JP5864894B2 - 被検体情報取得装置および信号処理装置 - Google Patents
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Description
この様に形成された送信ビームが被検体内にて反射・散乱される。
合成処理後の信号はヒルベルト変換部012にて複素信号に変換され、直交検波部020にて包絡線検波処理を行われ出力される。
07にてLOG圧縮等が施されることで、被検体のBモード画像が作成され、画像表示部008(図2)に出力される。
以上が一般的な整相加算処理を用いた超音波画像装置の処理系である。
M個の変換素子より成るリニア(直線状)アレーアンテナを考える。M個のアレーアンテナ素子の内、k番目のアンテナ素子にて時間tで受信した信号をxk(t)とおき、これらM個の信号群をX(t)とおく。これを行列で表現すると、式(1)のようになる。
なお、このTは転置行列を意味する。
なお、このHは複素共役転置、上添字*は複素共役を意味する。
この最適になる、とは所望信号の方向の感度を1に拘束した状況で出力値を最小になることであり、以下の式(6)、式(7)のように問題を定式化出来る。
している。しかし、DFT処理や空間周波数ごとのグループ分け等のある程度複雑な処理工程を、処理の前段に設ける必要がある。また、今後の高解像度化等により受信信号数が増加されると、該前段処理工程も大きくなる。よって、超音波画像装置のシステム全体を考えると上記課題を完全に解決していたとは言えない。
適応型信号処理を用いた超音波画像装置のリニア走査の処理系について図1及び図4を用いて説明する。図1は図2の一般的な超音波装置のシステムのうち受信信号処理部010を適応型信号処理部006に入れ替えたものである。図4は受信回路処理系002及び適応型信号処理部006の詳細を示している。受信回路処理系002は整相遅延部009より構成され、適応型信号処理部006はヒルベルト変換部012、相関行列部013、空間平均化部014、電力算出部015より構成される。
受信開口がM個の変換素子005を用いて形成されるとする。ヒルベルト変換部012は、整相遅延部009にて位相を揃えたMチャンネル信号をヒルベルト変換する。相関行列部013にてM×Mの相関行列を作成する。その後、空間平均化部014にてN×Nの部分行列に変換する。空間平均化後の行数(N)は、入力チャンネル数(M)の半分程度が好ましい(N≒M/2)。しかし、M>N≧2の関係にあればCAPON法は相応の機能を果たす。電力算出部015にてN×Nの部分行列の逆行列と信号到来方向に関する拘束ベクトルより適応的に最適電力を算出する。このとき信号到来方向を前記送信ビームの方向にとることで、送信ビーム方向からの超音波エコーの信号を他方向からの超音波エコーの信号に比べより優先的に選択する処理が行われる。これにより方位方向解像度に優れた合成処理が可能となる。
CAPON法により算出された出力は、画像処理部007でLOG圧縮等が行われ一般的な整相加算処理と同様に被検体のBモード画像が作成され、画像表示部008(図1)に出力される。
本発明は、また、以下の構成を採用する。すなわち、位相を揃えられた複数の受信信号を複数のグループに分け、前記グループごとに加算して後段入力信号とするものであって、同数の前記受信信号が入力される複数の信号加算手段と、前記信号加算手段から出力された複数の前記後段入力信号に適応型信号処理を行うことにより被検体内部の画像データを生成する適応型信号処理部とを有し、前記適応型信号処理部は、前記複数の後段入力信号を複素信号に変換する複素信号化部と、前記複素信号化部から出力された複数の複素信号から相関行列を算出する相関行列部と、前記相関行列から複数の部分行列を抽出し平均化して部分相関行列を算出するとともに、前記部分相関行列から重み係数を求める空間平均化部と、前記重み係数を用いて前記受信信号の出力電力を求める電力算出部と、を有するものであって、前記適応型信号処理部には、前記複数の信号加算手段のそれぞれがM(ただし、Mは自然数である)個の受信信号を入力される第1の場合と、前記複数の信号加算手段のそれぞれがN(ただし、Nは自然数であり、かつ、M≠Nである)個の受信信号を入力される第2の場合とで、同数の前記後段入力信号が入力される信号処理装置である。
本発明の超音波画像装置は、被検体からの超音波エコーを受信し処理することで、生体情報を画像情報(画像データ)として取得する装置である。その生体画像情報は断層面のみならず3次元画像も提示する事が出来る。超音波画像装置の構成は、主に、生体に超音波を照射する送信回路処理系と、送信信号の反射波を受信し画像を構成する受信信号処理部からなる。なお、受信処理部とは図1の受信回路処理系002、適応型信号処理部006より構成される。
本発明の特徴的な構成は、まず受信信号処理系002内の整相遅延部009と加算処理部011において、予め幾つかの受信信号を各々整相加算処理してまとめる。その後、適応型信号処理部006では、加算処理部にて統合された後段入力信号023を用いて適応型信号処理を行い、生体情報の画像再構成を行う点である。該受信信号は、前記送信ビームによる被検体からの超音波エコーを、前記受信開口を構成する各変換素子005が受信したものである。
条件(A)では、32個の全ての信号でCAPON法を行った。
条件(B)では、32個の全ての信号で整相加算処理を行った。
条件(C)では、前段2素子で整相加算し、後段16入力でCAPON法を行った。
条件(D)では、前段4素子で整相加算し、後段8入力でCAPON法を行った。
条件(E)では、前段8素子で整相加算し、後段4入力でCAPON法を行った。
条件(F)では、前段10素子で整相加算し、後段3入力でCAPON法を行った。
条件(G)では、前段16素子で整相加算し、後段2入力でCAPON法を行った。
以上を踏まえ、実施例を説明する。
実施例1では前段に整相加算処理、後段に適応型信号処理(CAPON法)を用いる超音波画像装置について説明する。
図1は本実施例の超音波装置のシステム概略図である。超音波装置は、送信回路処理系001、受信回路処理系002、システム制御部003、超音波プローブ004、適応型信号処理部006、画像処理部007、画像表示部008を備える。超音波プローブ004は、複数の変換素子(トランスデューサ)005を備える。
超音波を送信する位置(フォーカス位置)が設定されると、図1に記載のシステム制御部003から送信回路処理系001へその設定情報が送られる。送信回路処理系001はそれらの情報を元に送信する素子とそれらの各遅延時間を決定する。そして送信回路処理系001から超音波プローブ004内の対応する変換素子005を駆動する為の電気信号が送られる。この電気信号が変換素子005によって変位信号に変換されて被検体に向かって超音波として伝播する。
の生体情報を32の電気信号として取得する事が出来る。この受信信号は受信回路処理系002に送られる。受信回路処理系002は受信データの深さ情報を元に受信信号の遅延時間を決定し、各受信信号に対して遅延処理を行う。この遅延処理については図5に記載の受信回路処理系002内の整相遅延部009にて行われ、各変換素子005が受信した被検体からの超音波エコーに起因する信号の位相を揃えるよう処理される。なお、送受信における各々の整相遅延部は同じ処理部を流用する事も可能である。遅延処理後の各信号はあらかじめ設定された数である4チャンネル毎にまとめられ、それぞれの信号加算手段011に送られる。信号加算手段011において位相の揃えられた4チャンネルの信号が加算され、8チャンネルにまとめられた後段入力信号023が適応型信号処理部006に送られる。
以上の方式で超音波用ファントム内のワイヤー(直径0.1mm)画像を再構成した結果を図11(b)に示す。比較として、32個の信号をCAPON法にて再構成した画像を図11(a)に、32個の信号を整相加算処理にて再構成した画像を図11(c)に示す。
なお、本実施例では入力信号数32、前段整相加算数4、後段入力信号数8、空間平均化後のベクトルサイズ4×4にて実施したが、これらの値は他の値を用いることも可能である。
(超音波装置の構成)
本発明の実施例2について説明する。本実施例では、実施例1で示した図1のシステムを用いることが可能であるが、受信回路処理系002において異なる処理を行う。図6は本実施例の構成を示したものであり、実施例1における図5記載の整相遅延部009と加
算処理部011の間に信号選択部016を設けている。
また、図12は本実施例を開口制御と対応させて説明する為の図であり、被検体024内の画像走査線019上の対象深さと信号選択部016の動作の関係を示した。
超音波の画像再構成において、計測する深さが浅い場合、すなわち変換素子からの距離が比較的近い位置の出力電力の強度を算出する場合、サイドローブを抑える為に開口制御を行う事がある。開口制御とは、計測深さに対応させて、超音波の送受信開口を構成する複数の送信用変換素子005、及び受信用変換素子005の数を調整する処理の事であり、計測深さが浅くなるに従い、送受信の素子数を減少させる。素子数の減少は、変換素子を全体的に間引くのではなく、変換素子の範囲を狭めることにより行われる。なお、本発明の送信信号では開口制御の有無は問わない為、受信信号に関する内容のみ説明する。
(超音波装置の構成)
本発明の実施例3について説明する。本実施例は超音波プローブのピン配置や素子チャンネル数の違いをプローブ情報に基づいて吸収するような超音波装置を扱う。
図7は本実施例の装置構成を示しており、実施例1で示した図1のシステムにおいて送信回路処理系001および受信回路処理系002と、超音波プローブ004との間に、信号選択部017を設けている。なお、本実施例での受信回路処理系002と適応型信号処理部006の詳細は実施例1と同じで図5に記載した通りである。
フォーカス位置や使用している超音波プローブ004の情報が設定されると、システム制御部003から送信回路処理系001に、その設定情報が送信される。送信回路処理系001はそれらの情報を基に送信素子の種類とそれら素子へ送る各遅延時間を決定し、超音波プローブ004内の対応する変換素子005を駆動する為の電気信号を信号選択部017へ送る。信号選択部017ではシステム制御部001から送られた超音波プローブ004の情報や超音波信号の深さ情報を基に、前記電気信号を各々対応する変換素子005に送る。変換素子005では送られた電気信号が変位信号に変換されて、超音波として被検体へ伝播される。
図13は図7の超音波プローブ004、変換素子005、信号選択部017、受信回路処理系002を示している。一般的に超音波プローブ004はプローブコネクタ025にて超音波画像装置本体と接続されており、各変換素子005と対応するプローブコネクタのピンの配置はプローブ種類によって異なっている。信号選択部017は信号を振り分ける切替スイッチ026を備えている。
具体的には、128チャンネルのリニアプローブでコネクタのピン配置が異なるもの2つを用いて確認した。各プローブの帯域や各素子の感度が異なる為、完全に同じ画像とはならないが、同じシステムにてCAPON法を用いた高分解能な画像が再構成されることを確認した。
具体的には、256チャンネルと128チャンネルのリニアプローブを用いて確認した。各プローブでの送受信開口を形成する素子数、帯域、各素子の感度が異なる為、完全に同じ画像とはならないが、同じシステムにてCAPON法を用いた高分解能な画像が再構成されることを確認した。
理の効果を最大限に使用でき、実施例2と同様の処理を行うことが出来る。
具体的には、128チャンネルのリニアプローブにて、計測深さが浅くなるのに対し信号切替による送信信号数を32→24→16→8のように変更した。これにより同じシステムにてCAPON法を用いた高分解能な画像を実現し、なおかつ開口制御の動作も実現する事が出来た。
(超音波装置の構成)
本発明の実施例4について説明する。本実施例は、光音響信号(光音響波)を受信し、適応型信号処理にて画像再構成を行う事を特徴とする光音響画像装置についての実施例である。
図8は本実施例の装置構成を示しており、実施例1で示した図1のシステムの送信回路処理系001の代わりに光源駆動系021、光源022を備えたものである。
被検体内の目標位置が設定されると、図8に記載のシステム制御部003から光源駆動系021に、その設定情報が送られる。光源駆動系021はその設定情報より光源022を駆動し、パルスレーザーなどのパルス状の電磁波を被検体に照射する。この照射によって被検体内から放出された音響波は変換素子005で受信される。その後は実施例1と同様の処理を行うことで画像を再構成する。
Claims (14)
- 被検体から放出された音響波を受信して受信信号に変換する複数の変換素子を含むプローブと、
前記複数の変換素子から出力される複数の受信信号の位相を揃える整相遅延部と、
前記整相遅延部から出力された複数の受信信号をグループに分け、前記グループごとに加算して後段入力信号とする複数の信号加算手段と、
前記信号加算手段から出力された複数の前記後段入力信号に適応型信号処理を行うことにより被検体内部の画像データを生成する適応型信号処理部と、
を有するものであって、
前記適応型信号処理部には、前記複数の信号加算手段のそれぞれがM(Mは自然数である)個の受信信号を入力される第1の場合と、前記複数の信号加算手段のそれぞれがN(Nは自然数であり、かつ、M≠Nである)個の受信信号を入力される第2の場合とで、同数の前記後段入力信号が入力される被検体情報取得装置。 - 前記適応型信号処理部は、
前記複数の後段入力信号を複素信号に変換する複素信号化部と、
前記複素信号化部から出力された複数の複素信号から相関行列を算出する相関行列部と、
前記相関行列から複数の部分行列を抽出し平均化して部分相関行列を算出するとともに、前記部分相関行列から重み係数を求める空間平均化部と、
前記重み係数を用いて前記受信信号の出力電力を求める電力算出部と、
を含む請求項1に記載の被検体情報取得装置。 - 前記適応型信号処理部は、CAPON法を用いて適応型信号処理を行う
請求項2に記載の被検体情報取得装置。 - 前記信号加算手段は、前記複数の受信信号を少なくとも3つのグループに分けてそれぞれを加算し後段入力信号とする
請求項1ないし3のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記信号加算手段は、前記被検体内部における出力電力を求める位置の前記プローブからの深さが浅いほど、前記出力電力を算出するのに用いる変換素子の範囲を狭める
請求項2または3に記載の被検体情報取得装置。 - 前記プローブは前記複数の変換素子と前記整相遅延部を接続するコネクタを含んでおり、
前記コネクタを制御して前記変換素子と前記整相遅延部のチャンネルを整合させる信号選択部をさらに有する
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体から放出された音響波とは、前記変換素子から出力された音響波が前記被検体内部で反射したものである
請求項1ないし6のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記被検体に電磁波を照射する光源をさらに有し、
前記被検体から放出された音響波とは、前記電磁波を照射された被検体が放出する光音響波である
請求項1ないし6のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。 - 前記第1の場合に入力される受信信号と前記第2の場合に入力される受信信号とは互いに前記被検体内部の異なる深さに位置する部分から放出された前記音響波を変換して形成されたものであり、
それぞれの前記信号加算手段により加算される前記受信信号の数は該受信信号が前記被検体内部のより浅い部分から放出された前記音響波を変換して形成されたものであるほど小さい
請求項1に記載の被検体情報取得装置。 - 位相を揃えられた複数の受信信号を複数のグループに分け、前記グループごとに加算して後段入力信号とするものであって、同数の前記受信信号が入力される複数の信号加算手段と、
前記信号加算手段から出力された複数の前記後段入力信号に適応型信号処理を行うことにより被検体内部の画像データを生成する適応型信号処理部とを有し、
前記適応型信号処理部は、
前記複数の後段入力信号を複素信号に変換する複素信号化部と、
前記複素信号化部から出力された複数の複素信号から相関行列を算出する相関行列部と、
前記相関行列から複数の部分行列を抽出し平均化して部分相関行列を算出するとともに、前記部分相関行列から重み係数を求める空間平均化部と、
前記重み係数を用いて前記受信信号の出力電力を求める電力算出部と、
を有するものであって、
前記適応型信号処理部には、前記複数の信号加算手段のそれぞれがM(ただし、Mは自然数である)個の受信信号を入力される第1の場合と、前記複数の信号加算手段のそれぞれがN(ただし、Nは自然数であり、かつ、M≠Nである)個の受信信号を入力される第2の場合とで、同数の前記後段入力信号が入力される信号処理装置。 - 前記複数の信号加算手段は、前記複数の位相が揃えられた受信信号を少なくとも3つのグループに分けるとともに、前記受信信号をそれぞれ加算することにより前記後段入力信号を形成する
請求項10に記載の信号処理装置。 - 前記受信信号は、被検体から放出されるとともに複数の変換素子に受信された音響波に基づいて形成されたものであり、
前記被検体から放出された音響波とは、前記変換素子から出力された音響波が前記被検体内部で反射したものであり、
前記複数の変換素子は、前記被検体から放出された前記音響波を受信することにより該音響波を複数の前記受信信号へ変換する
請求項10に記載の信号処理装置。 - 前記受信信号は、被検体から放出された音響波に基づいて形成されたものであり、
前記被検体から放出された前記音響波は、電磁波が照射された前記被検体から放出された光音響波である
請求項10に記載の信号処理装置。 - 前記第1の場合に入力される受信信号と前記第2の場合に入力される受信信号とは互いに前記被検体内部の異なる深さに位置する部分から放出された前記音響波を変換して形成されたものであり、
それぞれの前記信号加算手段により加算される前記受信信号の数は該受信信号が前記被検体内部のより浅い部分から放出された前記音響波を変換して形成されたものであるほど小さい
請求項10に記載の信号処理装置。
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