JP2010279500A - 超音波診断装置およびその制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】周期的に運動する被検体の特定部位に関して定量的な画像診断が可能な超音波プローブの走査条件を設定する超音波診断装置およびその制御プログラムを提供すること。
【解決手段】周期的に運動する被検体の特定部位の運動周期を取得し、この運動周期に基づいて超音波プローブの走査条件を決定する。そして決定した走査条件に応じて送受信ユニットを制御し、超音波プローブを駆動させる。このとき得た受波信号に基づいて３次元空間に対応する時系列のフレームデータを発生し、該フレームデータから運動周期Ｈｓに関して同一時相のフレームデータを合成して各時相におけるボリュームデータを生成する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、超音波により被検体の体内を画像化し診断を行う超音波診断装置およびその制御プログラムに係り、特に周期的に運動する組織の４次元画像データ作成技術に関する。

超音波診断装置は生体内情報の超音波画像を取得し表示する診断装置であり、Ｘ線診断装置やＸ線コンピュータ断層撮影装置などの他の画像診断装置に比べ、安価で被爆が無く、非侵襲性に実時間で観測するための有用な装置として利用されている。係る特性から、超音波診断装置の適用範囲は広く、心臓などの循環器から肝臓、腎臓などの腹部、抹消血管、産婦人科、脳血管などの診断に利用されている。

近年、我が国における三大死因の第２位は心疾患であり、総死亡者数の１５％余りを占めている。心疾患の主な原因としては、心臓を栄養する心血管の血流が悪化ないし途絶することによる心筋機能の低下や（虚血性心疾患）、心臓を拍動させる神経刺激の異常ないし伝導障害などが挙げられる。

心疾患は、発生時のリスクが非常に高く、心筋梗塞の場合で致死率が２０％にも達する。そのため、初期段階での異常発見が重要である。心疾患の早期発見には、心筋の壁運動低下を検出する心臓超音波検査が有効である。この検査によれば、壁運動低下の発生部位を検出し、該部位の心筋を栄養する血管経路若しくは刺激伝達経路を精査することで原因を特定することができるので、心疾患の早期治療が可能となる
現在、心臓の壁運動評価に使用する超音波画像としては、２次元画像と３次元画像の２種類が用いられている。このうち、３次元画像データの収集に使用される超音波探触子（超音波プローブ）に経食道４Ｄプローブが知られている。このプローブは、被検体の食道に挿入して体内から心臓を超音波スキャンするものである。被検体の体外から心臓を超音波スキャンする際には、肋骨を避けねばならず、適切な画像を得られるか否かは超音波診断装置を操作する技師の技量に依存するのに対し、上記経食道４Ｄプローブは、比較的簡便に心臓の超音波スキャンが可能であるため、近年頻繁に用いられるようになってきている。

経食道４Ｄプローブを用いた心臓のスキャニングについて簡単に説明する。
先ず、経食道４Ｄプローブを被検体の食道に挿入し、該プローブが備える機構により超音波スキャン面を１８０°回転させて円錐状の３次元領域をスキャンする。このとき、複数心拍分に亘るフレームデータを収集するとともに、心電波形を基にして心臓の運動周期を特定する。このようにして収集された時系列のフレームデータの中から、心臓の運動周期に関して同一時相のフレームデータを抜き出して合成することにより、心周期に関する各時相におけるボリュームデータを得ることができる。このボリュームデータを時系列に心周期上で並べれば、１心拍分のボリュームデータ（４次元画像データ）が完成する。このようにして心臓の４次元画像データを作成する技術は、例えば特許文献１に開示されている。

かくして作成される４次元画像データの精細さを評価するパラメータとして、時間分解能（単位時間当たりのボリュームデータ数、すなわちボリュームレート）と、個々の３次元画像の空間分解能（画像の解像度に相当）とが挙げられる。
さらに、上記時間分解能は、１心拍間に収集するフレームデータ数Ｎｉと、スキャンレートＲと、ハートレートＨｓとに依存する。ここに、スキャンレートＲとは単位時間当たりに収集するフレームデータ数であり、ハートレートＨｓとは単位時間当たりの心拍数である。
また、上記空間分解能は、フレームデータの収集にあてる心拍数Ｎｈと、スキャン面回転速度Ｓと、ハートレートＨｓとに依存する。ここに、スキャン面回転速度Ｓとは、上記超音波スキャン面を回転させる際の角速度である。これらのパラメータのうち、ユーザが任意にコントロールし得るのは、スキャンレートＲとスキャン面回転速度Ｓである。

一般的に、スキャンレートＲを高く設定するほど時間分解能が向上する。しかし、１つのフレームデータを得る際の走査線密度やデータ収集範囲の大きさにも因るが、スキャンレートＲを高く設定しすぎると、収集するフレームデータ数が増大して最終的な４次元画像データのデータサイズが大きくなることや、機器の動画再生性能の限界を超過することなどの問題が生じる。スキャンレートＲは、上記のような時間分解能向上の要請と、機器の性能とを考慮して調整されている。

また、スキャン面回転速度Ｓを遅く設定するほど空間分解能が向上する。しかし、経食道による検査は患者に大きな負担を与えるため、極力短時間で検査を終えることが望まれる。スキャン面回転速度Ｓは、上記のような空間分解能向上の要請と、患者への負担とを考慮して調整されている。

特開２００８−３０２２２０号公報

上記スキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓを一定に保った場合であっても、生成される４次元画像データの空間分解能および時間分解能は、被検体のハートレートＨｓによって左右される。具体的には、ハートレートＨｓが速いほど空間分解能は高くなり、時間分解能は低くなる。一方、ハートレートＨｓが遅くなるほど空間分解能は低くなり、時間分解能は高くなる。

しかしながら、同一の被検体に対して定量的な画像診断を行うためには、上記空間分解能および時間分解能をハートレートＨｓによらず一定に保つことが望ましい。そのためには、ハートレートＨｓに応じてスキャンレートＲとスキャン面回転速度Ｓとを調整する必要がある。ただし、既述のように機器の性能や患者への負担をも考慮して各パラメータを調整しなければならない。

これらの条件を加味しつつユーザ自身がスキャンレートＲとスキャン面回転速度Ｓとを調整し、定量的な画像診断を行うのに最適な条件を設定することは困難である。

本発明は、上記のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、周期的に運動する被検体の特定部位に関して定量的な画像診断が可能な超音波プローブの走査条件を設定する超音波診断装置およびその制御プログラムを提供することである。

本発明は、上記目的を達成するため、次のような手段を講じている。

本発明の第１の視点は、超音波プローブと、この超音波プローブを駆動して被検体の内部を超音波で走査する送受信ユニットと、周期的に運動する被検体の特定部位の運動周期を取得する運動周期取得手段と、この運動周期取得手段により取得した運動周期に基づいて前記超音波プローブの走査条件を決定し、該走査条件に応じて前記送受信ユニットを制御して前記特定部位を含む３次元空間を超音波走査させる制御手段と、この制御手段による制御下にて前記送受信ユニットが前記超音波プローブを駆動して得た受波信号に基づいて前記３次元空間に対応する時系列のフレームデータを発生し、該フレームデータから前記運動周期に関して同一時相のフレームデータを合成して各時相におけるボリュームデータを生成するボリュームデータ生成手段と、を備えていることを特徴とする超音波診断装置である。

本発明の第２の視点は、超音波プローブと、この超音波プローブを駆動して被検体の内部を超音波で走査する送受信ユニットとを備えた超音波診断装置の制御プログラムであって、前記超音波診断装置に、周期的に運動する被検体の特定部位の運動周期を取得する運動周期取得機能と、この運動周期取得機能により取得した運動周期に基づいて前記超音波プローブの走査条件を決定し、該走査条件に応じて前記送受信ユニットを制御して前記特定部位を含む３次元空間を超音波走査させる制御機能と、この制御機能による制御下にて前記送受信ユニットが前記超音波プローブを駆動して得た受波信号に基づいて前記３次元空間に対応する時系列のフレームデータを発生し、該フレームデータから前記運動周期に関して同一時相のフレームデータを合成して各時相におけるボリュームデータを生成するボリュームデータ生成機能と、を実現させることを特徴とする制御プログラムである。

かかる手段を講じた本発明によれば、周期的に運動する被検体の特定部位に関して定量的な画像診断が可能な超音波プローブの走査条件を設定する超音波診断装置およびその制御プログラムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る超音波診断装置の構成図。 同実施形態における超音波プローブによる超音波スキャンの概念図。 同実施形態におけるパラメータ保持エリアのデータ構造の一例を示す模式図。 同実施形態における被検体のＥＣＧとスキャンタイミングとの関係を説明するための模式図。 同実施形態においてフレームデータを合成して得たボリュームデータの模式図。 同実施形態におけるパラメータ設定処理にてシステム制御ユニットが実行する処理の流れ図。 変形例における画像条件と収集画像枚数および心拍数との関係を示す図。 変形例における超音波診断装置の構成図。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１０の構成図である。本超音波診断装置１０は、超音波プローブ１１、生体信号計測ユニット１２、システム制御ユニット１３、プローブ制御ユニット１４、画像データ処理ユニット１５、表示ユニット１６、操作部１７および記憶部１８を備えている。また、上記プローブ制御ユニット１４は、送信ユニット１４１、受信ユニット１４２、支持機構制御ユニット１４３を備えている。

超音波プローブ１１は、送信ユニット１４１からの駆動パルスに基づき超音波を発生し、被検体Ｐからの反射波を電気信号に変換する複数の圧電振動子、当該圧電振動子に設けられる整合層、当該圧電振動子から後方への超音波の伝播を防止するバッキング材等を有している。当該超音波プローブ１１から被検体Ｐに超音波が送信されると、生体組織の非線形性により、超音波の伝播に伴って種々のハーモニック成分が発生する。送信超音波を構成する基本波とハーモニック成分は、体内組織の音響インピーダンスの境界、微小散乱等により後方散乱され、反射波（エコー）として超音波プローブ１１に受信される。

なお、本実施形態における超音波プローブ１１は、圧電振動子を回転可能に支持する支持機構１１１を備えた経食道メカニカル４Ｄプローブである。支持機構１１１は、圧電振動子とシャフトを介して接続されたモータや、このモータに接続されたエンコーダ等を備えている。前記モータは、支持機構制御ユニット１４３から供給される駆動パルスの周波数に応じた角速度にて前記圧電振動子を所定方向へ回転駆動する。前記エンコーダは、モータの回転量に基づいてデフォルト位置からの前記圧電振動子の回転角を検出し、該検出角に応じたパルス信号（以下、角度信号）を生成して支持機構制御ユニット１４３に送信する。

生体信号計測ユニット１２は、被検体Ｐの生体信号を検出するセンサと、このセンサから出力された検出信号をデジタル信号に変換して生体情報を生成する生体信号処理部とを備えている。上記センサは、心電図（ＥＣＧ）に対応するものであり、生体信号生成部により生成された生体情報は、システム制御ユニット１３に出力される。

システム制御ユニット１３は、情報処理装置（計算機）としての機能を持ち、本超音波診断装置本体の動作を静的又は動的に制御する。

送信ユニット１４１は、図示しない遅延回路およびパルサ回路等を有している。パルサ回路では、所定のレート周波数で、送信超音波を形成するためのレートパルスが繰り返し発生される。また、遅延回路では、チャンネル毎に超音波をビーム状に集束し且つ送信指向性を決定するのに必要な遅延時間が、各レートパルスに与えられる。送信ユニット１４１は、このレートパルスに基づくタイミングで、所定のスキャンラインに向けて超音波ビームが形成されるように振動子毎に駆動パルスを印加する。

受信ユニット１４２は、図示していないアンプ回路、Ａ／Ｄ変換器、加算器等を有している。アンプ回路では、超音波プローブ１１を介して取り込まれたエコー信号をチャンネル毎に増幅する。Ａ／Ｄ変換器では、増幅されたエコー信号に対し受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与え、その後加算器において加算処理を行う。この加算により、所定のスキャンラインに対応した超音波エコー信号を生成する。

支持機構制御ユニット１４３は、既述の如く超音波プローブ１１の支持機構１１１を制御して上記圧電素子を回転させる。データ収集を行っている間、支持機構制御ユニット１４３は、支持機構１１１から出力される上記角度信号を取り込み、受信ユニット１４２が生成した超音波エコー信号に同期させて画像データ処理ユニット１５に出力する。

画像データ処理ユニット１５は、受信ユニット１４２から受け取った超音波エコー信号に対して包絡線検波処理を施すことにより、超音波エコーの振幅強度に対応した２次元的なＢモード信号を生成し、この信号に基づいて２次元的な画像データであるフレームデータを生成する。さらに、生成したフレームデータに基づいて３次元的な画像データであるボリュームデータを生成する。生成したフレームデータおよびボリュームデータは、表示ユニット１６および記憶部１８に出力する。なお、表示ユニット１６には、フレームデータおよびボリュームデータをビデオ信号に変換して出力する。

表示ユニット１６は、画像データ処理ユニット１５やシステム制御ユニット１３から供給されるビデオ信号に基づいて生体内の２次元あるいは３次元の形態学的情報、血流情報、心電情報などを表示する。また、造影剤を用いた場合には、造影剤の空間的分布、すなわち血流或いは血液の存在している領域を求めた定量的な情報量に基づいて、輝度画像やカラー画像として表示する。

操作部１７は、装置本体に接続され、オペレータからの各種指示、関心領域（ＲＯＩ）の設定指示や種々の画質条件設定指示等を装置本体にとりこむためのマウス、トラックボール、キーボード等を有している。

記憶部１８は、画像データ処理ユニット１５から出力された各時相のフレームデータやボリュームデータ、生体信号計測ユニット１２から出力された被検体の心電情報などを記憶するデータベースと、心臓の４次元画像データ生成に関するパラメータが記憶されたパラメータ保持エリア１８１とを有している。

図２は、超音波プローブ１１による超音波スキャンの概念図である。図示したように、前記圧電振動子から出力される超音波ビームを、電気的に圧電素子の配列方向（Ｘ方向）に走査させることで、フレームに相当する放射状のスキャン面２０が形成される。３次元空間のスキャニングに際しては、前記支持機構１１１を駆動してスキャン面２０の形成位置を所定の角速度にて回転させつつ、所定のスキャンレートにてスキャン面２０を一通り超音波ビームにて走査させる。そうすると、支持機構１１１が圧電振動子をデフォルト位置から１８０°回転させる間に３次元空間を網羅するフレームデータを得ることができる。

図３は、パラメータ保持エリア１８１のデータ構造の一例を示す模式図である。パラメータ保持エリア１８１は、収集フレームデータ数Ｎｉ（フレーム数／秒）、収集心拍数Ｎｈ（心拍数）、ハートレートＨｓ（心拍数／秒）、スキャンレートＲ（フレーム数／秒）、スキャン面回転速度Ｓ（角度／秒）の記憶エリアを備えている。収集フレームデータ数Ｎｉは、被検体Ｐの１心周期の間に収集すべきフレームデータ数である。収集心拍数Ｎｈは、フレームデータの収集に当てる心周期数である。ハートレートＨｓは、被検体Ｐの心拍数である。スキャンレートＲは、単位時間当たりに収集すべきフレームデータ数（フレームレート）であり、換言すれば、単位時間当たりに超音波ビームにてスキャン面２０を一通り走査する回数である。スキャン面回転速度Ｓは、支持機構１１１を駆動して前記圧電振動子を回転させる角速度であり、本実施形態における走査面の形成位置の移動に関する状態量である。

（４次元画像データ生成処理）
次に、上記のような構成の超音波診断装置１０による４次元画像データの生成処理について図４および図５を用いて説明する。この処理は、スキャン処理とボリュームデータ作成処理とに大分できる。以下、各処理について説明する。

［スキャン処理］
スキャン処理では、プローブ制御ユニット１４の制御下にて、パラメータ保持エリア１８１に記憶されたスキャンレートＲとスキャン面回転速度Ｓとを用いて、診断部位に関するボリュームデータを生成するためのフレームデータを収集する。
図４は、生体信号計測ユニット１２により計測した被検体のＥＣＧとスキャンタイミングとの関係を説明するための模式図である。ここでは、４心周期かけてスキャン面２０を１８０°回転させ（Ｎｈ＝４）、１心周期間に３つのフレームデータを収集する（Ｎｉ＝３）場合について例示している。当然ながら４心周期にスキャン面を１８０°回転させることや一心周期に３回スキャンすることは、説明を具体的にするための例示であり、実際には一心周期により多くのスキャンを実行すること等が一般的である。なお、便宜上、第ｉ心周期（ｉ＝１〜Ｎｈ）において第ｊ番目（ｊ＝１〜Ｎｉ）に収集されたフレームデータをＦ_ｉｊと表記している。

画像収集開始後、最初のＲ波にトリガされて第1回目のスキャンが実行され、フレームデータＦ_１１が取得される。しかる後、支持機構制御ユニット１４３が支持機構１１１への駆動パルスの供給を開始し、この駆動パルスの供給を受けた支持機構１１１がスキャン面回転速度Ｓにて圧電振動子を回転させる。さらに、送信ユニット１４１が超音波プローブ１１への駆動パルスの供給を開始し、スキャンレートＲにてスキャン面２０を形成させる。かくして、各時相におけるフレームデータＦ_ｉｊが収集される。収集されたフレームデータＦ_ｉｊは、データ収集時における心周期の時相と、支持機構１１１の回転角度とに対応付けて記憶部１８に記憶される。

［ボリュームデータ生成処理］
ボリュームデータ生成処理では、画像データ処理ユニット１５がスキャン処理にて収集した複数のフレームデータＦ_ｉｊと、これらに対応付けられた心周期の時相および支持機構１１１の回転角度とを用いて各フレームデータＦ_ｉｊを３次元空間的に合成することで、心周期の各時相におけるボリュームデータを生成する。

図４に示した例において収集したフレームデータＦ_ｉｊから同一時相のものを抜き出して合成したボリュームデータの模式図を図５に示している。なお、便宜上、各時相におけるボリュームデータをＶ_ｊと表記している。スキャン処理にて収集したフレームデータＦ_ｉｊの中で、添字ｊが一致するものは心周期上において同一時相となる。例えば、フレームデータＦ_１１，Ｆ_２１，Ｆ_３１，Ｆ_４１はいずれも心周期の初期時相におけるフレームデータである。これらをスキャン時の支持機構１１１の回転角度に応じて同一の３次元空間内にて回転させ、合成することで、初期時相におけるボリュームデータＶ_１が生成される。同様にしてフレームデータＦ_１２，Ｆ_２２，Ｆ_３２，Ｆ_４２を同一の３次元空間内で合成することで１／３心周期におけるボリュームデータＶ_２が生成され、フレームデータＦ_１３，Ｆ_２３，Ｆ_３３，Ｆ_４３を同一の３次元空間内で合成することで２／３心周期におけるボリュームデータＶ_３が生成される。このようにして生成された各時相におけるボリュームデータＶ_ｊをその時相順に並べることで、１心周期にわたるボリュームデータ（４次元画像データ）が完成する。

（各パラメータの相関関係）
次に、上記４次元画像データを作成する際に使用する各パラメータ、すなわち収集フレームデータ数Ｎｉ、収集心拍数Ｎｈ、ハートレートＨｓ、スキャンレートＲ、スキャン面回転速度Ｓの相関関係について説明する。

上記各パラメータ間には、次の計算式にて表される関係が成立する。

これらの計算式を用いることで、収集フレームデータ数Ｎｉおよび収集心拍数Ｎｈを一定に保ちつつ、ハートレートＨｓに応じたスキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓを算出することができる。

（動作）
次に、超音波診断装置１０が実行する処理について説明する。
超音波診断装置１０は、４次元画像データを作成するに際してパラメータ設定処理を実行する。この処理では、被検体のハートレートＨｓに応じた最適なスキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓを自動的に算出し、４次元データの作成条件としてパラメータ保持エリア１８１に設定する。

図６は、パラメータ設定処理にてシステム制御ユニット１３が実行する処理の流れ図である。この処理は、オペレータが操作部１７を操作して４次元画像データの作成開始を指示したことに応じ、記憶部１８に記憶された動作プログラムに基づいて実行される。

先ず、システム制御ユニット１３は、新たに各パラメータを設定するか否かの選択を受け付け、その選択結果を判定する（ステップＳ１）。このときオペレータは、操作部１７を介してパラメータを設定するか否かを選択可能である。

新たにパラメータを設定するとの選択がなされた場合（ステップＳ１のＹｅｓ）、システム制御ユニット１３は、収集フレームデータ数Ｎｉおよび収集心拍数Ｎｈの入力を受け付ける（ステップＳ２）。このときオペレータは、操作部１７を介して所望の画像枚数Ｎｉと画像収集心拍数Ｎｈとを入力可能である。

収集フレームデータ数Ｎｉと収集心拍数Ｎｈとの入力を受け付けた後、システム制御ユニット１３は、パラメータ保持エリア１８１における収集フレームデータ数Ｎｉ，収集心拍数Ｎｈの記憶エリアを、入力を受け付けた数値にて更新する（ステップＳ３）。

パラメータ保持エリア１８１を更新した後、システム制御ユニット１３は、生体信号計測ユニット１２から出力されるＥＣＧに基づいて被検体ＰのハートレートＨｓを特定する。具体的には、所定時間にわたるＥＣＧを取得して当該期間におけるハートレートの平均値を算出し、算出した値をハートレートＨｓとする。あるいは、より正確にハートレートを測定する必要がある場合には、ＥＣＧの測定を規定回数行い、測定したデータのそれぞれに対してハートレートの平均値を算出し、算出した規定回数分のハートレートの平均値を求めて最終的なハートレートＨｓとする。ただし、これらの方法は一例であり、本超音波診断装置１０とは別個に設けられた機器を用いて被検体Ｐのハートレートを測定し、その結果を操作部１７を介して入力する等の方法を採用してもかまわない。ハートレートＨｓを取得したならば、パラメータ保持エリア１８１におけるハートレートＨｓの記憶エリアを、取得したハートレートＨｓにて更新する（ステップＳ５）。

次に、システム制御ユニット１３は、パラメータ保持エリア１８１に記憶された収集フレームデータ数Ｎｉ，収集心拍数Ｎｈ，ハートレートＨｓと上記数１式とを用いてスキャンレートＲを算出する（ステップＳ６）。

さらに、パラメータ保持エリア１８１に記憶された収集フレームデータ数Ｎｉ，収集心拍数Ｎｈ，ハートレートＨｓと上記数２式とを用いてスキャン面回転速度Ｓを算出する（ステップＳ７）。

しかる後、システム制御ユニット１３は、算出したスキャンレートＲとスキャン面回転速度Ｓとが、予め記憶部１８に設定された許容限界値内であるか否かを判定する（ステップＳ８）。スキャンレートＲの許容限界値は上限値Ｒmaxと下限値Ｒminとで構成され，スキャン面回転速度Ｓの許容限界値は上限値Ｓmaxと下限値Ｓminとで構成されている。これら許容限界値は、当該超音波診断装置１０の処理能力を勘案して製造時に定めるようにしてもよいし、ユーザが操作部１７を操作して任意の値を設定できるようにしてもよい。

上記判定の結果、スキャンレートＲまたはスキャン面回転速度Ｓのいずれかが許容限界値内にないと判定される場合には（ステップＳ８のＮｏ）、スキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓを、上限値あるいは下限値にて置き換える（ステップＳ９）。具体的には、スキャンレートＲが上限値Ｒmaxを超過する場合（Ｒmax＜Ｒ）にはその値を上限値Ｒmaxの値で置き換え（Ｒ←Ｒmax）、下限値Ｒmin未満である場合（Ｒ＜Ｒmin）にはその値を下限値Ｒminで置き換える（Ｒ←Ｒmin）。また、スキャン面回転速度Ｓが上限値Ｓmaxを超過する場合（Ｓmax＜Ｓ）にはその値を上限値Ｓmaxで置き換え（Ｓ←Ｓmax）、下限値Ｓmin未満である場合（Ｓ＜Ｓmin）にはその値を下限値Ｓminで置き換える（Ｓ←Ｓmin）。スキャンレートＲまたはスキャン面回転速度Ｓのいずれかを置換した場合には、その旨を示すメッセージを表示ユニット１６に表示してユーザに報知する。このように上限値あるいは下限値による置換を行うのは、算出されたスキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓが明らかに不自然な場合や、当該超音波診断装置１０の処理能力を超過するような場合に、その値を用いた不適当な４次元画像データの作成を防止するためである。また、算出された条件に最も近い許容範囲内の条件を自動的に設定することで再度のパラメータ入力等が不要となり、診断の迅速化を図ることができる。

上記判定の結果、スキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓが許容限界値内であると判定された後（ステップＳ８のＹｅｓ）、あるいは許容限界値内でないと判定され（ステップＳ８のＮｏ）、上限値あるいは下限値での置換（ステップＳ９）がなされた後、システム制御ユニット１３は、算出したスキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓにてパラメータ保持エリア１８１のスキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓの記憶エリアを更新する（ステップＳ１０）。

しかる後、システム制御ユニット１３は、パラメータ保持エリア１８１からスキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓを読み込み（ステップＳ１１）、撮像開始のコマンドとともにプローブ制御ユニット１４に出力して当該パラメータ設定処理を終了する。

なお、ステップＳ１の処理にて、新規パラメータを設定しないとの選択がなされた場合には（ステップＳ１のＮｏ）、既にパラメータ保持エリア１８１に設定されているデフォルトのスキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓを読み込んでプローブ制御ユニット１４に出力することになる。

システム制御ユニット１３から撮像開始のコマンドとスキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓとを受信したプローブ制御ユニット１４は、既述のスキャン処理を実行して時系列のフレームデータを収集する。そして、収集されたフレームデータに基づいて画像データ処理ユニット１５がボリュームデータ生成処理を実行し、１心周期にわたるボリュームデータを生成する。かくして生成されたボリュームデータは、所定のフレームレートにて表示ユニット１６に表示される。

以上述べた構成によれば、以下の効果を得ることができる。

本超音波診断装置によれば、被検体のハートレートＨｓに応じて最適なスキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓを自動設定することができる。この自動設定では、オペレータが指定した収集フレームデータ数Ｎｉと収集心拍数Ｎｈとを固定値として使用する。したがって、被検体のハートレートＨｓに因らずに一定条件の４次元画像データが作成されるので、当該データを用いての定量的な診断が可能となる。なお、収集フレームデータ数Ｎｉは４次元画像データの空間分解能または時間分解能のいずれを優先するかによって所望の値を設定しておけばよいし、収集心拍数Ｎｈは経食道への超音波プローブの挿入時間が患者に過度の負担をかけない程度となるように所望の値を設定しておけばよい。

また、従来の人為的手法による走査条件の設定と比較して、操作者の違いによる設定値のばらつきがなく客観性の高い設定を実現することができ、診断情報の質の向上に寄与することができる。

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。具体的な変形例としては、例えば次のようなものがある。

（１）すなわち、本実施形態に係る機能は、当該処理を実行するプログラムをワークステーション等のコンピュータにインストールし、これらをメモリ上で展開することによっても実現することができる。このとき、コンピュータに当該手法を実行させることのできるプログラムは、磁気ディスク（フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光ディスク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）、半導体メモリなどの記録媒体に格納して頒布することも可能である。

（２）上記実施形態では、オペレータが操作部１７を介して収集フレームデータ数Ｎｉおよび収集心拍数Ｎｈの値を入力するとして説明した。しかしながら、収集フレームデータ数Ｎｉと収集心拍数Ｎｈとは、要求される画像条件の高低に応じて複数の設定を予め用意しておき、この中からユーザが所望する設定を選択するようにしてもよい。

画像条件の高低と収集フレームデータ数Ｎｉおよび収集心拍数Ｎｈとの関係を、図７に示している。すなわち、プリスキャン時など低レベルの画像条件で問題がない場合には、収集フレームデータ数Ｎｉおよび収集心拍数Ｎｈを低く設定し、高レベルの画像条件が要求される場合には、収集フレームデータ数Ｎｉおよび収集心拍数Ｎｈを高く設定することになる。

画像条件に応じた収集フレームデータ数Ｎｉおよび収集心拍数Ｎｈの値は、例えば記憶部１８にデータテーブルを設けてそこに複数の組合せを保持しておく。そして、操作部１７を介して所望の画像条件の選択を受け付け、選択された画像条件に対応する収集フレームデータ数Ｎｉおよび収集心拍数Ｎｈを読み込んでパラメータ保持エリア１８１に設定する。

また、予め収集フレームデータ数Ｎｉおよび収集心拍数Ｎｈのデフォルト値を設定しておき、操作部１７を介して所望の画像条件の選択を受け付け、選択された画像条件に応じてデフォルト値に所定の係数を乗ずることにより収集フレームデータ数Ｎｉおよび収集心拍数Ｎｈを決定するようにしてもよい。例えばデフォルト値として上限値Ｒmaxと下限値Ｒminとの中間値および上限値Ｓmaxおよび下限値Ｓminの中間値を採用し、選択された画像条件に応じて当該中間値に係数を乗じてプラス方向あるいはマイナス方向に補正することが考え得る。

（３）上記実施形態においては、スキャンレートＲとスキャン面回転速度Ｓとを同時に設定する場合について説明した。しかしながら、スキャンレートＲとスキャン面回転速度Ｓとを別個の処理にて設定するようにしてもよい。また、スキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓのいずれか一方を固定値とし、当該他方のみ自動的に設定するようにしてもよい。

（４）上記実施形態においては、経食道メカニカルプローブを備える超音波診断装置に本発明を適用した場合について説明した。しかしながら、本発明は、体表用プローブを備える超音波診断装置にも適用可能である。

この場合、超音波プローブの支持機構は、圧電振動子を回転させるのではなく、その配列方向と略直行する方向へ所定の揺動角度θにて揺動させる。なお、揺同型の超音波プローブを用いた場合のスキャン面回転速度Ｓは、次の計算式にて算出される。

その他、スキャンレートＲの計算式等の構成は上記実施形態と同様である。

（５）上記実施形態においては、生体信号計測ユニットにて計測したＥＣＧを用いて被検体のハートレートＨｓを取得するとして説明した。しかしながら、ハートレートＨｓは、例えばＳＴＩＣ（Spatiotemporal Image Correlation）法による解析にて導出するようにしてもよい。ＳＴＩＣ法は、主に胎児の心臓の動きを多断面表示等するための周知技術である。この方法では、超音波プローブを用いて収集した試験画像を画像解析して心臓の周期的な変化を検出する。

図８は、本変形例における超音波診断装置１０の構成図である。超音波診断装置１０は、生体信号計測ユニット１２を備えず、画像データ処理ユニット１５が画像解析部１５１を備える点で、上記実施形態にて説明した超音波診断装置１０と構成を異にする。なお、同一の箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。

本変形例では、図６に示したフローチャート中のステップＳ４の処理において、プローブ制御ユニット１４が超音波プローブ１１を駆動し、被検体の心臓の所定位置を所定期間にわたってスキャンする。このとき得られるフレームデータを画像解析部１５１が解析して心臓の周期的な変化を検出し、この検出結果に基づいてハートレートＨｓを特定する。かくして特定されたハートレートＨｓに基づいてスキャンレートＲおよびスキャン面回転速度Ｓが算出される。

この他、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。

１０…超音波診断装置、１１…超音波プローブ、１２…生体信号計測ユニット、１３…システム制御ユニット、１４…プローブ制御ユニット、１５…画像データ処理ユニット、１６…表示ユニット、１７…操作部、１８…記憶部、１１１…支持機構、１５１…画像解析部、１８１…パラメータ保持エリア

Claims (10)

1. 超音波プローブと、
   この超音波プローブを駆動して被検体の内部を超音波で走査する送受信ユニットと、
   周期的に運動する被検体の特定部位の運動周期を取得する運動周期取得手段と、
   この運動周期取得手段により取得した運動周期に基づいて前記超音波プローブの走査条件を決定し、該走査条件に応じて前記送受信ユニットを制御して前記特定部位を含む３次元空間を超音波走査させる制御手段と、
   この制御手段による制御下にて前記送受信ユニットが前記超音波プローブを駆動して得た受波信号に基づいて前記３次元空間に対応する時系列のフレームデータを発生し、該フレームデータから前記運動周期に関して同一時相のフレームデータを合成して各時相におけるボリュームデータを生成するボリュームデータ生成手段と、
   を備えていることを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記送受信ユニットは、超音波ビームを第１方向に走査して走査面を形成する機能とその走査面の形成位置を第２方向に移動する機能とを備え、
   前記制御手段が決定する走査条件は、前記走査面を一通り走査する走査レートＲ又は前記走査面の形成位置の移動に関する状態量Ｓのうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記特定部位の一運動周期間に収集すべきフレームデータ数Ｎｉ及びフレームデータを収集すべき前記特定部位の運動周期数Ｎｈを記憶した記憶手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記運動周期取得手段により取得した運動周期と、前記記憶手段に記憶されたフレームデータ数Ｎｉ及び運動周期数Ｎｈとに基づいて前記走査条件を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波診断装置。
4. 前記記憶手段に記憶されたフレームデータ数Ｎｉ及び前記運動周期数Ｎｈを変更する変更手段をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の超音波診断装置。
5. 前記超音波プローブは、前記第１方向に整列した複数の振動子と、この振動子を前記第２方向へ回転移動する走査機構とを備え、
   前記状態量Ｓは、前記走査機構により前記振動子を回転させる角速度であることを特徴とする請求項２乃至４のうちいずれか１に記載の超音波診断装置。
6. 前記超音波プローブは、前記第１方向に整列した複数の振動子と、この振動子を前記第２方向へ揺動する走査機構とを備え、
   前記状態量Ｓは、前記走査機構により前記振動子を揺動させる角速度であることを特徴とする請求項２乃至４のうちいずれか１に記載の超音波診断装置。
7. 前記被検体の特定部位は心臓であり、
   前記運動周期取得手段により取得する運動周期は、心拍数であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１に記載の超音波診断装置。
8. 超音波プローブと、この超音波プローブを駆動して被検体の内部を超音波で走査する送受信ユニットとを備えた超音波診断装置の制御プログラムであって、
   前記超音波診断装置に、
   周期的に運動する被検体の特定部位の運動周期を取得する運動周期取得機能と、
   この運動周期取得機能により取得した運動周期に基づいて前記超音波プローブの走査条件を決定し、該走査条件に応じて前記送受信ユニットを制御して前記特定部位を含む３次元空間を超音波走査させる制御機能と、
   この制御機能による制御下にて前記送受信ユニットが前記超音波プローブを駆動して得た受波信号に基づいて前記３次元空間に対応する時系列のフレームデータを発生し、該フレームデータから前記運動周期に関して同一時相のフレームデータを合成して各時相におけるボリュームデータを生成するボリュームデータ生成機能と、
   を実現させることを特徴とする制御プログラム。
9. 超音波プローブと、この超音波プローブを駆動し、超音波ビームを第１方向に走査して走査面を形成する機能とその走査面の形成位置を第２方向に移動する機能とを有する送受信ユニットとを備えた超音波診断装置の制御プログラムであって、
   前記超音波診断装置に、
   周期的に運動する被検体の特定部位の運動周期を取得する運動周期取得機能と、
   この運動周期取得機能により取得した運動周期に基づいて前記走査面を一通り走査する走査レートＲ又は前記走査面の形成位置の移動に関する状態量Ｓのうちの少なくとも一方を含む前記超音波プローブの走査条件を決定し、該走査条件に応じて前記前記送受信ユニットを制御して前記特定部位を含む３次元空間を超音波走査させる制御機能と、
   この制御機能による制御下にて前記送受信ユニットが前記超音波プローブを駆動して得た受波信号に基づいて前記３次元空間に対応する時系列のフレームデータを発生し、該フレームデータから前記運動周期に関して同一時相のフレームデータを合成して各時相におけるボリュームデータを生成するボリュームデータ生成機能と、
   を実現させることを特徴とする制御プログラム。
10. 前記制御機能は、前記運動周期取得機能により取得した運動周期と、所定の記憶手段に記憶された前記特定部位の一運動周期当たりに収集すべきフレームデータ数Ｎｉ及びフレームデータを収集すべき前記特定部位の運動周期数Ｎｈとに基づいて前記走査条件を決定することを特徴とする請求項８又は９に記載の制御プログラム。

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