JP5906281B2

JP5906281B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP5906281B2
Application number: JP2014124536A
Authority: JP
Inventors: 慎吾吉澤; 将則久津
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: US20170150947A1; EP3158938A4; CN106470611A; JP2016002281A; EP3158938A1; WO2015194253A1

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に、超音波の高調波を利用する装置に関する。

生体内を伝播する超音波の非線形効果により発生する高調波成分を利用したハーモニックイメージング技術が知られている。体表付近では超音波の伝播距離が短く高調波成分がほとんど発生しないため多重エコーなどのアーティファクトの影響を受け難いこと、高調波成分が音圧の２乗に比例して発生するためサイドローブが低減されてコントラスト分解能が向上することなどの理由から、ハーモニックイメージングの機能を搭載した超音波診断装置は広く普及している。

また、超音波の送受に係る技術として送信開口合成が知られている（例えば特許文献１参照）。整相加算処理等により超音波ビームを形成して走査する方式に代わる技術として送信開口合成は注目されている。

特開２００９−１０１１６５号公報

上述した背景技術に鑑み、本願の発明者は、例えばハーモニックイメージングを代表例とする超音波の高調波に係る技術について研究開発を重ねてきた。特に、超音波の高調波に係る技術と送信開口合成に係る技術の複合に注目した。

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、超音波の高調波に係る技術と送信開口合成に係る技術の複合による改良技術を提供することにある。

上記目的にかなう好適な超音波診断装置は、超音波を送受するプローブと、音源の位置を異ならせつつ複数回に亘って超音波を送信するようにプローブへ送信信号を出力する送信部と、複数回に亘る送信の各回ごとにプローブから超音波の受信信号を得る受信部と、複数回に亘って得られた超音波の受信信号を合成する合成処理部と、合成された超音波の受信信号から高調波成分を抽出する高調波抽出部と、抽出された高調波成分に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、複数回に亘る送信の時間間隔を調整して送信信号の送信電圧を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

上記装置において、プローブは、各々が超音波を送受する複数の振動素子を備えていることが望ましい。また、音源の位置は、例えば、プローブの送受波面上（その近傍を含む）であってもよいし、プローブから離れた位置、例えば送信フォーカス位置が仮想的な音源とされてもよい。また、高調波成分は、例えば、バンドパスフィルタ（ハイパスフィルタ）を利用して抽出されてもよいし、パルスインバージョン等の公知の手法により抽出されてもよい。

上記装置によれば、送信電圧を制御するにあたり、送信の時間間隔を調整することにより、例えば送信電圧の許容範囲を変更することができる。これにより、例えば、所望の送信エネルギーを超えないように送信電圧を制御すること等が可能になる。

望ましい具体例において、前記制御部は、標準状態として設定された標準電圧の√ｍ倍（ｍは１よりも大きい実数）となるように送信電圧を制御することを特徴とする。これにより、例えば、高調波成分の信号値を標準状態のｍ倍とすることができる。

望ましい具体例において、前記制御部は、標準電圧の√ｍ倍となるように送信電圧を制御するにあたり、標準状態として設定された標準時間のｍ倍となるように送信の時間間隔を調整することを特徴とする。これにより、例えば、標準状態の送信エネルギーを維持しつつ、高調波成分の信号値を標準状態のｍ倍とすることができる。

望ましい具体例において、前記制御部は、複数回に亘る送信の時間間隔を調整して送信信号の送信電圧を制御するにあたり、調整された送信の時間間隔に応じて送信の回数を設定することを特徴とする。調整された送信の時間間隔に応じて送信の回数を設定することにより、例えば、送信の時間間隔の調整に伴うフレームレートの変動を抑制することができる。

望ましい具体例において、前記制御部は、標準状態として設定された標準時間のｍ倍（ｍは１よりも大きい実数）となるように送信の時間間隔を調整し、標準状態として設定された標準回数の１／ｍ倍となるように送信の回数を設定することを特徴とする。これにより、例えば、標準状態のフレームレートを維持することができる。

望ましい具体例において、前記制御部は、標準状態として設定された標準時間のｍ倍となるように送信の時間間隔を調整し、標準状態として設定された標準回数の１／ｍ倍となるように送信の回数を設定し、さらに、標準状態として設定された標準電圧の√ｍ倍となるように送信電圧を制御することを特徴とする。これにより、例えば、標準状態の送信エネルギーとフレームレートを維持しつつ、高調波成分の信号対雑音比を標準状態の√ｍ倍とすることができる。

本発明により、超音波の高調波に係る技術と送信開口合成に係る技術の複合による改良技術が提供される。

本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成を示す図である。送信開口合成の具体例１を説明するための図である。送信開口合成の具体例２を説明するための図である。制御部による制御の具体例を示す図である。

図１は、本発明の実施において好適な超音波診断装置の全体構成図である。プローブ１０は、診断対象を含む領域に超音波を送受する超音波探触子である。プローブ１０は、超音波を送受する複数の振動素子を備えており、例えばリニア型またはセクタ型の超音波探触子であることが望ましいものの、他の型（タイプ）の超音波探触子でもよい。

送信部１２は、音源の位置を異ならせつつ複数回に亘って超音波を送信するようにプローブ１０へ送信信号を出力する。受信部１４は、複数回に亘る送信の各回ごとにプローブ１０から超音波の受信信号を得る。複数回に亘って得られた超音波の受信信号は、記憶部１６に記憶される。

合成処理部２０は、記憶部１６に記憶された受信信号（受信信号データ）、つまり複数回に亘って得られた超音波の受信信号を合成処理する。送信部１２，受信部１４，合成処理部２０は、送信開口合成と称される送受信処理を実行して、合成された超音波の受信信号を得る。

図２は、送信開口合成の具体例１を説明するための図である。図２には、音源の位置を異ならせつつ送信１から送信Ｎ（Ｎは自然数）までのＮ回の送信を行い、受信１から受信ＮまでのＮ回の受信信号を得て、Ｎ回の受信信号を合成処理することにより合成処理後のフレームデータを得る具体例が図示されている。図２において、プローブ１０は、Ｎ個の振動素子を備えており、各振動素子が矩形で示されて矩形内に素子番号（１〜Ｎ）が付されている。

図２の具体例１では、各回の送信において１個の振動素子から超音波が送信され、各回の受信においてＮ個の振動素子により超音波が受信される。例えば、１回目の送信では、振動素子１のみから超音波が送信（送波）され、送信された超音波に伴う反射波が振動素子１〜Ｎの各々において受信（受波）される。つまり、振動素子１〜Ｎの各々において超音波の受信信号が得られる。また、２回目の送信では、振動素子２のみから超音波が送信され、送信された超音波に伴う反射波が振動素子１〜Ｎの各々において受信される。同様に３回目以降の送信と受信が繰り返され、Ｎ回目の送信では、振動素子Ｎのみから超音波が送信され、振動素子１〜Ｎの各々において超音波の受信信号が得られる。

また、図２の具体例１では、各回の受信において、破線で示すＮ本のビームラインに対応したＮ本の受信ビームが形成される。つまり、振動素子１〜Ｎが受信した受信信号に基づいて、各ビームライン上における複数サンプル点の各々を受信フォーカスとして各受信ビームが形成され、各ビームラインに対応した受信信号（受信ビーム信号）が得られる。図２には、各ビームライン上における複数サンプル点のうちの代表例としてサンプル点Ｐが図示されている。

合成処理部２０は、受信１から受信Ｎまでの複数回に亘る受信信号を合成処理することにより、合成された受信信号で構成されるフレームデータを得る。図２の具体例１において、合成処理部２０は、受信１から受信Ｎまでの受信信号（受信ビーム信号）に含まれる各サンプル点の受信信号を加算処理することにより、当該サンプル点に関する合成処理後の受信信号を得る。例えば、受信１から受信Ｎまでの受信信号に含まれるサンプル点ＰにおけるＮ個の受信信号が加算処理され、サンプル点Ｐにおける合成処理後の受信信号が得られる。

図２の具体例１により、各サンプル点において送信フォーカスと受信フォーカスの両方を実現しつつ、複数サンプル点における受信信号からなる合成処理後のフレームデータを得ることができる。

なお、各回の受信において受信ビームを形成せずに、例えば、各回の受信において振動素子１〜Ｎの各々から受信信号を得て、受信１から受信ＮまでのＮ回に亘る受信信号を合成処理することにより、合成処理後のフレームデータを得るようにしてもよい。

また、いくつかの振動素子を間に挟んで離散的にＭ個（ＭはＮより小さい自然数）の振動素子によりＭ回の送信を行い、各回の受信においてＮ個の振動素子により超音波を受信し、Ｍ回に亘って得られる受信信号を合成処理して、合成処理後のフレームデータを得るようにしてもよい。Ｍ回の送信を行うにあたっては、例えば、音源（超音波を送信する振動素子）の位置を一定間隔とすることが望ましいものの、音源の間隔は一定間隔に限定されない。

図３は、送信開口合成の具体例２を説明するための図である。図３の具体例２では、送信フォーカスにより仮想的な音源が実現され、仮想的な音源の位置を異ならせつつ送信１から送信Ｎ（Ｎは自然数）までのＮ回の送信が行われ、受信１から受信ＮまでのＮ回の受信信号を得て、Ｎ回の受信信号を合成処理することにより合成処理後のフレームデータが得られる。図３に示すプローブ１０も、Ｎ個の振動素子を備えており、各振動素子が矩形で示されて矩形内に素子番号（１〜Ｎ）が付されている。

図３の具体例２では、各回の送信において送信フォーカスが実現されるように数個の振動素子から超音波が送信され、各回の受信においてＮ個の振動素子により超音波が受信される。例えば、１回目の送信では、送信フォーカスＦ１を焦点として振動素子１〜５から超音波が送信（送波）され、送信された超音波に伴う反射波が振動素子１〜Ｎの各々において受信（受波）される。つまり、振動素子１〜Ｎの各々において超音波の受信信号が得られる。また、２回目の送信では、送信フォーカスＦ２を焦点として振動素子２〜６から超音波が送信され、送信された超音波に伴う反射波が振動素子１〜Ｎの各々において受信される。同様に３回目以降の送信と受信が繰り返され、Ｎ回目の送信では、振動素子Ｎとその近傍の振動素子から送信フォーカスＦＮを焦点として超音波が送信され、振動素子１〜Ｎの各々において超音波の受信信号が得られる。

また、図３の具体例２では、各回の受信において、破線で示すＮ本のビームラインに対応したＮ本の受信ビームが形成される。つまり、振動素子１〜Ｎが受信した受信信号に基づいて、各ビームライン上における複数サンプル点の各々を受信フォーカスとして各受信ビームが形成され、各ビームラインに対応した受信信号（受信ビーム信号）が得られる。図３には、各ビームライン上における複数サンプル点のうちの代表例としてサンプル点Ｐが図示されている。

合成処理部２０は、受信１から受信Ｎまでの複数回に亘る受信信号を合成処理することにより、合成された受信信号で構成されるフレームデータを得る。図２の具体例１と同様に、図３の具体例２においても、合成処理部２０は、受信１から受信Ｎまでの受信信号（受信ビーム信号）に含まれる各サンプル点の受信信号を加算処理することにより、当該サンプル点に関する合成処理後の受信信号を得る。例えば、受信１から受信Ｎまでの受信信号に含まれるサンプル点ＰにおけるＮ個の受信信号が加算処理され、サンプル点Ｐにおける合成処理後の受信信号が得られる。

また、仮想的な音源（送信フォーカスＦ１，Ｆ２，・・・）の間隔を広げて、例えばＭ個（ＭはＮより小さい自然数）の送信フォーカスＦ１〜ＦＭの各々を焦点としてＭ回の送信を行い、各回の受信においてＮ個の振動素子により超音波を受信し、Ｍ回に亘って得られる受信信号を合成処理して、合成処理後のフレームデータを得るようにしてもよい。Ｍ回の送信を行うにあたっては、例えば、仮想的な音源（送信フォーカスＦ１〜ＦＭ）の位置を一定間隔とすることが望ましいものの、音源の間隔は一定間隔に限定されない。

図１に戻り、高調波抽出部３０は、合成処理部２０から得られる合成後の受信信号に含まれる高調波成分を抽出する。高調波抽出部３０は、合成処理部２０から合成後のフレームデータ（図２，図３参照）を得て、フレームデータに含まれる合成後の受信信号、例えば各ビームラインに対応した合成後の受信信号から高調波成分（例えば２次高調波成分）を抽出する。高調波成分は、例えば、バンドパスフィルタ（ハイパスフィルタ）を利用して抽出されてもよいし、パルスインバージョン等の公知の手法により抽出されてもよい。

画像形成部４０は、高調波抽出部３０において抽出された高調波成分に基づいて超音波画像（画像データ）を形成する。画像形成部４０は、例えばハーモニックイメージングの超音波画像を形成する。画像形成部４０において形成された超音波画像は、表示部４２に表示される。

制御部５０は、図１に示す超音波診断装置内を全体的に制御する。図１の超音波診断装置は、例えば、マウス、キーボード、トラックボール、タッチパネル、ジョイスティック等の操作デバイスを備えていることが望ましい。そして、制御部５０による全体的な制御には、操作デバイス等を介してユーザから受け付けた指示も反映される。

図１に示す構成（符号を付した各部）のうち、送信部１２，受信部１４，合成処理部２０，高調波抽出部３０，画像形成部４０の各部は、例えば電気電子回路やプロセッサ等のハードウェアを利用して実現することができ、その実現において必要に応じてメモリ等のデバイスが利用されてもよい。また、上記各部に対応した機能が、ＣＰＵやプロセッサやメモリ等のハードウェアと、ＣＰＵやプロセッサの動作を規定するソフトウェア（プログラム）との協働により実現されてもよい。

記憶部１６の好適な具体例は半導体メモリやハードディスク等であり、表示部４２の好適な具体例は液晶ディスプレイ等である。制御部５０は、例えば、ＣＰＵやプロセッサやメモリ等のハードウェアと、ＣＰＵやプロセッサの動作を規定するソフトウェア（プログラム）との協働により実現することができる。

図１の超音波診断装置において、制御部５０は、ハーモニックイメージングにおいて送信開口合成を利用する場合に、複数回に亘る送信の時間間隔を調整して送信信号の送信電圧を制御する。さらに、制御部５０は、複数回に亘る送信の時間間隔を調整して送信信号の送信電圧を制御するにあたり、調整された送信の時間間隔に応じて送信の回数を調整する。

送信電圧は、送信部１２からプローブ１０の各振動素子へ出力される送信信号の最大電圧（例えば送信パルス波形内の最大電圧）であり、送信の時間間隔は、送信開口合成の複数回に亘る送信における送信と送信の間の時間（つまりパルス繰り返し周期：ＰＲＴ）であり、送信の回数は、送信開口合成における送信の回数である。

超音波診断装置には、被検者に対する安全性の観点から、設計上の様々な規制値（例えば、Ｉｓｐｔａ，ＭＩ，ＴＩ，プローブ表面温度上昇など）が設けられている。様々な規制値の中で、特に、プローブ表面温度上昇が最も厳しい条件となる場合が多い。プローブ表面温度上昇は、プローブ１０に投入される電力エネルギーに比例する。つまり、プローブ表面温度上昇は、投入電力と１／ＰＲＴとの積に比例し、従って、送信電圧の２乗と１／ＰＲＴとの積に比例する。

一般にＰＲＴは、診断したい深さまで超音波が往復する時間に応じて決定される。そこで、診断したい深さを基準として装置に標準設定されたＰＲＴ、つまり標準状態として設定されたＰＲＴ（送信の時間間隔）を標準ＰＲＴとする。また、標準ＰＲＴのときに、プローブ表面温度上昇の制限に従う（制限を超えない）最大の送信電圧を標準送信電圧Ｖとする。

図１の超音波診断装置において、制御部５０は、ハーモニックイメージングにおいて送信開口合成を利用する場合に、ＰＲＴを標準ＰＲＴよりも長く（大きく）設定する。例えば、送信開口合成におけるＰＲＴ（送信の時間間隔）を標準ＰＲＴのｍ倍（ｍは１よりも大きい実数）とする。

ＰＲＴを標準ＰＲＴのｍ倍とすることにより、プローブ表面温度上昇の制限に従う最大の送信電圧を、標準送信電圧Ｖの√ｍ倍まで高めることが可能になる。プローブ表面温度上昇は、プローブ１０に投入される電力エネルギーに比例し、従って、送信電圧の２乗と１／ＰＲＴの積に比例するためである。

さらに、制御部５０は、調整されたＰＲＴ（送信の時間間隔）に応じて送信の回数を調整する。つまり、標準状態として設定された標準送信回数が調整される。制御部５０は、例えば、ＰＲＴを標準ＰＲＴのｍ倍とした場合に送信の回数を標準送信回数の１／ｍ倍にする。これにより、標準状態におけるフレームレートが維持される。

送信電圧を標準送信電圧Ｖの√ｍ倍とすることにより、ハーモニック信号（受信信号から抽出される高調波成分）は、標準送信電圧Ｖの場合のｍ倍となる。ハーモニック信号（例えば２次高調波成分）は、送信電圧の２乗に比例するためである。したがって、送信電圧が標準送信電圧Ｖの√ｍ倍となると、電気ノイズは変わらないので、ハーモニック信号のＳＮＲ（信号対雑音比）は標準送信電圧Ｖの場合のｍ倍となる。

一方、送信開口合成において送信の回数を標準送信回数の１／ｍ倍とすると、ＳＮＲは標準送信回数の場合の（１／√ｍ）倍となる。

送信電圧の調整に伴うＳＮＲの向上分（ｍ倍）と、送信回数の調整に伴うＳＮＲの変化（１／√ｍ倍）とにより、総じて、ＳＮＲは√ｍ倍となる。つまり、送信開口合成によるハーモニックイメージングにおいて、プローブ表面温度上昇の制限を遵守しつつ、ＳＮＲを向上することが可能になる。また、上述したとおり、標準状態におけるフレームレートを維持することもできる。

一般に、送信開口合成における送信回数が少なくなるにつれて、超音波の送受信特性が劣化して、サイドローブやグレーティングローブ等のアーティファクトが増える傾向にある。ハーモニックイメージングにおいては、もともと、これらのアーティファクトが少ないため、送信開口合成における送信回数の減少をある程度まで許容できる。但し、ｍを大きくしすぎると、つまり送信回数が減少しすぎると、アーティファクト等の影響が無視できなくなると考えられる。そのため、画像のＳＮＲの向上と画像に現れるアーティファクト等のバランスに応じて、適宜にｍを設定することが望ましい。

図４は、制御部５０による制御の具体例を示す図である。図４には、ハーモニックイメージングにおいて送信開口合成を利用した場合における、送信時間間隔（ＰＲＴ）等の制御に係る具体例が図示されている。

上述したとおり、制御部５０は、送信時間間隔（ＰＲＴ）を標準ＰＲＴのｍ倍とし、最大の送信電圧を、標準送信電圧Ｖの√ｍ倍とし、送信回数を標準送信回数の１／ｍ倍にする。これにより、ハーモニック信号が標準送信電圧Ｖの場合のｍ倍となり、ＳＮＲが標準状態の場合の√ｍ倍となる。

また、図４には、ハーモニックイメージとの比較のために、基本波モードにおいて送信開口合成を利用した場合の比較例が図示されている。基本波モードにおいては、受信信号に含まれる基本波成分（基本波信号）が利用される。送信電圧が標準送信電圧Ｖの√ｍ倍とされると、基本波成分は、標準送信電圧Ｖの場合の√ｍ倍となる。したがって、基本波モードにおいて、送信電圧が標準送信電圧Ｖの√ｍ倍となると、ＳＮＲ（信号対雑音比）は、標準送信電圧Ｖの場合の√ｍ倍となる。一方、送信開口合成において送信回数を標準送信回数の１／ｍ倍とすると、ＳＮＲは、標準送信回数の場合の（１／√ｍ）倍となる。基本波モードでは、送信電圧の調整に伴うＳＮＲの向上分（√ｍ倍）と、送信回数の調整に伴うＳＮＲの変化（１／√ｍ倍）とにより、総じてＳＮＲは１倍となりＳＮＲが向上しない。

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。

１０プローブ、１２送信部、１４受信部、１６記憶部、２０合成処理部、３０高調波抽出部、４０画像形成部、４２表示部、５０制御部。

Claims

超音波を送受するプローブと、
音源の位置を異ならせつつ複数回に亘って超音波を送信するようにプローブへ送信信号を出力する送信部と、
複数回に亘る送信の各回ごとにプローブから超音波の受信信号を得る受信部と、
複数回に亘って得られた超音波の受信信号を合成する合成処理部と、
合成された超音波の受信信号から高調波成分を抽出する高調波抽出部と、
抽出された高調波成分に基づいて超音波画像を形成する画像形成部と、
複数回に亘る送信の時間間隔を調整し且つ送信信号の送信電圧を制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、診断したい深さまで超音波が往復する時間に応じて決定された標準時間のｍ倍（ｍは１よりも大きい実数）となるように送信の時間間隔を調整し、且つ、前記標準時間のときにプローブ表面温度上昇の制限を超えない最大の送信電圧として設定された標準電圧の√ｍ倍となるように送信電圧を制御する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記制御部は、前記調整された送信の時間間隔に応じて、音源の位置を異ならせつつ行われる前記複数回に亘る送信の回数を設定する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項２に記載の超音波診断装置において、
前記制御部は、前記標準時間のｍ倍（ｍは１よりも大きい実数）となるように送信の時間間隔を調整し、当該調整前の前記複数回に亘る送信の回数である標準回数の１／ｍ倍となるように前記複数回に亘る送信の回数を調整する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項３に記載の超音波診断装置において、
前記制御部は、前記標準時間のｍ倍となるように送信の時間間隔を調整し、前記標準回数の１／ｍ倍となるように前記複数回に亘る送信の回数を設定し、さらに、前記標準電圧の√ｍ倍となるように送信電圧を制御する、
ことを特徴とする超音波診断装置。