JP4246853B2

JP4246853B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP4246853B2
Application number: JP14495099A
Authority: JP
Inventors: 剛望月
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2019-05-25
Also published as: JP2000333947A

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、特に三次元領域の画像化に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
従来から、各種の三次元超音波画像形成方法が提案されている。例えば、特開平１０−３３５３８号公報には、超音波ビームを三次元空間内で走査し、各超音波ビーム上のエコーデータをその時系列に沿って参照し、それらに対して所定のボリュームレンダリング演算を行うことにより、三次元画像を形成することが開示されている。この三次元画像によれば、例えば胎児を立体的に表現できるので、超音波診断の精度を向上できる。
【０００３】
上記の装置では、アレイ振動子を走査面と直交する方向に機械的に揺動走査する三次元エコーデータ取込用超音波探触子が利用されている。上記のように、データ処理経路（視線方向）が超音波ビームの方向と一致しているため、入力されるエコーデータの時系列順でそれを処理すれば結果として三次元画像を構成できる。このため、上記装置では、各走査面を構成する個々の超音波ビームに対して特別な偏向制御の要請はない。
【０００４】
上記の揺動走査によれば、深部において広がった略角錐型のデータ取込領域を形成できる。そして、上記従来の画像処理では、そのデータ取込領域が探触子側すなわち上方から投影されているが、診断目的によっては、例えばデータ取込領域をその側方すなわち横方向から投影したい場合がある。その場合に、常に同じ走査面を形成すると、画像化されない部分の割合が増大し、無駄が多いという問題がある。また、各走査面上において個々の視線に対応するデータ（すなわち交点座標）を特定するためのアドレス演算が煩雑になるという問題がある。
【０００５】
なお、例えば体表面にリニアアレイ振動子を備えた超音波探触子を当接した状態で、走査面と直交する方向に当該超音波探触子を平行移動させ、これにより形成される立方体としての三次元取込領域をその横方向から投影することも可能である。この手法によれば、全領域を画像化可能で、また視線上のデータを特定するための複雑なアドレス演算も不要である。しかしながら、超音波探触子の走査が手動で行われると、走査面間で歪みが生じる可能性が高く、また、その走査を機械的に行うにしても肋間などの狭い領域を介してエコーデータの取込を行うような用途には適用できないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、走査面の揺動走査を前提とした投影処理に適合したビーム走査制御を実現することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、複数の走査面が相互に非平行に配列され、あるいは複数の視線が相互に非平行に配列される場合において、それに適合したビーム走査制御を実現することにある。
【０００８】
【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、第１走査方向に超音波ビームを走査して形成される走査面を第２走査方向に揺動走査し、これにより第２走査方向に並んだ複数の走査面を形成する送受波手段と、前記複数の走査面を各視線が通過するように、視点から放射状に広がった視線群を設定し、各視線に沿ってエコーデータを順次参照して画素値を演算し、これにより超音波画像を形成する画像形成手段と、前記各走査面の揺動角度に応じて、走査面内における各超音波ビームの偏向角度を制御する偏向制御手段と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、各揺動走査位置において、その時の揺動角度に従って（並びに仮想的な視点及び投影面の位置関係に従って）、各走査面を構成する個々の超音波ビームの偏向角が決定される。ここで、揺動角度に従って、各超音波ビームごとの診断深度（送信パルス繰り返し周期）を可変設定すれば、フレームレートを向上することが可能である。更に、エコーデータのサンプリング周波数を適応的に可変設定すれば、合理的なサンプリングを実現できる。その一方、各走査面上において、データの間引きやデータ補間を行って投影に必要なデータを取得してもよい。
【００１０】
以上のように、本発明によれば、各走査面において超音波ビームの配列パターンを適応的に変更可能であり、超音波ビームが走査される範囲を、投影で利用される範囲に限定可能であるので、効率的な超音波の送受波を行える。特に、視線群の配列に各走査面上の超音波ビームの配列パターンを合致させれば、投影処理における負担を大幅に軽減可能である。なお、上記第１走査方向は電子走査方向であり、上記第２走査方向は望ましくは機械走査方向である。但し、２Ｄアレイ振動子を利用して、両走査方向とも電子走査を行わせるようにしてもよい。本発明は、ドプラ情報の処理にも適用可能である。
【００１１】
望ましくは、前記送受波手段は、前記第１走査方向に複数の振動素子が整列してなり、それらが電子走査されるアレイ振動子と、前記アレイ振動子を機械的に前記第２走査方向に揺動走査する揺動走査機構と、を含む。
【００１２】
望ましくは、前記視線群中の中心視線と直交する走査面よりも視点側に近い各走査面は、上辺よりも下辺の方が小さい形状を有し、前記直交する走査面より奥側にある各走査面は、上辺よりも下辺の方が大きい形状を有する。
【００１３】
（２）上記目的を達成するために、本発明は、複数の走査面を形成する走査制御手段と、視点から各走査面を通過する視線群を設定し、各視線に沿ってデータ演算を実行し、投影画像を形成する画像形成手段と、を含み、前記走査制御手段は、前記各走査面上における視線群の通過領域の変化に応じて、当該走査面を構成する各超音波ビームの配列を適応的に変化させることを特徴とする。
【００１４】
複数の走査面が互いに非平行で配列される場合や複数の視線が互いに非平行で設定される場合には、各走査面上において投影される範囲が異なる。そこで、各走査面上において、投影範囲（視線群の通過範囲）の形状に応じて、ビーム走査範囲が適応的に設定される。
【００１５】
望ましくは、前記複数の走査面は全体として放射状に広がって互いに非平行に形成され、前記視線群は視点から二次元的に広がる配列を有する。
【００１６】
望ましくは、前記視線群における中心視線と直交する走査面以外の他の複数の走査面は台形の形状を有する。
【００１７】
【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。
【００１８】
まず、図１及び図２を用いて原理について説明する。図１において、探触子１０はこの例においてリニアアレイプローブである。その先端面は送受波面として機能し、その先端面が例えば体表面上に直接的又は水などを介して間接的に当接される。この探触子１０は手動又は機械的な機構によって揺動走査される。ここで、その送受波面が揺動の中心点として設定されているが、これには限られない。
【００１９】
探触子１０では、図１において紙面と垂直な方向にアレイ振動子が設けられており、そのアレイ振動子を電子走査することによって走査面１４が形成される。探触子１０が揺動走査されると、それに伴って、走査面１４も図においてθ方向に揺動走査され、すなわちそのθ方向に複数の走査面が形成されることになる。この結果、送受波面を頂点とする角錐形状のデータ取込領域１６が形成される。本実施形態においては、そのデータ取込領域１６を横方向から見た投影像が形成され、この場合において、図中符号１００及び１０２は視点Ｏから見た視野内に含まれる範囲を示している。ちなみに、図１において符号１８及び２０は視点Ｏから投影面１２に向けて均等かつ放射上に設定される視線群の上端及び下端を示している。なお、視線群において各視線はマトリクス状に均等配列されている。
【００２０】
図１に示されるように、各走査面の揺動角度に応じて投影範囲１００，１０２はそれぞれ異なり、本実施形態ではこれに対応して、各走査面上で走査面の揺動角度に応じて各超音波ビームについての偏向制御が行われる。これについて図２を用いてさらに説明する。
【００２１】
図２には、視点Ｏから投影面１２を見た場合における視野と走査面との関係が示されており、図１に示した各記号は図２における各記号に対応している。ここでＸ方向は図１に示した探触子１０の電子走査方向を示している。ただし、従来の電子リニア走査ではアレイ振動子に対して常に直交する方向に超音波ビームが形成されていたが、本実施形態においては、上述した走査面の揺動角度及びその他の条件に応じて、超音波ビームの偏向角度が設定されている。
【００２２】
これについて詳述する。図２に示すように投影面１２が矩形の領域である場合、その４つの隅に対応した４つの視線１８〜２４によって囲まれる範囲に視線群が定義される。そして、投影画像の形成に当たっては、各走査面上において視線群通過領域に相当する台形（長方形を含む）の領域内においてのみデータの取込みが行われれば十分である。図２において、そのような範囲の例が符号１００及び１０２で示されている。
【００２３】
図３には、当該範囲１００及び１０２を形成するための超音波ビームの電子走査方式が示されている。（Ａ）に示すように、視線群の中心を成す中心視線と直交する走査面よりも投影面１２側に存在する走査面を形成する場合、上辺よりも下辺が長い台形状の走査範囲１００が設定される。この場合において、各超音波ビームはアレイ振動子上の各送受信点から放射状に広がって設定される。符号Ｑは送受信点の１つを示しておりφは偏向角度を示している。ちなみに符号３０及び３２は上述した台形状の領域の両端を示している。
【００２４】
また、（Ｂ）に示すように、上述した中心視線に直交する走査面よりも視点Ｏに近い走査面においては、上辺よりも下辺が短い台形状の走査範囲１０２が形成される。範囲１０２の両端に相当する超音波ビームが符号３４及び３６で示されている。ここで、各超音波ビームは、アレイ振動子の各送受信点から中央に集束気味の配列で設定されている。ちなみに、中心視線と直交する走査面においては、各超音波ビームはアレイ振動子１１に対して直交する方向に設定される。逆に言えばそれ以外の走査面においては（Ａ）あるいは（Ｂ）に示すような超音波ビームの台形状走査が行われる。
【００２５】
ここで、図３の（Ａ）及び（Ｂ）の対比から明らかなように、視点Ｏに近い走査面よりも遠い走査面の方が診断深度が深く設定されている。つまり、このように診断深度を各走査面ごとに適応的に設定することにより無駄なエコーデータの取込みを防止できる。換言すれば、超音波パルスの送信繰り返し周期を合理的に設定して、三次元データ取込領域形成に当たっての全体としてのフレームレートを向上できるという利点がある。
【００２６】
図３（Ａ）及び（Ｂ）において、符号３００及び３０２はサンプル点の配列を示している。各サンプル点は走査面と視線との交点に相当するものである。図示されるように、視線群の配列に従って各超音波ビームの方位が設定されており、超音波ビームアレイが走査面上における視線群の配列と合致している。また、これと共にサンプリングレートについても視線群の配列に合致しており、つまり走査面の揺動角度に応じてＡ／Ｄ変換器又はサンプラのサンプリングレートが適応的に可変設定されている。例えば、（Ａ）に示すように奥側の走査面上においては各視線間の間隔が広がるため、それに追従してサンプリング間隔も大きく設定されており、一方、（Ｂ）に示すように視点Ｏに近い走査面上においては各視線の間隔が小さくなるためそれに追従してサンプリング間隔も小さく設定されている。もちろん、このようなサンプリングレートの可変によらずにデータの補間や間引きを利用することによって必要なサンプル点上のデータを取得することもできる。
【００２７】
したがって、上記のような原理に従って投影像を形成すれば、無駄な送受波が行われず効率的な画像処理を実現でき、しかもその画像処理に当たって視線上のエコーデータを特定するための複雑な演算が不要になるので、迅速かつ簡易な画像処理を実現できるという利点がある。
【００２８】
なお、各走査面の形成に当たっては、本実施形態において、超音波ビームの本数が同一に設定されており、またサンプル点の個数も視線群と同数に設定されている。もちろん、データの個数が走査面間で異なるような場合には上述したデータの間引きや補間などを適用し投影処理を行えばよい。投影方法としては図１などに示したものには限られず、各種の投影法を適用可能である。いずれにしても、本実施形態においては、視線群と各走査面との交差関係に応じて超音波ビームの偏向制御を行うので、上述の利点を得られる。
【００２９】
次に、図４を用いて、上記原理が適用される超音波診断装置の全体構成について説明する。プローブ１０は、図１に示したように、複数の振動素子が直線上に配列されたアレイ振動子を含む。そのプローブ１０は本実施形態において走査機構１５によって機械的に揺動走査される。ちなみに、その際の揺動角度は図示されていない角度検出器によって検出され、その角度値が走査制御部４２に出力される。走査制御部４２は、走査機構１５による揺動走査及び超音波ビーム（送信ビーム及び受信ビーム）の電子走査を制御する手段である。本実施形態において、走査制御部４２は視点Ｏの座標及び投影面１２の座標などの投影条件に従って、各走査面上における個々の超音波ビームの送受波原点及び偏向角度を演算するビーム方向演算器４４を有する。このビーム方向演算器４４によって演算された送受波原点の座標Ｑ及び偏向角度φの情報は送信部４６及び受信部４８に送られている。また、走査制御部４２はＡ／Ｄ変換器４９あるいはその後段のサンプラのサンプリングレートを制御しており、すなわち図３に示したように、走査面の揺動角度及びビームアドレスに応じてサンプリングレートの可変設定を行っている。
【００３０】
上記の送信部４６は送信ビームの形成機能を有し、受信部４８は受信ビームの形成機能を有する。具体的には、受信部４８において、受信開口内で取得された複数の受信信号が整相加算される。これにより生成される受信信号はＡ／Ｄ変換器４９においてデジタル信号に変換され、それが検波器５０において検波された後に画像処理部５２に送られる。
【００３１】
なお、受信信号の処理方式としては各種の方式を適用可能であり、例えば直交検波などを利用してもよい。また、本発明はエコーの輝度を利用して投影像を形成する場合の他、ドプラ情報を利用して投影像を形成する場合にも適用可能である。
【００３２】
本実施形態において、画像処理部５２は、２Ｄメモリ５６と累算器５４とを有する。累算器５４は各視線ごとに視点Ｏから順次エコーデータを参照し、それらに対して所定のデータ演算を実行する回路である。例えばその演算として積算処理やボリュームレンダリング法などに基づく処理をあげることができる。その処理結果は２Ｄメモリ５６に格納される。この２Ｄメモリ５６には各視線ごとの演算結果が格納され、２Ｄメモリ５６から出力される過去の各累算結果と現走査面上における各データとが累算器５４において処理され、これが各走査面ごとに繰り返し実行されることになる。したがって、原則として最後の走査面を処理した時点で投影画像が完成し、当該投影画像が表示部５８に表示される。
【００３３】
本実施形態においては、上述したように、超音波ビームの偏向制御及びサンプリングレートの調整などによって各走査面上においてサンプリングデータの配列を視線群に合致させることができるので、図４に示したように、各フレームごとの逐次的かつ簡易な累算演算を実現することが可能となる。すなわち特別なデータアドレスの計算などを不要にできるという利点がある。もちろん、画像処理手法としては各種の手法を適用できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の走査面が相互に非平行に配列された場合や複数の視線が相互に非平行に配列された場合において、合理的な超音波ビームの走査制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図である。
【図２】本発明の原理を説明するための図である。
【図３】超音波ビームの偏向の走査を示すための説明図である。
【図４】本実施形態に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０探触子（プローブ）、１２投影面、１４走査面、１５走査機構、４２走査制御部、４４ビーム方向演算器、４６送信部、４８受信部、５２画像処理部、５８表示部。

Claims

第１走査方向に超音波ビームを走査して形成される走査面を第２走査方向に揺動走査し、これにより第２走査方向に並んだ複数の走査面を形成する送受波手段と、
前記複数の走査面を各視線が通過するように、視点から放射状に広がった視線群を設定し、各視線に沿ってエコーデータを順次参照して画素値を演算し、これにより超音波画像を形成する画像形成手段と、
前記各走査面の揺動角度に応じて、走査面内における各超音波ビームの偏向角度を制御する偏向制御手段と、
を含む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、
前記送受波手段は、
前記第１走査方向に複数の振動素子が整列してなり、それらが電子走査されるアレイ振動子と、
前記アレイ振動子を機械的に前記第２走査方向に揺動走査する揺動走査機構と、
を含む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、
前記視線群中の中心視線と直交する走査面よりも視点側に近い各走査面は、上辺よりも下辺の方が小さい形状を有し、
前記直交する走査面より奥側にある各走査面は、上辺よりも下辺の方が大きい形状を有することを特徴とする超音波診断装置。
複数の走査面を形成する走査制御手段と、
視点から各走査面を通過する視線群を設定し、各視線に沿ってデータ演算を実行し、投影画像を形成する画像形成手段と、
を含み、
前記走査制御手段は、前記各走査面上における視線群の通過領域の形状に応じて、当該走査面を構成する超音波ビームの配列パターンを適応的に変化させる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、
前記複数の走査面は全体として放射状に広がって互いに非平行に形成され、
前記視線群は視点から二次元的に広がる配列を有することを特徴とする超音波診断装置。
請求項５記載の装置において、
前記視線群における中心視線と直交する走査面以外の他の複数の走査面は台形形状を有することを特徴とする超音波診断装置。