JP2007007045A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波診断装置において生体音速の推定を実現すること。
【解決手段】超音波診断装置は、配列された複数の振動子を有する超音波探触子１と、超音波探触子１を介して被検体に超音波を送信する送信回路２と、超音波探触子１を介して被検体からのエコー信号を受信する受信回路７と、受信されたエコー信号に基づいて、遅延制御のための設定音速が相違する複数の超音波強度分布を生成する強度分布生成部１５とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体内部を超音波で走査し、得られたエコー信号に基づいて超音波画像を得て表示する超音波診断装置に関する。

超音波診断装置では画像の方位分解能を高めるために、送信および受信ビームを集束させる方法がとられている。特に電子走査型の配列振動子では各チャンネルの送受信信号の遅延時間制御による電子集束法が用いられている。

電子集束法の問題点は集束点から離れた場所(深さ)ではビームが拡散し、方位分解能が低下することである。その為に従来ではダイナミック集束法が用いられる。これは受信時において時間とともに集束点が連続的に深さ方向に移動するような遅延時間制御を行なう方法であり、これにより常に受信超音波ビームが集束された領域から得ることができる。このとき図８のような焦点Ｐの深さ方向の座標をＸ、受信口径内のある素子の横方向の座標をＹ（座標原点は口径中心）とし、深度Ｘの焦点Ｐで生じる反射音波の波面が口径中心に到達してから上記の素子に到達するまでの遅延時間をΔｔ、媒体の音速をＣとすれば（１）式のように示される。
Δｔ＝（（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２−Ｘ）／Ｃ ・・・（１）
一般の超音波診断装置では音速Ｃは、対象となる診断部位の代表的な音速を想定して遅延時間を設定している（以下、設定音速という）。しかし、生体内音速値は筋肉では1560cm/s、脂肪では1480cm/sという報告もあり、またこれらは被検体間でもかなり差が有り、この音速のズレにより集束点が一致しなくなり画質劣化を生じる問題があった。

図９（ａ）、図９（ｂ）に比較して示すように、設定音速が生体内の実際の音速に対して一致しないとき、集束点がズレる。その為、音速を検出する為の方法として反射法、相互相関法による位相補正などの技術がある。しかしながらこれらは結石や境界壁といった反射体がなければならないことと、その反射体が点でなければならないといった制約等があり、全体的に良好な画像を得がたいという問題があった。また、特許文献１には音速を任意に変更可能とした技術が記載されているが、音速それ自体を測定することはできなかった。
特開平８−３１７９２６号公報

本発明の目的は、超音波診断装置において生体音速の推定を実現することにある。

本発明の局面において、超音波診断装置は、配列された複数の振動子を有する超音波探触子と、前記超音波探触子を介して被検体に超音波を送信する送信回路と、前記超音波探触子を介して前記被検体からのエコー信号を受信する受信回路と、前記受信されたエコー信号に基づいて、遅延制御のための設定音速が相違する複数の超音波強度分布を生成する強度分布生成部とを具備する。

本発明によれば、生体音速を推定することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１に本実施形態に係る超音波診断装置の構成を示している。超音波探触子１は、配列された複数の圧電素子を有している。この超音波探触子１の形態としては、セクタ対応、リニア対応、コンベックス対応等の中から任意に選択される。超音波探触子１から超音波を送信するための送信回路２は、クロック発生器３、レートパルス発生器４、送信遅延回路５、パルサ６とから構成されている。クロック発生器３から発振されたクロックに従ってレートパルス発生器４から超音波の送信レート（毎秒送信回数）を決定するためのレートパルスが出力される。このレートパルスは、送信遅延回路５で、遅延される。スキャンコントローラ１３の制御のもとで、遅延時間は超音波を集束するために振動子ごとに設定される。パルサ６は、遅延されたレートパルスにトリガされ、探触子１の振動子に高周波のパルス電圧を印加する。探触子１の振動子は、このパルス電圧を受けて機械的に振動する。これにより超音波が発生され、被検体に送信される。

超音波は生体内を伝播し、その途中にある音響インピーダンスの不連続面で次々と反射する。この反射強度は不連続面の音響インピーダンスの差に主に依存している。このような反射によるエコーは探触子１に返ってきて、振動子を振動する。これにより、振動子から微弱な電気信号が発生する。この電気信号は、受信回路７に取り込まれる。受信回路７は、アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）８、記憶部として典型的にはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９、ディジタル加算器１０から構成される。アナログディジタル変換器８は、振動子ごと又はチャンネルごとに設けられ、対応する探触子１からの電気信号をディジタル信号に変換する。ランダムアクセスメモリ９は、アナログディジタル変換器８と同様に振動子ごと又はチャンネルごとに設けられ、ディジタル信号（エコー信号）を保持する。ディジタル加算器１０は、スキャンコントローラ１３の制御のもとでランダムアクセスメモリ９から読み出されたエコー信号を加算（整相加算）する。スキャンコントローラ１３で、ランダムアクセスメモリ９からエコー信号を読み出すタイミングを制御することで、超音波の集束、集束深度（焦点深度）が決定される。読み出すタイミングとは、具体的には開口端チャンネルの信号読み出し時点と、それより遅れて読み出される他のチャンネルの信号読み出し時点との時間差（遅延時間）である。各チャンネルに与える遅延時間を制御することにより焦点深度を変化させることができる。また、略同時に信号を読み出すチャンネルを限定することで開口幅、開口中心を制御することができる。表示器１１は、加算された信号に基づいて、超音波画像を表示する。

本実施形態では、ビームプロファイル生成部１５、音速選択部１６を特徴的に備えている。ビームプロファイル生成部１５は、受信回路７で整相加算を受けたエコー信号から、設定音速が相違する複数のビームプロファイルを生成する機能とともに、生成した複数のビームプロファイルを同一画面に重ねて表示するための信号を発生する機能を有している。遅延時間設定のために想定される音速を設定音速と称する。ビームプロファイルは、超音波強度の方位方向に関する強度分布である。音速選択部１６は、設定音速が相違する複数のビームプロファイルから、生体音速を推定する。具体的には、複数のビームプロファイルの中の最小ビーム幅に対応するビームプロファイルの設定音速が生体音速として選択される。

図２は本実施形態による生体音速測定動作の手順を示している。図３は図２の補足図である。ここではリニアスキャンを例に説明するが、セクタ等他のスキャン方式であっても生体音速測定動作は適用できる。生体音速測定動作は、図示しない入力デバイスから入力された操作者の当該動作開始指示に従ってシステムコントローラ１４の制御のもとで開始される。又は、生体音速測定動作は、システムコントローラ１４が超音波検査中に定期的に自動実施するようにしても良い。生体音速測定動作では、まずスキャンコントローラ１３により制御された送信回路２は超音波探触子１を駆動することにより超音波が被検体に送信される（Ｓ１１）。図３に例示するように、超音波は、スキャンコントローラ１３の制御のもとで、所定の開口中心ＹTを中心とした所定幅の開口内の複数の振動子から発生される。各振動子に対する遅延時間は、超音波が初期的に設定されている水中の標準的な音速Ｃ0（例えば1524m/sec）のもとで所定深度の焦点Ｔで集束するようにスキャンコントローラ１３で決定される。送信遅延回路５は、スキャンコントローラ１３からそれぞれ対応する振動子毎に決定された遅延時間をセットする。

送信に続いて被検体からのエコーが全ての振動子で受信される（Ｓ１２）。実際的には、全ての振動子で電気信号に変換されたエコー（エコー信号）はそれぞれ個別にアナログディジタル変換器８でディジタル信号に変換され、それぞれ対応するランダムアクセスメモリ９に記憶される。

ランダムアクセスメモリ９に記憶されたエコー信号は、スキャンコントローラ１３の制御のもとで読み出され（Ｓ１３）、ディジタル加算器１０で加算され、加算により整相された信号（エコー信号と区別するために受信信号と称する）は受信信号記憶部１１に記憶される（Ｓ１４）。読み出し（Ｓ１３）と、加算及び記憶（Ｓ１４）とは、システムコントローラ１４の制御のもと、Ｓ１５、Ｓ１６及びＳ１７の判断処理を経て、変数ｊ，ｉ，ｋがそれぞれｎ，Ｎ，ｋに達するまで繰り返される。変数ｉは設定音速Ｃiの変化に対応し、ｊは受信開口中心位置（方位方向の位置）の変化に対応し、ｋは焦点深度Ｐkの変化に対応する。リニアスキャン方式では典型的には受信開口幅は所定幅（連続する所定の振動子数ｍ）で固定される。変数ｊ，ｉ，ｋは０，１，１にそれぞれ初期設定される。

まず、開口中心Ｙ0を中心として所定数の振動子各々の遅延時間が、設定音速Ｃ1を想定して超音波が焦点Ｐ1に集束するように上記（１）式に従ってスキャンコントローラ１３で計算される。計算された遅延時間に従ってＲＡＭ９から近傍ｍ個のエコー信号が読み出され、加算され、それによる受信信号が記憶される。続いて、Ｓ１５を経て、変数ｊが１つだけインクリメントされ、つまり、受信開口中心がＹ1にシフトされて、同じ遅延時間で近傍ｍ個のエコー信号が読み出され、加算され、それによる受信信号が記憶される。読み出し、加算及び記憶は、受信開口中心位置ＹjがＹnに達するまで繰り返される。それにより、設定音速Ｃ1の想定のもとで焦点Ｐ1に集束するように受信遅延制御された受信信号が、開口中心Ｙ0乃至Ｙnの（ｎ＋１）個の位置について個別に発生される。

次に、受信開口中心位置ＹjがＹ0に初期化され、設定音速がＣ2に変更され、その設定音速Ｃ2のもとで超音波が焦点Ｐ1に集束するように計算された遅延時間に従ってＲＡＭ９から受信開口中心位置Ｙ0を中心とした近傍ｍ個ののエコー信号が読み出され、加算され、それによる受信信号が記憶される。同様に、読み出し、加算及び記憶が、受信開口中心位置ＹjがＹnに達するまで繰り返され、それにより、設定音速Ｃ2の想定のもとで焦点Ｐ1に集束するように受信遅延制御された受信信号が、開口中心Ｙ0乃至Ｙnの（ｎ＋１）個の位置について個別に発生される。

このように設定音速ＣiがＣnに達するまでＳ１３、Ｓ１４及びＳ１５が繰り返される。それにより焦点深度Ｐ1が同じであって、受信開口中心Ｙjが所定間隔ずつシフトした（ｎ＋１）個の受信信号のセットが、Ｎ種の設定音速Ｃiの各々について発生され、つまりＮセット発生される。

同様に、Ｓ１７を経て、今度は、焦点深度がＰ2に変更され、その焦点深度がＰ2で同じであって、受信開口中心Ｙjが所定間隔ずつシフトした（ｎ＋１）個の受信信号のセットが、Ｎ種の設定音速Ｃiの各々について発生され、つまりＮセット発生される。

次に、ビームプロファイル生成部１５では、図４に例示するような超音波強度（パワー）の方位方向に関する空間的分布を表すビームプロファイルがセット毎、つまり設定音速毎に生成される（Ｓ１８）。図４に示すように、焦点深度Ｐ1に対応するものであって、ｎ＝９として、設定音速が1440m/secから1620m/secからまで１０種のビームプロファイルが生成される。焦点深度Ｐ1（浅部領域）に対応する設定音速が相違する１０種のビームプロファイルを重ねて表示するための信号がビームプロファイル生成部１５で発生され、表示器１２に供給される。表示器１２には、図４に示すように重ねられた１０種のビームプロファイルが表示される。同様に、焦点深度Ｐ2（深部領域）に対応する１０種のビームプロファイルが生成され、表示される。

音速選択部１６では、焦点深度Ｐ1（浅部領域）に対応する設定音速が相違する１０種のビームプロファイルの中からビーム幅として例えば半値幅が最も狭い（短い）ビームプロファイルが選択され、その選択されたビームプロファイルに対応する設定音速Ｃiが当該被検体の当該部位の浅部領域に関する生体速度として推定される（Ｓ１９）。つまりビーム幅が最も細く絞られるときの設定音速が真の生体速度に最も近似しているものである。同様に、音速選択部１６では、焦点深度Ｐ2（深部領域）に対応する設定音速が相違する１０種のビームプロファイルの中からビーム幅として例えば半値幅が最も狭いビームプロファイルが選択され、その選択されたビームプロファイルに対応する設定音速Ｃiが当該被検体の当該部位の深部領域に関する生体速度として推定される（Ｓ１９）。

浅部領域と深部領域ごとに推定された生体速度のデータはスキャンコントローラ１３に供給される（Ｓ２０）。スキャンコントローラ１３では、推定された生体速度に従って送信及び受信遅延時間を制御する。

それにより遅延制御に用いる設定音速を実際の媒体音速と同一または近い値に自動的に設定することが出来、高分解能高画質を得ることができ、診断精度をさらに向上することができる。

なお、上記では、ビームプロファイル生成部１５は図４に例示するように設定音速の異なる複数のビームプロファイルを生成したが、図５に例示するような設定音速によるビーム幅の変化を表すグラフを生成し、それとともに、その変化を多次曲線として典型的には２次曲線で近似するようにしても良い。さらにビームプロファイル生成部１５は、生成したグラフを近似曲線とともに表示するための信号がビームプロファイル生成部１５で発生され、表示器１２に供給される。

また、上記では、音速選択部１６は、複数のビームプロファイルから最小ビーム幅のビームプロファイルを選択して、その選択したビームプロファイルに対応する設定音速を生体速度として推定したが、当該選択は、操作者が、表示器１２に表示された複数のビームプロファイルの中から図示しない入力デバイスを介して自身の判断のもとで手動で選択するようにしてもよい。

また、上記では、音速選択部１６は、複数のビームプロファイルから最小ビーム幅のビームプロファイルを選択して、その選択したビームプロファイルに対応する設定音速を生体速度として推定したが、図５に示した近似曲線の極小値を抽出し、その極小値に対応する設定音速を生体速度として推定するようにしても良い。

また、ビームプロファイル生成部１５は図６に例示する画像２０を発生するようにしても良い。画像２０は、焦点深度が同じ１セットの（ｎ＋１）個の受信信号を方位軸に沿って配列することで部分画像２０−１〜２０−Ｎを設定音速毎に生成し、その設定音速の相違するＮ個の部分画像２０−１〜２０−Ｎを音速順に配列することで発生される。ビームプロファイル生成部１５は当該画像２０を表示するための信号を発生する。この信号に従って表示器１２で図６に例示する画像が表示される。

当該表示された画像２０からいずれかの部分画像２０−１〜２０−Ｎを操作者が図示しない入力デバイスを介して自身の判断のもとで手動で選択し、その部分画像に対応する設定音速を生体速度として推定するようにしてもよい。

また、上記では、超音波の送信は位置ＹTで１回だけ送信したが、位置ＹTを中心とした複数の位置から繰り返し送信するようにしても良い。そのとき、送信位置が相違し、受信開口中心及び焦点深度が同じ複数のエコー信号を平均化（アベレージング）し、平均化したエコー信号を整相加算することにより受信信号を生成し、その受信信号からビームプロファイルを生成するようにしても良い。図７には平均化したエコー信号から生成した受信信号による図６と同様の画像２１を示している。この場合、明らかにＳＮＲの向上が見受けられる。

さらに、上述では、ディジタルビームフォーミング技術により、記憶したエコー信号から浅部／深部領域毎に受信開口中心Ｙjの異なる（ｎ＋１）個の受信信号を生成したが、従来のアナログビームフォーミングのように、１回の超音波送信ごとに単一の受信信号を生成し、それを必要な回数繰り返す、つまり超音波送信を繰り返し、その受信の都度、受信開口中心Ｙjをシフトしていくようにしても良い。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態に係る超音波診断装置の構成を示す図。 本実施形態において、生体音速測定動作の手順を示す図。 図２のＳ１，Ｓ１３の補足図。 図１のビームプロファイル生成部で生成されるビームプロファイルの表示例を示す図。 図１のビームプロファイル生成部で生成されるビーム幅と設定音速との関係の表示例を示す図。 図１のビームプロファイル生成部で生成される設定音速ごとの強度画像の合成画像の表示例を示す図。 図１のビームプロファイル生成部で生成される設定音速ごとの平均強度画像の合成画像の表示例を示す図。 超音波集束のための遅延時間Δｔの計算の補足図。 遅延制御のための設定音速と実際の生体音速との不一致による焦点のズレを示す図。

符号の説明

１…超音波探触子、２…送信回路、３…クロック発生器、４…レートパルス発生器、５…送信遅延回路、６…パルサ、７…受信回路、８…アナログディジタル変換器（ＡＤＣ）、９…ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、１０…ディジタル加算器、１１…受信信号記憶部、１２…表示器、１３…スキャンコントローラ、１４…システムコントローラ、１５…ビームプロファイル生成部、１６…音速選択部。

Claims (10)

1. 配列された複数の振動子を有する超音波探触子と、
   前記超音波探触子を介して被検体に超音波を送信する送信回路と、
   前記超音波探触子を介して前記被検体からのエコー信号を受信する受信回路と、
   前記受信されたエコー信号に基づいて、遅延制御のための設定音速が相違する複数の超音波強度分布を生成する強度分布生成部とを具備することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記複数の超音波強度分布に基づいて前記被検体の生体音速を推定する推定部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記推定部は、前記複数の超音波強度分布の中の最小ビーム幅に対応する超音波強度分布の設定音速を前記生体音速として推定することを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
4. 前記推定された生体音速に従って遅延制御が行われるように前記送信回路及び前記受信回路を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
5. 前記推定部は、前記生体音速を複数の深度領域について個々に推定することを特徴とする請求項２記載の超音波診断装置。
6. 前記複数の超音波強度分布を同一画面に重ねて表示するための信号を発生する表示信号発生部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
7. 前記超音波の送信開口中心位置が相違し、前記エコー信号の受信開口中心位置が略同一の複数のエコー信号を平均加算する平均加算部をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
8. 超音波診断装置の各部を制御手段が制御する方法であって、
   送信回路を制御して、超音波を繰り返し発生する工程と、
   受信回路を制御して、エコー信号を繰り返し受信する工程と、
   前記受信されたエコー信号に基づいて、遅延制御のための設定音速が相違する複数の超音波強度分布を生成する工程と、
   前記複数の超音波強度分布に基づいて、前記被検体の生体音速を推定する工程とを備えることを特徴とする超音波診断装置の制御方法。
9. 超音波送受信の繰り返しにより得られたエコー信号に基づいて、遅延制御のための設定音速が相違する複数の超音波強度分布を生成する手段と、
   前記複数の超音波強度分布に基づいて、前記被検体の生体音速を推定する手段とをコンピュータに実現させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
10. 超音波送受信の繰り返しにより得られたエコー信号に基づいて、遅延制御のための設定音速が相違する複数の超音波強度分布を生成する手段と、
    前記複数の超音波強度分布に基づいて、前記被検体の生体音速を推定する手段とをコンピュータに実現させるためのプログラム。

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