JP4288647B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用等の超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置は、超音波探触子を介して例えば生体等の被検体内に超音波を送信し、その反射波等からなる受信信号に基づいて診断画像や血流速度といった情報を得るものである。
【０００３】
被検体への超音波の送受信は、超音波探触子を介して行なわれる。超音波探触子は、被検体に対向して列状または面状に配列された複数の振動子を備えてなり、超音波の送受信はこれら複数の振動子によって行なわれる。したがって、それぞれの振動子が受信した各チャネルの受信信号相互間には、受信信号の反射源から各振動子までの超音波の伝播経路長の違いに起因して時間および位相のずれが生じる。
【０００４】
このような時間及び位相のずれを揃えて受信ビームを生成する整相処理に係る技術として、各振動子に対応する受信信号にそれぞれ90°の位相差を有する２つの参照信号を乗算して複素化し、この複素信号の位相、つまり複素信号を極座標で表わしたときの回転角度を各チャネル毎に補正することによって受信信号の位相を揃え、整相することが提案されている。
【０００５】
また、超音波は被検体内を伝播するときに減衰するが、周波数が高いほど減衰の影響を受けやすいことから、受信信号の反射源が深くなるほど超音波の中心周波数が低くなることが報告されている。そこで、特開平9-19429号公報においては、この周波数変化に起因する位相合わせの誤差を低減するため、検出部位の深さに応じた超音波の中心周波数の推移をゼロクロスまたはフーリエ変換によって検出し、中心周波数の推移を考慮した位相補正をすることが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平9-19429号公報に記載されているように、検出部位の深さに応じて受信信号の中心周波数を補正して受信ビームを生成しても、整相誤差が生じて良好な超音波ビームが得られない場合があった。また、ゼロクロスおよびフーリエ変換による周波数推移の検出には、検出精度および時間応答を向上することについて改善の余地が残されている。
【０００７】
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、被検体内を伝播した超音波の周波数推移の検出精度および時間応答を向上させ、受信信号の整相精度を向上することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の振動子を配列してなる探触子と、探触子を介し被検体内の異なったビーム方位に超音波ビームを送信する送信部と、複数の振動子を介し被検体からの複数チャネルの受信信号を受信する受信部と、複数チャネルの受信信号を複素化し、複素信号の位相を補正した後に加算する受信ビーム生成手段を有して構成され、受信ビーム生成手段は、ビーム方位のそれぞれに対応する受信信号について周波数の推移を検出しかつこの周波数の推移に応じて当該ビーム方位に係る複数チャネルの受信信号の位相をそれぞれ補正する機能を有する超音波診断装置によって上述した課題を解決する。
【０００９】
例えば被検体が生体である場合には、生体内の音響的不均一性に起因して中心周波数の変化が生ずる。すなわち、受信信号の中心周波数は上述した検出部位の深さだけでなく、組織の違いによっても変化するから、検出部位の方位によっては同じ深さであっても中心周波数が異なることになる。また、中心周波数は体動や血管内の血流の影響によっても変化する。このような中心周波数の変化は、上述した位相補正を行なう場合に誤差を生じる原因となる。
【００１０】
これに対し、本発明によれば、ビームの方位や深さの異なる各検出対象部位についてそれぞれ当該部位の受信信号の中心周波数に適応した整相処理をすることができるから、受信信号の整相精度を向上し、良好な受信ビームを生成することができる。
【００１１】
また、異なった検出部位に対して逐次良好な補正を行なうためには、中心周波数を検出する際の時間応答を向上することが要求される。そこで、受信ビーム生成手段は、周波数の推移を表わすパラメータとして受信信号の角速度を検出し、この角速度に応じて補正をするようにしてもよい。このように角速度によって周波数の推移を検出すれば、従来技術のようにフーリエ変換によって中心周波数の推移を検出するよりも時間応答を向上することができるから、より良好な受信ビームを得ることができる。また、従来技術のゼロクロスによって中心周波数の推移を検出するよりも精度を向上することができるから、より良好な受信ビームを得ることができる。角速度の検出は、複素の受信ビーム信号にｔａｎ^−１演算をすることによって位相を求め、時間間隔をおいた位相間の差分をその時間で割ることによって行うことができる。
【００１２】
なお、この場合、ノイズの影響を低減して周波数の推移を正確に検出するため、同じビーム方位から複数回受信された受信信号について周波数の推移を検出し、この周波数の推移の平均値に基づいて当該ビーム方位に係る受信信号の位相を補正するようにしてもよい。例えば、複数回の送受信に係る周波数の推移の平均値に応じて補正したり、フィルタリング処理によって複数の周波数の推移データの連続性を算出し、これに応じて補正するようにしてもよい。
【００１３】
また、受信ビーム生成手段は、受信信号の周波数推移を検出する検出手段と、複数チャネルの受信信号のそれぞれについて周波数推移に応じて９０°の位相差を有する一対の複素化参照信号を生成する参照信号生成手段とを含み、複素化参照信号は、周波数推移に基づいて求められた周波数補正情報と、周波数推移に基づいて求められる位相補正情報とを含んでなる構成としてもよい。これによれば、中心周波数の推移に応じた周波数および位相の補正を一対の乗算手段により行えるから、回路構成の簡単化を図れるので好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用してなる超音波診断装置の一実施形態について説明する。図１は、本実施形態の超音波診断装置の構成を示す図である。図１に示すように、超音波診断装置１は、超音波探触子３と、送信信号を生成し送信信号に応じた駆動信号を探触子３に供給する送信部５とを有する。探触子３は図示しない被検体の表面に対向して列状または面状の配列された複数（ｎ個）の振動子７を有する。送信部５は、これらｎ個の信号子７の各チャネル毎に駆動信号を与える。
【００１５】
一方、探触子７は、図示しない被検体からのエコー音波を受け、これを電気的な受信信号に変換する。この受信信号を各チャネル毎に増幅し、バンドパスフィルタによって通過周波数帯域制御をする受信部９が設けられている。さらに、受信部９が出力した受信信号をデジタル変換するアナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）を有するデジタル化手段１１と、デジタル化された各チャネルの受信信号を整相し加算する受信ビーム生成手段１３と、受信ビーム生成手段１３が出力する受信ビーム信号を処理する信号処理手段１５と、この信号情報を画像データ化する画像処理手段１７と、画像データを表示するディスプレイを有する表示部１９とが設けられている。そして、上述した各要素を総括的に制御する制御部２１が設けられている。
【００１６】
受信ビーム生成手段１３は、デジタル化手段１１が出力した各チャネルの受信信号を一時的に記憶し、受信信号の反射源から各チャネルの振動子までの距離の違いに応じた時間だけ遅延させて出力するラインメモリを有する一時記憶手段２３と、一時記憶手段２３の出力信号の周波数を移動させる周波数移動手段２５と、周波数移動手段２５の出力信号の通過帯域を制御して不要周波数成分を除去する実時間フィルタ処理手段２７と、実時間フィルタ処理手段２７から出力される各チャネルの受信信号を加算する加算手段２９とが設けられている。
【００１７】
次に、上述した周波数移動手段２５の詳細な構成について図２を参照して説明する。図２は、図１の超音波診断装置の受信ビーム生成手段の詳細な構成を示すブロック図である。図２に示すように、周波数移動手段２５は、加算手段２９の出力信号が入力され、その角速度を検出する角速度検出手段３１と、角速度検出手段３１が検出した角速度が一時的に記憶される一時記憶手段３３と、一時記憶手段３３が記憶する同じラスタに係る複数の角速度の平均値を算出する平均角速度検出手段３５とを有する。また、周波数移動手段２５には、制御部から入力される予め定められた所定周波数ωを保持する所定周波数保持手段３７と、制御部から入力される予め定められた所定位相φを保持する所定位相保持手段３９とが設けられている。また、平均角速度検出手段３５が求めた平均角速度に基づいて、補正用周波数ω’を算出する補正用周波数生成手段４１と、この平均角速度に基づいて補正用位相φ’を算出する補正用位相生成手段４３とが設けられている。そして、所定周波数ωと補正用周波数ω’とを加算する加算器４５と、所定位相φと補正用位相φ’とを加算する加算器４７とが設けられている。そして、加算器４５と加算器４７の出力が入力され、これらに応じて０°参照信号および９０°参照信号をそれぞれ生成する０°／９０°参照信号生成手段４８が設けられている。そして、一時記憶手段２３から入力される受信信号にそれぞれ０°参照信号および９０°参照信号を乗算する乗算器４９および５１が設けられている。
【００１８】
図３は、角速度検出手段３１の詳細な構成を示すブロック図である。図３に示すように、角速度検出手段３１は、加算手段２９から出力された複素の受信ビーム信号が入力される位相検出手段５３と、位相検出手段５３の出力に基づいて平均位相を検出する平均位相検出手段５５と、平均位相検出手段５５の出力に基づいて位相差を検出する位相差検出手段５７と、この位相差に応じて角速度を求める角速度変換手段５９とを有して構成されている。なお、位相検出手段５３は、データテーブルおよびＤＳＰ等の演算手段を含んでなり、ｔａｎ^−１演算を実行するものである。また、平均位相検出手段５５は、乗算手段、加算手段、データ保持手段などにより構成される低域濾過フィルタを含んでなる。また、位相差検出手段５７は、差分手段、乗算手段、加算手段、データ保持手段等によって構成される高域濾過フィルタを含んでなる。
【００１９】
次に、上述した超音波診断装置１の動作について説明する。先ず、送信部５は、制御部２１からの指示により、超音波探触子１の選択された口径に対応する振動子７の駆動信号をそれぞれ生成し、超音波探触子１に供給する。そして、振動子７がそれぞれ振動することによって超音波が発生し、この超音波は図示しない被検体内に各振動子７からの超音波の波面が一致する方向に進む超音波ビームを形成する。そして、超音波ビームが被検体内を伝播する際、例えば組織の違い等によって音響インピーダンスが変化する部位において超音波信号の一部は反射する。そして、この反射波の一部は被検体内を伝播して超音波探触子１に戻る。そして、複数の振動子７は、それぞれこの反射波を受信信号として受信し、電気的な信号に変換して受信部９に送る。受信部９は、複数の振動子７がそれぞれ受信した各チャネルの受信信号をそれぞれ増幅し、通過周波数帯域制御を行ない出力する。したがって、受信部９からの出力信号は、ｎ個の振動子７が受信口径に応じて選択された場合には、ｎチャネルのデータとなる。そして、受信部７から出力されたｎチャネルの受信信号は、デジタル化手段１１において当該受信信号帯域の最高周波数のナイキスト周波数よりも十分高周波数のサンプリングクロックにおいてサンプリングし、デジタル化する。そして、デジタル化されたｎチャネルの受信信号は、受信ビーム生成手段１３の一時記憶手段２３に入力され、ここで受信信号の反射源から各チャネルに対応する振動子７までの距離の違いを考慮して各チャネル毎にそれぞれ設定された時間遅延量だけ遅延させて出力される。そして、一時記憶手段２３から出力されたｎチャネルの受信信号は、周波数移動手段２５において複素化されるとともに各チャネル間の位相を揃えられてｎチャネルの受信信号のそれぞれについて実部信号および虚部信号を有する２ｎチャネルの複素信号として出力される。周波数移動手段２５内における処理については後に詳しく説明する。この複素信号は実時間フィルタ処理手段２７に入力されてサンプリング周期より十分長い時間長について通過周波数帯域を制御され、不要な周波数成分を除去される。実時間フィルタ処理手段２７から出力された２ｎチャネルの複素信号は、加算手段２９において実部および虚部それぞれの総和を求められて２チャネルの複素信号からなる受信ビーム信号が生成される。この受信ビーム信号は、信号処理手段１５に入力され、診断に必要な情報を抽出する周知の処理が行なわれ、その出力信号は画像処理手段１７に入力され、例えば周知のＢモード画像、ドプラモード画像、カラーモード画像といった画像が生成される。そして、画像処理手段１７が出力した画像情報に基づいて、表示部１９は画像を表示する。
【００２０】
次に、本実施形態の特徴部に係る周波数移動手段２５における処理について説明する。先ず、角速度検出手段３１に、加算手段２９の出力信号である２チャネルの複素受信ビーム信号が入力される。角速度検出手段３１の位相検出手段５３は、逐次入力される複素受信ビーム信号に対してｔａｎ^―１演算を行い、各サンプリング時における位相を検出する。なお、このとき位相検出手段５３は、位相を制度よく求めるため高域濾過フィルタ処理を行なう。検出された位相は平均位相検出手段５５に入力される。平均位相検出手段５５は、複数のラスタもしくはフレームに対応する複数回の超音波の送受信に係る同じ検出部位に対応する画素位置の位相の平均値を求めて出力する。この位相の平均値は位相差検出手段５７に入力される。位相差検出手段５７は、隣り合ったサンプリングタイミングに係る位相の平均値相互間の差分を求める。この差分は角速度変換手段５９に入力され、ここで差分をサンプリング間隔の時間で割ることによって角速度を求める。そして、角速度は補正用周波数生成手段４１および補正用位相生成手段４３にそれぞれ入力される。補正用周波数生成手段４１は、入力された角速度に応じて補正用周波数ω’をｎチャネルの受信信号のそれぞれについて算出する。また、補正用位相検出手段４３は入力された角速度に応じて補正用位相φ’をｎチャネルの受信信号のそれぞれについて算出する。
【００２１】
次に、加算器４５は、所定周波数保持手段３７が保持する所定周波数ωと、補正用周波数生成手段４１が算出する補正用周波数ω’とを加算し、得られた和ω＋ω’を０°／９０°参照信号生成手段４８に入力する。一方、加算器４７は、所定位相保持手段３９が保持する所定位相３９と、補正用位相生成手段４３が算出する補正用位相φ’とを加算し、得られた和φ＋φ’を０°／９０°参照信号生成手段４８に入力する。そして、０°／９０°参照信号生成手段は、これらの入力に基づいて、０°／９０°参照信号であるｃｏｓ（ω＋ω’）（φ＋φ’）と、ｓｉｎ（ω＋ω’）（φ＋φ’）とを出力する。これらの参照信号は一時記憶手段２３から入力されるｎチャネルの受信信号についてそれぞれ求められ、加算器４９および加算器５１において受信信号に乗算される。これによって、受信信号は時相および位相が各チャネル間相互において略揃えられた実部信号および虚部信号からなるｎチャネルの複素信号となる。このとき、各チャネルの複素受信信号を極座標でみたときの回転角度がゼロとなるような各チャネルの０°／９０°参照信号が生成されるようにω’およびφ’を設定すると最大の感度が得られるから好ましい。これらの複素信号は、加算手段２９において実部と虚部とをそれぞれ加算することによって、実部信号および虚部信号からなる１チャネルの複素受信ビーム信号となる。本実施形態の超音波診断装置は、上述した補正用周波数ω’および補正用位相φ’の算出を、被検体を走査する複数のビーム方位のそれぞれについて行い、また１つのビーム方位に係る受信信号の処理中においても、受信タイミング、つまり被検体内の深度方向について逐次行っている。そして、上述したように複素受信ビーム信号は信号処理手段１５に送られ処理される。
【００２２】
以上のように、本実施形態によれば、ビームの方位や深さの異なる被検体内の各検出対象部位についてそれぞれ当該部位の受信信号の中心周波数を表わすパラメータである角速度を求め、当該部位の角速度に適応した整相処理をすることができるから、受信信号の整相精度を向上し、良好な受信ビームを得ることができる。
【００２３】
また、同じビーム方位に対する複数回の超音波の送受信にわたって各部位における平均角速度を求めているから、ノイズ等の影響を低減し、正確な角速度が得られ、整相精度を一層向上できる効果がある。
【００２４】
さらに、受信信号の中心周波数の推移を角速度に基づいて求めているから、従来技術に係るゼロクロスおよびフーリエ変換よりも精度および時間応答が向上される効果がある。
【００２５】
また、本実施形態の０°／９０°参照信号生成手段は、補正用周波数ω’および補正用位相φ’を含んでなる参照信号を生成するものであるから、周波数移動手段に入力される受信信号に参照信号を乗算する乗算器が各チャネルあたり１対あれば足り、回路構成を簡単化できる効果がある。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、受信信号の整相精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる超音波診断装置の一実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１の超音波診断装置の受信ビーム生成手段の詳細な構成を示す図である。
【図３】図１の超音波診断装置の角速度検出手段の詳細な構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 超音波診断装置
３ 超音波探触子
５ 送信部
７ 振動子
９ 受信部
１１ デジタル化手段
１３ 受信ビーム生成手段
１５ 信号処理手段
１７ 画像処理手段
１９ 表示部
２５ 周波数移動手段

Claims (3)

1. 複数の振動子を配列してなる探触子と、前記探触子を介し被検体内の異なったビーム方位に超音波ビームを送信する送信部と、前記複数の振動子を介し前記被検体からの複数チャネルの受信信号を受信する受信部と、前記複数チャネルの受信信号をそれぞれ複素化し、位相を補正した後に加算して複素受信ビーム信号を出力する受信ビーム生成手段を有して構成され、
   前記受信ビーム生成手段は、前記ビーム方位のそれぞれに対応する前記複素受信ビーム信号に対してｔａｎ^−１演算を行って各サンプリング時における位相を検出し、隣り合ったサンプリング間の位相差をサンプリング間隔時間で割って角速度を求め、求めた角速度に基づいて周波数の推移を検出する検出手段と、前記複数チャネルの受信信号のそれぞれについて前記周波数推移に応じて９０°の位相差を有する１対の複素化参照信号を生成する参照信号生成手段とを含み、
   前記複素化参照信号は、前記周波数推移に基づいて求められる周波数補正情報と、前記周波数推移に基づいて求められる位相補正情報とを含んでなり、
   該複素化参照信号を前記複数チャネルごとに１対設けられた乗算手段により前記複数チャネルの受信信号に乗算して複素化及び位相補正を行なう超音波診断装置。
2. 前記受信ビーム生成手段は、同じビーム方位から複数回受信された受信信号についてそれぞれ前記角速度を求めるとともに、複数の角速度の平均値を算出し、平均角速度に基づいて周波数の推移を検出し、該周波数の推移に基づいて当該ビーム方位に係る前記複数チャネルの受信信号の位相を補正することを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 複数の振動子を配列してなる探触子と、前記探触子を介し被検体内に超音波ビームを送信する送信部と、前記複数の振動子を介し前記被検体からの複数チャネルの受信信号を受信する受信部と、前記複数チャネルの受信信号をそれぞれ複素化し、位相を補正した後に加算して複素受信ビーム信号を出力する受信ビーム生成手段を有して構成され、
   前記受信ビーム生成手段は、前記複素受信ビーム信号に対してｔａｎ^−１演算を行って各サンプリング時における位相を検出し、隣り合ったサンプリング間の位相差をサンプリング間隔時間で割って角速度を求め、求めた角速度に基づいて周波数の推移を検出する検出手段と、前記複数チャネルの受信信号のそれぞれについて前記周波数推移に応じて９０°の位相差を有する１対の複素化参照信号を生成する参照信号生成手段とを含み、
   前記複素化参照信号は、前記周波数推移に基づいて求められる周波数補正情報と、前記周波数推移に基づいて求められる位相補正情報とを含んでなり、
   該複素化参照信号を前記複数チャネルごとに１対設けられた乗算手段により前記複数チャネルの受信信号に乗算して複素化及び位相補正を行なうことを特徴とする超音波診断装置。

Images