JP5895459B2

JP5895459B2 - 超音波画像診断装置

Info

Publication number: JP5895459B2
Application number: JP2011247363A
Authority: JP
Inventors: 大介梶; 義浩武田; 和也長田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: US9211108B2; US20130123632A1; JP2013102852A

Description

本発明は、超音波画像診断装置に関する。

従来の超音波画像診断装置は、超音波探触子によって、生体等の被検体に対して超音波（送信超音波）を送信し、受信した超音波（反射超音波）を受信信号に変換し、これに基づいて超音波画像を表示する。反射超音波は被検体内の状態を示す情報を含んでいるため、良質な反射超音波を得ることが良質な超音波画像を得るために重要となっている。受信信号に対する信号処理等によって超音波画像の画質を向上させることはできるが、本質的には、送信超音波が良質であることが望ましい。

良質である送信超音波とは、時間分解能や空間分解能に優れたものであるといわれている。これらのうち、時間分解能（深さ方向の分解能）の向上については、送信超音波の周波数帯域を広帯域とすることにより実現することができる。

このような状況に鑑み、従来の超音波画像診断装置において、パルス矩形波による駆動信号（パルス信号）のパルス幅を漸次可変させてパルス信号を調整し、超音波の被検体内での伝播により生じる２次高調波成分を取得できるようにしたものがある（例えば、特許文献１）。

米国特許第５８３３６１４号明細書

一般に、図８に示される波形に代表される矩形波による周期的なパルス信号は、その周期によって決定される周波数特性（振幅・位相）を持っている。なお、図８に示されるパルス信号は、１周期が２Ｔである関数ｆ（ｘ）で示されるパルス信号であって、このパルス信号の波形をフーリエ変換すると、下記式（１）のように表すことができる。なお、下記式（１）において、ωは周波数を表し、ｉは虚数単位を表している。

しかしながら、上記特許文献１に記載された発明では、例えば、上記式（１）で表される関数をどのように変更すれば、使用する超音波探触子の特性を考慮した周波数特性とすることができるかなど、超音波探触子の特性を考慮した所望とする周波数特性である送信超音波を出力することは困難であった。すなわち、所望とする周波数特性である送信超音波を出力するためには、パルス信号の生成において特定の周波数の増減を行うなど、特別な周波数設計手段を要していた。

本発明の課題は、所望とする周波数特性である広帯域の送信超音波を出力することができる超音波画像診断装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、駆動信号によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を受信することにより受信信号を出力する超音波探触子と、
前記駆動信号を出力することにより前記超音波探触子によって前記送信超音波を生成させる送信部と、
を備えた超音波画像診断装置において、
前記送信部は、パルス周期が２Ｔである基本パルス信号に、パルス幅Ａ（Ａ＜Ｔ）である同極性の２つの第１のパルス信号と、該第１のパルス信号とは極性の異なるパルス信号であって、パルス幅Ｂ（Ｂ＝Ｔ−２Ａ）である第２のパルス信号とを合成して、下記式（２）を含んで表される矩形駆動波形である矩形波の前記駆動信号を生成することを特徴とする。

ここで、ωは周波数、ｉは虚数単位である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記２つの第１のパルス信号が前記第２のパルス信号に対して時系列的に対称となる位置に配置されるように前記駆動信号を生成することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記第１のパルス信号のパルス幅Ａを前記第２のパルス信号のパルス幅Ｂよりも小さくして前記駆動信号を生成することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記２つの第１のパルス信号のうちの一が前記駆動信号の始期となるように前記駆動信号を生成することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波画像診断装置において、
前記送信部は、前記第１のパルス信号のパルス幅Ａ及び前記第２のパルス信号のパルス幅Ｂを可変可能としたことを特徴とする。

本発明によれば、所望とする周波数特性である広帯域の送信超音波を出力することができる。

超音波画像診断装置の外観構成を示す図である。超音波画像診断装置の概略構成を示すブロック図である。送信部の概略構成を示すブロック図である。パルス信号の駆動波形について説明する図である。送信するパルス信号の波形について説明する図である。超音波探触子の周波数応答特性について説明する図である。送信するパルス信号の波形の他の例について説明する図である。従来のパルス信号の波形について説明する図である。

以下、本発明の実施の形態に係る超音波画像診断装置について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有するものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態に係る超音波画像診断装置Ｓは、図１及び図２に示すように、超音波画像診断装置本体１と超音波探触子２とを備えている。超音波探触子２は、図示しない生体等の被検体に対して超音波（送信超音波）を送信するとともに、この被検体で反射した超音波の反射波（反射超音波：エコー）を受信する。超音波画像診断装置本体１は、超音波探触子２とケーブル３を介して接続され、超音波探触子２に電気信号の駆動信号を送信することによって超音波探触子２に被検体に対して送信超音波を送信させるとともに、超音波探触子２にて受信した被検体内からの反射超音波に応じて超音波探触子２で生成された電気信号である受信信号に基づいて被検体内の内部状態を超音波画像として画像化する。

超音波探触子２は、圧電素子からなる振動子２ａを備えており、この振動子２ａは、例えば、方位方向に一次元アレイ状に複数配列されている。本実施の形態では、例えば、１９２個の振動子２ａを備えた超音波探触子２を用いている。なお、振動子２ａは、二次元アレイ状に配列されたものであってもよい。また、振動子２ａの個数は、任意に設定することができる。また、本実施の形態では、超音波探触子２について、リニア走査方式の電子スキャンプローブを採用したが、電子走査方式あるいは機械走査方式の何れを採用してもよく、また、リニア走査方式、セクタ走査方式あるいはコンベックス走査方式の何れの方式を採用することもできる。超音波探触子における帯域幅は任意に設定することができる。

超音波画像診断装置本体１は、例えば、図２に示すように、操作入力部１１と、送信部１２と、受信部１３と、画像生成部１４と、メモリー部１５と、ＤＳＣ（Digital Scan Converter）１６と、表示部１７と、制御部１８とを備えて構成されている。

操作入力部１１は、例えば、診断開始を指示するコマンドや被検体の個人情報等のデータの入力などを行うための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を備えており、操作信号を制御部１８に出力する。

送信部１２は、制御部１８の制御に従って、超音波探触子２にケーブル３を介して電気信号である駆動信号を供給して超音波探触子２に送信超音波を発生させる回路である。より具体的には、送信部１２は、図３に示すように、例えば、クロック発生回路１２１、パルス発生回路１２２、パルス幅設定部１２３及び遅延回路１２４を備えている。

クロック発生回路１２１は、駆動信号の送信タイミングや送信周波数を決定するクロック信号を発生させる回路である。
パルス発生回路１２２は、所定の周期で駆動信号としてのパルス信号を発生させるための回路である。パルス発生回路１２２は、例えば、図４に示すように、３値の電圧を切り替えて出力することにより、矩形波によるパルス信号を発生させることができる。このとき、パルス信号の振幅については、正極性及び負極性で同一となるようにしたが、これに限定されない。なお、２値の電圧を切り替えてパルス信号を発生させる構成であってもよい。
パルス幅設定部１２３は、パルス発生回路１２２から出力されるパルス信号のパルス幅を設定する。すなわち、パルス発生回路１２２は、パルス幅設定部１２３によって設定されたパルス幅に従ったパルス波形によるパルス信号を出力する。パルス幅は、例えば、操作入力部１１による入力操作により可変することができる。また、超音波画像診断装置本体１に接続された超音波探触子２を識別することにより、識別した超音波探触子２に対応するパルス幅が設定されるように構成してもよい。なお、パルス幅設定部１２３によるパルス幅の設定の詳細については、後述する。

遅延回路１２４は、駆動信号の送信タイミングを振動子毎に対応した個別経路毎に遅延時間を設定し、設定された遅延時間だけ駆動信号の送信を遅延させて送信超音波によって構成される送信ビームの集束を行うための回路である。

以上のように構成された送信部１２は、制御部１８の制御に従って、駆動信号を供給する複数の振動子２ａを、超音波の送受信毎に所定数ずらしながら順次切り替え、出力の選択された複数の振動子２ａに対して駆動信号を供給することにより走査を行う。

図２に示すように、受信部１３は、制御部１８の制御に従って、超音波探触子２からケーブル３を介して電気信号の受信信号を受信する回路である。受信部１３は、例えば、増幅器、Ａ／Ｄ変換回路、整相加算回路を備えている。増幅器は、受信信号を、振動子２ａ毎に対応した個別経路毎に、予め設定された所定の増幅率で増幅させるための回路である。Ａ／Ｄ変換回路は、増幅された受信信号をアナログ−デジタル変換（Ａ／Ｄ変換）するための回路である。整相加算回路は、Ａ／Ｄ変換された受信信号に対して、振動子２ａ毎に対応した個別経路毎に遅延時間を与えて時相を整え、これらを加算（整相加算）して音線データを生成するための回路である。

画像生成部１４は、受信部１３からの音線データに対して包絡線検波処理や対数増幅などを実施し、ゲインの調整等を行って輝度変換することにより、Ｂモード画像データを生成する。すなわち、Ｂモード画像データは、受信信号の強さを輝度によって表したものである。画像生成部１４にて生成されたＢモード画像データは、メモリー部１５に送信される。

メモリー部１５は、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの半導体メモリーによって構成されており、画像生成部１４から送信されたＢモード画像データをフレーム単位で記憶する。すなわち、メモリー部１５は、フレーム単位により構成された超音波診断画像データとして記憶することができる。メモリー部１５に記憶された超音波診断画像データは、制御部１８の制御に従って読み出され、ＤＳＣ１６に送信される。

ＤＳＣ１６は、メモリー部１５より受信した超音波診断画像データをテレビジョン信号の走査方式による画像信号に変換し、表示部１７に出力する。

表示部１７は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）ディスプレイ、有機ＥＬ（Electronic Luminescence）ディスプレイ、無機ＥＬディスプレイ及びプラズマディスプレイ等の表示装置が適用可能である。表示部１７は、ＤＳＣ１６から出力された画像信号に従って表示画面上に超音波診断画像の表示を行う。なお、表示装置に代えてプリンター等の印刷装置等を適用してもよい。

制御部１８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備えて構成され、ＲＯＭに記憶されているシステムプログラム等の各種処理プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開したプログラムに従って超音波画像診断装置Ｓの各部の動作を集中制御する。
ＲＯＭは、半導体等の不揮発メモリー等により構成され、超音波画像診断装置Ｓに対応するシステムプログラム及び該システムプログラム上で実行可能な各種処理プログラムや、各種データ等を記憶する。これらのプログラムは、コンピューターが読み取り可能なプログラムコードの形態で格納され、ＣＰＵは、当該プログラムコードに従った動作を逐次実行する。
ＲＡＭは、ＣＰＵにより実行される各種プログラム及びこれらプログラムに係るデータを一時的に記憶するワークエリアを形成する。

以上のように構成された、超音波画像診断装置Ｓの送信部１２によって生成される駆動信号について図５を参照しながら説明する。

図５は、本実施の形態において用いられる超音波探触子２の振動子２ａに対して与えられる、好ましい駆動信号の波形の一例を示している。
すなわち、図５に示される駆動信号の波形は、上述した１周期が２Ｔであって関数ｆ（ｘ）で表される基本パルス信号に、予め設定されたパルス幅である２種類のパルス信号が合成されたものである。

より具体的には、送信部１２のパルス幅設定部１２３は、先ず、上述の基本パルス信号を設定し、その始期にパルス幅Ａである極性（＋）のパルス信号を設定する。このパルス信号を第１のパルス信号ということがある。続いて、パルス幅設定部１２３は、この第１のパルス信号に連続して、パルス幅Ｂである極性（−）のパルス信号を設定する。このパルス信号を第２のパルス信号ということがある。すなわち、第２のパルス信号は、第１のパルス信号とは異なる極性のパルス信号ということができる。そして、第２のパルス信号に連続して、上述の第１のパルス信号を設定する。これにより、超音波探触子２に送信する送信パルス信号が生成される。すなわち、送信パルス信号は、２つの第１のパルス信号及び１つの第２のパルス信号を基本パルス信号に合成して得られたパルス信号である。
なお、第１のパルス信号及び第２のパルス信号は、図５に示すものとは反対の極性であってもよい。

上述したようにして生成された送信パルス信号は、２つの第１のパルス信号と第２のパルス信号とのパルス幅の和（２Ａ＋Ｂ）が基本パルス信号の半周期Ｔと同一となるように設定されている。ここで、第１のパルス信号のパルス幅Ａ及び第２のパルス信号のパルス幅Ｂは、２つの第１のパルス信号と第２のパルス信号とのパルス幅の和が基本パルス信号の半周期Ｔとなる範囲で任意に設定することができる。

上述したようにして生成された送信パルス信号の波形をフーリエ変換すると、下記式（３）のように表すことができる。なお、下記式（３）において表される送信パルス信号は、１周期が２Ｔであって関数ｆ（ｘ）で表される。また、下記式（３）において、ωは周波数を表し、ｉは虚数単位を表している。

ここで、送信パルス信号に含まれる第１のパルス信号のパルス幅Ａが比較的小さく設定された場合には、上記式（３）の第１項及び第２項において求められる値はそれぞれ上述した基本パルス信号の周波数特性に近似するようになる。このとき、第３項において求められる値は、パルス幅Ａが小さいため、これに係る係数「ｓｉｎ（Ａ／２）ω」によって高周波側まで帯域を持つ広い周波数特性を持つようになる。その結果、「ｅ＾｛ｉ（Ａ／２）ω｝」によって求められる値との組み合わせにより、高周波部分にその周波数のピークを持つことが期待できる。したがって、送信パルス信号を上述のようにして生成することで、ピークを複数（双峰性）有する周波数特性である送信超音波を容易に得ることができ、また、この送信超音波の周波数特性を制御することができる。

以上のようにして生成された送信パルス信号に対する超音波探触子２の周波数応答特性は、図６に示すようになる。ここで、図６中、Ｗは送信パルス信号の周波数特性を示し、Ｐは超音波探触子２の周波数応答特性を示し、Ｑは送信パルス信号に対する超音波探触子２の周波数応答特性を示す。

図６に示すように、一般に超音波探触子の周波数応答特性は、正規分布のような釣鐘状をなしており、高周波部分及び低周波部分においてその特性がピークに比べて低くなる。一方、超音波探触子から送信される送信超音波をより広帯域とすることができれば、その送信超音波は、時間軸でみた場合、短パルス化されることにより非常に高い局在性を有するようになる。すなわち、送信超音波をより広帯域化することができれば、時間分解能に優れた送信超音波とすることができるようになる。

ここで、送信超音波を広帯域化するための方法として、超音波探触子の周波数応答特性とは逆の周波数特性である送信パルス信号を超音波探触子に与えることが考えられる。すなわち、超音波探触子の周波数応答特性の低い高周波部分及び低周波部分において、高い周波数特性を有する送信パルス信号を超音波探触子に与えることができれば、送信超音波を広帯域化することができるようになる。このような周波数応答特性は、一般には双峰性を有することになる。

本実施の形態では、上述のようにして送信パルス信号を生成するようにしたので、図６に示すように、双峰性を有する周波数応答特性を得ることができ、矩形波である送信パルス信号でありながら、超音波探触子の特性に応じた広帯域の送信超音波の設計を容易に行うことができる。

また、本実施の形態では、その周波数特性が上記式（３）で記述されており、第１のパルス信号のパルス幅Ａ及び第２のパルス信号のパルス幅Ｂを調整することにより、送信パルス信号に対する超音波探触子の周波数応答特性の示すピークの位置を所望の周波数帯域に変更することができる。すなわち、送信パルス信号に対する超音波探触子の周波数応答特性の示す、双峰性を有するピークの位置を制御することができる。そのため、例えば、使用する超音波探触子の周波数応答特性に応じて適切な周波数応答特性を得ることができ、効率よく超音波探触子を利用することができるようになる。このとき、第１のパルス信号のパルス幅Ａを第２のパルス信号のパルス幅Ｂよりも小さくすることで、送信パルス信号に対する超音波探触子の、より好ましい周波数応答特性を得ることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、超音波探触子２は、駆動信号によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反対超音波を受信することにより受信信号を出力する。送信部１２は、駆動信号を出力することにより超音波探触子２によって送信超音波を生成させる。送信部１２は、パルス周期が２Ｔである基本パルス信号に、パルス幅Ａである同極性の２つの第１のパルス信号と、第１のパルス信号とは極性の異なるパルス信号であって、パルス幅Ｂである第２のパルス信号とを合成して、矩形波の駆動信号を生成する。その結果、駆動信号に対する超音波探触子の周波数応答特性に双峰性を持たせることができる。また、超音波探触子の周波数応答特性に適した駆動信号の設計を容易に行うことができる。そのため、所望とする周波数特性である広帯域の送信超音波を容易に出力することができる。

また、本実施の形態によれば、送信部１２は、２つの第１のパルス信号が第２のパルス信号に対して時系列的に対称となる位置に配置されるように駆動信号を生成する。その結果、駆動信号の設計をより容易に行うことができる。

また、本実施の形態によれば、送信部１２は、第１のパルス信号のパルス幅Ａを第２のパルス信号のパルス幅Ｂよりも小さくして駆動信号を生成する。その結果、駆動信号に対する超音波探触子の、より好ましい周波数応答特性を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、送信部１２は、２つの第１のパルス信号のうちの一が駆動信号の始期となるように駆動信号を生成する。その結果、駆動信号に対する超音波探触子の、より好ましい周波数応答特性を得ることができる。

また、本実施の形態によれば、送信部１２は、第１のパルス信号のパルス幅Ａ及び第２のパルス信号のパルス幅Ｂを可変可能にしたので、駆動信号に対する超音波探触子の周波数応答特性の示すピークの位置を変更することができる。すなわち、駆動信号に対する超音波探触子の周波数応答特性の示す、双峰性を有するピークの位置を制御することができる。そのため、例えば、使用する超音波探触子の周波数応答特性に応じて適切な周波数応答特性を得ることができ、効率よく超音波探触子を利用することができるようになる。

なお、本発明の実施の形態における記述は、本発明に係る超音波画像診断装置の一例であり、これに限定されるものではない。超音波画像診断装置を構成する各機能部の細部構成及び細部動作に関しても適宜変更可能である。

また、本実施の形態では、図５に示すような送信パルス信号を生成したが、例えば、図７に示すように、送信パルス信号の出力タイミングを変更するようにしてもよい。ここで、図７の矢印はＹ軸を表しており、パラメーターｔを変更することで中心位置がスライドしていくことを示している。このときの送信パルス信号の波形をフーリエ変換すると、下記式（４）のように表すことができる。なお、下記式（４）において表される送信パルス信号は、１周期が２Ｔであって関数ｆ（ｘ−ｔ）で表される。また、下記式（４）において、ωは周波数を表し、ｉは虚数単位を表し、ｔは時間方向遅延量を表す。

上記式（４）に示すように、この場合、送信パルス信号の全体に対して係数「ｅ^ｉｔ」が周波数特性として掛ることとなる。これにより、遅延量ｔに依存して、送信パルス信号の周波数特性は周期的な影響を受けるが、基本パルス信号に対して所定の大きさの振幅であって一定の周期性を有する周期信号が、図６において示されたような、送信パルス信号に対する超音波探触子の周波数応答特性の双峰性にかかり、その性質は影響を受けるものの潜在的には保持されると考えられる。

また、本実施の形態では、基本パルス信号の始期に第１のパルス信号を設定し、これに連続して第２のパルス信号及び第１のパルス信号を設定して送信パルス信号を生成するようにしたが、第１のパルス信号及び第２のパルス信号を設定する位置はこれに限らず、好ましい周波数応答特性を得るために、適宜の位置に設定してもよい。
また、第１のパルス信号と第２のパルス信号の配置順は、上述した順序に限らず、好ましい周波数応答特性を得るために、適宜設定してもよい。
また、２つの第１のパルス信号と第２のパルス信号が連続して配置されたものでなくてもよい。
すなわち、２つの第１のパルス信号は第２のパルス信号に対して時系列的に対称に配置されるものでなくてもよい。

Ｓ超音波画像診断装置
１超音波画像診断装置本体
２超音波探触子
２ａ振動子
１２送信部
１２２パルス発生回路
１２３パルス幅設定部

Claims

駆動信号によって被検体に向けて送信超音波を出力するとともに、被検体からの反射超音波を受信することにより受信信号を出力する超音波探触子と、
前記駆動信号を出力することにより前記超音波探触子によって前記送信超音波を生成させる送信部と、
を備えた超音波画像診断装置において、
前記送信部は、パルス周期が２Ｔである基本パルス信号に、パルス幅Ａ（Ａ＜Ｔ）である同極性の２つの第１のパルス信号と、該第１のパルス信号とは極性の異なるパルス信号であって、パルス幅Ｂ（Ｂ＝Ｔ−２Ａ）である第２のパルス信号とを合成して、下記式を含んで表される矩形駆動波形である矩形波の前記駆動信号を生成することを特徴とする超音波画像診断装置。

ここで、ωは周波数、ｉは虚数単位である。
前記送信部は、前記２つの第１のパルス信号が前記第２のパルス信号に対して時系列的に対称となる位置に配置されるように前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の超音波画像診断装置。
前記送信部は、前記第１のパルス信号のパルス幅Ａを前記第２のパルス信号のパルス幅Ｂよりも小さくして前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波画像診断装置。
前記送信部は、前記２つの第１のパルス信号のうちの一が前記駆動信号の始期となるように前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。
前記送信部は、前記第１のパルス信号のパルス幅Ａ及び前記第２のパルス信号のパルス幅Ｂを可変可能としたことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波画像診断装置。