JP4276532B2

JP4276532B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP4276532B2
Application number: JP2003425682A
Authority: JP
Inventors: 孝岡田; 烈光原田
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP2005177338A

Description

本発明は超音波診断装置に関し、特にパワードプラの演算に関する。

パワードプラ法においては、超音波の送受波により得られた受信信号が直交検波処理され、これにより得られた複素信号がウォールフィルタに入力され、そのウォールフィルタを通過した複素信号からドプラ情報のパワー（パワードプラ）が演算される。ウォールフィルタは、血流以外の静止組織や低速運動組織（例えば、心臓壁、血管壁など）に相当する信号成分を除去するフィルタである。そのような組織からの信号成分はクラッタと言われ、そのクラッタは血流の信号成分よりも大きなパワーを有している。ウォールフィルタは、そのような組織の信号成分を除外するものであり、高域通過フィルタ（低域除去フィルタ）として構成される。なお、パワーの演算は、複素信号を構成する実数部Ｉ及び虚数部Ｑの各２乗を加算したものなどとして定義される。

従来装置では、上記ウォールフィルタの周波数特性は固定であり、あるいは、複数の周波数特性をマニュアルによって選択できるように構成されていた。下記特許文献１では、パワードプラを演算する超音波診断装置が開示されているが、ウォールフィルタの周波数特性を可変すること、あるいは、複数のウォールフィルタ特性の併用については記載されていない。

特開２００１−２６９３４４号公報

従来装置において、ドプラパワーを画像化する場合において、その画質を高めるために、同一方向に複数回の送受信を行って複数の受信信号を取得し、それらから得られる複数のパワードプラ（の情報）を平均化処理することが行われている。しかし、送受信回数を増大させると、フレームレートが低下するという問題がある。

本発明は、フレームレートを低下させずにパワードプラ画像の画質を向上させることにある。

本発明は、血流についてのパワードプラ計測において見掛け上の感度を向上できるようにすることにある。

本発明は、超音波を送受波し、受信信号を出力する送受波器と、前記受信信号を複素信号に変換する複素信号変換器と、互いに異なる複数のフィルタ特性を用いて前記複素信号をフィルタリングするフィルタ部と、前記フィルタ部から出力された前記複数のフィルタ特性に対応する複数の複素信号から複数のパワードプラ信号を生成するパワードプラ演算部と、前記複数のパワードプラ信号を合成して合成パワードプラ信号を生成する合成部と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、１つの受信信号から周波数特性が異なる複数の複数の複素信号が生成される。望ましくは、１つの受信信号から、信号処理条件を異ならせつつ複数回の送受信を行った場合と同数の複数の複素信号が得られる。各複素信号からパワードプラ信号を求め、その結果を合成することによって合成パワードプラ信号が得られる。合成パワードプラ信号に基づいてパワードプラ画像が形成される。

上記の複数のパワードプラ信号の加算によって、ノイズレベルに対して血流信号レベルを相対的に高めることが可能であるので（つまり見かけ上のＳ／Ｎ比を向上できるので）、フレームレートを落とすことなくパワードプラ画像の画質を高められる。特に、周波数特性が異なる複数のパワードプラ信号を合成するので、低速成分、中速成分、高速成分といった各周波数成分を適宜加えあわせて、クラッタを抑圧しつつ血流情報を補填できる。

複素信号のフィルタリングのために用いられるフィルタは望ましくは高域通過フィルタとしてのウォールフィルタであるが、バンドパスフィルタなどを用いることもできる。パワードプラ演算部は、例えば、各複素信号を構成する実数部の２乗と虚数部の２乗を加算した値などとしてパワーを演算する。合成部は、単純加算や重み付け加算を行う加算器として構成されるのが望ましいが、他の関数演算を行うものであってもよい。

望ましくは、前記フィルタ部は、互いに異なるウォールフィルタ特性を有する複数のウォールフィルタで構成され、前記パワードプラ演算部は、前記フィルタ部から出力された複数の複素信号に対応して設けられた複数のパワードプラ演算器で構成される。

望ましくは、前記フィルタ部は、複数のウォールフィルタ特性が順次切り換えられる回路として構成され、前記パワードプラ演算部は、前記フィルタ部から順次出力される各複素信号からパワードプラを順次演算する回路として構成される。この構成によればフィルタ部の時分割動作によって複数のフィルタ部を並列配置した場合と同様の結果を得られるので、装置の構成が簡易となる。

望ましくは、前記合成部は、前記複数のパワードプラ信号を加算する加算器として構成され、前記複数のフィルタ特性に対して重み付けを行う制御手段が設けられる。重み付けは、各パワードプラ信号の加算時に行うこともできるし、フィルタ部に設定される特性を操作することによって行うこともできる。

望ましくは、前記制御手段は、クラッタである可能性が高い場合にはカットオフ周波数がより高いフィルタ特性に対応する重みを相対的により大きくし、クラッタである可能性が低い場合にはカットオフ周波数がより低いフィルタ特性に対応する重みを相対的により大きくし、前記制御手段が各フィルタ特性に対応する重みを動的に変更する。

例えば、受信信号のレベル、ドプラ情報のレベルなどに応じて、各データごとにクラッタである度合いを推測することができるので、その推測結果から重み付けの配分を動的に変更するものである。この構成によれば、血流部位についてはより低速血流成分をより強調でき、またクラッタを抑圧できる。

以上説明したように、本発明によれば、フレームレートを低下させずにパワードプラ画像の画質を向上できる。

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。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。

プローブ１０は超音波の送受波を行う超音波探触子であり、プローブ１０内には複数の振動子からなるアレイ振動子が設けられる。アレイ振動子は例えば１Ｄアレイ振動子又は２Ｄアレイ振動子である。このアレイ振動子によって超音波ビームが形成され、その超音波ビームは電子的に走査される。その電子走査方式としては電子リニア走査、電子セクタ走査などが周知である。

パワードプラモードにおいては、各ビーム方位当たり、Ｂモード画像形成用の送受信と、パワードプラ画像形成用の１又は複数の送受信とが組み合わされて実行される。ただし、各ビーム方位当たりパワードプラ画像形成用の送受信はＢモード画像形成用の送受信であってもよい。

送受信部１２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機能する。すなわち、送受信部１２から複数の送信信号が複数の振動子に対して供給され、その一方、複数の振動子から出力される複数の受信信号は送受信部１２において整相加算処理される。これにより得られた整相加算後の受信信号は本実施形態において直交検波部１３及び断層画像形成部１４に出力されている。

断層画像形成部１４はＢモード画像を形成するために受信信号（エコーデータ）に対して検波、対数圧縮などの処理を実行する。その処理後の信号が表示処理部１６へ出力されている。

表示処理部１６は例えばデジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）の機能を有するものであり、座標変換機能、補間機能、画像合成機能などを有している。後に説明するように、表示処理部１６の作用によってＢモード画像とパワードプラ画像とが合成されており、その合成された画像データが表示部１８へ出力される。ただし、そのような画像合成によらずにパワードプラ画像のみを表示するようにしてもよい。

次に、パワー処理部２０について説明する。直交検波部１３は、入力される受信信号を直交検波し、これにより実数部Ｉ及び虚数部Ｑからなる複素信号を生成する。直交検波部１３には図示されていない一対の参照信号が供給されており、この一対の参照信号を受信信号に乗算することによって複素信号が生成されている。

直交検波部１３の後段には本実施形態において３つのフィルタ部２２，２４，２６が設けられている。各フィルタ部２２，２４，２６はそれぞれ一対のウォールフィルタ２８Ａ，２８Ｂ，３０Ａ，３０Ｂ，３２Ａ，３２Ｂを有している。一方のウォールフィルタ２８Ａ，３０Ａ，３２Ａは複素信号のうちの実数部についてフィルタリングを行うフィルタであり、他方のウォールフィルタ２８Ｂ，３０Ｂ，３２Ｂは複素信号のうちで虚数部についてフィルタリングを行うフィルタである。それぞれのウォールフィルタ２８Ａ，２８Ｂ，３０Ａ，３０Ｂ，３２Ａ，３２Ｂによって処理された信号が図１においてＩ₁，Ｑ₁，Ｉ₂，Ｑ₂，Ｉ₃，Ｑ₃で表されている。それぞれの信号は、対応するパワー演算器３４，３６，３８に入力されている。

ここでウォールフィルタ２８Ａ，２８Ｂは互いに同じ周波数特性を有している。これは、フィルタ部２４が有するウォールフィルタ３０Ａ，３０Ｂについても同様であり、また、フィルタ部２６が有するウォールフィルタ３２Ａ，３２Ｂについても同様である。但し、本実施形態においてそれぞれのフィルタ部２２，２４，２６においては互いに異なるフィルタ特性が設定されており、具体的にはそれぞれのフィルタ部２２，２４，２６ごとに互いに異なるカットオフ周波数が設定されている。すなわち各ウォールフィルタは高域通過フィルタあるいは低域除去フィルタとして構成され、そのカットオフ周波数はフィルタ部２２，２４，２６ごとに異なっている。

図２には、それらの複数のフィルタ特性が示されており、図２に示される横軸は周波数であり、縦軸は信号レベル及び通過特性を表している。図示されるようにクラッタ１００Ａは比較的低域に存在しており、血流１００Ｂは比較的高域に存在しているが、両者は一般にオーバーラップする。これに対し、本実施形態においては符号１０２，１０４，１０６で示されるような３つのフィルタ特性が設定されており、それぞれのフィルタ特性１０２，１０４，１０６は図１に示したフィルタ部２２，２４，２６が有するものである。

したがって、このような３つのフィルタ特性を用いて３つの複素信号に対してフィルタリングを行えば、周波数特性が互いに異なる３つのフィルタリング後の複素信号を得ることが可能となる。すなわち、１回の送受信で得られた１つの受信信号から３つの異なる複素信号を生成することが可能である。

３つのフィルタ部２２，２４，２６の後段には３つのパワー演算器３４，３６，３８が設けられている。パワー演算器３４はフィルタ部２２から出力される複素信号に基づいてパワー（パワードプラ）を演算する回路である。具体的には、実数部の２乗と虚数部の２乗を加算したものとしてパワーが定義されている。パワー演算器３６及びパワー演算器３８もパワー演算器３４と同様にパワーを演算する。したがって、本実施形態では互いに異なる周波数特性をもつ３つのパワーが演算される。

加算器４０は入力される３つのパワーを加算することにより合成されたパワードプラ信号Ｐを出力する。加算器４０において各パワーに対して重み付けを行った上で加算を行うようにしてもよいし、後述するようにフィルタ制御器４２の作用により各フィルタ特性に対して重みを与えてパワー処理部２０の重み付け加算が達成されるようにしてもよい。加算器４０の出力である合成されたパワーＰは表示処理部１６に出力される。表示処理部１６においては上述した各種の機能によってパワードプラ画像が二次元画像として構成されており、その画像においてパワーの大きさは例えば所定の色相の輝度に対応付けられる。そしてＢモード画像とパワードプラ画像とが合成され、その合成画像が表示部１８に表示される。

フィルタ制御器４２は、フィルタ部２２，２４，２６の動作を制御しており、具体的には各フィルタ部２２，２４，２６に設定されるフィルタ特性を可変設定している。それと同時に、フィルタ特性の利得を調整することにより各フィルタ部２２，２４，２６ごとに重み付けを与えている。ここで、その重み値がα，β，γで示されている。各重み値α，β，γはそれぞれ固定値であってもよいが、ユーザーにより可変できるように構成してもよく、その場合においては例えばパワードプラ画像を観察しながら後述する操作パネル４８を用いてユーザーが各重みを個別的に設定できるようにしてもよい。あるいは、断層画像形成部１４の出力信号などの参照情報に基づいてクラッタである度合いを判断し、それに基づいて各重みα，β，γを設定するようにしてもよい。この場合において、例えばクラッタである可能性が高い場合には例えば図２に示したフィルタ特性１０２の利得を下げて、その一方においてフィルタ特性１０６の利得を上げて、より高域側の成分が強調され、またクラッタが抑圧されるようにしてもよい。

また、クラッタである度合いが低いような場合には上記の場合に対してフィルタ特性１０２の利得を持ち上げてその一方においてフィルタ特性１０６の利得を引き下げて、より低域側における血流がより明瞭に表示されるようにしてもよい。その場合において参照される信号は図１においては断層画像形成部１４から出力されたＢモード画像の信号であるが、例えば断層画像形成部１４に入力される受信信号であってもよいし、また直交検波部１３から出力される複素信号であってもよい。血流に対してクラッタの振幅が強大であるため、信号の振幅を参照することによりクラッタである可能性を判断することができる。

主制御部４６は図１に示される各構成の動作制御を行っており、特に送受信部１２における動作やパワー処理部２０の動作の制御を行っている。主制御部４６にはキーボードやトラックボールなどによって構成される操作パネル４８が接続されており、その操作パネル４８を利用してユーザーはパラメータの設定や動作モードの切替えなどを行うことができる。ちなみに、図１には、Ｂモード画像及びパワードプラ画像を形成するための回路構成が示されていたが、例えばカラードプラ画像などの他の画像を形成する構成を付加するようにしてもよい。

図１に示される構成では、３つのフィルタ部２２，２４，２６が並列的に設けられ、また３つのパワー演算器３４，３６，３８が並列的に設けられていたが、単一のフィルタ部及び単一のパワー演算器を時分割動作させるようにしてもよい。そのような構成が図３に示されている。

図３において、パワー処理部５０は単一のフィルタ部５２及び単一のパワー演算器５６を有している。また、直交検波部１３とフィルタ部５２との間にはメモリ部６２が設けられている。

直交検波部１３から出力される複素信号はメモリ部６２に一旦格納される。すなわちこのメモリ部６２はバッファメモリとして機能し、そのメモリ部６２は実数部用のメモリ６４Ａと虚数部用のメモリ６４Ｂとを有している。

フィルタ部５２は一対のウォールフィルタ５４Ａ，５４Ｂによって構成されている。メモリ部６２及びフィルタ部５２の動作はフィルタ制御器６０によってなされており、フィルタ制御器６０がフィルタ部５２を時分割動作させ、それぞれの動作タイミングにおいて複数のフィルタ特性が設定される。すなわち本実施形態においては図２に示されたフィルタ特性１０２，１０４，１０６が順次切替設定されており、１つの複素信号に対して３つのフィルタリングがなされている。これと同期してメモリ６２Ａ，６４Ｂから逐次的に受信信号が読み出されており、またパワー演算器５６においても逐次的にパワー演算が実行されている。このような動作により、図１に示した構成と同様のパワー演算結果を得ることが可能となる。そして、加算器５８においては１つの複素信号当たり得られた３つのパワーの値を加算し、これによって合成されたパワーＰを求める。

フィルタ制御器６０は、上述したようにメモリ６２に対する書き込み及び読み出し制御部として機能し、またフィルタ部５２に対してフィルタ特性の設定器として機能し、またパワー演算器５６に対して動作制御器として機能している。またこのフィルタ制御器６０は上述した構成と同様に各フィルタ特性に対して重みを与える制御も行っており、この場合において参照信号としては断層画像形成部１４から出力されるＢモード画像の信号が用いられている。もちろん、他の信号をリファレンスとして各重みの値を動的に変更するようにしてもよい。図３に示した構成によれば、図１に示した構成よりも装置の回路規模を縮小できるという利点がある。

図１及び図３に示した構成では、３つのフィルタリングを行った後に３つのパワーを演算し、その３つのパワーを加算していたが、３つの複素信号が得られた段階でそれらを合成した上で、合成された複素信号からパワーを演算するようにしてもよい。すなわち、図１に示す回路構成において、加算器４０を３つのフィルタ部２２，２４，２６の直後に設け、その加算器の後段に単一のパワー演算器を設けるものである。あるいは、図３に示した構成において、フィルタ部５２の後段に加算器５８を設け、その後段にパワー演算器を設けるものである。このような構成においては複素信号の各成分ごとに合成が行われてその後にパワー演算を行うことができるので、位相を考慮しつつ重み付け加算を行えるという利点がある。但し、一般にはそのような位相を考慮せずにパワーを演算してから加算するのが望ましいと思われる。よって診断の目的や画像の内容などに応じて適宜適切な方式を採用するのが望ましい。

上記の実施形態においては１つの受信信号から３つのパワーが演算されていたが、もちろん演算されるパワーの個数は３つには限られず、２つあるいは４つ以上であってもよい。また、各ウォールフィルタとしてバンドパスフィルタを設け、各周波数帯域ごとにきめ細かくレベル調整を行った上でパワーを加算するようにしてもよい。上記の実施形態によれば、１つの受信信号当たり複数のパワーを演算した上でそれを合成しているので、フレームレートを低下させることなく見かけ上の血流検出感度を向上させることができるという利点がある。

本発明に係る超音波診断装置の実施形態を示すブロック図である。複数のフィルタ特性を示す図である。本発明に係る他の実施形態の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０プローブ、１２送受信部、１３直交検波部、１４断層画像形成部、２０パワー処理部、２２，２４，２６フィルタ部、３４，３６，３８パワー演算部、４０加算器、４２フィルタ制御器。

Claims

超音波を送受波し、受信信号を出力する送受波器と、
前記受信信号を複素信号に変換する複素信号変換器と、
互いに異なる複数のフィルタ特性を用いて前記複素信号をフィルタリングするフィルタ部と、
前記フィルタ部から出力された前記複数のフィルタ特性に対応する複数の複素信号から複数のパワードプラ信号を生成するパワードプラ演算部と、
前記複数のパワードプラ信号を合成して合成パワードプラ信号を生成する合成部と、
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、
前記フィルタ部は、互いに異なるウォールフィルタ特性を有する複数のウォールフィルタで構成され、
前記パワードプラ演算部は、前記フィルタ部から出力された複数の複素信号に対応して設けられた複数のパワードプラ演算器で構成された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、
前記フィルタ部は、複数のウォールフィルタ特性が順次切り換えられる回路として構成され、
前記パワードプラ演算部は、前記フィルタ部から順次出力される各複素信号からパワードプラを順次演算する回路として構成された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、
前記合成部は、前記複数のパワードプラ信号を加算する加算器として構成され、
前記複数のフィルタ特性に対して重み付けを行う制御手段が設けられた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、
前記制御手段は、
クラッタである可能性が高い場合にはカットオフ周波数がより高いフィルタ特性に対応する重みを相対的により大きくし、
クラッタである可能性が低い場合にはカットオフ周波数がより低いフィルタ特性に対応する重みを相対的により大きくし、
前記制御手段が各フィルタ特性に対応する重みを動的に変更することを特徴とする超音波診断装置。