JP2009504232A - 超音波映像の合成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】超音波映像を形成する方法であって、送信周波数を有する超音波信号を所定の送信角度で対象体に送信する。以後、対象体から反射された信号を受信する。受信した信号に基づいて映像フレームを形成する。互いに異なる送信周波数で前記段階を繰り返し二つ以上の映像フレームを獲得する。獲得した映像フレームを合成して合成超音波映像を提供する。送信角度は送信周波数に基づいて変更される。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波映像の合成方法に関し、より詳細には、超音波映像の空間合成及び互いに異なる複数の送信周波数を用いた周波数合成を適用する超音波映像の合成方法に関する。
超音波映像システムは無侵襲で、即ち対象体へ超音波信号を送信し、反射信号を処理して対象体の映像を得ることができるため、医療診断分野に広く用いられている。従来の３次元超音波映像システムには、超音波パルスを生成して対象体から反射された超音波信号のエコー信号を受信する超音波変換子アレイまたはプローブが備えられる。従来の方法では、前記変換子が固定された周波数の超音波信号を送信し、次いで対象体から反射信号を受信する。このような場合、超音波映像を形成するために固定された周波数に対応する一つの周波数成分のみが抽出された。
しかし、従来の方式で獲得した超音波映像は、一般に超音波映像の画質を低下させるスペックル(ｓｐｅｃｋｌｅｓ)を含んでいる。このような問題を解決するために、周波数合成がこのような画質の低下を減らすために用いられている。周波数合成は所望の超音波映像を提供するために互いに異なる送信周波数に対応する２つ以上の超音波映像を形成してこれを合成する方法である。
従来方式の周波数合成に従って、固定された周波数の超音波信号を送信して対象体から反射された信号を受信する。このような方法は固定された周波数に対応する中心周波数成分と第２の高調波成分を受信した信号から抽出する。以後、中心周波数成分と第２の高調波成分に基づいて２つの映像を各々形成する。このように形成した映像を合成して合成超音波映像を提供する。
また、広帯域信号を送受信する他の方法がある。このような方法は受信した信号から周波数の特定間隔で周波数成分を抽出する。以後、抽出した周波数成分を用いて映像を形成し、このように形成された映像を合成して合成超音波映像を提供する。
このような従来の方法は一つのグループの受信信号から複数の周波数成分を抽出するため、各周波数に対応する映像を形成するための回路が並列に複数備えられなければならない。また、従来の方法は映像を空間合成する時に変換子の空間情報を考慮しないため、超音波映像の画質が相対的に低い。
従って、本発明は空間合成と共に修正した周波数合成を同時に適用することによって解像度をさらに向上させる超音波映像の合成方法を提供することに目的がある。
本発明の実施例による超音波映像の合成方法は、(ａ)所定の送信周波数を有する超音波信号を所定の送信角度で対象体に送信する段階と、(ｂ)前記対象体から反射された信号を受信する段階と、(ｃ)前記受信された信号に基づいて映像フレームを形成する段階と、(ｄ)互いに異なる送信周波数で前記(ａ)段階乃至(ｃ)段階を繰り返して二つ以上の映像フレームを獲得する段階と、(ｅ)前記獲得した映像フレームを合成して合成超音波映像を提供する段階を備え、前記送信周波数によってそれぞれ送信角度を変更する。
また、前記送信周波数が大きければ前記送信角度を小さくし、前記送信周波数が小さければ前記送信角度を大きくする。
本発明は、複数の互いに異なる送信周波数で獲得した映像フレームを合成して合成超音波映像を提供するため、スペックルノイズレベルを減らすことができ、さらにソフトな超音波映像を形成することができる。
また、本発明によって合成された超音波映像は組織の境界面をさらに明確に示すだけでなく、小さな血管または筋肉組織を表現することができる。
さらに、空間合成技法と結合して用いる場合、周波数合成効果と空間合成効果を同時に具現することによって高画質の映像を得ることができる。
図１は本発明の一実施例による超音波映像ディスプレイ装置の機能的ブロック図である。
図１を参照すれば、超音波映像ディスプレイ装置１００はトランスデューサアレイ１１３を備えるスキャンヘッダ１０１、Ｔ／Ｒスイッチ１０２、伝送器１１１、システム制御器１１２、デジタルビーム形成機１０３、利得制御部１０４、Ｂ-モードプロセッサ１０５、フレームメモリ１０６、合成制御部１０７、スキャン変換部１０８、ビデオプロセッサ１０９、ディスプレイ部１１０を備える。
システム制御器１１２は、超音波信号の周波数及び振幅と送信される超音波信号の送信角度(ｓｔｅｅｒ ａｎｇｌｅ)を決定する。伝送器１１１はシステム制御器１１２で決定された情報に基づいて超音波信号を生成する。トランスデューサアレイ(ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｒｒａｙ)を備えるスキャンヘッダ(ｓｃａｎ ｈｅａｄｅｒ)１０１は超音波信号を送受信する役割をする。Ｔ／Ｒスイッチ(Ｔｒａｎｓｍｉｔ／Ｒｅｃｅｉｖｅ Ｓｗｉｔｃｈ)１０２は超音波信号を同一のトランスデューサアレイで送信と受信をするためのスイッチの役割をする。よく知られている通り、デジタルビーム形成機１０３は各々のトランスデューサアレイ素子(ｅｌｅｍｅｎｔ)に受信された信号を受信集束する。利得制御部１０４は受信信号の利得(ｇａｉｎ)を補償する役割をする。
Ｂ-モードプロセッサ１０５は補償された信号に基づいて特定周波数成分に対するＢ-モード映像を生成する。Ｂ-モード映像でエコー信号の強度は映像において明るさで示される。特に、明るい点は人体内部に強い反射体があることを意味し、暗い点はハイポ-エコーイック(ｈｙｐｏ−ｅｃｈｏｉｃ)部分（低エコー部分）があることを示している。
フレームメモリ１０６は、フレーム単位で映像を合成するために必要なメモリ空間であって、Ｎ個のフレームデータを格納する。合成制御部１０７は合成超音波映像を提供するために多数の映像フレームに対して空間合成をする。本発明で、空間合成は合成超音波映像を提供するために複数の互いに異なる送信角度で獲得した多数の映像を合成する動作を示す。
スキャン変換部１０８は合成Ｂ-モード超音波映像データをディスプレイ部１１０で用いられる水平走査線表示形式で変換させる。ビデオプロセッサ１０９は変換された映像データを映像処理してディスプレイするのに適当な形態(ｆｏｒｍａｔ)の合成超音波映像データを生成する。ディスプレイ部１１０はビデオプロセッサ１０９から映像処理された超音波映像をディスプレイする。
以下、本発明の実施例による周波数合成及び空間合成を図２及び図３を参照して詳細に説明する。
図２は、本発明の実施例によって周波数合成方法を適用してフレーム単位で超音波映像を合成する方法を概略的に示したものであって、図３は、本発明の実施例によって周波数合成及び空間合成を適用してフレーム単位で超音波映像を合成する方法を概略的に示したものである。
前述したように、本発明の合成は互いに異なる送信周波数及び送信角度を用いて獲得した多数の映像フレームを必要とする。このようなフレームを形成するために、システム制御器１１２はまず特定送信周波数を決定する。伝送器１１１は特定送信周波数の超音波信号を送信する。Ｂ-モードプロセッサ１０５は所望の周波数成分を抽出するために用いられる。所望の周波数成分の周波数はフレーム別に変更される。合成制御部１０７はＢ-モードプロセッサ１０５から抽出した周波数成分に該当するデータを受信する。空間合成のために、システム制御器１１２はフレーム別に変更された送信角度で送信できるように送信器１１１を制御する。従って、合成制御部１０７に受信されたデータはフレーム別に周波数成分と送信角度が変更された映像データである。合成制御部１０７は送信角度に基づいて位置情報を補償した受信された映像データを合成して合成超音波映像を提供する。
以下、本発明の実施例に超音波映像を合成する方法を図２及び図３を参照して詳細に説明する。このような方法で、任意の周波数を有する超音波信号セットを任意の送信角度で対象体に送信し、対象体から反射された信号セットを受信した後に、受信した信号セットに基づいて映像フレームを形成する。前記方法は送信ごとに超音波信号の周波数を変更する段階と;少なくとも二つ以上のフレームを獲得する段階と;獲得されたフレームを合成して合成超音波映像を提供する段階と;映像をディスプレイする段階を備え、送信周波数によって各々送信角度が変更される。
以下、合成超音波映像を提供するために周波数合成を用いて映像フレームを合成する方法が例示される。周波数合成は互いに異なる二つ以上の送信周波数(ｆ１、ｆ２、...、ｆＮ)を用いて提供された各々の映像フレームを合成して合成超音波映像を提供する方法である。映像フレームを形成するために送信周波数２１３(ｆ１、ｆ２、...、ｆＮ)、送信角度(ｓｔｅｅｒ ａｎｇｌｅ)２１４及び振幅が決定される。本実施例で用いる送信周波数２１３は通常トランスデューサアレイでサポートされる周波数帯域幅(Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ)に属する全ての周波数である。例えば、２ＭＨｚ乃至５ＭＨｚの帯域を有するトランスデューサアレイがあれば、２ＭＨｚ、２．５ＭＨｚ、３ＭＨｚ、３．５ＭＨｚ等の任意の周波数を用いることができる。
超音波信号の減衰率は送信周波数２１３によって決定される。送信周波数(ｆ１、ｆ２、...、ｆＮ)による減衰係数の差及び送信角度２１４による受信信号の利得補償のためにシステム制御器１１２と受信信号の利得制御部１０４がある。各々の送信周波数で受信された信号はＢ-モードプロセッサ１０５でＢ-モード映像処理されてＢ-モード映像フレームとして提供される。Ｂ-モード映像フレームはディスプレイ部１１０を通じてディスプレイされる超音波映像で合成される。
Ｎ個のフレームを合成するためには(Ｎ−１)個のフレームに該当する時間遅延が最初１回必要である。即ち、Ｎ個のフレームが獲得されるまで合成超音波映像が提供できない。それ以後は循環方式でなされるため時間遅延が必要ではない。即ち、送信周波数はｆ１、ｆ２、...、ｆＮ順で変更された後、再びｆ１に変更される。このため、本発明の方法はフレームレートに影響を与えない。
一方、本実施例による超音波映像の合成方法は送信周波数(ｆ１、ｆ２、...、ｆＮ)をフレームと共に可変する方式であるので映像を得るための一つの回路しか必要としない。
空間合成は互いに異なる方向に設定された送信角度３１４で超音波信号を送信する段階と;各送信角度に対する映像を獲得する段階と;獲得した映像を合成して合成超音波映像を提供する段階とを備える方法である。送信ビームの間の角度が小さいほど空間合成の効果が減少する。しかし、送信ビームの間の角度があまりにも大きい場合、グレーティングローブアーティファクト(ｇｒａｔｉｎｇ ｌｏｂｅ ａｒｔｉｆａｃｔ)が発生することがある。グレーティングローブアーティファクトが発生しない最大角は下記の数式１で表現される。送信周波数を除いた残りの変動事項はいずれもプローブ固有の特性である。
Figure 2009504232
ここで、ｄはエレメントピッチ(ｅｌｅｍｅｎｔ ｐｉｔｃｈ)を、θＭはメインローブ走査角度(ｍａｉｎ ｌｏｂｅ ｔｒａｎｓｍｉｔ ａｎｇｌｅ)を、λは波長を示す。波長(λ)は超音波信号の音速(ｃ)/送信周波数(ｆ)で与えられる。送信周波数は可変的である。数式１は送信周波数が低いほどグレーティングローブアーティファクトが発生しない最大送信角度が大きくなることを示す。
前述したように、本方法で超音波信号の送信角度は周波数に従って変更され得る。小さな送信角度に対しては高い周波数を用いて合成するのが望ましく、大きい送信角度に対しては低い周波数を用いて合成するのが望ましい。このような方式で、送信角度を最大化することが可能であるため、グレーティングローブアーティファクトを引き起こさず、合成の改善された効果を得ることができる。
周波数合成を用いて超音波映像を合成すれば、スペックル(ｓｐｅｃｋｌｅ)の大きさが小さくて均一になるためコントラスト(Ｃｏｎｔｒａｓｔ)解像度が向上する。また、低い周波数成分を用いれば、超音波映像を見られる深さが増加する。本発明は広い周波数範囲で送信周波数を変更する。従って、本発明は従来の方式に比べて実際にさらに低い送信周波数を用いる。低い送信周波数によって減衰が少なく生じるため、超音波映像を見られる深さが増加する。
空間合成を用いて超音波映像を合成すれば、スペックルの大きさが小さくて均一になるため、コントラストの解像度が向上して明るいターゲット(Ｔａｒｇｅｔ)によって遮られる領域について送信角度を変更するので十分に見られるようにし、深さによって焦点が合う程度が一定になる。
従って、周波数合成と空間合成とを同時に適用するようになれば、周波数によってグレーティングローブが発生する送信角度の制限をなくすことができる。即ち、より大きい送信角度を用いることができるので、空間合成の性能をさらに良好にすることができる。
本発明の実施例による超音波映像ディスプレイ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例によって周波数合成を用いてフレーム別に超音波映像を形成する方法を示す。 本発明の実施例によって周波数合成及び空間合成を用いてフレーム別に超音波映像を形成する方法を示す。

Claims (3)

  1. (ａ)所定の送信周波数を有する超音波信号を所定の送信角度で対象体へ送信する段階と、
    (ｂ)前記対象体から反射された信号を受信する段階と、
    (ｃ)前記受信された信号に基づいて映像フレームを形成する段階と、
    (ｄ)互いに異なる送信周波数で前記(ａ)段階乃至(ｃ)段階を繰り返して二つ以上の映像フレームを獲得する段階と、
    (ｅ)前記獲得した映像フレームを合成して合成超音波映像を提供する段階とを備え、
    前記送信周波数によって各々送信角度を変更する超音波映像の合成方法。
  2. 前記送信周波数が大きければ前記送信角度を小さくし、前記送信周波数が小さければ前記送信角度を大きくする、請求項１に記載の超音波映像の合成方法。
  3. 超音波信号を複数の回数で送信して、前記各送信に互いに異なる周波数と互いに異なる送信角度を用いる段階と、
    複数のエコー信号を受信して複数の映像フレームを形成する段階と、
    前記複数の映像フレームを合成して合成超音波映像を形成する段階とを備える超音波映像の合成方法。
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