JP3688605B2

JP3688605B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP3688605B2
Application number: JP2001209287A
Authority: JP
Inventors: 俊昭藤木
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: JP2003019132A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波診断装置に関し、特にアレイ振動子を備えた振動子ユニットが機械走査される超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波診断装置において、三次元超音波画像を形成する場合には、アレイ振動子を備えた振動子ユニットが機械的に往復走査される。ここで、アレイ振動子は複数の振動素子によって構成される。そのアレイ振動子にて形成される超音波ビームは電子走査され、これにより二次元データ取込領域としての走査面が形成される。上記の振動子ユニットの機械走査は、例えば、走査面を平行移動させ、あるいは、揺動移動させるものである。その機械走査方向は、走査面（及び電子走査方向）に直交する方向である。
【０００３】
振動子ユニットの機械走査は、往路及び復路においてなされ、つまり往路走査及び復路走査が実行される。往路及び復路の双方において、繰り返し超音波ビームの電子走査（つまり走査面の形成）を行えば、往路走査及び復路走査ごとに三次元データ取込領域が形成される。
【０００４】
機械走査に比べて電子走査は高速であるが、それでも電子走査を行っている最中に、振動子ユニットは機械走査方向に移動するため、それぞれの電子走査において、電子走査開始位置に対して電子走査終了位置が機械走査方向（進行方向）に流れる。つまり、厳密には、各走査面が機械走査方向と直交せずに斜めになる。ここで、電子走査の方向が常に一方方向（例えばアレイ振動子の右端から左端への方向）に固定されていると、往路と復路とで走査面の傾斜方向が反対となり、つまり、往路と復路とで複数の走査面の配列を一致させることができない。
【０００５】
そこで、従来においては、往路では一方方向（正方向）へ電子走査を行い、復路では他方方向（逆方向）へ電子走査を行うことによって、往路と復路との間における走査面の傾斜向きを合わせることが行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、機械走査の往路及び復路において、振動子ユニットの機械走査位置が検出され、往路及び復路ごとに固定的に設定された各電子走査開始位置に、その検出された機械走査位置が合致したタイミングで、電子走査の開始タイミングが設定される。これは、往路と復路とで常に振動子ユニットの速度変化パターンが一定であることを前提としている。
【０００７】
ところが、振動子ユニットを収容する収容室内の媒体の温度変化などによって、想定した速度変化パターンを呈しない場合がある。例えば、振動子ユニットの機械走査開始から時間が経過し、媒体の温度が徐々に上昇すると、一般に、振動子ユニットの速度が徐々に速くなる。すると、各走査面の傾斜角度も徐々に増大し、往路と復路とで理論的には一致している筈の走査面の位置が実際にはずれてくる。この場合、例えば、一連の走査面の断層画像を連続観察する場合に違和感を生じさせ、また、往路と復路とで走査面が同じ位置であることを前提として三次元画像処理を行う場合に支障が生じる。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、機械走査における往路走査と復路走査の間で、超音波ビームの電子走査によって形成される各走査面の位置をできる限り合わせることが可能な超音波診断装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、電子走査方向に並んだ複数の振動素子からなるアレイ振動子を備えた振動子ユニットと、前記振動子ユニットを機械走査方向に機械的に往復走査する機械走査機構と、前記アレイ振動子にて形成される超音波ビームの電子走査と前記振動子ユニットの機械走査とを制御する手段であって、前記振動子ユニットの往路走査では前記超音波ビームを一方方向へ電子走査させ、前記振動子ユニットの復路走査では前記超音波ビームを他方方向へ電子走査させる走査制御部と、を含み、前記走査制御部は、前記往路走査において、前記一方方向への電子走査ごとに、前記機械走査方向における前記一方方向への電子走査の終了位置を記憶し、前記復路走査において、前記機械走査方向における前記一方方向への電子走査の終了位置に基づいて、前記機械走査方向における前記他方方向への電子走査の開始位置を定めることを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、振動子ユニットの往路走査において、機械走査方向における各電子走査の終了位置が特定され、振動子ユニットの復路走査においては、その特定された各終了位置を基準として、機械走査方向における電子走査の開始位置が定められる。よって、復路走査において、機械走査方向における電子走査の開始位置が固定的に設定されず、その開始位置が往路走査における各電子走査の状況に応じて、適応的に設定される。つまり、復路走査において画一的に電子走査のタイミングを設定することに伴う問題を解消あるいは軽減できる。
【００１１】
望ましくは、前記走査制御部は、前記機械走査方向における前記一方方向への電子走査の終了位置を、前記機械走査方向における前記他方方向への電子走査の開始位置とする。
【００１２】
上記構成によれば、往路走査における各電子走査の終了位置を、復路走査における各電子走査の開始位置とすることができるので、往路走査と復路走査の間で走査面をできる限り一致させることができる。よって、例えば三次元画像を構成したり、三次元空間内における任意断面を画像化したりする場合に、画像の歪みを低減し、画質を向上できる。
【００１３】
望ましくは、前記超音波ビームの電子走査及び機械走査によって得られたエコーデータ群に基づいて三次元画像を形成する画像形成手段と、前記三次元画像を表示する表示手段と、を含む。そのような画像形成方法としては各種のものをあげることができるが、例えば、特開平１０−３３５３８号公報に開示された手法などをあげることができる。
【００１４】
（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、電子走査方向に並んだ複数の振動素子からなるアレイ振動子を備えた振動子ユニットと、前記振動子ユニットを機械走査方向に機械的に往復走査する機械走査機構と、前記機械走査方向における前記振動子ユニットの機械走査位置を検出する位置検出器と、前記アレイ振動子にて形成される超音波ビームの電子走査と前記振動子ユニットの機械走査とを制御する手段であって、前記振動子ユニットの往路走査では前記超音波ビームを一方方向へ電子走査させ、前記振動子ユニットの復路走査では前記超音波ビームを他方方向へ電子走査させる走査制御部と、を含み、前記走査制御部は、前記往路走査において、所定の電子走査開始条件に従って、前記一方方向への電子走査を開始させる手段と、前記往路走査において、前記一方方向への電子走査ごとに、前記機械走査方向における一方方向の電子走査の終了位置を記憶する手段と、前記復路走査において、前記記憶された一方方向の電子走査の終了位置に前記検出された機械走査位置が一致したタイミングで、前記他方方向への電子走査を開始させる手段と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、往路走査において、各電子走査の終了位置が記憶され、復路走査においては、機械走査の実際の位置が前記記憶された各終了位置に一致したタイミングで、それぞれの電子走査が開始されることになる。よって、簡易な構成で上記の走査面のズレの問題を解消、軽減できる。
【００１６】
望ましくは、前記一方方向への電子走査を開始させる手段は、前記機械走査方向における複数のプリセット位置に前記検出された機械走査位置が一致したタイミングで、前記一方方向への電子走査を開始させる。
【００１７】
なお、上記の構成では、往路走査とその直後の復路走査とを１セットとした場合に、各セット間、すなわち、先行する復路走査とその直後の往路走査との間においては、走査面の位置を合わせるための制御は格別なされていない（もちろん、更にそのような制御を行ってもよいが）。しかし、例えば、温度変化などに伴って機械走査が徐々に速くなるような場合には、各セット間における走査面の位置ズレはほとんど問題とならない。その一方、例えば、機械走査が徐々に速くなっても、従来装置のように、往路走査と復路走査の両方において画一的あるいは固定的に電子走査の開始位置を定めると、走査面の傾斜角度の変動に依存して、往路走査と復路走査とで走査面のズレが無視できなくなる。これに対し、上記構成によれば、そのような問題を解消、軽減できるのである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１には、本発明に係る超音波診断装置の全体構成がブロック図で示されている。図１において、三次元データ取込用プローブ１４は、生体表面に当接して用いられ、超音波ビームを二次元的に走査し、これによって三次元エコーデータ取込領域を形成する超音波探触子である。この三次元データ取込用プローブ１４は、本実施形態において、振動子ユニット１２及び走査機構１６を有している。振動子ユニット１２は、図示されていない媒体収容室内に配置され、ここで、その媒体収容室には蒸留水などの音響伝搬媒体が充填される。
【００２０】
振動子ユニット１２は、走査機構１６によって機械的に往復走査されるものであり、振動子ユニット１２内の先端部にはアレイ振動子１０が設けられている。このアレイ振動子１０は直線状あるいは円弧状に配列された複数の振動素子からなるものである。アレイ振動子１０によって超音波ビームが形成され、この超音波ビームは、後述する送受信部２８の制御により電子走査される。ここで、その電子走査方式としては電子リニア走査や電子セクタ走査などを挙げることができる。
【００２１】
走査機構１６は、上述したように、振動子ユニット１２に対して機械的に連結されており、振動子ユニット１２を機械走査方向に沿って往復駆動する機構である。その駆動源としてモータ１８が設けられており、このモータ１８の回転軸の角度がエンコーダ２０によって検出されている。エンコーダ２０は角度検出器であり、その角度は、機械走査方向における位置に相当している。
【００２２】
図２及び図３には三次元データ取込用プローブ１４の概念が示されている。図２に示される例では、三次元データ取込用プローブ１４において、振動子ユニット１２が機械走査方向に平行移動されている。ちなみに、図２においてＸ方向は電子走査方向であり、Ｙ方向は機械走査方向であり、Ｚ方向は超音波ビーム方向である。
【００２３】
振動子ユニット１２内には、上述したようにアレイ振動子が設けられ、このアレイ振動子によって超音波ビームＢが形成される。この超音波ビームＢを電子走査すると、図においてＳで示されるように、矩形あるいは扇状などの所定形状をもった走査面が形成される。したがって、機械走査方向に沿って振動子ユニット１２を移動させながら、走査面Ｓを繰り返し形成すると、複数の走査面Ｓによって三次元データ取込空間Ｖが形成される。
【００２４】
超音波ビームＢの電子走査は一定速度で実行されており、一方、振動子ユニット１２の機械走査は理想的には一定速度で実行されるが、実際のところ機械走査の開始及び終了の付近で速度変化が生じる。
【００２５】
高速の電子走査に対して機械走査は低速であるが、図に符号４０で示されるように、電子走査の最中においても振動子ユニット１２の機械走査が行われるため、その機械走査の速度に従って、走査面Ｓはその開始端からその終了端にかけて機械走査方向に流れることになる。すなわちＸ−Ｙ平面内において、走査面Ｓは機械走査速度に依存した角度で傾斜する。
【００２６】
本実施形態においては、このような、各走査面の傾斜に対応するため、従来装置と同様に、機械走査方向における往路走査においては、一方方向への電子走査が実行されており、復路走査においては、他方方向への電子走査が実行されている。すなわち、往路走査と復路走査では電子走査方向の向きが異なり、これによって往路走査と復路走査とで各走査面の傾きを一致させることができる。
【００２７】
図３には、三次元データ取込用プローブの他の例が示されており、この例においては、振動子ユニット１２が機械的に揺動走査されている。すなわち、走査面Ｓが揺動することによって、角錐形状をもった三次元データ取込空間Ｖが形成されている。図３においては、振動子ユニット１２内に設けられたアレイ振動子１０が示されており、また揺動走査機構である走査機構１６が示されている。
【００２８】
なお、図２及び図３に示したプローブ構成例は一例であって、これ以外にも各種の構成を採用し得る。
【００２９】
図１に戻って、機械走査制御部２４は、上記の走査機構１６に対する制御を実行する手段であり、本実施形態において、機械走査制御部２４はサーボ回路２６を有している。このサーボ回路２６はモータ１８に対して駆動信号を供給すると共に、エンコーダ２０からの出力に基づいていわゆるサーボ制御を実行する。
【００３０】
主走査制御部２２は、装置全体の動作制御を実行すると共に、本実施形態においては、特に機械走査制御及び電子走査制御を実行し、このため機械走査制御部２４及び送受信部２８に対して必要な制御信号を出力している。この主走査制御部２２における電子走査の開始タイミング制御に関しては、後に図５を用いて説明することにする。
【００３１】
送受信部２８は、送信ビームフォーマー及び受信ビームフォーマーとしての機能を有するものであり、この送受信部２８は電子走査制御部として機能する。具体的には、送受信部２８からアレイ振動子１０に対して送信信号が供給され、アレイ振動子１０からの受信信号は送受信部２８に入力される。送受信部２８において所定の信号処理を経た受信信号は画像処理部３０へ出力される。
【００３２】
画像処理部３０は、三次元画像を形成するために、受信信号すなわちエコーデータに対して必要な信号処理を実行する回路であり、この画像処理部３０によって三次元画像が形成される。そのように形成された超音波画像データは表示処理部３２を介して表示部３４へ出力され、表示部３４には三次元画像が表示される。
【００３３】
もちろん、表示部３４上に、往路走査及び復路走査のそれぞれにおいて形成される複数の二次元断層画像を順次表示するようにしてもよく、また画像処理部３０内に三次元エコーデータメモリを設け、そのメモリ内に三次元データ空間内で取り込まれた各エコーデータを格納し、必要なエコーデータを読み出すことによって任意の断面の断層画像を形成するようにしてもよい。
【００３４】
図４には、本実施形態に係る機械走査及び電子走査の概念が示されている。図４（Ａ）には往路走査における各走査面が破線によって示されており、図４（Ｂ）には復路走査における各走査面が破線によって示されている。なお、往路走査及び復路走査の両者において、電子走査が１回終了すると、ただちに次の電子走査が実行され、これが各走査の全域にわたって繰り返されることになる。
【００３５】
図４（Ａ）において、まず往路走査においては、上記のエンコーダ２０によって検出された位置が各プリセット位置４１に一致したタイミングで電子走査（一方方向への電子走査）が開始される。これによって、各プリセット位置４１を開始点として走査面４０Ａが形成される。ちなみに、この各プリセット位置は、あらかじめ振動子ユニットの速度プロファイルを取得し、そのプロファイルに従ってできる限り走査面が等間隔になるように設定される。もちろん、一定間隔で一方方向への電子走査を開始させるようにしてもよい。
【００３６】
本実施形態においては、一方方向への電子走査ごとに、そのフレームの終了位置、すなわち機械走査方向における電子走査の終了位置４２がメモリに記憶される。
【００３７】
一方、図４（Ｂ）に示すように、復路走査においては、上述のように記憶された終了位置に基づいて他方方向への電子走査が開始される。この場合においては、上記の終了位置を基準として他方方向への電子走査の開始タイミングを決定するのが望ましく、特に望ましくは、終了位置と同じ位置が開始位置となるように、他方方向への電子走査が制御される。
【００３８】
以上のような電子走査制御によれば、往路走査とその直後の復路走査において、各走査面を可能な限り一致させることができるので、往路走査と復路走査との間における走査面のずれといった問題に対処することが可能となる。たとえば、振動子ユニット１２の周囲に充填された媒質が温度変化し、これによって想定されている速度プロファイルから実際の速度プロファイルが変化しても、上述した電子走査の制御によれば、往路走査において取得された電子走査の終了位置にしたがって次の復路走査における各走査面の開始位置を設定できるので、上述したように各走査面をできる限り一致させることができる。
【００３９】
図５には、主走査制御部２２における主要部の構成がブロック図として示されており、この図５に示される構成は、図４に示した電子走査制御を実現するための構成である。
【００４０】
図５において、位置データは上述したエンコーダ２０から出力される位置検出信号に相当する。この位置データは往路用タイミング信号発生回路５０、位置比較器５６及び終了位置メモリ５２に入力されている。
【００４１】
往路用タイミング信号発生回路５０は、入力される方向情報が往路走査を示している場合において動作し、位置データとあらかじめプリセットされている開始位置データとを比較し、両者が一致した場合にタイミング信号を送受信部２８に出力する。これによってそのタイミングで一方方向への電子走査が開始される。ちなみに、電子走査の速度は上述したように一定値である。一方、そのような往路走査の最中において、各走査面の終了位置を表す位置データが終了位置メモリ５２に格納される。具体的には、その終了位置メモリ５２への位置データの書込みは書込み制御部５４によって制御されている。
【００４２】
フレーム終了タイミング信号は、往路走査における各走査面すなわち各フレームの終了タイミングにおいて、書込み制御部５４に入力される信号である。書込み制御部５４は、このフレーム終了タイミング信号が入力されると、終了位置メモリ５２へ書込み指令信号を出力する。これによって、その書込み指令信号が入力されたタイミングで、位置データが終了位置メモリ５２上に登録される。したがって、各フレームごとにすなわち各走査面ごとに終了位置に相当する位置データが終了位置メモリ５２上に格納されることになる。
【００４３】
また、書込み制御部５４は、往路走査に引き続いて復路走査が実行され、その復路走査が完了すると、入力される復路走査終了信号に従ってリセット信号を終了位置メモリ５２へ出力する。これによって終了位置メモリ５２上に格納されていた各位置データが消去される。
【００４４】
位置比較器５６は、復路走査において機能するものであり、終了位置メモリ５２から出力される各終了位置のデータに、入力される位置データが一致した場合にトリガ信号を出力する。このトリガ信号は復路用タイミング信号発生回路５８に入力され、そのトリガ信号の入力タイミングでタイミング信号が送受信部２８へ出力される。したがって、復路走査においては、往路走査において登録された各終了位置に振動子ユニットが到達すると、その都度、タイミング信号が出力されることになり、そのタイミング信号の出力時点で電子走査が実行される。これにより上述したように往路走査と復路走査とで各走査面の位置関係を適正に維持することが可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、往路走査と復路走査との間における走査面のずれといった問題に対処することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態を示すブロック図である。
【図２】三次元データ取込用プローブの一例を示す概念図である。
【図３】三次元データ取込用プローブの他の例を示す概念図である。
【図４】往路走査と復路走査とにおける各走査面の位置関係を説明するための図である。
【図５】主走査制御部の主要部の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０アレイ振動子、１２振動子ユニット、１４三次元データ取込用プローブ、１６走査機構、２２主走査制御部、２４機械走査制御部、２８送受信部、３０画像処理部、３２表示処理部、３４表示部。

Claims

電子走査方向に並んだ複数の振動素子からなるアレイ振動子を備えた振動子ユニットと、
前記振動子ユニットを機械走査方向に機械的に往復走査する機械走査機構と、
前記アレイ振動子にて形成される超音波ビームの電子走査と前記振動子ユニットの機械走査とを制御する手段であって、前記振動子ユニットの往路走査では前記超音波ビームを一方方向へ電子走査させ、前記振動子ユニットの復路走査では前記超音波ビームを他方方向へ電子走査させる走査制御部と、
を含み、
前記走査制御部は、
前記往路走査において、前記一方方向への電子走査ごとに、前記機械走査方向における前記一方方向への電子走査の終了位置を記憶し、
前記復路走査において、前記機械走査方向における前記一方方向への電子走査の終了位置に基づいて、前記機械走査方向における前記他方方向への電子走査の開始位置を定めることを特徴とする超音波診断装置。
請求項１記載の装置において、
前記走査制御部は、前記機械走査方向における前記一方方向への電子走査の終了位置を、前記機械走査方向における前記他方方向への電子走査の開始位置とすることを特徴とする超音波診断装置。
請求項１記載の装置において、
前記超音波ビームの電子走査及び機械走査によって得られたエコーデータ群に基づいて三次元画像を形成する画像形成手段と、
前記三次元画像を表示する表示手段と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
電子走査方向に並んだ複数の振動素子からなるアレイ振動子を備えた振動子ユニットと、
前記振動子ユニットを機械走査方向に機械的に往復走査する機械走査機構と、
前記機械走査方向における前記振動子ユニットの機械走査位置を検出する位置検出器と、
前記アレイ振動子にて形成される超音波ビームの電子走査と前記振動子ユニットの機械走査とを制御する手段であって、前記振動子ユニットの往路走査では前記超音波ビームを一方方向へ電子走査させ、前記振動子ユニットの復路走査では前記超音波ビームを他方方向へ電子走査させる走査制御部と、
を含み、
前記走査制御部は、
前記往路走査において、所定の電子走査開始条件に従って前記一方方向への電子走査を開始させる手段と、
前記往路走査において、前記一方方向への電子走査ごとに、前記機械走査方向における前記一方方向の電子走査の終了位置を記憶する手段と、
前記復路走査において、前記記憶された一方方向の電子走査の終了位置に前記検出された機械走査位置が一致したタイミングで、前記他方方向への電子走査を開始させる手段と、
を含むことを特徴とする超音波診断装置。
請求項４記載の装置において、
前記一方方向への電子走査を開始させる手段は、前記機械走査方向における複数のプリセット位置に前記検出された機械走査位置が一致したタイミングで、前記一方方向への電子走査を開始させることを特徴とする超音波診断装置。