JP5576036B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に三次元超音波画像を形成する超音波診断装置に関する。

心臓などの運動を伴う組織の三次元超音波画像を形成する超音波診断装置が知られている。例えば、三次元空間内において超音波ビームをスキャン（走査）して三次元空間内からエコーデータを収集し、収集したエコーデータに基づいて三次元超音波画像を形成してリアルタイム表示する技術が知られている。但し、リアルタイム表示の場合には、スキャンレートとビーム密度とビーム範囲が互いにトレードオフの関係になるという原理的な制約がある。

三次元超音波画像のリアルタイム表示における原理的な制約を回避するための技術も提案されている。例えば、特許文献１には、心電信号などに同期させて三次元空間内において走査面を少しずつ移動させながら、走査面の各位置において複数の時相に亘って複数の断層画像データを収集し、収集された複数の断層画像データを並べ替えて再構築して三次元画像データを形成する技術（再構築処理）が記載されている。この技術は、直接的に心電信号を得ることが困難な胎児などに適用することが難しい。

また、特許文献２には、心電信号に換えて、ある時間間隔ごとにスキャンして再構築する技術が記載されている。しかし、この技術では、データ収集時に心電信号を利用していないため、例えば心電信号の周期よりも十分に長い間隔で走査面の位置を移動させる必要があるなど、データ収集のための時間が大きくなり、また、不要なデータを収集してしまうことからメモリの容量などが大きくなるなどの問題がある。

特許第３５３７５９４号公報 特開２００５−７４２２５号公報

上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、再構築処理により三次元超音波画像を形成する技術について研究開発を重ねてきた。特に、直接的に心電信号などの運動情報を得ることが困難な胎児や組織などから運動情報を得る技術に注目した。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、超音波ビームを介して得られる運動情報に基づいて再構築処理する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様の超音波診断装置は、周期運動する対象組織を含む三次元空間内で超音波を送受波するプローブと、プローブを制御することにより超音波ビームを形成するビーム形成部と、基準となる超音波ビームを介して得られる対象組織の周期運動を反映させた組織信号に基づいて、周期運動に対応した同期信号を生成する同期信号生成部と、ビーム形成部を制御することにより、前記同期信号に基づいて確認される周期運動の各周期ごとに超音波ビームの走査面を形成し、複数周期に亘って走査面を段階的に移動させて前記三次元空間内において複数の走査面を形成する走査制御部と、複数の走査面の各々に対応した断層画像データからなる複数の断層画像データに基づいて対象組織の三次元画像データを形成する画像形成部と、を有することを特徴とする。

上記態様によれば、基準となる超音波ビームを介して得られる組織信号に基づいて同期信号が生成されるため、例えば、心電計などにより直接的に心電波形を計測することが困難な胎児の心臓などから心拍に同期した同期信号を得ることが可能になる。また、得られた同期信号を利用して周期運動の各周期を確認し、複数の走査面から得られる複数の断層画像データに基づいて胎児の心臓などの対象組織の三次元画像データを形成（再構築）することが可能になる。

望ましい態様において、前記同期信号生成部は、組織信号の波形から極値を検出して極値のタイミングに同期させた同期信号を生成することを特徴とする。

望ましい態様において、前記同期信号生成部は、基準となる超音波ビームを介して得られるＭモード画像から対象組織の形態の時間的な変化を示す組織信号を抽出することを特徴とする。

望ましい態様において、前記同期信号生成部は、基準となる超音波ビームを介して対象組織から得られるドプラ信号を組織信号として利用することを特徴とする。

望ましい態様において、前記走査制御部は、基準となる超音波ビームを中心軸として複数周期に亘って走査面を段階的に回転移動させて複数の走査面を形成することを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様のプローブは、周期運動する対象組織を含む三次元空間内で走査される超音波ビームを形成するための走査用振動子と、前記対象組織に対して基準となる超音波ビームを形成するための基準用振動子と、を有し、前記走査用振動子を介して、三次元空間内からエコーデータが収集され、前記基準用振動子を介して、対象組織の周期運動を反映させた組織信号が得られることを特徴とする。

望ましい態様において、前記走査用振動子は、１次元的に配列された複数の振動素子からなる１次元アレイ部を備え、前記１次元アレイ部が機械的に揺動される、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記走査用振動子は、前記１次元アレイ部を２つ備え、前記基準用振動子は、揺動される２つの１次元アレイ部の間隙に固定的に配置される、ことを特徴とする。

本発明により、超音波ビームを介して得られる運動情報に基づいて再構築処理することが可能になる。例えば、本発明の好適な態様によれば、直接的に心電波形を計測することが困難な胎児の心臓などから、超音波ビームを介して、心拍に同期した同期信号を得ることが可能になる。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示す機能ブロック図である。

プローブ１０は、対象組織を含む三次元空間内において超音波を送受波する。プローブ１０は、超音波を送受波する複数の振動素子を備えており、複数の振動素子がビームフォーマ１２によって送信制御されて送信ビームが形成される。また、複数の振動素子が対象組織から反射された超音波を受波し、これにより得られた信号がビームフォーマ１２へ出力され、ビームフォーマ１２が受信ビームを形成する。

本実施形態のプローブ１０は、超音波ビーム（送信ビームと受信ビーム）を三次元空間内において立体的に走査する３Ｄプローブである。例えば、一次元的に配列された複数の振動素子（１Ｄアレイ振動子）によって電子的に形成される走査面を機械的に動かすことにより超音波ビームが立体的に走査される。また、二次元的に配列された複数の振動素子（２Ｄアレイ振動子）が電子的走査により超音波ビームを立体的に走査してもよい。

ビームフォーマ１２は、プローブ１０が備える複数の振動素子の各々に対応した送信信号を供給することにより超音波の送信ビームを形成する。また、ビームフォーマ１２は、プローブ１０が備える複数の振動素子の各々から得られる受信信号に対して整相加算処理などを施すことにより超音波の受信ビームを形成し、受信ビームに沿って得られるエコーデータを出力する。本実施形態において、ビームフォーマ１２は、対象組織を通る基準ビームを形成する。対象組織は、周期的に運動する組織であり、例えば胎児の心臓などである。

図２は、基準ビームＢｓを説明するための図であり、対象組織である胎児の心臓３２を含む三次元空間３０内に形成された基準ビームＢｓを示している。一般に診断の対象となる組織はプローブ１０が超音波の送受波を行う三次元空間３０内の中央付近に配置される。図２において、胎児の心臓３２は、三次元空間３０内のほぼ中心に位置している。基準ビームＢｓは、胎児の心臓３２を透過するように、例えば三次元空間３０の中央に形成される。また、例えば、胎児の心臓３２を含んだＢモード画像が表示され、そのＢモード画像を確認しながらユーザ（検査者）が所望の位置に基準ビームＢｓを設定してもよい。

図１に戻り、基準ビームが設定されると、基準ビームから得られるエコーデータがビームフォーマ１２から同期信号生成部１６へ出力される。同期信号生成部１６は、基準ビームから得られるエコーデータに基づいて、胎児の心臓の心拍に対応した同期信号を生成する。

図３は、同期信号の生成処理を説明するための図である。基準ビームの位置を固定しつつ胎児の心臓から得られるエコーの大きさ（輝度）の時間変化を計測すると、例えば図３（Ａ）に示すようなＭモード画像に対応したデータが得られる。つまり、縦軸を深さとして横軸を時間軸とする胎児の輝度に関するデータが得られ、胎児の心臓内壁や心臓外壁の深さの時間変化の様子が確認される。

同期信号生成部１６（図１）は、Ｍモード画像のデータに対して平滑化フィルタなどを利用して心臓内壁や心臓外壁の微視的な変動成分を除去する。そして、Ｍモード画像内の最大輝度値と最小輝度値に基づいて閾値を算出する。閾値は、例えば（最大輝度値−最小輝度値）×４／５に設定される。同期信号生成部１６は、設定された閾値を利用してＭモード画像に二値化処理を施す。つまり、閾値以上の（または閾値よりも大きい）輝度値のみを抽出することにより、図３（Ｂ）に示すような二値化画像を形成する。

Ｍモード画像内においては、心臓外壁（横隔膜の部分が含まれてもよい）の輝度値が比較的大きい。そのため、閾値によって比較的大きな輝度値のみを抽出することにより、図３（Ｂ）に示すように、心臓外壁の深さの時間変化の様子を示す波形が抽出される。

同期信号生成部１６は、抽出された心臓外壁の波形から深さの極小値を検出する。つまり、図３（Ｂ）の二値化画像に含まれる心臓外壁の波形の傾きを時間軸方向に沿って確認し、傾きが正から負に変化する時刻（図の上向きから下向きに波形の傾きが変化する時刻）を次々に検出する。これにより、図３（Ｂ）において、破線の矢印で示される時刻において深さの極小値が次々に検出される。そして、同期信号生成部１６は、次々に検出される極小値の時刻に対応した複数のパルスからなる図３（Ｃ）の同期信号を形成する。

心臓外壁の波形についての深さの極小値の時刻は心臓の拡張末期に対応するため、図３（Ｃ）の同期信号に含まれる各パルスのタイミングから、胎児の心臓の拡張末期が特定される。このように、例えば、基準ビームを利用して得られるＭモード画像のデータから、胎児の心臓の心電情報（拡張末期時点）を特定することが可能になる。なお、Ｍモード画像以外のデータを利用してもよい。

図４は、ドプラ信号から同期信号を生成する処理を説明するための図である。基準ビームの位置を固定し、胎児の心臓内にドプラゲートを設定して得られる血流に関するドプラ情報の時間変化を計測すると、例えば図４（Ａ）に示すようなドプラ信号が得られる。つまり、縦軸をドプラ信号の大きさ（血流の速さに対応）として横軸を時間軸とする心臓内の血流に関するドプラ信号が得られ、胎児の心臓内における血流の時間変化の様子が確認される。

図４（Ａ）に示すようなドプラ信号の波形に対して、例えば平滑化フィルタなどを利用して微視的な変動成分を除去する。そして、ドプラ信号の最大値と最小値に基づいて閾値を算出する。閾値は、例えば（最大値−最小値）／５に設定される。さらに、設定された閾値を利用して二値化処理を施してからドプラ波形の谷間の部分に谷埋め処理を施すことにより、図４（Ｂ）に示すような谷埋め処理後のドプラ信号波形が得られる。

そして、図４（Ｂ）に示す谷埋め処理後のドプラ信号波形から極大値を検出する。つまり、谷埋め処理後のドプラ信号波形の傾きを時間軸方向に沿って確認し、傾きが正から負に変化する時刻（図の上向きから下向きに波形の傾きが変化する時刻）を次々に検出する。こうして、次々に検出される極大値の時刻に対応した複数のパルスからなる図４（Ｃ）の同期信号が形成される。このように、例えば、基準ビームを利用して得られるドプラ信号から、胎児の心臓の心電情報を得るようにしてもよい。

図１に戻り、同期信号生成部１６において胎児の心拍に関する同期信号が形成されると、その同期信号から得られる心拍の周期に基づいて、走査制御部１４によって超音波ビームの走査制御が行われる。走査制御部１４は、ビームフォーマ１２を制御することにより、同期信号に基づいて確認される周期運動の各周期ごとに超音波ビームの走査面を形成し、複数周期に亘って走査面を段階的に移動させて、三次元空間内において複数の走査面を形成する。

図５は、走査面の傾きを変化させるプローブ１０を説明するための図である。図５に示すプローブ１０は、例えば、データ取得位置１において電子的に超音波ビームを走査して走査面を形成し、次に、データ取得位置２において電子的に超音波ビームを走査して走査面を形成する。さらに、データ取得位置を段階的にずらしつつ走査面を形成することにより、データ取得位置ｎまでの各位置において走査面が形成される。データ取得位置の段階的な移動は、電子的に行われてもよいし機械的に行われてもよい。

また、プローブ１０は、データ取得位置１〜ｎまでの複数の走査面の形成と並行して基準ビームＢｓも形成する。例えば、複数の走査面を形成する期間内において、一定の時間間隔で基準ビームＢｓが形成される。

図６は、走査面を回転させるプローブ１０を説明するための図である。図６に示すプローブ１０は、データ取得位置を段階的に回転移動させつつ走査面を形成することにより、データ取得位置１〜ｎまでの各位置（回転角度）において走査面を形成する。データ取得位置の段階的な回転移動は、電子的に行われてもよいし機械的に行われてもよい。なお、データ取得位置は、基準ビームＢｓを中心軸として回転移動される。そのため、各データ取得位置において常に基準ビームＢｓが走査面内に含まれることになり、走査面を形成する複数の超音波ビームのうちの一つを基準ビームＢｓとして利用することが可能になる。

図７は、経食道用プローブ１０´を説明するための図である。図６に示すプローブ１０と同様に、図７に示す経食道用プローブ１０´は、基準ビームＢｓを中心軸としてデータ取得位置を段階的に回転移動させつつ走査面を形成することにより、データ取得位置１〜ｎまでの各位置（回転角度）において走査面を形成する。このように、本実施形態の超音波診断装置は、経食道などから対象組織にアプローチする診断に利用することも可能である。

図１に戻り、走査制御部１４の走査制御により、胎児の心拍の各周期ごとに超音波ビームの走査面が形成されると、各走査面ごとに、つまり各データ取得位置ごとに、複数の時相（時相Ｔ１〜Ｔｍ）の各時相に対応した断層画像データが収集される。収集される断層画像データは次々に前メモリ１８に記憶される。

再構築処理部２０は、前メモリ１８に記憶された複数の断層画像データのうち、複数のデータ取得位置から同じ時相に対応した複数の断層画像データを抽出し、各時相ごとに複数の断層画像データからなるデータブロックに纏めて（再構築して）、後メモリ２２に記憶する。

図８は、再構築処理部による処理を説明するための図であり、図８には、前メモリ１８に記憶されるデータと、後メモリ２２に記憶されるデータの対応関係が示されている。図８において、「データ取得位置ｎ，断層画像Ｔｍ」は、データ取得位置ｎにおける時相Ｔｍの断層画像データを意味している。

前メモリ１８には、各データ取得位置ごとに、複数の時相（時相Ｔ１〜Ｔｍ）に対応した断層画像データが記憶される。例えば、データ取得位置１における時相Ｔ１〜Ｔｍまでの断層画像データが一つのデータブロックとなって前メモリ１８内に記憶されている。同様に、前メモリ１８内には、データ取得位置２からデータ取得位置ｎまでの各データ取得位置ごとに、時相Ｔ１〜Ｔｍまでの断層画像データがデータブロックとなって記憶されている。

再構築処理部２０（図１）は、複数のデータ取得位置１〜ｎの各々から、同一の時相に対応する断層画像データを抽出し、その時相に関するデータブロックを構築して、後メモリ２２に記憶する。その結果、例えば、データ取得位置１〜ｎにおける時相Ｔ１の断層画像データが一つのデータブロックとなって後メモリ２２内に記憶され、同様に、時相Ｔ２から時相Ｔｍまでの各時相を単位とするデータブロックが後メモリ２２内に形成される。

なお、前メモリ１８を経由せずに直接的に、後メモリ２２に対して図８に示すデータ配列どおりに断層画像データを次々に記憶させてもよい。

図１に戻り、表示画像処理部２４は、後メモリ２２に記憶された再構築後の複数の断層画像データに基づいて、胎児の心臓を立体的に映し出す三次元画像データを形成する。表示画像処理部２４は、後メモリ２２に記憶されたデータ取得位置１〜ｎにおける時相Ｔ１の断層画像データに基づいて時相Ｔ１の三次元画像データを形成する。また、データ取得位置１〜ｎにおける時相Ｔ２の断層画像データに基づいて時相Ｔ２の三次元画像データが形成され、同様に、時相Ｔｍまでの各時相ごとに三次元画像データが形成される。

表示画像処理部２４は、各時相ごとに形成された三次元画像データに基づいて表示画像データを形成し、形成された表示画像データに対応した表示画像が表示部２６に表示される。これにより、時相Ｔ１〜Ｔｍの三次元画像データの各々に対応した表示画像が次々に表示部２６に表示され、擬似的にリアルタイムの三次元動画像が表示される。なお、三次元画像処理としては、ボリュームレンダリング法や積算法や投影法などの各種の手法を適用することが可能である。

図９は、本発明に係る機械式プローブの好適な実施形態を説明するための図である。図９に示す機械式プローブは、２つの可動振動子１１２，１１４と固定振動子１２０を備えている。

２つの可動振動子１１２，１１４は、対象組織（例えば胎児の心臓など）を含む三次元空間内で走査される超音波ビームを形成するための走査用振動子である。一方、固定振動子１２０は、対象組織に対して基準ビームＢｓ（図２参照）を形成するための基準用振動子である。

可動振動子１１２，１１４は、各々、１次元的に配列された複数の振動素子を備えている。そして、複数の振動素子が電子的に制御されて超音波ビーム（送信ビームと受信ビーム）が形成され、さらに、形成された超音波ビームが電子的に走査制御される。この電子的な走査制御により、可動振動子１１２を介して一点鎖線で示す走査面Ｓ１が形成され、可動振動子１１４を介して破線で示す走査面Ｓ２が形成される。走査面Ｓ１と走査面Ｓ２は、図９のように互いに重なり合う領域を含んでもよいし、重なり合わなくてもよい。

さらに、可動振動子１１２，１１４は、回転軸１３０を軸として機械的に揺動される。回転軸１３０は、例えば、モータ等の駆動系からギアやベルト等の伝達系を介して得られる駆動力に応じて回転して可動振動子１１２，１１４を揺動する。

固定振動子１２０は、１つの振動素子あるいは少数の振動素子を備えており、１つ又は少数の振動素子を利用して基準ビームＢｓが形成される。固定振動子１２０は、２つの可動振動子１１２，１１４の間隙に固定的に配置され、走査面Ｓ１と走査面Ｓ２の間を通るように基準ビームＢｓが形成される。

図１０は、可動振動子１１２，１１４の機械的な揺動を説明するための図であり、図１０には、図９に示した２つの可動振動子１１２，１１４と固定振動子１２０と回転軸１３０の配置関係が斜視図により示されている。

可動振動子１１２，１１４は、回転軸１３０を軸として機械的に揺動され、可動振動子１１２，１１４の各々の振動子面が、円弧状の機械走査方向Ｄに沿って所定の走査範囲内で往復移動する。電子的走査と機械的走査の組み合わせにより、可動振動子１１２，１１４を介して、三次元空間内からエコーデータが三次元的に収集される。

一方、固定振動子１２０は、回転軸１３０によって揺動されず、例えばプローブの筐体（ケース）に対して相対的に固定される。なお、固定振動子１２０の振動子面を機械走査方向Ｄに沿って動かして位置を調整する機構を設けて、位置を調整した後にその位置において固定的に基準ビームを形成するようにしてもよい。また、固定振動子１２０が機械走査方向Ｄに沿って１次元的に配列された複数の振動素子を備えて、これら複数の振動素子のうちの少なくとも１つを選択的に利用して所望の方向に基準ビームを形成するようにしてもよい。

図９および図１０を利用して説明した機械式プローブ（メカニカル３Ｄスキャナ）により、図３から図５および図８を利用して説明した三次元画像データの形成方法（方法１）を実現することができる。その方法１においては、同期信号生成部１６（図１）において胎児の心拍に関する同期信号が形成され、その同期信号から得られる心拍の周期に基づいて、走査制御部１４（図１）によって超音波ビームの走査制御が行われている。この方法１に換えて、次のような方法２を利用してもよい。

方法２においては、図９の機械式プローブにより可動振動子１１２，１１４を低速で機械走査させてエコーデータ（複数の断層画像データ）を収集して前メモリ１８（図１）に記憶させつつ、固定振動子１２０を介して得られる基準ビームのエコーデータも前メモリ１８に記憶させる。その記憶の際に、各断層画像データとその断層画像データが得られたタイミングにおける基準ビームのエコーデータとを互いに対応付けておく。そして、前メモリ１８に記憶された基準ビームのエコーデータに基づいて、同期信号生成部１６（図１）において同期信号が形成され、その同期信号に基づいて、再構築処理部２０（図１）が複数の断層画像データの並べ替え（図８参照）を行い三次元画像データが形成される。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示す機能ブロック図である。 基準ビームを説明するための図である。 同期信号の生成処理を説明するための図である。 ドプラ信号から同期信号を生成する処理を説明するための図である。 走査面の傾きを変化させるプローブを説明するための図である。 走査面を回転させるプローブを説明するための図である。 経食道用プローブを説明するための図である。 再構築処理部による処理を説明するための図である。 本発明に係る機械式プローブの好適な実施形態を説明するための図である。 可動振動子の機械的な揺動を説明するための図である。

符号の説明

１０ プローブ、１２ ビームフォーマ、１４ 走査制御部、１６ 同期信号生成部、２０ 再構築処理部、１１２，１１４ 可動振動子、１２０ 固定振動子。

Claims (1)

1. 周期運動する対象組織を含む三次元空間内で、対象組織を通る基準ビームと三次元空間内で走査される超音波ビームを形成するプローブと、
   超音波ビームを走査制御することにより、前記三次元空間内において走査面を形成して走査面を移動させる走査制御部と、
   前記走査制御により収集される複数の断層画像データの各々と、各断層画像データが得られたタイミングにおける基準ビームのエコーデータとを互いに対応付けて記憶するメモリと、
   前記メモリに記憶された基準ビームのエコーデータに基づいて、対象組織の周期運動に対応した同期信号を生成する同期信号生成部と、
   前記同期信号に基づいて、前記メモリに記憶された複数の断層画像データの中から同一時相に対応した断層画像データを抽出することにより、前記複数の断層画像データを並べ替えて、対象組織の三次元画像データを形成する画像形成部と、
   を有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
   

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