JPH01212543A - 超音波診断装置の信号処理方法 - Google Patents

超音波診断装置の信号処理方法

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JPH01212543A
JPH01212543A JP63035332A JP3533288A JPH01212543A JP H01212543 A JPH01212543 A JP H01212543A JP 63035332 A JP63035332 A JP 63035332A JP 3533288 A JP3533288 A JP 3533288A JP H01212543 A JPH01212543 A JP H01212543A
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JP
Japan
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wave
received wave
minimum phase
waveform
converted
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Application number
JP63035332A
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English (en)
Inventor
Akira Urushiya
漆谷 章
Yoshikazu Terayama
寺山 吉一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Akashi Seisakusho KK
Original Assignee
Akashi Seisakusho KK
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Publication date
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は検体の断層像を得るための超音波診断装置に係
り、詳しくは超音波を検体内に入射し、検体内部の組織
の不連続面からの反射波を受信し、受信した反射波であ
る受信波に基づいて検体の組織の断層像を得るための超
音波診断装置の信号処理方法に関するものである。
〔技術の背景〕
超音波診断装置によって生体等の検体の内部状態を正確
に把握するには、観測によって得られる雑音を含むデー
タから真の情報をいかに取り出すかが重要な問題である
音源より放出された超音波が検体中を伝播してから受信
されるまでに種々の変形を受けた波形である入射波をデ
ジタル化して、その時系列なx (t)(t=0,1.
・・・、n)とし、同様に検査対象である検体内部の反
射係数時系列なC(t) 、観測された受信波の時系列
なy (t)とすると y(t)=C(t)*x(t)=、19(s)x(t−
s) ・・・・・(1)と表わされる。但し、記号*は
コンボ8リユージヨン(たたみこみ積分)を表わす。一
般に入射波x(t)は、音源に関する時系列S (t)
 、検体内部のフィルタ効果に関する時系列E (t)
、受信装置の特性に関する時系列R(t)によりx(t
) = 5(t) * E(t) * R(t)  ・
・・・・・・・・・・・(2)と表わされる。超音波診
断装置における信号処理とは、検体内部の反射係数時系
列C(t)を得ることである。そのために、理想的には
入射波x (t)から波形変形を起す要因をとってイン
パルス(すなわち、瞬間的な単波)に変換する逆フィル
タのオペレータF (t)を求め、オペレータF (t
)と受信波y (t)とのコンボリューションな行って
C(t)を得ることになる。すなわち、 C(t) =y(t) * F(t)′・・・・・・・
・・・・・・・・・・・(3)である。しかし、F (
t)を厳密に求めることは不可能であり、近似的にF 
(t)を求めることしかできない。その近似方法として
ウィナ−フィルタ演算処理を用いたデコンボリューショ
ン法がある。
ここで、ウィナ−フィルタ演算処理とは、出力波形とイ
ンパルス等の希望波形との誤差の二乗平均が最小になる
ようなオペレータ信号を取り出す演算処理である。
詳しくは、ウィナ−フィルタ演算処理とは、第6図に示
すように、入力波形の自己相関関数f (t)を求める
演算50と、入力波形と希望波形との相互相関関数φ(
t”)を求める演算51、および、ウィナ−の最適フィ
ルタの理論に基づいて、正規方程式 %式%(4) を解く演算52によってオペレータ信号F1(1)を求
める処理からなっている。
また、デコンボリューション法とは、検体内部の反射係
数時系列C(t)〜がランダム、すなわちC(t)の自
己相関関数がインパルスであって、入射波x (t)が
処理結果と希望波形であるインパルスとの誤差の二乗平
均が最小になる最小位相波形の場合を想定してウィナ−
フィルタ演算処理によってC(t)・を得る方法である
。  。
この場合には、入射波x (t)の自己相関関数f (
t)が同時に受信波y (t)の自己相関関数になり、
更に入射波x (t)と希望波形であるインパルスとの
□相互相関関数φ(1)が入射波x (t)と無関係な
定数になる。それ故、入射波x (t)が未知であって
も、それが最小位相波形であると仮定することによりウ
ィナ−フィルタ演算処理によって(4)式の正規方程式
から変換オペレータFl (t)を算出することができ
る。
そして、該変換オペレータFl(t)とy(1)とのコ
ンボリューションを行うことによって反射係数時系列C
(t)を求めることができる。
(従来の技術) 従来、超音波診断装置の探触子によって超音波を人体内
に入射し、人体内部の組織の不連続面からの反射波を受
信波として探触子で検出し、この受信波をデコンボリュ
ーション法によって信号処理する方法があった。この方
法は第7図のブロック図に示すように受信波1からその
一部抽出101を行ってモデル受信波2とし、このモデ
ル受信波2について、インパルス3を希望波形としてウ
ィナ−フィルタ演算処理102を行って、モデル受信波
2を希望波形に変換する変換オペレータ信号4を取り出
し、この変換オペレータ信号4と受信波1とのコンボリ
ューション103を行い、反射係数時系列である変換波
5を求めるものである。
(発明が解決しようとする課題) ところが、デコンボリューション法は、技術の背景で述
べたように、入射波が最小位相波形である場合を想定し
た信号処理方法である。入射波が最小位相波形でない場
合には、ウィナ−フィルタ演算処理102によって得た
変換オペレータ信号4を使っても受信波1を希望波形に
十分近くする  −ことができない。したがって、人体
内部の反射係数時系列を十分に再現することができない
ので、超音波診断装置による画像は明瞭なものにならず
画像処理の距離分解能が悪いことになる。
そこで、本発明はデコンボリューション法を適用した場
合に超音波診断装置による画像処理の距離分解能をより
高めることを目的としてなされたものである。
(課題を解決するための手段) 本発明は、超音波診断装置の探触子が検出した受信波を
、インパルスを希望波形とするデコンボリューション法
処理によって変換した変換波に基づいて検体内の検査を
行う超音波診断装置の信号処理方法において、前記受信
波を一旦最小位相波形または遅延インパルスによる変換
波形に変換した後に前記デコンボリューション法処理に
よって変換波を得ることを特徴とする超音波診断装置の
信号処理方法である。
(実施例) 次に本発明の詳細な説明する。
〈第1実施例〉 第1図において、まず、超音波診断装置の発振器によっ
て駆動した探触子によって生体等の検体に超音波を入射
し、検体内部で反射した反射波を探触子が検出して前段
階処理104を行って受信波A1を得る。ここで前段階
処理104として、探触子が検出した時点での受信波A
1をフィルタにより、ナイキスト周波数以上の成分を遮
断し、アナログ信号である受信波A1をデジタル信号に
変換し、そのデータを記憶する。
また検体の別の部位に超音波を入射した場合の反射受信
波を受信波B1とし、受信波A1と同様の前段階処理1
04を行う。
次に該受信波A1に関するデータから一部抽出105を
行って受信波A1を代表させたモデル受信波2に相当す
るデータを読み出す。
続いてモデル受信波2に最小位相モデル受信波演算10
6を行って最小位相波形である最小位相モデル受信波9
を得る。最小位相モデル受信波演算106として、この
例では二重Wiener−Levinson法による演
算を行っている。すなわち、該演算106はモデル受信
波2にインパルス6を希望波形としてウィナ−フィルタ
演算処理107を行ってウィナ−フィルタ信号7を取り
出す過程と、該ウィナ−フィルタ信号7にインパルス8
を希望波形としてウィナ−フィルタ演算処理108を行
って最小位相モデル受信波9を得る過程とからなってい
る。
更に、該最小位相モデル受信波9、前記モデル受信波2
及び受信波B1に対して最小位相受信波演算109を行
い、最小位相受信波12を得る。
この最小位相受信波演算109はモデル受信波2に対し
て最小位相モデル受信波9を希望波形としてウィナ−フ
ィルタ演算処理110を行って最小位相化オペレータ信
号10を取り出すと′ともに、該受信波B1と最小位相
化オペレータ信号10とのコンボリューション111を
行い最小位相受信波12を得る演算からなっている。
その後、最小位相受信波12に対してデコンボリューシ
ョン法処理112を行って変換波13を得る。ここでデ
コンボリューション法処理112とは前記最小位相受信
波12に対してインパルス3を希望波形としたウィナ−
フィルタ演算処理102を行い変換オペレータ信号11
を取り出すとともに、該変換オペレータ信号11と最小
位相受信波12とのコンボリューション113を行い変
換波13を得る処理である。
最後に、該変換波13の後段階処理114を行う。後段
階処理114として、デジタル化されている変換波13
を再度アナログ化し、対数増幅器によりて小振幅信号は
ど大きく増幅し、検波器によって両波整流し、フィルタ
により平滑化し、画像表示回路を経てCRTで画像とす
る。以上の処理で受信波B1は受信波A1であっても差
支ない。こうして、本実施例では受信波B1およびA1
の各々に対して最小位相化オペレータ信号10を取り出
すのではなく、モデル受信波2から最小位相化オペレー
タ信号10を取り出し、該最小位相化オペレータ信号1
0と受信波B1またはA1とのコンボリューション11
1を行って最小位相受信波12を得ているので、受信波
B1およびA1の各々から最小位相化オペレータ信号1
0を取り出す場合に比べて処理手数が少なくてすむ。な
お、モデル受信波2としては必ずしも受信波AIの一部
を抽出して代表させたものではなく、受信波A1を理想
化した波形で代表させたものでもよい。
〈第2実施例) 第2図は、第1図が受信波B1を一旦最小位相波形に変
換した後デコンボリューション法処理を行って変換波を
得るに対し、受信波B1を−H遅延インパルスによる変
換波形に変換した後デコンボリューション法処理を行う
ものである。
すなわち、本実施例では、検体内部で反射した反射波を
探触子が検出して前段階−処理104を行って受信波A
1を得、次に該受信波A1から一部抽出105を行って
受信波A1を代表するモデル受信波2を得ることは第1
図と同様である。
本実施例においては、このモデル受信波2に対して、遅
延インパルス変換演算136を行い遅延インパルス変換
受信波23を得る。遅延インパルス変換演算136゛に
おいては、モデル受信波2にウィナ−フィルタ演算処理
127を施すのであるが、この場合の希望波形を遅延イ
ンパルス21とする。モデル受信波2が最小位相波形で
ない場合、希望波形であるインパルスをモデル受信波2
の始動時刻に定めても、インパルスに十分近い出力は得
られない。そこで、希望波形であるインパルスにある遅
延時間を与えてウィナ−フィルタ演算127を行うと、
インパルスに近い出力が得られ、遅延時間を変えて演算
をくり返せば最適遅延時間が得られる、この場合、その
モデル受信波2について最適の遅延インパルス変換オペ
レータ信号22が得られる。
このオペレータ信号22と受信波B1とのコンボリュー
ション131に・よって遅延インパルス変換受信波23
が得られる。こうして得られた波形はインパルスに近い
波形であるが、これに更にデコンボリューション法処理
112を施すことにより所望の変換波13を得る。
く第3実施例) 次に第3の実施例を第3図及び第4図に基づいて説明す
る。
第3図は第1図に対してウィナ−フィルタ演算処理の入
力が異っている。即ち第1図は最小位相受信波12が入
力であるのに対し、第3図では最小位相モデル受信波9
が入力となる。その結果第3図の変換オペレータ信号1
1は第1図の変換オペレータ11を近似したものとなる
第4図は第3図を簡略化したものである。第3の実施例
においても、第1の実施例と同様に、まず検体内部で反
射した反射波を探触子が検出して前段階処理104を行
って受信波A1を得る。次に、該受信波A1から一部抽
1105を行って受信波A1を代表するモデル受信波2
を得る。、続いて、第1の実施例と同様にモデル受信波
2に最小位相モデル受信波演算106を行って最小位相
波形である最小位相モデル受信波9を得る。さらに、前
記モデル受信波2に最小位相モデル受信波9を希望波形
としてウィナ−フィルタ演算処理110を行って、最小
位相化オペレータ信号10を取り出すための最小位相化
オペレータ演算115を行う。一方、前記最小位相モデ
ル受信波9、最小位相化オペレータ信号10及び受信波
1に対してデコンボリューション法処理116を行い変
換波13を得る。ここで、デコンボリューション法処理
116とは最小位相モデル受信波9に対してインパルス
3を希望波形とするウィナ−フィルタ演算処理102を
行い変換オペレータ信号11を取り出し、受信波1、最
小位相化オペレータ信号10及び変換オペレータ信号1
1のコンボリューション117を行って変換波13を得
ることである。最後に該変換波13に後段階処理114
を行う。
第4図の本実施例では、以上述べたように、第1の実施
例と異なり最小位相受信波をあられに得ていない。これ
は、第1の実施例とはコンボリューションの順序と結合
とが異なっているからである。しかし、コンボリューシ
ョンでは、交換剤と結合剤とが成立するので、本実施例
でも表面には表われないが、第1の実施例と同様に、や
はり最小位相受信波を得ていることになる。
〈第4実施例〉 次に第4の実施例を第5図に基づいて説明する。
第4の実施例においても、第1の実施例と同様に、まず
検体内部で反射した反射波を探触子が検出して前段階処
理104を行って受信波A1を得る。次に、該受信波A
1から一部抽出105を行って受信波A1を代表させた
モデル受信波2を得る。続いて、モデル受信波2に最小
位相モデル受信波演算118を行って、最小位相モデル
受信波9及びウィナ−フィルタ信号7を取り出す。この
最小位相モデル受信波演算118は、第1及び第2の実
施例の最小位相モデル受信波演算106と同じ演算を行
うが、その演算中に生じるウィナ−フィルタ信号7を取
り出す点が異なる。次に、該最小位相モデル受信波9、
モデル受信波2及び受信波B1より第1の実施例と同様
に最小位相受信波演算109を行い最小位相受信波12
を得る。最後に、前記ウィナ−フィルタ信号7と該最小
位相受信波12とのコンボリューション113を行って
変換波13を得るためのデコンボリューション法処理1
19を行う。このデコンボリューション法処理119は
変換波13を得る点では第1及び第2の実施例のデコン
ボリューション処理112,116と同じであるが、変
換波13を取り出すためのウィナ−フィルタ演算処理を
行っていない点で異なる。したがって、その分、処理の
手数が減ることになる。これはウィナ−フィルタ信号7
が第1及び第2の実施例における変換オペレータ信号1
1と極めて類似していることを利用したものである。
く第5実施例〉 第5の実施例は、前段階処理104または後段階処理1
14等において、受信波1を該装置固有の特性、検体固
着の特性及び外部環境のうちの少なくとも1つに応じて
補正する操作を施したものである。受信波1を補正する
操作としては次のものがある。
その第1番目は、最良のモデル受信波2を選択する操作
に関するものである。この操作を施す理由は検体内の吸
収によって入射波9反射波のスペクトルは距離に依存す
るからである。そこで、最良の結果を得るためには、検
体の深さや特性に応じた複数個のモデル受信波2または
単一のモデル受信波から複数個のモデルを与える演算方
法を用′意しておき、前段階処理104において、検体
内の深さや検体の特性に応じてモデル受信波2を切り換
えるようにする。
こうして、受信波1に対して複数個のモデル受信波2を
用いてデコンボリューション法処理等のウェブレット処
理を行うことができる。
例えば、第8図はヒマシ油中の種々の距離(15mm、
25.5mm、36.5mm、45.5mm、55.0
mm、65.0mm。
75.0mm)に反射物としてアクリル板を設置し、超
音波診断装置の探触子から超音波を発射してその反射受
信波を記録したものである。図中りは探触子アクリル板
との距離を表わし、a −gはそれぞれの距離に応じた
反射受信波を表わす。各反射受信波の振巾は、最大値が
等しくなるように正規化しである。実際はヒマシ油の距
離依存減衰があるため、aからgへ移るに従って振巾が
小さくなつている。gのノイズが大きく見えるのはその
ためである。
減衰のみならず、gの波形はaに比べて主たる周波数成
分が変化している率がわかる。ゼロクロス周期がaの約
0.3psであるのに対し、gでは約0.4p、sであ
る。これをbをモデル受信波として第1図の処理を葬っ
た結果が第9図である。bに近い受信波ではスパイク波
が得られているが、gではほとんどスパイク波とは言い
難い。これを以下に述べる方法で処理した結果が第10
図で、第9図に比べて著しい改善が見られる。
第11図は第8図のQ % gの振巾−周波数特性であ
る。レベルはaの最大振巾成分をOdBにとっである。
これからaの各周波数成分をそれぞれOdBとして5〜
gの各周波数成分のaに対する減衰を求めると第12図
となる。8〜gの主たる周 −波数成分的1.1〜4 
MHzで考えると減衰が距離及び周波数に依存している
ことが判る。従9てこれから各周波数毎に距離Icm当
りの減衰量を求めると第13図が得られ、ばらつきはあ
るものの1本の推定曲線が求められる。これからaは距
離ゼロにおける仮想波形に対して各周波数成分がどれ程
減衰しているかが求まり、それを第12図に適用して仮
想波形の各周波数成分なOdBにとったのが、第14図
である。これから各曲線の傾斜を求め、これらを1cm
当りの減衰量を求めると、第15図の吸収係数が得られ
る、あるいは第14図の各周波数成分の減衰量を1cm
当りの値に直せば第16図が得られ、これらから1本の
推定曲線が吸収係数として求められる。吸収係数の計算
に当り、距離は複数距離が用いである。
第17図は第8図Jil % gの位相周波数特性であ
る。1.5〜4 MHzの範囲では何れも略々平行なの
で、この場合は距離毎に位相特性を変える必要は。ない
が、場合によっては1cm当りの位相周波数特性を求め
る必要があろう。以上の減衰1位相の周波数特性から距
離ゼロの合成仮想波形及び距離毎の合成波形を求めると
第18図のようになる。第10図はこうして得られた第
18図f1gをモデル受信波として第1図に示した第1
の実施例の処理な行つた結果である。        
     。
その第2番目は、受信波lの減衰を補正するゲインコン
トロールを施したものである。ゲインコントロールを施
す理由は、超音波の反射波が検体内で減衰を受けるため
受信波1の振幅が生体内通過距離によって小さくなるか
らである。すなわち、画像の明るさは振幅の大きさによ
って決まるため、この減衰を補正しないと、探触子に近
い検体部分に相当する画像は明るくなり、探触子から遠
い検体部分に相当する画像は暗くなるために本実施例が
必要となる。なお、該ゲインコントロールは、精度を下
げないようにアナログ信号をデジタル信号に変換する前
に行うのが適当である。
その第3番目は、複数個の探触子から得た受信波lにつ
いて、それぞれ本発明に係る信号処理方法によって信号
処理を行って得た変換波13を探触子の位置に関する時
間の遅れを遅延回路によって補正し、同一時刻に揃えた
後にCD P (CommonDepth Po1nt
)重合演算器で重合することによって変換波13の振幅
は大となる。一方、変換波13の前後のノイズは検体内
の異なる経路によって生じているため、位相がまちまち
であり、重合後のノイズの振幅はそれ程大きくならない
こうしてS−N比が改善されることになる。
また補正遅延時間によって重合信号反射点までの平均速
度が算出できる。
〈第6実施例) さらに第6の実施例を説明する。本発明に係る信号処理
方法で得られた変換波13を正負検出器に入力して、正
負の判別を行い、カラー表示回路によって正スパイク画
像と負スパイク画像とを異なる色て表示する。これは、
検体肉組織で超音波が反射する一場合、低密度組織から
高密度組織に進む場合に反射すると、反射波形は入射波
形と同位相であり、逆の場合は、逆位相となることから
である。
こうして本実施例の表示によって組織の性質が表現され
ることになる。
(発明の効果) 本発明は、超音波診断装置が検出した受信波を、−旦最
小位相受信波形に変換した後に、デコンボリューション
法処理を適用して変換波を求めているため、従来に比べ
てより理想的な希望波形に変換することができる。こう
して検体内の組織についての情報をより正確に把握する
ことができるので、その情報によって得られる画像の分
解能が高められることになる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例を示すブロック図、第2
図は本発明の第2の実施例を示すブロック図、第3図及
び第4図は本発明の第3の実施例を示すブロック図、第
5図は本発明の第4の実施例を示すブロック図、第6図
はウィナ−フィルタ演算処理を示すブロック図、第7図
は従来の信号処理方法を示すブロック図、第8図はヒマ
シ油中の種々の距離に設けたアクリル板からの反射受信
 −波の正規化波形図、第9図は第8図の波形6をモデ
ル受信波として第1の実施例に係る処理によって変換し
た変換波形図、第10図は第8図の波形に距離依存の補
正を施した変換波形図、第11図は第8図の波形の振幅
・周波数特性を示す図、第12図は第8図のaに対する
b−gの減衰の周波数依存性を示す図、第13図は第1
2図の単位距離あたりの減衰量、第14図は距離0にお
ける合成仮想波形に対するfi % gの波形の減衰の
周波数依存性を示す図、第15図は吸収係数を示す図、
第16図は第14図の各周波数成分の単位距離あたりの
減衰量を示す図、第17図は第8図の8〜gの波形の位
相の周波数特性を示す図、第18図は以上の減衰、位相
の周波数特性から求めた距離の合成仮想波形及び各距離
の合成波形を示す波形図である。 1・・・受信波 2・・・モデル受信波 3.6.8・・・インパルス 9・・・最小位相モデル受信波 10・・・最小位相化オペレータ信号 11・・・変換オペレータ信号 12・・・最小位相受信波 13・・・変換波 jI4図 jla!I!!! 第8図 q      O 第11図 FREQUENCY(MH2) 第12図 REFERF?ED To  D−15,0MM、  
REFLECTIONFREQUENCY(MHz) 第13図 FREQUENCY(MH2) 3117図        8 U」 の く 工 〇− FREQUENCY(MH21

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)超音波診断装置の探触子が検出した受信波を、イ
    ンパルスを希望波形とするデコンボリューション法処理
    によって変換した変換波に基づいて検体内の検査を行う
    超音波診断装置の信号処理方法において、前記受信波を
    一旦最小位相波形または遅延インパルスによる変換波形
    に変換した後に前記デコンボリューション法処理によっ
    て変換波を得ることを特徴とする超音波診断装置の信号
    処理方法。
  2. (2)超音波診断装置の探触子が検出した受信波を代表
    させたモデル受信波を最小位相波形である最小位相モデ
    ル受信波に変換するとともに、ウィナーフィルタ演処理
    によって前記モデル受信波を最小位相モデル受信波に変
    換する最小位相化オペレータ信号を取り出し、該最小位
    相化オペレータ信号と受信波とのコンボリューションを
    行って受信波を最小位相波形である最小位相受信波に一
    旦変換すると共に、前記最小位相モデル受信波に対して
    インパルスを希望波形とするデコンボリューション法処
    理を行って取り出した変換オペレータ信号と前記最小位
    相受信波とのコンボリューションを行って変換波を得る
    請求項1記載の超音波診断装置の信号処理方法。
  3. (3)超音波診断装置の探触子が検出した受信波を代表
    させたモデル受信波に、遅延インパルスを希望波形とす
    るウィナーフィルタ演算処理によって遅延インパルス変
    換オペレータ信号を取り出し、これと受信波とのコンボ
    リューションから遅延インパルスに対する最小位相の波
    形である変換受信波に一旦変換した後、この遅延インパ
    ルスによる変換受信波に対してインパルスを希望波形と
    するデコンボリューション法処理によって得た変換オペ
    レータ信号を前記遅延インパルスによる変換受信波にコ
    ンボリューションして変換波を得る請求項1記載の超音
    波診断装置の信号処理方法。
  4. (4)超音波診断装置の探触子が検出した受信波を、該
    装置固有の特性、検体固有の特性及び外部環境のうちの
    少なくとも1つに応じて受信波を変換する補正処理を行
    うことを特徴とする請求項1記載の超音波診断装置の信
    号処理方法。
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