JP4405617B2 - 超音波撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波撮像装置に関し、特に、撮像対象内の複数の断面を順次に超音波で走査して得た複数の断層像に基づいて３次元表示像を得る超音波撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
撮像対象内の断面を超音波で走査し、エコー（ｅｃｈｏ）受信信号に基づいて断面を画像化するとき、断面を順次移動させながら複数断面の断層像を撮影し、それら断層像に基づいて３次元表示像を得ることが行われる。断面の移動は、超音波プローブ（ｐｒｏｂｅ）を断面に垂直な方向に動かす（走査する）ことによって行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにして得られた３次元表示像は静止画像となるので、撮像対象の動的な状態を観察する用途には適さないという問題があった。
【０００４】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、撮像対象の動的状態を示す３次元表示像を得る超音波撮像装置を実現することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）上記の課題を解決する第１の観点での発明は、撮像対象内の複数の断面を順次に超音波で走査しエコーに基づいて前記複数の断面の断層像を撮像する撮像手段と、前記撮像した断層像に基づいて３次元表示像を形成する画像形成手段と、前記形成した３次元表示像を表示するとともにその１つの面をリアルタイム画像で示す画像表示手段とを具備することを特徴とする超音波撮像装置である。
【０００６】
（２）上記の課題を解決する第２の観点での発明は、前記１つの面の変更に伴う前記画像形成手段による面変更のレートを前記画像表示手段により前記リアルタイム画像を更新するレートより低くするレート制御手段を具備することを特徴とする（１）に記載の超音波撮像装置である。
【０００７】
（３）上記の課題を解決する他の観点での発明は、撮像対象内の複数の断面を順次に超音波で走査しエコーに基づいて前記複数の断面の断層像を撮像し、前記撮像した断層像に基づいて３次元表示像を形成し、前記形成した３次元表示像を表示するとともにその１つの面をリアルタイム画像で示すことを特徴とする超音波撮像方法である。
【０００８】
（４）上記の課題を解決する他の観点での発明は、前記１つの面の変更に伴う前記３次元表示像における面変更のレートを前記リアルタイム画像を更新するレートより低くすることを特徴とする（３）に記載の超音波撮像方法である。
【０００９】
（作用）
本発明では、３次元表示像の１つの面をリアルタイム画像で示し、撮像対象の動的状態のリアルタイム観察を可能にする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置のブロック（ｂｌｏｃｋ）図を示す。本装置は本発明の超音波撮像装置の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００１１】
本装置の構成を説明する。同図に示すように、本装置は超音波プローブ２を有する。超音波プローブ２は、被検体１００に当接されて超音波の送受波に使用される。超音波プローブ２は、図示しない超音波トランスデューサアレイ（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｒｒａｙ）を有する。超音波トランスデューサアレイは複数の超音波トランスデューサで構成される。個々の超音波トランスデューサは、例えばＰＺＴ（チタン（Ｔｉ）酸ジルコン（Ｚｒ）酸鉛（Ｐｂ））セラミックス（ｃｅｒａｍｉｃｓ）等の圧電材料で構成される。
【００１２】
超音波プローブ２は送受信部６に接続されている。送受信部６は、超音波プローブ２の超音波トランスデューサアレイを駆動して超音波ビームを送信し、また、超音波トランスデューサアレイが受波したエコー（ｅｃｈｏ）を受信する。
【００１３】
送受信部６のブロック図を図２に示す。同図に示すように、送受信部６は信号発生回路６０２を有する。信号発生回路６０２は、パルス（ｐｕｌｓｅ）信号を所定の周期で繰り返し発生して送波ビームフォーマ６０４に入力する。送波ビームフォーマ６０４は入力信号に基づいて送波ビームフォーミング信号を生成する。送波ビームフォーミング信号は、超音波トランスデューサアレイにおいて送信アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサに与える複数のパルス信号であり、個々のパルス信号には超音波ビームの方位および焦点に対応した遅延時間が付与される。以下、送信アパーチャを送波アパーチャという。
【００１４】
送波ビームフォーマ６０４の出力信号は送受切換回路６０８を通じて送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサに駆動信号として与えられる。駆動信号が与えられた複数の超音波トランスデューサはそれぞれ超音波を発生し、それら超音波の波面合成により所定の方位への送波超音波ビームが形成される。送波超音波ビームは所定の距離に設定された焦点に収束する。
【００１５】
送波超音波のエコーが、超音波プローブ２の受信アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサでそれぞれ受波される。以下、受信アパーチャを受波アパーチャという。複数の超音波トランスデューサが受波した複数のエコー受波信号は、送受切換回路６０８を通じて受波ビームフォーマ６１０に入力される。受波ビームフォーマ６１０は、エコー受信音線の方位およびエコー受信の焦点に対応した遅延を個々のエコー受波信号に付与して加算し、所定の音線および焦点に合致したエコー受信信号を形成する。
【００１６】
送波ビームフォーマ６０４は、送波超音波ビームの方位を順次切り換えることにより音線順次の走査を行う。受波ビームフォーマ６１０は、受波音線の方位を順次切り換えることにより音線順次の受波の走査を行う。これにより、送受信部６は例えば図３に示すような走査を行う。すなわち、放射点２００からｚ方向に延びる超音波ビーム２０２が扇状の２次元領域２０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタスキャン（ｓｅｃｔｏｒ ｓｃａｎ）を行う。
【００１７】
送波および受波のアパーチャを超音波トランスデューサアレイの一部を用いて形成するときは、このアパーチャをアレイに沿って順次移動させることにより、例えば図４に示すような走査を行うことができる。すなわち、放射点２００からｚ方向に発する超音波ビーム２０２が直線的な軌跡２０４上を移動することにより、矩形状の２次元領域２０６がｘ方向に走査され、いわゆるリニアスキャン（ｌｉｎｅａｒ ｓｃａｎ）が行われる。
【００１８】
なお、超音波トランスデューサアレイが、超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたいわゆるコンベックスアレイ（ｃｏｎｖｅｘ ａｒｒａｙ）である場合は、リニアスキャンと同様な信号操作により、例えば図５に示すように、超音波ビーム２０２の放射点２００が円弧状の軌跡２０４上を移動して扇面状の２次元領域２０６がθ方向に走査され、いわゆるコンベックススキャンが行えるのはいうまでもない。
【００１９】
超音波プローブ２はアクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）８に連結されている。アクチュエータ８は、超音波プローブ２をθ方向（またはｘ方向、以下、θ方向で代表する）の音線走査方向とは直交する方向に移動させるようになっている。すなわち、アクチュエータ８はφ走査を行うものである。φ走査はθ走査と協調して行われ、例えばθ走査の１スキャンごとにφ走査を１ピッチ（ｐｉｔｃｈ）進めるようになっている。このようなφ走査により、撮像対象３の複数の断面が順次に走査される。
【００２０】
φ走査は、例えば図６に示すように、超音波プローブ２をθ走査と直交する方向に平行移動させることによって行われる。なお、同図に示したｚ方向は音線方向である。これによって撮像対象４の内部の３次元領域３０２が走査される。φ走査は、この他に、例えば図７に示すように、超音波プローブ２をφ方向に揺動させることによって行うようにしても良い。揺動の中心軸は、中心軸３００で示すように、θ走査の音線の発散点２０８を通るようにするのがθ走査とφ走査の角度の原点を一致させる点で好ましい。なお、φ走査は、必ずしもアクチュエータ８によらず、操作者が手動で行うようにしても良い。
【００２１】
送受信部６はＢモード（ｍｏｄｅ）処理部１０およびドップラ（Ｄｏｐｐｌｅｒ）処理部１２に接続されている。送受信部６から出力される音線ごとのエコー受信信号は、Ｂモード処理部１０およびドップラ処理部１２に入力される。
【００２２】
Ｂモード処理部１０はＢモード画像データを形成するものである。Ｂモード処理部１０は、図８に示すように対数増幅回路１０２と包絡線検波回路１０４を備えている。Ｂモード処理部１０は、対数増幅回路１０２でエコー受信信号を対数増幅し、包絡線検波回路１０４で包絡線検波して音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号、すなわちＡスコープ（ｓｃｏｐｅ）信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっている。
【００２３】
ドップラ処理部１２はドップラ画像データを形成するものである。ドップラ処理部１２は、図９に示すように直交検波回路１２０、ＭＴＩフィルタ（ｍｏｖｉｎｇ ｔａｒｇｅｔ ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｌｔｅｒ）１２２、自己相関回路１２４、平均流速演算回路１２６、分散演算回路１２８およびパワー（ｐｏｗｅｒ）演算回路１３０を備えている。
【００２４】
ドップラ処理部１２は、直交検波回路１２０でエコー受信信号を直交検波し、ＭＴＩフィルタ１２２でＭＴＩ処理し、自己相関回路１２４で自己相関演算を行い、平均流速演算回路１２６で自己相関演算結果から平均流速を求め、分散演算回路１２８で自己相関演算結果から流速の分散を求め、パワー演算回路１３０で自己相関演算結果からドプラ信号のパワーを求めるようになっている。
【００２５】
これによって、撮像対象４内の血流等の平均流速とその分散およびドプラ信号のパワーを表すデータすなわちドップラ画像データがそれぞれ音線ごとに得られる。なお、流速は音線方向の成分として得られる。流れの方向は、近づく方向と遠ざかる方向とが区別される。
【００２６】
Ｂモード処理部１０およびドップラ処理部１２は画像処理部１４に接続されている。画像処理部１４は、Ｂモード処理部１０およびドップラ処理部１２からそれぞれ入力されるデータに基づいて、それぞれＢモード画像およびドップラ画像を構成するものである。
【００２７】
以上の、超音波プローブ２、送受信部６、アクチュエータ８、Ｂモード処理部１０、ドップラ処理部１２および画像処理部１４は、本発明における撮像手段の実施の形態の一例である。
【００２８】
画像処理部１４は、図１０に示すように、バス（ｂｕｓ）１４０によって接続された音線データメモリ（ｄａｔａ ｍｅｍｏｒｙ）１４２、ディジタル・スキャンコンバータ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｃａｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１４４、画像メモリ１４６および画像処理プロセッサ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１４８を備えている。
【００２９】
Ｂモード処理部１０およびドップラ処理部１２から音線ごとに入力されたＢモード画像データおよびドップラ画像データは、音線データメモリ１４２にそれぞれ記憶される。撮像対象４の走査が複数断面について順次に行われることにより、音線データメモリ１４２には複数断面の画像データがそれぞれ記憶される。以下、音線データメモリ１４２に記憶された断面ごとの画像データを音線データフレーム（ｄａｔａ ｆｒａｍｅ）という。
【００３０】
ディジタル・スキャンコンバータ１４４は、走査変換により音線データ空間のデータを物理空間のデータに変換するものである。これによって、音線データ空間の画像データが物理空間の画像データに変換される。ディジタル・スキャンコンバータ１４４によって変換された画像データが画像メモリ１４６に記憶される。すなわち、画像メモリ１４６は物理空間の画像データを記憶する。
【００３１】
画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２および画像メモリ１４６のデータについて所定のデータ処理を施すものである。画像処理プロセッサ１４８は、例えばコンピュータ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ）等を用いて構成される。画像処理プロセッサ１４８のデータ処理には３次元表示像を得るためのデータ処理が含まれる。また、後述するように３次元表示像にリアルタイム（ｒｅａｌ ｔｉｍｅ）画像を組み合わせるデータ処理が含まれる。画像処理プロセッサ１４８は、本発明における画像形成手段の実施の形態の一例である。
【００３２】
画像処理部１４には表示部１６が接続されている。表示部１６は画像処理部１４から画像信号が与えられ、それに基づいて画像を表示するようになっている。画像処理部１４および表示部１６からなる部分は、本発明における画像表示手段の実施の形態の一例である。表示部１６は例えばグラフィック・ディスプレー（ｇｒａｐｈｉｃ ｄｉｓｐｌａｙ）等を用いて構成される。
【００３３】
以上の送受信部６、アクチュエータ８、Ｂモード処理部１０、ドップラ処理部１２、画像処理部１４および表示部１６は制御部１８に接続されている。制御部１８は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御するようになっている。制御部１８は、本発明におけるレート（ｒａｔｅ）制御手段の実施の形態の一例である。制御部１８の制御の下で、Ｂモード動作およびドップラモード動作が実行される。制御部１８には操作部２０が接続されている。操作部２０は操作者によって操作され、制御部１８に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作部２０は、例えばキーボード（ｋｅｙｂｏａｒｄ）やその他の操作具を備えた操作パネル（ｐａｎｅｌ）で構成される。
【００３４】
本装置の動作を説明する。操作者はアクチュエータ８に連結された超音波プローブ２を撮像対象４の所望の個所に位置決めし、操作部２０を操作して例えばパワードップラモードによる撮像動作を行わせる。以下、制御部１８による制御の下で、撮像動作が遂行される。
【００３５】
パワードップラモードにおいては、送受信部６は超音波プローブ２を通じて音線順次で撮像対象４の内部をθ走査して逐一そのエコーを受信する。その際、１音線当たり複数回の超音波の送波とエコーの受信が行われる。ドップラ処理部１２は、エコー受信信号を直交検波回路１２０で直交検波し、ＭＴＩフィルタ１２２でＭＴＩ処理し、自己相関回路１２４で自己相関を求め、自己相関結果から、パワー演算回路１３０でパワーを求める。この算出値は、ドップラ信号のパワーを音線ごとに表すドップラ画像データとなる。なお、ＭＴＩフィルタ１２２でのＭＴＩ処理は１音線当たりの複数回のエコー受信信号を用いて行われる。
【００３６】
画像処理部１４は、ドップラ処理部１２から入力される音線ごとのパワードップラ画像データを音線データメモリ１４２に記憶する。パワードップラ画像データは、血管等の像を表すものとなる。音線データメモリ１４２の画像データはディジタル・スキャンコンバータ１４４で物理空間の画像データに変換され、画像メモリ１４６を通じて表示部１６に与えられ可視像として表示される。操作者は表示画像を観察して撮像対象４の内部状態を把握する。
【００３７】
φ走査の進行につれて、例えば図１１に模式的に示すように、３次元領域３０２の複数の断面９００〜９１０が順次走査され、それらの画像データを記憶した複数の音線データフレームが順次音線データメモリ１４２内に形成される。３次元領域３０２には血管９２０が含まれる。
【００３８】
φ走査を終えた後で、操作者は３次元表示像の作成と表示を指令する。このような指令に基づいて、画像処理プロセッサ１４８により、複数の音線データフレームからの３次元表示像の形成と表示が行われる。これにより、例えば図１２に示すように、３次元領域３０２に相当する３次元表示像３０２’が表示される。３次元表示像３０２’の右斜めを向いた面および左斜めを向いた面には血管９２０の断面像９２２，９２４がそれぞれ見えている。
【００３９】
３次元表示像３０２’の右斜めを向いた面（以下、これを正面という）は断面９１０に相当し、φ走査の終点におけるθ走査面である。この断面はφ走査終了後もθ走査が継続されている。そこで、画像処理プロセッサ１４８は逐次得られるエコーデータに基づいて断層像を生成し、３次元表示像３０２’における断面９１０の位置に表示する。これによって、３次元表示像３０２’の正面には断面９１０についてのリアルタイム画像が表示される。
【００４０】
このように正面画像がリアルタイム画像となるので、３次元表示像３０２は、従来の静止画像とは異なり撮像対象の時々刻々の活動状態をリアルタイムで表示するものとなる。したがって、この画像に基づき撮像部位の３次元的な構造に加えて、その活動状況をリアルタイムに観察することができ、画像診断をより効果的に行うことができる。
【００４１】
この状態から超音波プローブ２の位置を変えて、θ走査面を断面９０６に変更すると、画像処理プロセッサ１４８は、図１３に示すように、リアルタイム画像を３次元表示像３０２’における断面９０６に相当する位置に表示する。また、超音波プローブ２を傾けてθ走査面を斜めにしたときは、例えば図１４に示すように、対応する斜めの断面にリアルタイム画像を表示する。
【００４２】
この場合、画像処理プロセッサ１４８においてリアルタイム画像の更新処理と表示位置の更新処理とが競合するが、制御部１８により、単位時間当たりのリアルタイム画像の更新処理回数すなわち画像更新レートが、表示位置の更新レートよりも高くなるようにしてある。これによって、画像表示のリアルタイム性を向上することができる。
【００４３】
以上、パワードップラ画像データに基づく画像表示の例で説明したが、画像データはパワードップラ画像データに限らず、流速分布画像データまたはＢモード画像データを使用するようにしても良いのはいうまでもない。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、撮像対象の動的状態を示す３次元表示像を得る超音波撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図である。
【図２】図１に示した装置の一部のブロック図である。
【図３】図２に示した送受信部による音線走査の模式図である。
【図４】図２に示した送受信部による音線走査の模式図である。
【図５】図２に示した送受信部による音線走査の模式図である。
【図６】図１に示した装置によるφ走査の模式図である。
【図７】図１に示した装置によるφ走査の模式図である。
【図８】図１に示した装置の一部のブロック図である。
【図９】図１に示した装置の一部のブロック図である。
【図１０】図１に示した装置の一部のブロック図である。
【図１１】図１に示した装置による複数断面走査の模式図である。
【図１２】図１に示した装置によって得られる３次元表示像の模式図である。
【図１３】図１に示した装置によって得られる３次元表示像の模式図である。
【図１４】図１に示した装置によって得られる３次元表示像の模式図である。
【符号の説明】
２ 超音波プローブ
６ 送受信部
８ アクチュエータ
１０ Ｂモード処理部
１２ ドップラ処理部
１４ 画像処理部
１６ 表示部
１８ 制御部
２０ 操作部
１００ 撮像対象
１４０ バス
１４２ 音線データメモリ
１４４ ディジタル・スキャンコンバータ
１４６ 画像メモリ
１４８ 画像処理プロセッサ
３０２’ ３次元表示画像
９０２〜９１０，９３０ 断面

Claims (1)

1. 撮像対象内で超音波による走査面の位置を順次変更しながらその最後に前記走査面を固定し、エコーに基づいて前記位置を変更した走査面に対応する複数の断面の断層像を撮像する撮像手段と、
   前記撮像した断層像に基づいて３次元表示像を形成する画像形成手段と、
   前記形成した３次元表示像を表示すると同時に、前記３次元表示像中に前記固定した走査面に対応する断面をリアルタイム画像で示す画像表示手段とを具備することを特徴とする超音波撮像装置。

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