JP7026479B2 - 超音波診断装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は超音波診断装置およびその制御方法に関する。

超音波プローブは超音波診断装置の一部を構成し、超音波を体表面の所望の位置から所望の角度で送信し、反射波を計測するために用いられる。超音波プローブには超音波を送受信する複数の振動子が１次元または２次元的に配列されており、超音波診断装置の本体から供給される駆動信号によって各振動子が超音波を送信するタイミングが制御される。超音波プローブには振動子の他に、バッキング材、音響整合層、音響レンズなどが設けられるのが一般的である（特許文献１）。

特開２０１３－２４３４６２号公報

超音波診断装置による診断を適切に行うには、超音波プローブが超音波を外部に放射する、筐体の放射面の全体が体表面に十分接している必要がある。従来、超音波プローブの操作者（技師）は、超音波診断装置に表示される画像から超音波プローブと体表面との接触状態を推定し、押圧する力や方向を変化させていた。しかし、画像からどのように押圧する力や方向を変化させれば良いかを適切に判断するには経験や知見が必要であり、超音波プローブの操作の習熟は容易でない。

また、従来の超音波診断装置では、超音波プローブが被検者の体表面に接していない状態であっても振動子を駆動する構成であったため、電力を無駄に消費していた。このような構成は、特に、超音波診断装置が電池で駆動される場合に使用可能時間を低下させることになるため、好ましくない。

本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その主な目的は、放射面と体表面との接触状態を客観的に示す情報を提供可能な超音波診断装置およびその制御方法を提供することにある。

上述の目的は、超音波プローブから、超音波プローブが超音波を外部に放射する放射面に加わる圧力を複数の箇所で検出した圧力信号と、超音波プローブが有する複数の振動子が受信した観測信号とを受信する受信手段と、圧力信号および観測信号に基づく画像を生成する生成手段と、画像を表示する表示手段と、を有し、複数の箇所が、超音波プローブを超音波の放射面に向かって見た際に、複数の振動子を囲む矩形枠形状を有し、放射面に加わる圧力を伝達する伝達部材の４頂点に対応する箇所を含み、生成手段は、複数の箇所で検出された圧力信号を補間して、複数の箇所以外の箇所の圧力を算出し、圧力信号に基づく画像として、複数の箇所の圧力および算出した圧力の分布を色または濃淡によって表した、伝達部材の形状を模した矩形枠形状の画像を生成する、ことを特徴とする超音波診断装置によって達成される。

このような構成により、本発明によれば、放射面と体表面との接触状態を客観的に示す情報を提供可能な超音波診断装置およびその制御方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る駆動回路を用いた超音波診断装置の模式的な機能ブロック図である。 実施形態に係る超音波プローブの構造に関する断面図である。 実施形態に係る超音波プローブの構造に関する図である。 実施形態に係る超音波診断装置の表示画面例を示す図である。 実施形態に係る超音波診断装置の動作に関するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明をその例示的な実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る超音波診断装置の構成例を表わすブロック図である。超音波診断装置１００は、本体１２０と、本体１２０に着脱可能な超音波プローブ１３０とから構成される。超音波診断装置１００の機能は制御部１０１が各部の動作を制御することによって実現される。制御部１０１は例えばプログラマブルプロセッサを有し、不揮発性メモリ１０２に記憶されたプログラムをシステムメモリ１０３に読み込んで実行し、超音波診断装置１００の各部の動作を制御する。なお、制御部１０１は処理の一部にＡＳＩＣやＡＳＳＰなどのハードウェア回路を利用してもよい。

例えば書き換え可能な不揮発性メモリ１０２は、制御部１０１が実行するためのプログラム、ＧＵＩデータ、超音波診断装置１００の各種の設定値などを記憶する。なお、駆動回路１０４が超音波プローブ１３０の有する振動子１０５を駆動するために用いるパルス状電圧を生成するための波形パターンを表すデータ（駆動波形パターンデータ）も不揮発性メモリ１０２に記憶されている。

システムメモリ１０３は制御部１０１がプログラムを読み込んで実行するために用いたり、受信信号のバッファとして用いられたりするメモリである。

駆動回路１０４は、不揮発性メモリ１０２に保存されている複数の駆動波形パターンデータのうち、制御部１０１が選択した駆動波形パターンデータを不揮発性メモリ１０２から読み出す。そして、駆動回路１０４は、読み出した駆動波形パターンデータに基づいてパルス状の駆動電圧を生成し、プローブ内の振動子１０５に印加することによって振動子１０５を駆動する。

超音波プローブ１３０が有する振動子１０５は圧電素子のような電気機械変換素子であり、駆動回路１０４から印加される電圧によって超音波を発生（送信）する。また、振動子１０５は、受信した振動を電気信号（観測信号）に変換して出力する。また、本実施形態の超音波プローブ１３０は、放射面１３００（図２）に加わる圧力を検出し、圧力に応じた信号（圧力信号）を出力する圧力検知部１３１０を有する。なお、ここでは説明および理解を容易にするために振動子１０５の詳細については説明を省略するが、通常、プローブには複数の振動子が例えば１次元または２次元的に配列され、駆動回路１０４は計測の種類や設定、スキャン方法などに応じたタイミングで複数の振動子を別個に駆動する。

受信回路１０６は、超音波プローブ１３０の振動子１０５が出力する観測信号に対し、ノイズ低減、増幅、Ａ／Ｄ変換、加算などの処理を実行し、反射波データとしてシステムメモリ１０３に保存する。なお、各振動子の受信信号の遅延時間を制御して加算することにより、受信信号のフォーカスを高めることができる。受信回路１０６はまた、超音波プローブ１３０の圧力検知部１３１０（図２）が出力する、放射面の圧力を表す信号（圧力信号）にＡ／Ｄ変換などの処理を実行し、圧力データとしてシステムメモリ１０３に保存する。

ドプラ処理部１０７は、システムメモリ１０３に保存された反射波データに対し、例えば連続波ドプラ法、パルスドプラ法、カラードプラ法（ＣＦＭ(Color Flow Mapping)とも呼ばれる）、パワードプラ法などに対応した信号処理を行うことができる。システムメモリ１０３に保存された反射波データのうち、ドプラ法に基づく表示を行う走査線の反射波データが保存されているアドレスは例えば制御部１０１からドプラ処理部１０７に与えられる。ドプラ処理部１０７は対象の走査線について、血流速度を表す画像（波形図や血流速度を表す画像）を生成し、座標変換メモリ１０８に保存する。

Ｂモード処理部１０９は、システムメモリ１０３に保存された反射波データに対してＢモード（反射波の強さを輝度で表すモード）に対応した信号処理を行うことができる。システムメモリに保存された反射波データのうち、Ｂモードでの表示を行う走査線の反射波データが保存されているアドレスは例えば制御部１０１からＢモード処理部１０９に与えられる。Ｂモード処理部１０９は対象の走査線ごとに、深さと反射波の強さとの関係を表す画像を生成し、座標変換メモリ１１０に保存する。

制御部１０１は、システムメモリ１０３に保存された圧力データに基づいて、超音波プローブ１３０の放射面１３００と体表面との接触状態を判別する。制御部１０１はまた、異なる複数の場所で検知された圧力データに基づいて、超音波プローブ１３０の放射面１３００と体表面との接触状態（圧力）の分布を表す画像（圧力画像）を生成し、画像合成部１１１に供給する。圧力画像を表示部１１２に表示することにより、超音波プローブ１３０の放射面１３００の全体が体表面に接しているか否かや、接触圧の偏りなどを客観的に把握することが可能になる。

制御部１０１はまた、異なる複数の場所で検知された圧力データに基づいて、超音波プローブ１３０が有する複数の振動子１０５のうち、接触が不十分である振動子を判別する。そして、接触が不十分であると判別された振動子を除外して駆動対象の振動子を決定し、駆動回路１０４に通知する。駆動回路１０４は、複数の振動子１０５のうち、制御部１０１から通知された駆動対象の振動子だけを駆動する。

例えば、従来の超音波診断装置は起動状態にある場合、超音波プローブが生体に接しているかどうかにかかわらず、振動子の駆動、反射波の受信、画像の生成および表示という動作を実行していた。これに対して本実施形態の構成では、超音波プローブ１３０が生体に接していない状態では、超音波プローブ１３０が有する複数の振動子１０５の全てについて接触が不十分と判別され、振動子１０５の駆動は行われない。そのため、超音波診断装置１００の消費電力を低減することができる。複数の振動子１０５の全てについて接触が不十分と判別された場合には、ドプラ処理部１０７およびＢモード処理部１０９の動作も停止させることで、消費電力をさらに低減することもできる。

座標変換メモリ１０８および１１０は、ドプラ処理部１０７およびＢモード処理部１０９が走査線単位で生成する深さ方向の１次元画像を、ラスタースキャン方式の表示部１１２において２次元画像として表示するための座標変換に用いられる。なお、座標変換メモリ１０８および１１０は別個のブロックとして記載しているが、１つのメモリ空間内の異なるアドレスブロックとして実装されてもよい。

画像合成部１１１は、座標変換メモリ１０８および１１０に記憶されている画像と、制御部１０１から供給される圧力画像とから、設定に従ったフォーマットを有する表示用画像を生成し、表示部１１２に出力する。例えばＣＦＭ表示を行う場合には、座標変換メモリ１１０から読み出したＢモード画像に、座標変換メモリ１０８から読み出したＣＦＭ画像を合成した画像と、圧力画像とを含んだ表示用画像を生成する。また、パルスドプラ法による表示を行う場合には、座標変換メモリ１１０から読み出したＢモード画像と、座標変換メモリ１０８から読み出したＦＦＴ波形像とを並べ、圧力画像を所定位置に配置した表示用画像を生成する。表示用画像のフォーマットは計測モードやユーザ設定に応じて定まる。

制御部１０１、ドプラ処理部１０７、Ｂモード処理部１０９、座標変換メモリ１０８および１１０、および画像合成部１１１は、圧力信号および観測信号に基づいて表示用の画像を生成する手段として機能する。
表示部１１２は例えばタッチディスプレイである。表示部１１２は外部装置であってもよい。

操作部１１３は、ユーザが超音波診断装置１００に指示を入力するためのボタン、スイッチ、ダイヤルなどの入力デバイス群である。表示部１１２がタッチディスプレイの場合、タッチパネル部分は操作部１１３に含まれる。

次に、超音波プローブ１３０の構成例について図２を用いて説明する。図２（ａ）および（ｂ）はそれぞれ超音波プローブ１３０の模式的な垂直および水平断面図である。
超音波プローブ１３０には１次元または２次元的に配列された複数の振動子１０５が設けられている。複数の振動子１０５は超音波診断装置１００の本体１２０が有する駆動回路１０４から供給される駆動信号によって個別に駆動され、超音波を発生する。

振動子１０５が発生した超音波は、生体と振動子１０５との音響インピーダンスを整合させるための音響整合層、放射される超音波のスライス方向を絞るための音響レンズなどを通過したのち、超音波プローブ１３０の筐体１３２０が有する放射面１３００から外部に放射される。なお、超音波のパルス幅を狭くするためのバッキング材や、機械的に超音波のスキャン方向を変更するための機構などを有してもよい。

超音波の反射波に基づく体内組織を観察するには、観察する組織に十分な強度の超音波が到達する必要がある。超音波は音響インピーダンスの異なる物質の境界で反射する性質があるため、放射面１３００と生体（体表面）とが離間していたり、接触が不十分であったりすると、皮膚の表面で超音波が反射し、体内に十分な強度の超音波が供給されない。また、周囲からノイズが混入する原因となる。

しかし、従来の超音波診断装置では、超音波プローブ１３０の放射面１３００と体表面との接触状態を客観的に示す情報は技師に提供されていなかった。そのため、技師は表示部１１２に表示されるＢモード画像などから間接的に超音波プローブ１３０の放射面１３００と体表面との接触状態を推定し、経験に基づいて超音波プローブ１３０の押圧力や押圧方向を調整せざるを得なかった。

そのため、本実施形態の超音波プローブ１３０は、放射面１３００に加わる圧力を検出するための圧力検知部１３１０を有する。図２に示す構成例において、圧力検知部１３１０は、圧力センサ１３０２と、放射面１３００の近傍に設けられ、放射面１３００に加わる圧力を圧力センサ１３０２に伝達する伝達部材１３０１とから構成される。

図３に、伝達部材１３０１の形状および伝達部材１３０１と圧力センサ１３０２の位置関係の一例を示す。図３（ａ）は超音波プローブ１３０を放射面１３００に向かってみた状態を模式的に示し、図３（ｂ）は伝達部材１３０１と圧力センサ１３０２の位置関係を模式的に示している。

以下、図２および図３を用いて圧力検知部１３１０に関して詳細に説明する。図示した例において、伝達部材１３０１は矩形枠形状を有し、その上面が超音波プローブ１３０の放射面１３００を囲うように配置されている。伝達部材１３０１は圧力センサ１３０２に底面が保持されており、放射面１３００に圧力がかからない状態において、正面が放射面１３００の端部から若干飛び出るような高さとなるように調整されている。

圧力センサ１３０２は伝達部材１３０１の底面に対応する枠形状を有し、複数の位置で圧力を検出可能に構成されている。例えば圧力センサ１３０２は、枠形状を有する２枚のシートで、例えば図３（ａ）に白丸で示す離散的な位置に配置された複数の圧力検出部を挟み込んだ構成であってよい。これにより、圧力センサ１３０２は、伝達部材１３０１が押圧されると、複数の位置において押圧力を検出し、圧力に応じた信号を出力することができる。

なお、伝達部材１３０１は放射面１３００の近傍に設けられているため、厳密に言えば圧力センサ１３０２は放射面１３００に加わる圧力を直接検出している訳ではない。しかし、検出される圧力は放射面１３００に加わる圧力を十分に反映しているため、超音波プローブ１３０の操作を支援する目的において、放射面１３００に加わる圧力として用いることができる。

なお、図２および図３に示した伝達部材１３０１および圧力センサ１３０２の構成は単なる一例であって、放射面１３００に加わる圧力の分布を検出することが可能であれば、他の任意の構成を採用することができる。例えば、伝達部材１３０１を枠状とする代わりに２枚の板状として、図３（ａ）に示す振動子１０５を挟んで対向する位置（例えば図示される枠形状の上下の辺または左右の辺に相当する位置）に配置してもよい。また、棒状の伝達部材とその底面に配置された圧力センサからなる圧力検知部を複数配置してもよい。また、圧力センサとして、面内の圧力分布が検出可能なセンサを用いてもよい。あるいは、圧力センサが伝達部材を兼ねる構成であってもよい。例えば押圧力で特性（例えば電気抵抗）が変化する素材で伝達部材を形成し、伝達部材を圧力センサとして機能させてもよい。

図４に、表示部１１２の表示画面３００の例を示す。ここでは、ＣＦＭ表示３１１と圧力画像３１２とが合成された表示用画像を表示している例を示している。圧力画像３１２は、複数の位置で検出した圧力から、例えば補間によって得られる各位置の圧力の大きさを色や濃淡の差によって表す画像である。ここでは、矩形枠状の伝達部材１３０１が押圧される力を放射面１３００に加わる圧力として検出しているため、圧力画像３１２も矩形枠状である。ゲージ３１３は、圧力画像３１２の色や濃淡と圧力の大小との関係を示す画像である。なお、圧力画像３１２は、離散的な複数の位置における圧力の大きさを数値で示す画像であってもよい。

図５は、本実施形態の超音波診断装置１００の起動中の動作に関するフローチャートである。このフローチャートに示す処理が開始されるタイミングでは駆動回路１０４は振動子１０５を駆動しておらず、Ｓ１０１で受信回路１０６が受信するのは圧力信号だけである。

Ｓ１０３で制御部１０１は、システムメモリ１０３に記憶された圧力データに基づいて、プローブの放射面と体表面との接触状態を判定する。複数の離散的な位置で圧力が検出されている場合、制御部１０１は各位置で検出された圧力データを補間し、より多くの位置における圧力を求める。そして、制御部１０１は、予め定められた閾値を超える圧力を有する位置の割合または数が予め定められた閾値以上か否かを判定する。ここで、圧力の閾値は、十分な接触と見なせる圧力を計測することにより予め定めることができる。また、割合または数の閾値は、振動子の駆動を開始することで十分な範囲の画像が得られる値として予め定めることができる。

制御部１０１は、Ｓ１０３で、予め定められた閾値を超える圧力を有する位置の割合または数が予め定められた閾値以上と判定されれば、Ｓ１０５で放射面が十分に接しているとみなして処理をＳ１０７に進める。一方、制御部１０１は、Ｓ１０３で、予め定められた閾値を超える圧力を有する位置の割合または数が予め定められた閾値以上と判定されなければ、Ｓ１０５で放射面が十分に接していないとみなして処理をＳ１０１に戻す。

このように、本実施形態では、検出した圧力に基づいて、放射面と体表面との接触状態を判定し、接触状態が不十分である場合には振動子の駆動を開始しない。そのため、不要な電力消費を抑制することができる。

Ｓ１０７で制御部１０１は、駆動回路１０４を通じて振動子１０５の駆動を開始する。これにより、Ｓ１０９で受信回路１０６では、圧力信号に加えて観測信号の受信を開始する。

Ｓ１１１で、ドプラ処理部１０７およびＢモード処理部１０９は、選択されているモードに応じて、システムメモリ１０３に記憶されている反射波データに基づく画像を生成する。また、制御部１０１はシステムメモリ１０３に記憶されている圧力データから圧力画像を生成する。画像合成部１１１は設定に従ったフォーマットを有する表示用画像を生成し、表示部１１２に出力する。

Ｓ１１３で制御部１０１は、Ｓ１１１で圧力画像を生成する際に求めた圧力の分布に基づいて、次に駆動する振動子を決定する。通常、複数の振動子１０５は予め定められた順序で、予め定められた連続する複数ずつ駆動される。例えば、１２８個の振動子が１次元配列されている場合、連続する１０個の振動子を、先頭の振動子を１番目の振動子、２番目の振動子と１つずつずらしながら駆動する。本実施形態でも基本的には同様の方法で振動子を駆動するが、接触状態が悪いと考えられる振動子を駆動対象から除外するように制御部１０１が次の駆動対象となる振動子群を決定する。

検出された圧力からどのように駆動対象から除外する振動子を決定するかは様々な方法で定めることができる。例えば、圧力が閾値未満（例えば０）である位置に対応する振動子を中心として所定数の振動子を駆動対象から除外し、除外されていない振動子から次に駆動する振動子群を決定してもよい。予め、圧力を検出する位置と、駆動対象から除外する振動子の番号とを対応付けて記憶しておくこともできる。このように、複数の振動子のうち、放射面の接触が十分でないと判定される部分に該当する振動子を駆動対象から除外することができる。なお、ここで説明した方法は単なる一例であり、他の方法で駆動対象から除外する振動子を特定してもよい。

なお、次の駆動対象であった所定数の振動子群の一部が駆動対象から除外され、かつ除外される振動子の数の、所定数に対する割合（除外率）が閾値を超える場合、除外率が閾値以下となるように振動子群の先頭位置を通常よりも多くずらしてもよい。制御部１０１は次に駆動する振動子群を決定すると、駆動回路１０４に通知して処理をＳ１０５に戻す。

このようにして駆動対象とする振動子を決定することで、例えば複数の振動子１０５のうち、左右いずれかの半分が体表面と接していない、あるいは接触が不十分と判定された場合には、駆動対象となる振動子の数が半分になる。そのため、駆動しても有効な観測信号が得られない振動子を駆動する電力を節約しながら、フレームレートを倍増させることが可能になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、超音波プローブの放射面に加わる圧力を複数の箇所で検出するようにした。そのため、放射面に加わる圧力の分布を技師に提供することが可能になり、技師が放射面と体表面との接触状態を客観的に把握することが可能になる。また、放射面のうち、体表面との接触状態が不十分と考えられる部分に該当する振動子を駆動対象から除外することで、超音波プローブが体表面と全く接触していない状態では振動子が一切駆動されないため、無駄な消費電力を抑制することができる。これは特に超音波診断装置が電池駆動される場合において有用である。また、一部の振動子が駆動対象から除外される場合には、駆動しても有効な観測信号が得られない振動子を駆動する電力を節約しながら、フレームレートを向上させることが可能になる。

なお、本発明に係る超音波診断装置の本体１２０は、一般的に入手可能な、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレット端末のようなプログラムを実行可能な電子機器で、図５に示したフローチャートの動作を実行させるプログラム（アプリケーションソフトウェア）を実行することによっても実現できる。従って、このようなプログラムおよび、プログラムを格納した記憶媒体（ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等の光学記録媒体や、磁気ディスクのような磁気記録媒体、半導体メモリカードなど）もまた本発明を構成する。

１００…超音波診断装置、１０１…制御部、１２０…本体、１２１…表示部、１３０…超音波プローブ、１３０１…伝達部材、１３０２…圧力センサ、１３１０…圧力検知部。

Claims (5)

1. 超音波プローブから、前記超音波プローブが超音波を外部に放射する放射面に加わる圧力を複数の箇所で検出した圧力信号と、前記超音波プローブが有する複数の振動子が受信した観測信号とを受信する受信手段と、
   前記圧力信号および前記観測信号に基づく画像を生成する生成手段と、
   前記画像を表示する表示手段と、
   を有し、
   前記複数の箇所が、前記超音波プローブを超音波の放射面に向かって見た際に、前記複数の振動子を囲む矩形枠形状を有し、前記放射面に加わる圧力を伝達する伝達部材の４頂点に対応する箇所を含み、
   前記生成手段は、
   前記複数の箇所で検出された圧力信号を補間して、前記複数の箇所以外の箇所の圧力を算出し、
   前記圧力信号に基づく画像として、前記複数の箇所の圧力および前記算出した圧力の分布を色または濃淡によって表した、前記伝達部材の形状を模した矩形枠形状の画像を生成する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記複数の振動子を駆動し、前記超音波を発生させる駆動手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記駆動手段は、
   前記複数の振動子のうち、前記圧力信号に基づいて前記放射面の接触が十分でないと判定される部分に該当する振動子を駆動対象から除外する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の超音波診断装置。
4. 超音波プローブから、前記超音波プローブが超音波を外部に放射する放射面に加わる圧力を複数の箇所で検出した圧力信号と、前記超音波プローブが有する振動子が受信した観測信号とを受信する受信工程と、
   前記圧力信号および前記観測信号に基づく画像を生成する生成工程と、
   前記画像を表示する表示工程と、
   を有し、
   前記複数の箇所が、前記超音波プローブを超音波の放射面に向かって見た際に、複数の振動子を囲む矩形枠形状を有し、前記放射面に加わる圧力を伝達する伝達部材の４頂点に対応する箇所を含み、
   前記生成工程は、
   前記複数の箇所で検出された圧力信号を補間して、前記複数の箇所以外の箇所の圧力を算出する工程と、
   前記圧力信号に基づく画像として、前記複数の箇所の圧力および前記算出した圧力の分布を色または濃淡によって表した、前記伝達部材の形状を模した矩形枠形状の画像を生成する工程とを有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置の制御方法。
5. 超音波診断装置が有するコンピュータを、請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波診断装置の各手段として機能させるためのプログラム。

Images