JP6507896B2 - 超音波画像生成システム - Google Patents

Description

本発明は、超音波画像生成システムに関する。

生体に超音波を照射し、その反射を検出して生体内部の状態を示す超音波画像を生成する超音波画像生成システムが広く使用されている。一般的な超音波画像生成システムは、本体部と、本体部にケーブルで接続された超音波トランスデューサ（以下、超音波部と称す）と、を有する。本体部は、超音波部の駆動信号を生成し、生成した駆動信号をケーブルを介して超音波部に送信する。超音波部は、駆動信号にしたがって超音波を出力し、反射した超音波を捕えて反射超音波信号を生成し、本体部に送信する。本体部は、受信した反射超音波信号を処理して超音波画像を生成し、ディスプレイに表示する。

本体部は１画面分の超音波画像生成に必要な駆動信号の生成を繰り返し、それに応じて１画面分の超音波画像信号の生成が繰り返され、リアルタイムで超音波画像が表示される。観察者は、リアルタイムで変化する超音波画像を観察し、詳細に観察する場合には、画像更新の停止（ホールド）を指示する操作を行う。これに応じて、表示されている超音波画像が更新されることなく維持され、観察者は、固定された超音波画像を詳細に観察し、必要な計測等の作業を行い、さらに必要であればその超音波画像の記憶装置への記憶を指示する。超音波画像の更新が停止された状態で、超音波画像の更新開始（スタート）が指示されると、超音波画像の更新が再開される。

表示画像の更新を再開した時に即座に新しい画像に更新されることが望ましいとの操作性の観点から、超音波画像の更新が停止している間でも、駆動信号の生成および超音波画像信号の生成は繰り返されていた。

近年、超音波画像生成システムは、モバイル機器化が期待されており、小型化、低コスト化、操作性向上等が望まれている。そこで、本体部における超音波部の駆動信号生成および反射超音波信号処理に関係する部分を、超音波部に合わせて小型のプローブとし、プローブに無線通信機能を搭載して、超音波画像を表示する表示部との間を、無線通信で接続することが提案されている。これにより、プローブはワイヤレスプローブとなり、操作性が向上すると共に、表示部として表示機能を有する汎用の通信端末を使用すれば、超音波画像生成システムを低コストで実現可能である。

特表２００２−５３０１７４号公報 特開２００８−６１９３８号公報

しかし、ワイヤレスプローブは、十分な電源供給をワイヤレスで行うのが難しいため、電池駆動が一般的となり、プローブの低消費電力化が非常に重要となる。なお、低消費電力化は、ワイヤレスプローブに限らず、前述の本体部と超音波部とを有する超音波画像生成システムにおいても有用である。
実施形態によれば、低消費電力の超音波画像生成システムが実現される。

第１の態様の超音波画像生成システムは、超音波信号を送受信する超音波部と、駆動制御・信号処理部と、表示部と、を有する。駆動制御・信号処理部は、超音波部に供給する駆動信号を生成すると共に、超音波部の受信信号を処理して超音波画像信号を生成する処理を繰り返す。表示部は、超音波画像信号に基づいた超音波画像の表示を繰り返し、ストップ信号入力に応じて表示画像の更新を停止し、スタート信号入力に応じて表示画像の更新を再開する。駆動制御・信号処理部は、ストップ信号入力に応じて動作の少なくとも一部を停止し、スタート信号入力に応じて停止した動作を再開する。

実施形態の超音波画像生成システムは、低消費電力である。

図１は、実施形態の超音波画像生成システムの構成を示すブロック図である。 図２は、実施形態の超音波画像生成システムにおいて、使用者が操作入力を行うための構成を示す図であり、（Ａ）がワイヤレスプローブ側のスイッチ配置、（Ｂ）がタブレット側の表示例を示す。 図３は、実施形態の超音波画像生成システムの動作フロー図である。 図４は、図１の実施形態の超音波画像生成システムの構成をより詳細に示すと共に、測定ストップ（アイドル）状態でオフするブロックを説明する図である。 図５は、クロック制御部の構成を示す図である。 図６は、パワーダウンするブロックの組み合わせ例の表を示す図である。

図１は、実施形態の超音波画像生成システムの構成を示すブロック図である。
実施形態の超音波画像生成システムは、ワイヤレスプローブ１０と、タブレット３０と、を有する。ワイヤレスプローブ１０は、超音波画像生成システムの使用者が保持し、測定対象である生体１の表面に接触され、生体１の内部を超音波により測定する。タブレット３０は、広く普及しているＰＣタブレットが使用され、超音波画像生成システム用アプリケーションソフトをインストールして使用する。ワイヤレスプローブ１０とタブレット３０は、それぞれ近距離無線通信機能（例えば、BLUETOOTH（登録商標））を有し、相互に無線通信（ワイヤレス通信）可能である。タブレット３０は、ＰＣタブレットに限定されず、無線通信機能を有するＰＣ、スマートフォン等を使用することも可能である。

ワイヤレスプローブ１０は、トランスデューサ１１と、パルサ＆スイッチ１２と、ＡＭＰ＆ＡＤＣ１３と、デジタル信号処理部１４と、（ワイヤレスプローブ）システム制御部１８と、通信部１９と、スイッチ２０と、を有する。デジタル信号処理部１４は、送受信制御部１５と、信号処理部１６と、ゲイン制御部１７と、を有する。なお、図示していないが、ワイヤレスプローブ１０は、電池を有し、各部は電池駆動される。電池は、一次電池でも、充電可能な二次電池でもよい。

トランスデューサ１１は、パルサ＆スイッチ１２からの高電圧パルス信号を音波に変換し、音波を生体１に出力し、生体１内で筋肉や脂肪など音響インピーダンスが異なる境界において反射された音波を電気信号に変換する。パルサ＆スイッチ１２は、スイッチ回路により反射音波の電気信号を選択し、ＡＭＰ＆ＡＤＣ１３に出力する。パルサ＆スイッチ回路１２は、生体内で複数チャネル同時送信した信号のフォーカスを合わせる為チャネルごとに遅延量を変えてフォーカスを合わせる処理を実施する。ＡＭＰ＆ＡＤＣ１３は、アンプ（ＡＭ）により電気信号を増幅した後、ＡＤＣ(Analog-to-Digital Converter)によりデジタル信号に変換し、デジタル信号処理部１４に出力する。ここでは、トランスデューサ１１の入出力のチャネル数が６４、およびＡＭＰ＆ＡＤＣ１３のチャネル数が８の例を示しているが、これらは任意であり、トランスデューサ１１のチャネル間隔及びチャネル数により得られる超音波画像の幅及び分解能が決まる。パルサ＆スイッチ１２は、ＡＤＣのチャネル数分だけ同時にパルサ送信する。以上の部分の構成は、特許文献１および２等に記載されており、広く知られているので、説明は省略する。

デジタル信号処理部１４では、送受信制御部１５が、上記のパルサ＆スイッチ回路１２によるフォーカス合わせ処理を制御する。信号処理部１６は、送受信制御部１５からの制御信号を利用して、ＡＭＰ＆ＡＤＣ１３からのデジタル信号の輝度情報への変換を行う。また、ゲイン制御部１７は、生体内での減衰を加味したゲイン補正などを実施する。以上の処理は、６４チャネル分を１チャネルずつシフトして送受信し、その受信信号を処理することにより超音波画像を得ることができる。

ワイヤレスプローブ１０の通信部１９は、近距離無線通信を行い、タブレット３０からの動作命令（コマンド）等を受信してシステム制御部１８に出力すると共に、デジタル信号処理部１４の生成した超音波画像データをタブレット３０に送信する。システム制御部１８は、通信部１９からの動作命令等およびスイッチ２０の操作信号に基づいて、ワイヤレスプローブ１０全体の制御を行う。スイッチ２０は、ワイヤレスプローブ１０に設けられたボタンスイッチであり、これについては後述する。

なお、システム制御部１８を除く部分は、電源オフ時にオフ状態になる。システム制御部１８は、電源オンのためのスイッチ２０の操作を検出する必要があり、電源オフ時にもオンしている。なお、システム制御部１８内のスイッチ２０の操作を検出に関係しない部分は、電源オフ時にオフしてもよい。

タブレット３０は、（タブレット）システム制御部３１と、通信部３２と、モニタ３３と、を有する。システム制御部３１は、タブレットの制御を行う。通信部３２は、近距離無線通信を行い、ワイヤレスプローブ１０に動作命令等を送信すると共に、ワイヤレスプローブ１０にから超音波画像データを受信する。モニタ３３は、タッチスクリーン機能を有する表示装置で、超音波画像データを表示すると共に、タッチスクリーン機能を利用して入力される使用者による操作を検出する。なお、モニタ３３は、タッチスクリーン機能を有するものに限定されず、表示部と操作スイッチ等を有するものであってもよい。なお、タブレット３０の電源については電源容量が十分に大きく、電力消費が問題にならないので、特に説明しない。

実施形態の超音波画像生成システムは、上記の構成に加えて、システム制御部１８にパワーダウン制御部が設けられ、スイッチ操作に応じてパワーダウン制御を行うことが可能である。

図２は、実施形態の超音波画像生成システムにおいて、使用者が操作入力を行うための構成を示す図であり、（Ａ）がワイヤレスプローブ側のスイッチ配置、（Ｂ）がタブレット側の表示例を示す。

図２の（Ａ）に示すように、ワイヤレスプローブ１０は、略直方体の形状を有する。例えば、図２の（Ａ）の下側にトランスデューサ１１が設けられ、下面が生体１に接触され、下面で音波の入出力が行われる。操作用のボタンスイッチ２０が、側面に配置される。使用者は、ボタンスイッチ２０に指を掛けてワイヤレスプローブ１０の側面を把持し、下面を生体１に接触され、ボタンスイッチ２０を操作する。ワイヤレスプローブ１０の電源がオフの状態でボタンスイッチ２０を押し下げる操作は、ワイヤレスプローブ１０の電源をオンにする操作と判定される。電源がオンの状態で且つ画像ホールド（測定ストップ）状態の時にボタンスイッチ２０を短時間押し下げる操作は、画像表示を更新する（測定中）状態に変化する指示と判定され、所定時間以上押し下げる操作は、ワイヤレスプローブ１０の電源をオフに変化させる操作と判定される。以下、ボタンスイッチ２０を短時間押し下げる操作を短押し、所定時間以上押し下げる操作を長押しと称する。さらに、電源がオンの状態で且つ画像更新（測定中）状態の時の短押し操作は、画像ホールド（測定ストップ）状態に変化させる操作と判定され、長押し操作はワイヤレスプローブ１０の電源をオフに変化させる操作と判定される。

図２の（Ｂ）に示すように、タブレット３０のモニタ３３には、超音波画像３４およびタッチスクリーン機能による操作ボタン３５が表示され。超音波画像３４および操作ボタン３５の他にも各種の表示が行われるが、図示を省略している。超音波画像３４がリアルタイムで更新されている時に、操作ボタン３５は「ストップ」と表示され、それにタッチすると超音波画像３４がホールドされる（画像表示の更新を停止し、タッチ時の画像が表示され続ける）（ストップ）。また、超音波画像３４がホールドしている（測定ストップ）時に、操作ボタン３５は「スタート」と表示され、それにタッチすると超音波画像３４の更新が再開される（スタート）。

図３は、実施形態の超音波画像生成システムの動作フロー図である。
図示のように、この動作フローは、ワイヤレスプローブ１０が電源オン（ＯＮ）状態と、電源オフ（ＯＦＦ）状態とに分けられる。なお、このフローは、タブレット３０が電源オン状態であるとして示している。

ステップＳ１１で、ワイヤレスプローブ１０は電源オフ状態である。
ステップＳ１２で、ボタンスイッチ２０が押し下げられたか検出し、押し下げを検出できなければステップＳ１１に戻り、押し下げを検出したらワイヤレスプローブ１０を電源オン状態にし、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３で、ワイヤレスプローブ１０は、アイドル状態になる。アイドル（ストップ）状態は、後述する測定ストップ状態と画像の更新が行われない点で同じであるが、直前の超音波画像が存在しないため、モニタ３３には超音波画像は表示されない。このアイドル（ストップ）状態では、後述するように、ワイヤレスプローブ１０の図１で「パワーダウン対象」と記した破線で囲んだ部分の一部がオフ状態である。

ステップＳ１４で、タブレット３０のモニタ３３において操作ボタン（スタート）３５にタッチされたか、またはボタンスイッチ２０が押し下げられたかを検出する。タッチおよび押し下げを検出しなければステップＳ１８に進み、タッチまたは押し下げを検出すればステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５で、ワイヤレスプローブ１０は、測定中となり、ワイヤレスプローブ１０のすべての部分がオン状態になり、リアルタイムで超音波画像が更新される。
ステップＳ１６で、タブレット３０のモニタ３３において操作ボタン（ストップ）３５にタッチされたか、またはボタンスイッチ２０が押し下げられたかを検出する。タッチおよび押し下げを検出しなければステップＳ１５に戻り、タッチまたは押し下げを検出すればステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７で、測定ストップ状態になり、ストップした時のモニタ３３に表示された超音波画像で表示を停止する。この時、後述するように、ワイヤレスプローブ１０の図１で「パワーダウン対象」と記した破線で囲んだ部分の一部がオフ状態である。
ステップＳ１８で、ボタンスイッチ２０が長押しされたか判定し、長押しであればワイヤレスプローブ１０の電源をオフしてステップＳ１１に戻り、長押しでなければステップＳ１４に戻る。

以上説明したように、実施形態の超音波画像生成システムは、大きくはワイヤレスプローブ１０の電源オフ状態とオン状態があり、電源オン状態では、測定ストップ（アイドル）状態と、測定中状態の２つの状態がある。前述のように、超音波測定においては、測定中にリアルタイムに更新されている超音波画像を、測定ストップとすることで一度画像を確定させる必要がある。そのため、実際の使用時には、測定中と測定ストップの２つの状態が繰り返される。測定中は常に超音波画像を取得して更新する必要があるため特定のブロックをパワーダウンすることは難しいが、測定ストップ状態では超音波画像を取得する必要が無いため、各ブロックのパワーダウンが可能となる。

次に、ワイヤレスプローブ１０において、測定ストップ（アイドル）状態でオフする部分について説明する。
測定ストップ状態でオフするブロックは、図１において破線で囲った「パワーダウン対象」内の、パルサ＆スイッチ１２、ＡＭＰ＆ＡＤＣ１３、デジタル信号処理部１４である。システム制御部１８および通信部１９は、ボタンスイッチ２０の押し下げ検出およびタブレット３０のボタン（スタート、ストップ）操作の通知の受信を常に行う必要があるのでパワーダウンの対象外としている。

図４は、図１の実施形態の超音波画像生成システムの構成をより詳細に示すと共に、測定ストップ（アイドル）状態でオフするブロックを説明する図である。
図４では、パワーダウン制御部２１、水晶発振器２６およびクロック制御部２７がさらに示される。パワーダウン制御部２１およびクロック制御部２７は、本来システム制御部１８に含まれる部分であるが、図示を容易にするために、図４ではシステム制御部１８の外部に示している。また、水晶発振器２６は、図１では図示を省略していた。

パワーダウン制御部２１は、システム制御部１８からのステータス情報を元にパワーダウン制御を行う。ステータス情報は、測定中か測定ストップ状態かを判別するための情報で、パワーダウン制御部２１は、測定ストップ時にパワーダウン状態に制御し、測定中はパワーダウン状態を解除する。

水晶発振器２６は、ワイヤレスプローブ１０がクロック動作する元になるクロックを生成して出力する。クロック制御部２７は、水晶発振器２６からデジタル信号処理部１４でのクロック供給を行うか停止するかを制御する。

図示のように、ＡＭＰ＆ＡＤＣ１３は、ＡＭＰ（増幅器）２２と、ＡＤＣ２３と、ＬＶＤＳ(Low Voltage Differential Signaling)２４と、クロック生成ＰＬＬ２５と、を有する。ＡＭＰ２２は、パルサ＆スイッチ１２からの８ｃｈの信号をそれぞれ増幅する。ＡＤＣ２３は、ＡＭＰ２２の８ｃｈの出力信号をそれぞれデジタル信号に変換する。ＬＶＤＳ２４は、ＡＭＰ２２の出力する８ｃｈのデジタル信号（パラレル信号）を、デジタル信号処理部１４に送信するための低電圧差動信号（シリアル信号）に変換して出力する。クロック生成ＰＬＬ２５は、内部クロック（例えば水晶発振器２６の出力するクロック）から、ＡＭＰ＆ＡＤＣ１３で使用する動作クロックを生成する。

デジタル信号処理部１４は、前述の送受信制御部１５、信号処理部１６およびゲイン制御部１７に加えて、クロック分周部２８を有する。クロック分周部２８は、水晶発振器２６の出力するクロックを分周して、デジタル信号処理部１４で使用する動作クロックを生成する。

パワーダウン制御部２１は、ＡＭＰ（増幅器）２２、ＡＤＣ２３、ＬＶＤＳ(Low Voltage Differential Signaling)２４、クロック生成ＰＬＬ２５およびクロック制御部２７のパワーダウン制御を行う。またデジタル信号処理部１４においては、クロック供給を停止することでパワーダウンしている。

パワーダウン制御部２１は、図４に示すように、以下の制御単位に対応してパワーダウン制御信号を出力する。
・パルサ＆スイッチ１２：イネーブル信号(PS_EN)によるパワーダウン
・ＡＭＰ２２：イネーブル信号(AMP_EN)制御によるパワーダウン
・ＡＤＣ２３：イネーブル信号(ADC_EN)制御によるパワーダウン
・ＬＶＤＳ２４：イネーブル信号(LVDS_EN)制御によるパワーダウン
・ＰＬＬ２５：イネーブル信号(PLL_EN)制御によるパワーダウン
・デジタル信号処理部１４：イネーブル信号(CLK_EN)で、デジタル信号処理部１４へのクロック制御によるパワーダウン。通常時は水晶発振器２６からのクロックを接続し、パワーダウン時はクロック制御部２７でクロックをマスクする

図５は、クロック制御部の構成を示す図である。
クロック制御部２７は、CLK_EN信号に応じて、水晶発振器からのクロックと固定値（ここでは０）のいずれかを選択するセレクタ２９を有する。

以上の通り、どのブロックをパワーダウンするかは任意に選択可能であり、消費電力だけでは無く、パワーダウン状態から動作状態への復帰時間も考慮して選択することが望ましい。

図６は、パワーダウンするブロックの組み合わせ例の表を示す図である。
パターン１は、全ブロックが動作状態となる組合せであり、測定中の組み合わせである。
パターン２は、該当する全ブロックをパワーダウン状態にする組合せで、もっとも低消費電力を実現できるパターンである。
パターン３から８は、複数のパワーダウン制御信号の一つを有効（パワーダウン制御信号“０”）にした際の回路状態を記載している。ここから制御信号と回路状態は1対1で制御できることが分かる。
パターン９は、パワーダウン制御信号PLL_ENのみを無効（パワーダウン制御信号“１”）にし、他の５つのパワーダウン制御信号を有効にした組合せである。PLL_ENで制御するクロック生成ＰＬＬ２５は、PLL_EN=0から1にした後に、回路が安定して動作クロックを出力するまでの安定待ち期間が必要であり、この立ち上がりまでの期間が問題になる場合は、このブロックのみパワーダウンしないことが望ましい。
パターン１０は、クロック生成ＰＬＬ２５に加えてパルサ＆スイッチ１２もパワーダウンをしない組合せである。パルサ＆スイッチ１２は、一度パワーダウン状態にすると送信パルスの遅延量や出力チャネルを再度レジスタ設定する必要があるためその分の時間が必要になるため、立ち上りまでの期間が長くなる。
以上の通り、立ち上り期間の長さと消費電力低減具合との関係はトレードオフになるため、優先すべき項目に応じてパワーダウンする組み合わせを選択できるようにしておく。

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものである。特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。

１０ ワイヤレスプローブ
１１ トランスデューサ
１２ パルサ＆スイッチ
１３ ＡＭＰ＆ＡＤＣ
１４ デジタル信号処理部
１５ 送受信制御部
１６ 信号処理部
１７ ゲイン制御部
１８ （ワイヤレスプローブ）システム制御部
１９ 通信部
２０ スイッチ
２１ パワーダウン制御部
２２ アンプ
２３ ＡＤＣ
２４ ＬＶＤＳ
２５ クロック生成ＰＬＬ
２６ 水晶発振器
２７ クロック制御部
２８ クロック分周部

Claims (4)

1. 超音波信号を送受信する超音波部と、
   前記超音波部に供給する駆動信号を生成すると共に、前記超音波部の受信信号を処理して超音波画像信号を生成する処理を繰り返す駆動制御・信号処理部と、
   前記超音波画像信号に基づいた超音波画像の表示を繰り返し、ストップ信号入力に応じて表示画像の更新を停止し、スタート信号入力に応じて表示画像の更新を再開する表示部と、を有し、
   前記駆動制御・信号処理部は、前記ストップ信号入力に応じて動作の少なくとも一部を停止し、前記スタート信号入力に応じて停止した動作を再開することを特徴とする超音波画像生成システム。
2. 前記超音波部および前記駆動制御・信号処理部を含むプローブ部と、
   前記表示部を含み、前記プローブ部から独立したタブレット部と、を有し、
   前記プローブ部および前記タブレット部は、相互に無線通信するための通信部をそれぞれ有し、
   前記プローブ部は、電池駆動される請求項１に記載の超音波画像生成システム。
3. 前記ストップ信号入力は、前記プローブ部に設けられたスイッチの操作、または前記タブレット部のタッチスクリーン操作による入力であり、
   前記ストップ信号入力を検出した前記プローブ部および前記タブレット部の一方は、他方に前記通信部を介して前記ストップ信号入力を通知する請求項２に記載の超音波画像生成システム。
4. 前記プローブ部は、前記スイッチが所定時間以上操作された時に、電源オフ状態になる請求項３に記載の超音波画像生成システム。

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