JP5950599B2 - 被検体情報取得装置、被検体情報取得方法及びプログラム - Google Patents

被検体情報取得装置、被検体情報取得方法及びプログラム Download PDF

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Description

本発明は、被検体情報取得装置、被検体情報取得方法及びプログラムに関する。特に、被検体に弾性波を送信し、被検体内で反射した弾性波を受信して被検体内の情報を取得する技術に関する。
医療等の現場において被検体情報取得装置である超音波診断装置は広く用いられている。超音波診断装置は生体内の音響インピーダンス分布を反映した形態情報だけでなく、ドップラ技術を用いた血流速度情報などの対象物の移動情報も取得可能である。
血流速度情報を取得する際には、血液が存在する領域からの反射波を用いる。この血液が存在する領域からの反射波は、主に血液に含まれる赤血球から反射、散乱した弾性波(典型的には超音波)である。一般的な超音波診断装置で用いられる超音波の波長は赤血球のサイズよりも長いため、一つ一つの赤血球を区別することはできない。結果として、血液が存在する領域からの反射波は、複数の赤血球で形成される散乱体の集合体(散乱体群)の様相(個々の赤血球の形態や向き、相対位置など)を反映したものとなる。
赤血球で形成される散乱体群からの反射波を用いて血流速度情報を抽出するには、その反射波のドップラシフト周波数を求める技術がよく用いられる。しかしこのようなドップラシフト周波数を測定する手法は原理的には、血流速度の内、超音波ビームの送受信方向(走査線方向)への射影成分のみが測定可能である。つまり、本来の血流速度を求めるためには血流方向と超音波の送受信方向とで成す角度を考慮した補正をする必要がある。この補正は、血流方向と超音波の送受信方向とで成す角度の余弦によって、ドップラシフト周波数から推定された流速を除する処理であり、その角度が大きくなればなるほど誤差も大きくなる可能性が高まる。
そこで、特許文献1には、超音波の送受信方向に対して垂直な方向に進行する血流であっても流速が計測可能な例が開示されている。特許文献1は断層像内の2点について、超音波ビームの反射/散乱波形に関する2点間の相互相関値を計算し、2点間の相互相関値がピークとなる時間で2点間の距離を除することにより、血流速度を取得する。
特開昭61−187843号公報
ところで、血液中の赤血球は血管内を流れると共にその分布を変化させてゆく。つまり、たとえ同じ赤血球が複数集まって構成される散乱体群であっても、赤血球の形態や向き、相対的な配置が変化していく。この変化により、異なる時間で取得された反射波の受信信号(反射波を受信することにより取得される受信信号)を用いて算出された相互相関値(相互相関係数)は、取得された時間の差が大きくなるとともに低下してゆく。
このような取得時間差の拡大と共に相互相関値が低下してゆく現象が生じる場合、その散乱体群の相対位置変化を含む散乱体群の時間変化を勘案して血流速度情報を推定しないと誤差を生じることがある。
本発明は、上記課題に鑑み、被検体内の対象物である散乱体群の時間変化をも考慮して血流速度等の移動情報を算出することで、対象物の移動情報の取得精度を向上させることを目的とする。
本発明の被検体情報取得装置は、被検体内の対象物の移動情報を取得する被検体情報取得装置であって、
被検体に弾性波が送信され、前記被検体内の各位置で反射された反射波を受信した複数の変換素子から出力される複数の受信信号を用いて、前記被検体内の各位置からの反射波に対応する信号を走査線信号として複数取得する走査線信号取得手段と、
複数の前記走査線信号を用いて、前記対象物の移動情報を取得する処理部を有し、
前記処理部は、異なる位置の走査線信号同士の相互相関値を複数用いて、時間差の軸と距離差の軸との2軸で表される平面上における相互相関値の等高線に基づいて前記対象物の移動情報を取得することを特徴とする。
また、本発明の被検体情報取得方法は、被検体内の対象物の移動情報を取得する被検体情報取得方法であって、
被検体に弾性波が送信され、前記被検体内の各位置で反射された反射波を受信した複数の変換素子から出力される複数の受信信号を用いて、前記被検体内の各位置からの反射波に対応する信号を走査線信号として複数取得するステップと、
複数の前記走査線信号を用いて、前記対象物の移動情報を取得するステップと、を有し前記移動情報を取得するステップでは、異なる位置の走査線信号同士の相互相関値を複数用いて、時間差の軸と距離差の軸との2軸で表される平面上における相互相関値の等高線に基づいて前記対象物の移動情報を取得することを特徴とする。
本発明によれば、被検体内の対象物である散乱体群の時間変化を考慮し、対象物の移動情報を高精度に取得することが可能となる。
本発明による被検体情報取得装置のシステム概要を示すブロック図である。 相互相関値の等高線を示す図である。 被検体及び散乱体群を模式的に示した図である。 本発明による処理の概念を説明するための図である。 本発明による処理ステップを示したフローチャートである。 被検体及び散乱体群を模式的に示した図である。 第1の実施形態の処理の概念を説明するための図である。 第1の実施形態の表示の一例を示した模式図である。 第2の実施形態の処理の概念を説明するための図である。 第2の実施形態の処理ステップを示したフローチャートである。 第3の実施形態のシステム概要を示すブロック図である。 速度分布を取得する処理の概念を説明するための図である。
本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。本発明において、弾性波とは、典型的には超音波であり、音波、超音波、音響波、と呼ばれる弾性波を含む。本発明の被検体情報取得装置とは、被検体に弾性波を送信し、被検体内部で反射した反射波(反射した弾性波)を受信して、被検体情報を画像データとして取得する装置を含む。取得される被検体情報とは、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した情報や、被検体内の対象物の移動情報である。被検体内の対象物の移動情報とは、赤血球で形成される散乱体群等の移動速度に相当する血流の速度や速度分布等の速度情報、被検体内の組織の変位や変位分布等の変位情報を含む。
(被検体情報取得装置の基本的な構成)
本発明が適用できる被検体情報取得装置の構成について図1を用いて説明する。図1は本発明による被検体情報取得装置のシステム概要を示す図である。本実施形態の被検体情報取得装置は、探触子001、受信回路系005、送信回路系003、整相加算ブロック006、相関算出ブロック007、相関パターン処理ブロック008、画像生成ブロック009、画像処理ブロック010、システム制御部004、画像表示手段011、を備える。探触子001は弾性波を複数位置に送信して反射波を受信する送受信器であり、弾性波を電気信号に変換する変換素子002を複数有する。なお、画像表示手段011は、本発明の被検体情報取得装置とは別に提供されていてもよい。
本発明において、整相加算手段である整相加算ブロック006は、被検体内の各位置の信号(つまり、各位置で反射した弾性波に対応する信号)を走査線信号として複数取得する走査線信号取得手段である。また、相関算出手段である相関算出ブロック007と、相関処理手段である相関パターン処理ブロック008と、で少なくとも本発明の処理部を構成する。
送信信号生成手段である送信回路系003は、システム制御部004からの制御信号に従って、注目位置や注目方向に応じた遅延時間や振幅を有する電圧波形を送信信号として生成する。この送信信号は複数の変換素子002によって弾性波に変換され、探触子001から被検体000内へと送信される。被検体000内部で反射された反射波(弾性波)は、複数の変換素子002によって複数の受信信号に変換される。複数の受信信号は受信信号処理手段である受信回路系005に入力される。
受信回路系005では複数の受信信号を増幅し、複数のデジタル信号に変換する。受信回路系005から出力された複数のデジタル信号は整相加算ブロック006に入力される。整相加算ブロック006では、弾性波を送信した方向や位置に応じて、複数のデジタル信号に対する遅延処理を行いさらに加算する、つまり整相加算処理を実行する。この整相加算処理は、被検体内の各位置で反射した反射波の音圧に対応する信号を走査線信号として生成する処理である。このように、複数の受信信号を用いて整相加算処理されることで得られる走査線信号は相関算出ブロック007と画像生成ブロック009とに入力される。
まず先に、画像生成ブロック009での処理について説明する。画像生成ブロック009では、入力された走査線信号に対して包絡線を算出し、包絡線信号として画像処理ブロック010へ出力する。この包絡線信号は夫々、被検体内の各位置の音響インピーダンスの違いを反映した信号である。また、画像生成ブロック009では入力された走査線信号に対してバンドパスフィルタをかけるなどの各種処理を必要に応じて行ってもよい。画像処理ブロック010では入力された包絡線信号に対して強度調整や各種フィルタ処理を行い、組織の音響インピーダンスの違いを反映した分布情報として、インピーダンス輝度データ(いわゆるB−mode像)を画像表示系011に出力する。
次に、相関算出ブロック007での処理について説明する。相関算出ブロック007では、システム制御部004からの指示に従い、入力された走査線信号同士の相互相関値(相互相関係数)を複数算出し、相関パターン処理ブロック008へ出力する。相関パターン処理ブロック008では入力された複数の相互相関値を用いて速度等の移動情報を算出し、画像処理ブロック010へ出力する。また、相関パターン処理ブロック008は、速度の値そのものだけでなく、速度に関するパラメータや各位置の速度を示す速度分布を移動情報として取得しても良い。相関算出ブロック007及び相関パターン処理ブロック008の詳細な機能は、図3−5を用いて後述する。
画像処理ブロック010では、入力された速度等の移動情報を処理し、移動情報輝度データとして画像表示系011に出力する。画像表示系011は入力された移動情報輝度データならびにインピーダンス輝度データを、システム制御部004からの指示に従い表示する。表示方法は、移動情報輝度データ及びインピーダンス輝度データを重畳して表示しても良いし、並べて表示してもよい。もちろん、夫々の輝度データのみを表示してもよい。表示モードは、システム制御部004からの指示によって変更可能である。以上が、本実施形態の被検体情報取得装置の基本的な構成である。
(散乱体群の時間変化を加味した相互相関値の挙動)
次に、相関算出ブロック007での具体的な処理を述べる前に、散乱体群からの反射波形の相互相関値の挙動に関して説明を行う。
散乱体群が時間変化(具体的には、散乱体の形態や向きの変化、相対的な位置変化)をする場合、ある注目位置に存在する散乱体群からの反射波形(走査線信号の波形に対応)と、そこからξだけ離れた注目位置に存在する散乱体群からの反射波形(走査線信号の波形に対応)とを考える。この場合、ある注目位置の走査線信号と、ある注目位置から距離ξだけ離れた注目位置の走査線信号と、の相互相関値は、ξが大きくなればなるほど、つまり2つの注目位置が離れるほど小さい値となる。また、散乱体群を構成する散乱体がその様相を変化(相対的な位置などを変化)させる場合、同じ散乱体で構成される散乱体群であっても異なる時間に反射された2つの反射波形同士の相互相関値は、時間の差τが大きくなればなるほど小さい値となる。つまり、注目位置が離れる、もしくは反射波の取得時間の差が大きくなるに従って相互相関値は低下してゆく。
図2(a)は、横軸を注目位置間の距離ξ、縦軸を反射波取得の時間差τにとって、相互相関値の等高線を引いた図を示す。散乱体群が移動していない場合、それぞれの軸に対称な楕円(円を含む)形状で近似できる等高線になる。軸の交点(原点)の位置、つまり注目位置間の距離0、時間差0の時に相互相関値は最大となる。
次に、散乱体群が速度vで移動している場合の相互相関値について考える。図2(a)の点P(注目位置間の距離差0、時間差τ0)に注目する。点Pは速度vで移動しているため、時間差τ0の間にv×τ0の距離を移動する。つまり、図2(b)の点P’の位置(注目位置間の距離差vτ0、時間差τ0)に移動することになる。つまり、PとP’を結ぶ直線と同じ方向に散乱体群が移動すると、この点P’は点Pと同じ相互相関値を有する。結果として、図2(a)で示した相互相関値の等高線は、図2(b)で示したように歪んだ楕円形状で近似できる。この時、図2(b)内の一点鎖線で示した直線(原点とP’とを結ぶ直線)は傾き1/vを有する直線となる。つまり、この直線の傾きは速度の逆数であるため、実線で示した楕円形状に近似される形状を求めることで、一点鎖線で示した直線、ひいては散乱体群の速度を求めることができる。また、この一点鎖線で示した直線は、各時間差における相互相関値の最大値となる点が繋がれた線を示す。つまり、ある時間差における、相互相関値の最大値(つまりある時間差におけるピーク)に関する情報を求めることで、散乱体群の速度を求めることができる。ある時間差における相互相関値の「最大値に関する情報」とは、相互相関値が最大となる距離差の情報等、相互相関値のピークが特定できる情報であればよい。
このように、散乱体群自身の時間変化まで考慮した場合、横軸を注目位置間の距離差、縦軸を反射波取得の時間差とし、その2軸で表される平面上での相互相関値の分布を取得することで、散乱体群の移動情報を取得することができる。
(基本的な処理フロー)
次に、図3から図5までを用いて、相関算出ブロック007ならびに相関パターン処理ブロック008での処理の詳細を説明する。
図3は、血管301内を流れる赤血球から構成される散乱体群302を模式的に示した図であり、図4は相関算出ブロック007ならびに相関パターン処理ブロック008における処理を説明するための図である。
相関算出ブロック007の処理に入る前に、前段の整相加算ブロック006において、複数の変換素子002が弾性波を送受信して得られた複数の受信信号を用いて整相加算が行われ、走査線信号が算出される。本実施形態において整相加算ブロック006は、図3における走査線303上と走査線304上の複数の走査線信号を算出する。本発明において走査線とは、探触子から送信される弾性波の進行方向に形成される仮想的な線を意味し、走査線信号は、走査線上のある位置における信号を意味する。つまり、1本の走査線は、弾性波の進行方向に走査線信号を並べて形成される仮想線である。
図5は相関算出ブロック007及び相関パターン処理ブロック008における処理の流れを示すフローチャートである。まず、ステップ500において、整相加算手段006で算出された、走査線303上と走査線304上の走査線信号が、相関算出ブロック007に入力される。
ステップ501では、相関算出ブロック007が、走査線303上の領域Qからの反射波の受信信号(反射波を受信した際に取得される受信信号)を用いた走査線信号X0、走査線304上の領域Q’からの反射波の受信信号を用いた走査線信号Y0を抽出する。つまり、領域Qの走査線信号X0と領域Q’の走査線信号Y0を抽出する。なお、領域Qと領域Q’との間は距離L離れている。その後、複数回の弾性波送受信を繰り返し、領域Qの走査線信号X1、X2、X3、X4、・・・、XN、領域Q’の走査線信号Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、・・・、YNを抽出してゆく(Nは正の整数)。
ステップ502で、相関算出ブロック007は、これら走査線信号同士の相互相関値R(ξ,τ)を、下記式を用いて算出し、出力する。ここでは例えば、走査線信号X0に対して、他の走査線信号(X1、X2、X3、・・・、XN、Y0、Y1、Y2・・・、YN)との相互相関値を夫々算出する。
Figure 0005950599
式中S(x,t)は、取得位置x、取得時間tでの走査線信号である。また、ξ=x2−x1、τ=t2−t1である。なお、uは相互相関値の算出に用いる走査線信号の抽出位置の調整に用いており、波長に相当する程度の時間幅で最大値の探索を行うことで、より安定的に相互相関値を算出可能である。
ステップ503では、相関パターン処理ブロック008に、相関算出ブロック007から出力された相互相関値が複数入力される。相関パターン処理ブロック008では、走査線信号X0と、その他の走査線信号と、の相互相関値を用いて領域Qと領域Q’との間の移動情報を推定する。
以下、相関パターン処理ブロック008の処理の一例を図4を用いて説明する。図4の横軸は2つの注目位置(領域Q、領域Q’)の距離差を示す。縦軸は走査線信号X0の取得時間からその他の走査線信号をそれぞれ取得した時間までの時間差(つまり、走査線信号X0が示す反射波の取得時間とその他の走査線信号が示す反射波の取得時間との差)を示す。点RX1、RX2、RX3、・・・、RXN、RY0、RY1、RY2、・・・、RYNは、この2軸からなる平面上の座標軸に、それぞれ算出された相互相関値をプロットした点である。たとえば、点RY0は、横軸が領域Qと領域Q’との距離(L)、縦軸が走査線信号X0を取得した時間と走査線信号Y0を取得した時間との時間差、となる位置に、走査線信号X0と走査線信号Y0との相互相関値をプロットしたものである。また、RX1、RX2、RX3、・・・、RXNは、同じ領域Qの走査線信号同士の相互相関値をそれぞれ取得時間差毎にプロットしたものである。
次にステップ504で、相関パターン処理ブロック008は、点RY0から点RYNまでの間で相互相関値が最大となる点A(L、τ’)を抽出する。この際、点RY0から点RYNまでのそれぞれの点の相互相関値そのものではなく、それぞれの相互相関値を補間してより正確に相互相関値が最大となる点を抽出しても構わない。
ステップ505では、点RX1から点RXNまでの間で、点Aと同等の相互相関値を有する点Bを抽出する。ステップ504と同様に点RX1から点RXNまでのそれぞれの相互相関値を補間してより正確に求めても構わない。このようにして求められた、点Aで接線(点RY0から点RY0で形成される)を有し点Bを通過する歪んだ楕円形状は、相互相関値の等高線を近似したものとなる。
さらにステップ506で、この歪んだ楕円形状上の、縦軸方向において最大値をとる点C(L0、τ0)を求める。この点Cと原点Oとを通る直線の傾きの逆数(L0/τ0)が、領域Qと領域Q’との間を散乱体群が通過する速度となる。
ステップ507で、相関パターン処理ブロック008はこのようにして求めた速度に関するパラメータを移動情報として画像処理ブロック010へ出力する。このように相関パターン処理ブロック008は、走査線信号X0と、その他の走査線信号と、の相互相関値を複数用いて領域Qと領域Q’との間の移動情報を取得することができる。
ここで、散乱体群の時間による変化を考慮せず、単純に領域Qと領域Q’とで取得した相互相関値のみを用いて速度を推定する場合を考える。その場合、走査線信号X0と、領域Q’で取得した走査線信号Y0からYNまでと、の相互相関値が最大となった点、つまり点A付近を、散乱体群が通過した時点であると想定することになる。その場合、算出される速度はL/τ’となり、真の値(L0/τ0)とは異なる。つまり、本発明は散乱体群の時間変化まで考慮することで、速度を算出する精度を向上させることが可能であることが分かる。
このように、複数の異なる位置で取得した相互相関値を少なくとも用いて移動情報を算出する場合、時間差の軸と距離差の軸との2軸で表される平面内での相互相関値の分布を取得することで、その算出精度を向上させることが可能となる。つまり、本発明においては、上記平面上での相互相関値の分布を取得することで、ある時間差における、相互相関値の最大値に関する情報を求めることができ、より精度の良い移動情報を求めることができる。
また、ここでは注目位置を領域Qと領域Q’の2点としたが、その限りではない(実施形態1−3参照)。さらに複数の点に着目することで2次元平面内、3次元空間内の速度分布等を移動情報として取得することが可能である。なお、走査線方向に関してはドップラ法によって求めた速度を用い、走査線方向ではない方向(例えば走査線方向と垂直な方向)に関しては、本発明の方法を用いて速度を算出することで、2次元平面内、3次元空間内の速度分布を取得することも可能である。つまり、本発明の方法とドップラ法とを組み合わせて速度分布等の移動情報を取得しても良い。
さらに、ここでは領域Qと領域Q’との走査線信号を別々のタイミングで取得する例を説明したが、両方の領域に対して同時に弾性波を送信し、両領域を同じタイミングで取得した場合であっても本発明は適用可能である。
以下、図面を用いて本発明による被検体情報取得装置の各実施形態を詳細に説明する。
<第1の実施形態>
本発明の第1の実施形態を、図1、図5、図6、図7を用いて説明する。本実施形態では、被検体情報を取得する範囲内において、弾性波のビーム(超音波パルス)を送受信する位置を順に移動させてゆく(つまり走査線信号を取得する位置を順に移動させていく)リニア電子走査等の制御を行った場合に、散乱体群の速度を求める例を述べる。本実施形態では、弾性波ビームを複数位置へ順番に送信する電子走査を2回以上行う。
本実施形態の被検体情報取得装置の装置構成は、図1を用いて説明した構成と同様のため各構成の説明は省略し、相関算出ブロック007及び相関パターン処理ブロック008での処理内容について前述とは異なる部分に絞って説明を行う。また、本実施形態の相関算出ブロック007及び相関パターン処理ブロック008での処理についても、図5を用いて説明したフローと基本的には同じであり、各ステップにおける前述とは異なる処理内容についてのみ詳細に説明を行う。図6は血管301内を流れる赤血球から構成される散乱体群302を模式的に示した図であり、図7は相関算出ブロック007ならびに相関パターン処理ブロック008における処理の概念を説明するための図である。
(第1の実施形態の処理フロー)
相関算出ブロック007の処理に入る前に、前段の整相加算ブロック006において、複数の変換素子002が弾性波を送受信して得られた複数の受信信号を用いて整相加算が行われ、走査線601から走査線606上の走査線信号が複数算出される。ここでは、2回以上の電子走査による複数の走査線信号が取得される。そして、ステップ500で、相関算出ブロック007にそれらの走査線信号が入力される。
ステップ501では、入力された複数の走査線信号のうち、1回目の電子走査による走査線信号として以下の走査線信号が抽出される。なお、それぞれの領域は距離pだけ離れている。
・走査線601上の領域Q1からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S1_0
・走査線602上の領域Q2からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S2_0
・走査線603上の領域Q3からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S3_0
・走査線604上の領域Q4からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S4_0
・走査線605上の領域Q5からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S5_0
・走査線606上の領域Q6からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S6_0
その後、送受信を繰り返し、さらに2回目の電子走査による走査線信号として以下の走査線信号が抽出される。
・領域Q1からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S1_1
・領域Q2からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S2_1
・領域Q3からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S3_1
・領域Q4からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S4_1
・領域Q5からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S5_1
・領域Q6からの反射波の受信信号を用いた走査線信号S6_1
ただし、ここでは、2回目の電子走査による走査線信号を示しているが、3回目の電子走査により得られる走査線信号でもよく、2回目以降であればよい。
ステップ502で、相関算出ブロック007はこれらの走査線信号同士の相互相関値を算出し出力する。ここでは例えば、走査線信号S1_0に関して、他の走査線信号(S1_1、S2_0、S2_1、S3_0,S3_1、S4_0,S4_1、S5_0,S5_1、S6_0,S6_1)との相互相関値を夫々算出する。ここで、走査線信号S1_0は、1回目の電子走査による走査線信号のうち所定の基準位置の走査線信号を示すものとする。つまり、本実施形態では、最初の送信位置である領域Q1を基準位置としている。ただし、本発明においては、基準位置は、必ずしも最初の送信位置に限定されず、領域Q1以外の位置(例えば領域Q3等)を基準位置としてもよい。例えば領域Q3を基準位置とした場合は、走査線信号S3_0と、その他の走査線信号と、の相互相関値を夫々算出するとよい。
ステップ503で、相関算出ブロック007から出力された相互相関値は、相関パターン処理ブロック008に入力される。相関パターン処理ブロック008は、走査線信号S1_0(1回目の電子走査における基準位置の走査線信号)とその走査線信号以外の走査線信号(S1_0以外の走査線信号)との相互相関値を用いて、領域Q1から領域Q5までの領域での移動情報を推定する。
以下、相関パターン処理ブロック008の処理の一例を図7を用いて説明する。図7の横軸は領域Q1と各領域Q2、Q3、Q4、Q5、Q6との距離差を示す。縦軸は走査線信号S1_0の取得時間とその他の走査線信号の取得時間との時間差(つまり、走査線信号S1_0が示す反射波の取得時間とその他の走査線信号が示す反射波の取得時間との差)を示す。図7の点RS2_0、RS3_0、・・・、RS6_0、RS1_1、RS2_1、・・・、RS6_1は、この2軸からなる平面上の座標軸に、それぞれ算出された相互相関値をプロットした点である。
例えば、点RS2_1は、横軸が領域Q1と領域Q2との距離p、縦軸が走査線信号S1_0と走査線信号S2_1との取得時間差、となる位置に、走査線信号S1_0と走査線信号S2_1との相互相関値をプロットしたものである。
次に、ステップ504で、点RS1_1から点RS6_1までの間で相互相関値が最大となる点A(p’、τ’)を抽出する。この際、それぞれの点の相互相関値そのものではなく、それぞれの相互相関値を補間してより正確に相互相関値が最大となる位置を抽出しても構わない。
ステップ505では、点RS2_0から点R6_0までの間で、点Aと同等の相互相関値を有する点Bを抽出する。ステップ504と同様に、それぞれの相互相関値を補間してより正確に点Aと同等の相互相関値を有する点を求めても構わない。このようにして求められた、点Aで接線(点RS1_1から点R6_1で形成される)を有し点Bを通過する歪んだ楕円形状は、相互相関値の等高線を近似したものとなる。
さらにステップ506で、この歪んだ楕円形状上の、縦軸方向において最大値をとる点C(p0、τ0)を求める。この点Cと原点Oとを通る直線の傾きの逆数(p0/τ0)が領域間を散乱体群が通過する速度となる。この直線は、上述したように、各時間差における相互相関値の最大値が繋がれた線を示している。
ここで、散乱体群の時間による変化を考慮せず、単純に取得した相互相関値のみを用いて速度を推定する場合を考える。その場合、走査線信号S1_0と、走査線信号RS1_1からRS6_1までとの相互相関値が最大となった点、つまり点A付近で散乱体群が通過した時点であると想定することになる。その場合、算出される速度はp’/τ’となり、真の値(p0/τ0)とは異なる。つまり、本実施形態は散乱体群の時間変化まで考慮することで、速度を推定する精度を向上させることが可能であることが分かる。具体的には、時間差の軸と距離差の軸との2軸で表される平面内での相互相関値の分布を取得することで、ある時間差における、相互相関値の最大値に関する情報を求めることができ、より精度の良い移動情報を求めることができる。
最後に、ステップ507で相関パターン処理ブロック008は以上のステップにより求めた速度に関するパラメータを移動情報として画像処理ブロック010へ出力する。このように、相関パターン処理ブロック008は、走査線信号X0と、その他の走査線信号と、の相互相関値を用いて散乱体群の移動情報を取得することができる。また、相関パターン処理ブロック008は、速度に関するパラメータだけでなく各位置の速度を示す速度分布として移動情報を取得しても良い。
最終的に求められた速度に関するパラメータや速度分布等の移動情報は、画像処理部010で表示用に画像処理され、画像表示系011で表示される。図8は表示の一例を示した模式図である。図8では、求められた速度分布を用いて、速度の大きさを計測点からの線分の長さで示し、速度を有する方向(散乱体群が流れる方向)をその線分の方向で示している。図8では線分を用いて表示したが、矢印を用いても良く、また速度の大きさを輝度値、色、太さなどで表現することも可能である。さらにその速度を有する方向を色別で表現しても良い。また、さらに速度分布を用いて、流線で表現しても構わない。本実施形態のように注目位置を横方向に並べて設定するだけでなく、さらに複数の点に着目することで2次元平面内、3次元空間内の速度分布を算出することが可能となる。
また、本実施形態では弾性波を送受信する位置を順に移動させて(つまり、電子走査により走査線を移動させながら)走査線信号を取得しているため、通常のB−mode像を取得しながら、速度分布を求めることが可能である。なお、走査線を移動させる方向を反転させて取得したデータも用いることによって、さらに精度を向上させることが可能である。
またさらに、散乱体群が移動している方向に対して、走査線を移動させる方向が交差するよう(典型的には逆向き)に設定することで、速度分布の算出精度を向上させることが出来る。よって、被検体内の散乱体群の移動方向を検知した後に、その移動方向に対して逆方向に走査線を移動させる制御を行っても良い。
ここで、図7を用いて上記の方法によって速度分布の算出精度が向上する理由を説明する。散乱体群が移動している方向に対して走査線の移動方向を反対の向きに設定し、図7中の1点鎖線で示した直線上の相互相関値を算出した場合、その1点鎖線において相互相関値が最大となるのは点Wであり、点Wは歪んだ楕円の接点となる。また、図7中の点Aは、散乱体群が移動している方向に対して走査線の移動方向を同じ向きに設定し、図7中の点線で示した直線上における相互相関値が最大となる点である(つまり楕円の接点である)。ここで、図7から分かるように、点Aと点Wとの位置で歪んだ楕円の曲率を比較すると点Wの方が曲率が大きく、それぞれの点を含む接線上で相互相関値の変化が大きいのは点Wを含む接線である。つまり、直線上の相互相関値が最大となる点を求める場合、点Wを含む接線の方が、点Aを含む接戦よりも高い精度で求めることができる可能性が高い。よって、散乱体群の移動方向に対して交差する向き(典型的には逆向き)に走査線を移動させることにより、結果的に速度分布の算出精度が向上することが期待できる。
<第2の実施形態>
本発明の第2の実施形態を、図1、図9、図10を用いて説明する。本実施形態ではランダムな複数の走査線信号の組合せで相互相関値を算出し、さらに精度良く安定に散乱体群の速度を求める例について説明する。
本実施形態の被検体情報取得装置の装置構成は、図1を用いて説明した構成と同様のため各構成の説明は省略し、相関算出ブロック007及び相関パターン処理ブロック008での処理内容について前述までとは異なる部分に絞って説明を行う。図9は、相関算出ブロック007ならびに相関パターン処理ブロック008における処理を説明するための図である。図10は相関算出ブロック007ならびに相関パターン処理ブロック008における処理フローを示すフローチャートである。
ステップ1000において、相関算出ブロック007に整相加算ブロック006から走査線信号が入力される。ここまでは基本的な処理フロー及び第1の実施形態の処理フローと同様である。
ステップ1001で、相関算出ブロック007は、入力された複数の走査線信号から注目位置の走査線信号を抽出する。図9(a)は相関算出ブロック007に入力された走査線信号の中で、抽出する注目位置の走査線信号の取得タイミングと取得位置とを示している。図9(a)の横軸は取得位置、縦軸は取得タイミング(取得時刻)である。例えば、点f3で表される走査線信号は取得位置が3Δξで、取得タイミングが2Δτである。
ステップ1002で、相関算出ブロック007は、このようにして取得されたM種類の走査線信号から2つの走査線信号を抽出し相互相関値を算出する。Mは正の整数を示す。M種類から選択するため、M×(M−1)/2の数の相互相関値を算出することが可能である。
ステップ1003で、相関算出ブロック007から出力された相互相関値は、相関パターン処理ブロック008に入力される。
ステップ1004で、相関パターン処理ブロック008は、入力された複数の相互相関値を用いて相互相関値の分布を推定する。図9(b)は、図9(a)の点f1から点f7の点で表せる走査線信号の組み合わせから算出できる相互相関値がプロットされている様子を示している。以下、いくつか例をあげて説明する。
点f1で表せる走査線信号と点f2で表せる走査線信号との相互相関値は、図9(b)の横軸Δξ、縦軸Δτの位置にプロットされる。点f1で表せる走査線信号と点f3で表せる走査線信号との相互相関値は、図9(b)の横軸3Δξ、縦軸2Δτの位置にプロットされる。また、点f4で表せる走査線信号と点f5で表せる走査線信号との相互相関値は、横軸Δξ、縦軸Δτの位置にプロットされる。点f1で表せる走査線信号と点f3で表せる走査線信号との相互相関値と、点f4で表せる走査線信号と点f6で表せる走査線信号との相互相関値とは図9(b)において、同じ位置にプロットされる。このように、同じ位置にプロットされた相互相関値を平均していくことで、より安定的に相互相関値を算出することができ、速度推定の精度をさらに向上させることが出来る。このように、多数の点における相互相関値を入力として、以下の式を用いて相互相関値の分布を推定する。
Figure 0005950599
ρiは、距離差ξi、時間差τiの位置での相互相関値を示し、ρi’(ξ0,τ0,v)は、距離差ξ0、時間差τ0、速度vにおける相互相関値の理論値を示す。Nは相互相関値の分布推定に用いる相互相関値の組合せ数(プロットされた位置の種類数)である。例えば図9(b)の場合はN=13となる。また、αiは重みであり、例えば
Figure 0005950599
で求められるdiを用いて、αi=diや、αi=ρi×diなどのように設定可能である。時間差の軸と距離差の軸との2軸で表される平面上での原点から遠いほど楕円形状の推定精度が高い、また、相互相関値が高いほど信頼度が高い、と考えられるため、このような重みαiを用いることでさらに楕円形状の推定精度の向上が見込める。ここでの理論値とは、時間差の軸と距離差の軸との2軸で表される平面上での相互相関値の等高線が、楕円形状で近似できるとして、算出することが可能である。
またさらに、αiは同じ位置にプロットされた相互相関値の個数もしくはその個数を反映した係数(個数が増加するにつれて増加する係数)に設定しても良い。このように設定した場合、相互相関値を平均することによって精度が向上した相互相関値に、夫々重みをつけて相互相関値の分布推定を行うことができるため、さらに楕円形状の推定精度が向上する。
このように、本実施形態においても、時間差の軸と距離差の軸との2軸で表される平面内での相互相関値の分布を取得することで、ある時間差における、相互相関値の最大値に関する情報を求めることができ、より精度の良い移動情報を求めることができる。ステップ1005において、相関パターン処理ブロック008は、以上のステップで求めた速度に関するパラメータを移動情報として画像処理ブロック010へ出力する。画像処理ブロック010以降の処理は第1の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。
なお、図12(a)で示すように、時間差の軸と距離差の軸との2軸で表される平面内において、例えば原点に対して複数の方向に位置する位置(例えば図中の黒点に相当)での相互相関値を算出することで、散乱体群の進行方向によらず安定的に速度を算出することが出来る。また、図12(b)で示すように、時間差の軸と、x方向の距離差ξxの軸、x方向に垂直なy方向の距離差ξyの軸、の3軸で表される空間内において、例えば点線で示した半球面上の複数の点(図示しない)のような、原点に対して複数の方向に位置する位置での相互相関値を算出することで、散乱体群の移動情報を2次元平面内で取得することが可能である。
本実施の形態では、複数の走査線信号を組み合わせることで、より多くの相互相関値を算出することができるため、より正確に散乱体群の時間変化を考慮でき、安定して精度良く速度を求めることができる。さらに、SN比が低い信号を用いた相互相関値や、値が小さい相互相関値を、相関パターン処理ブロック008における相関値分布の推定に使用しないことで、さらに安定性を高めることができる。
また、速度を求めたい領域付近の走査線(例えば3本、もしくは5本など)上の走査線信号を多く用いることで、さらに精度の良い相互相関値ならびに速度の算出が可能となる。理論的には、横軸を注目位置間の距離差とし、縦軸を走査線信号の取得時間差とした座標空間上の相互相関値分布において、相互相関値を速度で偏微分した時に、その偏微分値が他の領域(座標点群)より大きくなる領域(座標点群)の相互相関値を用いることにより精度の良い速度算出が可能となる。そして、注目位置間の距離差が小さい領域に、大きな偏微分値をもった領域が現れることが多い。よって、観察する領域内において、近接する位置で得られた走査線信号同士を用いることが好ましい。特に、隣接する3本の走査線上の3点の走査線信号を用いることが好ましい。また、速度を求めたい領域付近の走査線をより多く用いるには、先述した重みを、その走査線信号の組合せによって求められた相互相関値に対して大きくしたり、単位時間当たりの送受信回数を他の領域と比較して多くしたりするなどの手法を用いることができる。
<第3の実施形態>
次に第3の実施形態について説明する。本実施形態は、血液の存在する領域のみ相互相関値の算出を行うことを特徴とする。図11は本実施の形態における被検体情報取得装置のシステム概略図を示す。本実施形態の装置構成は、図1の装置構成に加えて血流位置抽出ブロック012が加わっているが、それ以外の構成は基本的には図1の装置構成と同じであるため、前述までの実施形態とは異なる部分に絞って説明を行う。
本実施形態では、整相加算ブロック006から走査線信号が画像生成ブロック009、相関算出ブロック007、血管位置抽出ブロック012へそれぞれ出力される。画像生成ブロック009へ走査線信号が入力された後の処理は前述までの実施形態と同様であるためここでは説明を省略する。
血流位置抽出ブロック012では、整相加算ブロック006から入力された複数の走査線信号を用いて、パワードップラ処理を行う。このパワードップラ処理は、被検体内の血液(つまり、複数の赤血球からなる散乱体等の対象物)が存在する対象範囲を特定するための処理である。つまり血流位置抽出ブロック012は、本発明における対象範囲特定手段である。
ただし、本発明において、対象物が存在する対象範囲を特定する方法は、パワードップラ処理に限定されず、カラードップラー処理でもよい。また、通常のインピーダンス輝度データ(通常のB−mode画像等、被検体内の音響インピーダンスの違いを反映した分布の輝度データ)をもとに、血管等の対象範囲を抽出する方法でもよい。この場合は、例えば画像生成ブロック009と同様に、複数の走査線信号をもとに複数の包絡線信号を算出し、この包絡線信号を用いてインピーダンス輝度データを取得する。そして、この分布から、輝度がある一定以上の位置を抽出する等の処理を行うことで血管壁を抽出し、血管の範囲を対象範囲として取得することができる。さらに、インピーダンス輝度データの画像を画像表示系011に表示し、ユーザーにより指定された範囲を対象範囲として取得しても良い。
本実施形態では、対象範囲特定手段である血流位置抽出ブロック012は、パワードップラ処理によって抽出された血流が存在する対象範囲の情報をシステム制御部004へ出力する。
相関算出ブロック007ではシステム制御部004から入力された血流が存在する対象範囲の情報に従って、整相加算ブロック006から入力された走査線信号の内、血流が存在する対象範囲内の走査線信号のみを用いて相互相関値の算出を行う。その後の処理は基本的な処理フロー及び第1の実施形態、第2の実施形態と同様であるため省略する。
本実施の形態によれば、血流が存在する対象範囲のみ相互相関値の算出を行うため、計算の負荷が少なく、より小型の装置を提供することができる。
<第4の実施形態>
本実施形態は、同じ時刻に複数の位置の走査線信号を取得し、それらを用いることを特徴とする。本実施形態の被検体情報取得装置の構成は図1や図11を用いて説明した形態と基本的には同様のため、各構成の異なる機能部分に絞って説明を行う。
本実施形態では、同じ時刻に複数の方向もしくは位置に弾性波を送信し、その反射波を受信する処理を複数回行う。本発明において、「同じ時刻」に弾性波を送信するとは、厳密に同じ時刻の場合だけでなく、同じ時刻に弾性波を送信したとして受信信号を扱える程度の誤差を含んでいる場合も含む。
整相加算ブロック006は受信信号を用いて整相加算を行って走査線信号を複数算出する。相関算出ブロック007は、異なる時刻に送信された弾性波に対する(つまり、異なる送信時刻に送信した弾性波に基づく反射波に基づいており)、複数の異なる位置の走査線信号の相互相関値を複数算出する。
相関パターン処理ブロック008は、複数の相互相関値の中にピークが存在するかどうかを判定し、ピークが存在する場合は、その相互相関値がピークとなる位置を推定する。そして、そのピークとなる時間差と距離差とを基に、移動情報を算出する。また、複数の相互相関値の中に、ピークが存在しない場合は、前述した実施形態のいずれかの方法を用いて移動情報を算出する。なお、相互相関値の中にピークがある場合であっても、先述した実施形態のいずれかの手法を用いて移動情報を算出することも可能である。なお、本実施形態においては、ある領域に弾性波を送信し、その送信した領域の中で複数の方向もしくは位置に関して整相加算を行い、複数の走査線信号を算出することによっても適応可能である。
本実施形態の場合、前述の実施形態のように時間差の軸と距離差の軸との2軸で表される平面内での相互相関値の分布を取得する場合と、相互相関値のピークを用いる場合と、を切り替え、移動情報を求めることができる。
<第5の実施形態>
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した各実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
000 被検体
001 探触子
002 変換素子
003 送信回路系
004 システム制御部
005 受信回路系
006 整相加算ブロック
007 相関算出ブロック
008 相関パターン処理ブロック
009 画像生成ブロック
010 画像処理ブロック
011 画像表示系
012 血流位置抽出ブロック
301 血管
302 散乱体群
303、304 走査線
601〜606 走査線

Claims (18)

  1. 被検体内の対象物の移動情報を取得する被検体情報取得装置であって、
    被検体に弾性波が送信され、前記被検体内の各位置で反射された反射波を受信した複数の変換素子から出力される複数の受信信号を用いて、前記被検体内の各位置からの反射波に対応する信号を走査線信号として複数取得する走査線信号取得手段と、
    複数の前記走査線信号を用いて、前記対象物の移動情報を取得する処理部を有し、
    前記処理部は、異なる位置の走査線信号同士の相互相関値を複数用いて、時間差の軸と距離差の軸との2軸で表される平面上における相互相関値の等高線に基づいて前記対象物の移動情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。
  2. 前記処理部は、前記相互相関値の等高線の形状を楕円に近似した形状として求め、前記時間差の軸方向のある時間差において前記形状上の相関値が最大値となる点と、原点と、を結ぶ線の傾きの逆数を前記移動情報として取得することを特徴とする請求項1に記載の被検体情報取得装置。
  3. 前記処理部は、同じ位置の走査線信号同士の相互相関値をさらに用いて、前記移動情報を取得することを特徴とする請求項1または2に記載の被検体情報取得装置。
  4. 前記走査線信号取得手段は、前記弾性波のビームを複数位置に順番に送信する電子走査を2回以上行うことで得られる複数の走査線信号を取得し、
    前記処理部は、
    2回目以降の電子走査における走査線信号と、1回目の電子走査における基準位置の走査線信号と、の相互相関値と、
    前記1回目の電子走査における基準位置の走査線信号と、該走査線信号以外の走査線信号と、の相互相関値と、
    を用いて前記相互相関値の分布を求めることを特徴とする請求項1または2に記載の被検体情報取得装置。
  5. 前記処理部は、
    ランダムな組み合わせの走査線信号同士の相互相関値を用いて、前記相互相関値の分布を求めることを特徴とする請求項1または2に記載の被検体情報取得装置。
  6. 前記対象物の移動情報を取得する対象範囲を特定する対象範囲特定手段をさらに有し、前記対象範囲特定手段より特定された対象範囲内の走査線信号のみを用いて前記対象範囲内の前記移動情報を取得することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
  7. 前記処理部は、前記移動情報として前記対象物の速度分布を取得することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
  8. 被検体内の対象物の移動情報を取得する被検体情報取得装置であって、
    被検体に弾性波が送信され、前記被検体内の各位置で反射された反射波を受信した複数の変換素子から出力される複数の受信信号を用いて、前記被検体内の各位置からの反射波に対応する信号を走査線信号として複数取得する走査線信号取得手段と、
    複数の前記走査線信号を用いて、前記対象物の移動情報を取得する処理部と、を有し
    前記処理部は、異なる位置の走査線信号同士の複数の相互相関値のうち、ランダムな組み合わせの走査線信号同士の相互相関値を用いて、前記対象物の時間変化による相互相関値の低下が考慮された前記対象物の移動情報を取得することを特徴とする被検体情報取得装置。
  9. 前記処理部は、異なる位置の走査線信号同士の相互相関値を複数用いて、走査線信号同士の取得時間差のうちある時間差における相互相関値の最大値に関する情報を基に、前記対象物の移動情報を取得することにより、前記対象物の移動情報を取得することを特徴とする請求項8に記載の被検体情報取得装置。
  10. 前記処理部は、同じ位置の走査線信号同士の相互相関値をさらに用いて、前記移動情報を取得することを特徴とする請求項8又は9に記載の被検体情報取得装置。
  11. 前記走査線信号取得手段は、前記弾性波のビームを複数位置に順番に送信する電子走査を2回以上行うことで得られる複数の走査線信号を取得し、
    前記処理部は、
    2回目以降の電子走査における走査線信号と、1回目の電子走査における基準位置の走査線信号と、の相互相関値と、
    前記1回目の電子走査における基準位置の走査線信号と、該走査線信号以外の走査線信号と、の相互相関値と、
    を用いて前記移動情報を取得することを特徴とする請求項8又は9に記載の被検体情報取得装置。
  12. 前記処理部は、複数の位置に同時に弾性波を送信する処理が複数回行われることで得られる、異なる時刻に送信された弾性波に基づいた、且つ、異なる位置の走査線信号同士の相互相関値を用いて前記移動情報を取得することを特徴とする請求項8に記載の被検体情報取得装置。
  13. 前記対象物の移動情報を取得する対象範囲を特定する対象範囲特定手段をさらに有し、前記対象範囲特定手段より特定された対象範囲内の走査線信号のみを用いて前記対象範囲内の前記移動情報を取得することを特徴とする請求項8乃至12のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
  14. 前記処理部は、前記移動情報として前記対象物の速度分布を取得することを特徴とする請求項8乃至13のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
  15. 前記被検体に弾性波を送信し、前記被検体内の各位置で反射された反射波を受信する変換素子を複数有する送受信器をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の被検体情報取得装置。
  16. 被検体内の対象物の移動情報を取得する被検体情報取得方法であって、
    被検体に弾性波が送信され、前記被検体内の各位置で反射された反射波を受信した複数の変換素子から出力される複数の受信信号を用いて、前記被検体内の各位置からの反射波に対応する信号を走査線信号として複数取得するステップと、
    複数の前記走査線信号を用いて、前記対象物の移動情報を取得するステップと、を有し前記移動情報を取得するステップでは、異なる位置の走査線信号同士の相互相関値を複数用いて、時間差の軸と距離差の軸との2軸で表される平面上における相互相関値の等高線に基づいて前記対象物の移動情報を取得することを特徴とする被検体情報取得方法。
  17. 被検体内の対象物の移動情報を取得する被検体情報取得方法であって、
    被検体に弾性波が送信され、前記被検体内の各位置で反射された反射波を受信した複数の変換素子から出力される複数の受信信号を用いて、前記被検体内の各位置からの反射波に対応する信号を走査線信号として複数取得するステップと、
    複数の前記走査線信号を用いて、前記対象物の移動情報を取得するステップと、を有し前記移動情報を取得するステップでは、異なる位置の複数の走査線信号同士の相互相関値のうち、ランダムな組み合わせの走査線信号同士の相互相関値を用いて、前記対象物の時間変化による相互相関値の低下が考慮された前記対象物の移動情報を取得することを特徴とする被検体情報取得方法。
  18. 請求項16又は17に記載の被検体情報取得方法の各ステップをコンピュータに実行させるためのプログラム。
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