によって決定された焦点距離に応じた開口径をマトリックススイッチにより選択する開口径決定手段と、
超音波の送信信号に遅延時間を付与して加算処理する送信遅延加算手段と、
前記開口径に含まれるサブアレイによって受信される信号に遅延時間を付与して加算処理する受信遅延加算手段と、
を備えることを特徴とする超音波診断装置。
前記焦点距離決定手段は、前記メインアレイの開口径の大きさに対応した長さの前記サブアレイの焦点距離を保持することを特徴とする請求項４記載の超音波診断装置。
前記焦点距離決定手段は、第２の開口径におけるサブアレイの焦点距離を、第１の開口径におけるサブアレイの焦点距離の√２倍に乗じた距離として保持することを特徴とする請求項４または５に記載の超音波診断装置。