JP4520222B2

JP4520222B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP4520222B2
Application number: JP2004170490A
Authority: JP
Inventors: 太尾形; 烈光原田; 好一宮坂
Original assignee: Aloka Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: JP2005348831A

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特にデータ列に対するリサンプリング処理の技術に関する。

一般に、超音波診断装置で扱う受信データは、超音波画像が映し出されるモニター画面の表示ピクセル数に比べてサンプル数が多い。つまり、受信データのサンプリング周波数が表示ピクセルデータのサンプリング周波数に比べて高い。このため、超音波診断装置内におけるデータ処理の過程で、受信データのサンプリング周波数から表示ピクセルデータのサンプリング周波数への周波数変換処理が施される（例えば、特許文献１など）。周波数変換は、受信データ列から所定間隔でいくつかのデータを抽出する間引き処理で実現される。

この間引き処理によってサンプリング周波数を変換する場合、間引き処理後の高周波成分の折り返しひずみを防止するために、折り返し防止フィルタ（アンチエリアシングフィルタ：Anti Aliasing Filter）が必要となる。つまり、間引き処理を行う前に、予め、ＦＩＲ(Finite Impulse Response)フィルタなどで構成される折り返し防止フィルタによって高周波成分を除去してから間引き処理を実行する必要がある。

図７は、一般的に行われているリサンプリング処理を説明するための図である。周波数変換の対象となる入力データ列７０は、例えばエコーデータ列である。入力データ列７０の各データ（０，１，２，・・・）は、ＮタップのＦＩＲフィルタで折り返し防止処理が施される。つまり、Ｎ個の係数からなるフィルタ係数のウィンドウ７２が、入力データ列７０の各データを１サンプルずつシフトしながら、入力データを順次フィルタリングしていく。例えば、入力データ０〜Ｎ−１のＮ個のデータからフィルタ出力７４のデータ０が生成され、入力データ１〜ＮのＮ個のデータからフィルタ出力７４のデータ１が生成される。ＦＩＲフィルタの係数は、高周波成分を除去するように設定され、その結果、フィルタ出力７４は、入力データ列７０から高周波成分を除去したデータ列として、メモリに出力される。そして、メモリに記憶されたフィルタ出力７４の各データが順次読み出され、所定の間隔でデータが抽出されることで間引き後のデータ７６が形成される。

特公平８−４５９１号公報特開平１０−３１９０５９号公報

上述したように、従来のリサンプリング処理では、折り返し防止処理を施した後に間引き処理が行われていた。このため、従来の超音波診断装置では、折り返し防止フィルタと間引き回路が別々に設けられ、例えば、折り返し防止処理後のデータ列を一旦メモリに格納し、そのメモリから読み出したデータ列に間引き処理を施した後、再び別のメモリに格納するなど、回路構成が冗長であった。

そこで本発明は、リサンプリング処理を実現するための改良された構成を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、超音波を送受波してエコーデータ列を取得する送受波部と、前記エコーデータ列に信号処理を施して表示ピクセルデータ列を生成するエコーデータ処理部と、前記表示ピクセルデータ列に対応した超音波画像を表示する表示部と、を有し、前記エコーデータ処理部は、前記エコーデータ列に対応した入力データ列にデータ間引き処理および折り返し防止処理を施して前記表示ピクセルデータ列に対応した出力データ列を生成するＦＩＲフィルタを含み、前記ＦＩＲフィルタは、前記入力データ列に設定されるウィンドウ内の複数の入力データから出力データを生成し、データ間引き率に応じたステップでウィンドウをシフトさせながら出力データを順次生成する、ことを特徴とする。

この構成において、エコーデータ処理部は、例えば、検波処理、断層画像形成処理、ドプラ画像形成処理、表示画像形成処理など、従来周知の技術を利用してエコーデータから表示ピクセルデータを生成する。また、エコーデータ処理部は、本発明の特徴の一つであるリサンプリング処理（リサンプリング処理）を実行する。リサンプリング処理は、データ間引き処理および折り返し防止処理を含んでおり、上記構成におけるＦＩＲフィルタは、これら二つの処理を同時に実行することができる。

つまり、ＦＩＲフィルタの係数は、折り返しひずみの原因となる高周波成分を除去するように設定され、これにより折り返し防止機能が実現される。また、複数の入力データを切り出すウィンドウが、データ間引き率に応じて、例えば、所定個数の入力データを飛ばしながら順次設定され、これにより出力データが飛び飛びに順次形成されてデータ間引き機能が実現される。

上記構成によりリサンプリング処理をハードウェアで構成する場合、従来のハードウェア構成で必要であった折り返し防止処理後のデータを格納するメモリやバッファが不要になる。また、ＣＰＵやＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）を利用して、上記構成によるリサンプリング処理をソフトウェア機能として実現する場合、間引き処理によって捨てられる余分なデータに対して折り返し防止処理を実行せず、間引き処理によって抽出される有効なデータに対してのみ折り返し防止処理を実行することができるため、折り返し防止処理の負荷が軽減される。

なお、間引き率は、エコーデータのサンプル数と表示ピクセルデータのサンプル数との比で決定することができ、また、この間引き率に対して一義的にＦＩＲフィルタの係数を決定することができるため、システム設計が容易になる。

望ましくは、前記入力データ列を構成する各入力データが取得されるごとにデータ間引き率を累積的に加算し、加算結果が所定値以上となるたびにウィンドウ設定パルスを出力するウィンドウ設定部をさらに有し、前記ウィンドウ設定パルスの出力タイミングに応じて前記入力データ列にウィンドウを設定する、ことを特徴とする。望ましくは、前記ＦＩＲフィルタは、エコーデータ処理部に含まれる検波部内に設けられる、ことを特徴とする。望ましくは、前記ＦＩＲフィルタは、エコーデータ処理部に含まれる画像構成部内に設けられる、ことを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、超音波を送受波してエコーデータ列を取得する送受波部と、前記エコーデータ列に信号処理を施して表示ピクセルデータ列を生成するエコーデータ処理部と、前記表示ピクセルデータ列に対応した超音波画像を表示する表示部と、を有し、前記エコーデータ処理部は、前記エコーデータ列に対応した入力データ列にリサンプリング処理を施して前記表示ピクセルデータ列に対応した出力データ列を生成するデータ処理モジュールを含み、前記データ処理モジュールは、前記入力データ列から所定個数の入力データを抽出して抽出した各入力データに係数を乗算し、所定個数の乗算後の入力データを加算して出力データを生成する処理を実行し、この処理を、抽出する所定個数の入力データをデータ間引き率に応じて順次選択しながら実行する、ことを特徴とする。

望ましくは、前記各入力データに乗算される係数は、超音波の送信周波数および診断深さの少なくとも一方に基づいて決定される、ことを特徴とする。

本発明により、リサンプリング処理を実現する新たな構成が提供される。本発明によれば、データ間引き処理および折り返し防止処理が同時に実行できるため、例えば、回路構成が簡素化され、また、折り返し防止処理の処理負荷が軽減される。

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はその全体構成図である。

アレイ探触子１０は、図示しない生体内に超音波を送波して、生体内からエコーデータを取得する超音波探触子である。このアレイ探触子１０は、複数の振動素子を有しており、各振動素子から出力される超音波パルスの送波タイミングなどが適宜制御され、電子走査方式による超音波ビームの走査が実現される。電子走査方式としては、例えばリニア走査やセクタ走査などが挙げられる。

送信部１２は、アレイ探触子１０に対して送信信号を供給する。送信信号は、送信ビームフォーマ１４による電子走査制御に基づいて生成される。また、受信部１６は、アレイ探触子１０から出力される各振動素子ごとのエコーデータを取得し、受信ビームフォーマ１８は、複数の振動素子に対応する複数のエコーデータに対して増幅や整相加算などの処理を行う。送信ビームフォーマ１４および受信ビームフォーマ１８は、超音波ビームをステアリングさせて送受波の走査面を形成し、その結果、受信ビームフォーマ１８から、走査面内の各超音波ビームごとの複数のエコーデータ（整相加算後のエコーデータ）がエコーデータ列として出力される。

受信ビームフォーマ１８から出力されるエコーデータ列は、直交検波部２０において直交検波され、ビームデータ処理部２２およびカラードプラ処理部２４へ出力される。

ビームデータ処理部２２は、検波後のエコーデータ列に基づいて、いわゆるＢモード画像の画像データを形成する。Ｂモード画像の形成処理には周知の技術が利用され、各エコーデータに対してその振幅の大きさに応じた画素値が割り当てられ画像データが形成される。形成された画像データは画像構成部２６へ出力される。

カラードプラ演算部２４は、検波後のエコーデータに基づいて、いわゆるカラードプラ画像を形成する。カラードプラ画像の形成処理には周知の技術が利用される。つまり、例えば血流などに対応するエコーデータから速度情報が抽出され、断層画像上において、血流内の各部ごとにその速度に対応した色付け処理などが施されたカラードプラ画像が形成される。形成されたカラードプラ画像の画像データは画像構成部２６へ出力される。

画像構成部２６は、例えばユーザ操作に基づいて、Ｂモード画像およびカラードプラ画像のいずれかを表示画像として選択して表示部２８へ表示させる。もちろん、ユーザの要求などに応じて、Ｂモード画像およびカラードプラ画像を同時表示させた表示画像を形成してもよい。

本実施形態では、受信データのサンプリング周波数から表示ピクセルデータのサンプリング周波数へのリサンプリング処理が実行される。このリサンプリング処理は、直交検波部２０または画像構成部２６において実行される。

図２は、直交検波部（図１の符号２０）の内部構成を示す図である。以下、図１に示した部分には図１の符号を付して説明する。受信ビームフォーマ１８から出力されるエコーデータ列は、二つの乗算器３０へ入力される。二つの乗算器３０の一方は同相成分に対応し、他方は直交成分に対応している。二つの乗算器３０の出力は、各々に対応するＦＩＲフィルタ３２へ出力される。各ＦＩＲフィルタ３２は、乗算器３０の出力信号から高周波数成分を除去して、同相成分および直交成分それぞれの変調信号を抽出するローパスフィルタとして機能する。

リサンプリング処理が直交検波部２０で実行される場合、各ＦＩＲフィルタ３２においてその処理が実行される。つまり、ＦＩＲフィルタ３２は、検波直後のエコーデータ列を入力データ列として、折り返し防止処理および間引き処理を施し、表示ピクセルデータ列に対応した出力データ列を生成する。なお、リサンプリング処理については、後に図４を利用して詳述する。

図３は、画像構成部（図１の符号２６）の内部構成を示す図である。以下、図１に示した部分には図１の符号を付して説明する。画像構成部２６においてリサンプリング処理を実行する場合、画像構成部２６の初段に配置されたＦＩＲフィルタ３２においてその処理が実行される。つまり、ＦＩＲフィルタ３２は、ビームデータ処理部２２またはカラードプラ演算部２４から出力されるエコーデータ列のサンプリング周波数に対応した画像データ列を入力データ列として、折り返し防止処理および間引き処理を施し、表示ピクセルデータ列に対応した出力データ列を生成する。リサンプリング処理については、後に図４を利用して詳述する。

ＦＩＲフィルタ３２から出力された周波数変換後のデータ列は、画像処理部３４において表示画像用のピクセルデータ列に変換され、デジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）３６において表示部２８に対応した走査方式に変換される。

図４は、本実施形態におけるリサンプリング処理を説明するための図である。上述したように、本実施形態では、直交検波部（図１および図２の符号２０）または画像構成部（図１および図３の符号２６）のＦＩＲフィルタにおいてリサンプリング処理が実行される。いずれの場合においても、エコーデータ列に対応した入力データ列４０に対して、データ間引き処理および折り返し防止処理が施されて、表示ピクセルデータ列に対応した出力データ列４４が生成される。

入力データ列４０の各データ（０，１，２，・・・）は、ＮタップのＦＩＲフィルタで処理される。つまり、Ｎ個の係数（ｃ０，ｃ１，ｃ２，・・・）からなるフィルタ係数のウィンドウ４２が、入力データ列４０からＮ個の入力データを切り出し、切り出したＮ個の入力データの各々に係数を乗算する。そして、それらＮ個の乗算後の入力データを加算して出力データが生成される。例えば、入力データ０〜Ｎ−１のＮ個のデータからフィルタ処理後のデータ列（出力データ列）４４のデータ０が生成され、入力データ２〜Ｎ＋１のＮ個のデータから出力データ列４４のデータ２が生成される。

その際、フィルタ係数のウィンドウ４２は、データ間引き率に応じたステップ４６でシフトされる。図４のステップ４６は、データ間引き率０．５の場合に相当する。つまり、まず、入力データ列４０の入力データ０を先頭としたウィンドウが設定され、次に、入力データ１を飛ばして、入力データ２を先頭としたウィンドウが設定される。このようにして、入力データ０を先頭としたウィンドウから得られる出力データ、入力データ２を先頭としたウィンドウから得られる出力データ、入力データ４を先頭としたウィンドウから得られる出力データ、・・・と、入力データを一つずつ飛ばしながら次々に出力データが取得される。その結果、入力データの２個につき出力データ１個の割合で、つまり、データ間引き率０．５で間引き処理が実行される。

さらに、各入力データに乗算されるＦＩＲフィルタの係数（ｃ０，ｃ１，ｃ２，・・・）は、間引き処理後の高周波成分の折り返しひずみを防止するように、つまり、高周波成分を除去するように設定されている。したがって、データ間引き率に応じたステップ４６でウィンドウをシフトさせながら出力データを順次生成することで、データ間引き処理および折り返し防止処理が同時に実行されることになる。

図５は、ウィンドウ設定パルスを出力する加算器５０を示している。加算器５０は、例えば、超音波診断装置内の各部の動作を制御する制御部（図示せず）内の一機能として設けられる。

加算器５０は、間引き率に基づいて、ウィンドウ設定パルス５４を出力するウィンドウ設定部として機能する。間引き率は、ＦＩＲフィルタへ入力される周波数変換前の入力データ列のサンプル数と、ＦＩＲフィルタから出力される周波数変換後の出力データ列のサンプル数との比から、「間引き率＝出力サンプル数／入力サンプル数」と定義される。一般に、超音波診断装置では、エコーデータ列に対応する入力データ列のサンプル数に比べて、表示ピクセルデータ列に対応する出力データ列のサンプル数が少ないため、間引き率の値は１以下である。図５においては、間引き率が「０．６」の場合を例として、加算器５０の処理動作を説明する。

加算器５０は、リサンプリング処理を実行するＦＩＲフィルタ内に入力データが入力されるたびに間引き率を累積的に加算し、加算結果が所定値「１」以上となるたびにウィンドウ設定パルス５４を出力する。加算値５２は、間引き率の累積的な加算結果を示している。つまり、まず初期値「０」に間引き率「０．６」が加算されて加算結果「０．６」が加算値５２となる。さらに、次の入力データの取得タイミングで加算値「０．６」に間引き率「０．６」が加算されて加算結果が「１．２」となる。ただし、加算結果が１以上の場合には、ウィンドウ設定パルス５４が「Ｈ」となり、加算結果の小数点以下の値「０．２」が加算値５２として利用される。さらに、加算値「０．２」に間引き率「０．６」が加算されて加算結果「０．８」となる。この場合、加算結果が１を超えていないため、ウィンドウ設定パルス５４が「Ｌ」となる。このようにして、加算結果が１以上となるたびにウィンドウ設定パルス５４が「Ｈ」に設定される。

ＦＩＲフィルタ（図２および図３の符号３２）は、ウィンドウ設定パルス５４をフィルタ出力の書き込み信号５６として利用する。つまり、フィルタ出力の書き込み信号５６が「Ｈ」となるタイミングで取得される入力データを先頭としてフィルタ係数のウィンドウ（図４の符号４２）を設定し、設定されたウィンドウから取得される出力データをメモリに書き込む。なお、入力データの読み出しアドレス５８は、入力データ列４０のうち、ウィンドウの先頭となる入力データを示している。このように、ＦＩＲフィルタは、フィルタ出力の書き込み信号５６が「Ｈ」の場合のみ、つまり、ウィンドウ設定パルス５４が「Ｈ」の場合にのみフィルタ処理を実行する。

なお、図４および図５に基づいて説明したＦＩＲフィルタの機能は、次の数式により表現することができる。

数１において、data[]は入力データ、coef[]はフィルタ係数、out[]は出力データである。また、addr_iは入力データの読み出しアドレス（図５の符号５８）であり、TAPはＦＩＲフィルタのタップ数に相当する。数１に基づいて、例えば、ＣＰＵやＤＳＰなどのプロセッサを利用することにより、本実施形態におけるＦＩＲフィルタの機能をソフトウェアで構成することができる。

リサンプリング処理を実行するＦＩＲフィルタのフィルタ係数は、間引き率に依存し、その間引き率はＦＩＲフィルタの入力データ列のサンプリング周波数に依存する。このため、超音波の送信周波数や診断レンジ（送受波の深さ）で決定される受信サンプル数（エコーデータのサンプル数）に応じて、ＦＩＲフィルタ係数を切り替えるのが好ましい。

図６は、ＦＩＲフィルタのフィルタ特性を示しており、横軸に周波数（freq）、縦軸にパワー（dB）が示されている。フィルタのカットオフ周波数は、間引き率に応じて設定される。つまり、間引き率の値が大きいときにはカットオフ周波数が上げられ、間引き率の値が小さいときにはカットオフ周波数が下げられる。本実施形態では、間引き率に応じてフィルタ特性（フィルタの係数）が適宜制御され折り返しが防止される。なお、理想的なカットオフ周波数は、「間引き率×ｆ_ｓ／２」と表現することができる。ここで、ｆ_ｓはフィルタの入力データ列のサンプリング周波数である。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明に係る超音波診断装置の全体構成図である。直交検波部の内部構成を示す図である。画像構成部の内部構成を示す図である。リサンプリング処理を説明するための図である。ウィンドウ設定パルスを出力する加算器を示す図である。ＦＩＲフィルタのフィルタ特性を示す図である。従来のリサンプリング処理を説明するための図である。

符号の説明

２０直交検波部、２６画像構成部、３２ＦＩＲフィルタ、４０入力データ列、４２フィルタ係数のウィンドウ、４４出力データ列。

Claims

超音波を送受波してエコーデータ列を取得する送受波部と、
前記エコーデータ列に信号処理を施して表示ピクセルデータ列を生成するエコーデータ処理部と、
前記表示ピクセルデータ列に対応した超音波画像を表示する表示部と、
を有し、
前記エコーデータ処理部は、前記エコーデータ列に対応した入力データ列にデータ間引き処理および折り返し防止処理を施して前記表示ピクセルデータ列に対応した出力データ列を生成するＦＩＲ(Finite Impulse Response)フィルタを含み、
前記ＦＩＲフィルタは、前記入力データ列に設定されるウィンドウ内の複数の入力データから出力データを生成し、データ間引き率に応じたステップでウィンドウをシフトさせながら出力データを順次生成し、
前記入力データ列を構成する各入力データが取得されるごとにデータ間引き率を累積的に加算し、加算結果が所定値以上となるたびにウィンドウ設定パルスを出力するウィンドウ設定部をさらに有し、
前記ウィンドウ設定パルスの出力タイミングに応じて前記入力データ列にウィンドウを設定する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記ＦＩＲフィルタは、エコーデータ処理部に含まれる検波部内に設けられる、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項１に記載の超音波診断装置において、
前記ＦＩＲフィルタは、エコーデータ処理部に含まれる画像構成部内に設けられる、
ことを特徴とする超音波診断装置。
超音波を送受波してエコーデータ列を取得する送受波部と、
前記エコーデータ列に信号処理を施して表示ピクセルデータ列を生成するエコーデータ処理部と、
前記表示ピクセルデータ列に対応した超音波画像を表示する表示部と、
を有し、
前記エコーデータ処理部は、前記エコーデータ列に対応した入力データ列にリサンプリング処理を施して前記表示ピクセルデータ列に対応した出力データ列を生成するデータ処理モジュールを含み、
前記データ処理モジュールは、前記入力データ列に設定されるウィンドウ内の所定個数の入力データを抽出して抽出した各入力データに係数を乗算し、所定個数の乗算後の入力データを加算して出力データを生成する処理を実行し、この処理を、データ間引き率に応じたステップでウィンドウをシフトさせながら順次実行し、
前記入力データ列を構成する各入力データが取得されるごとにデータ間引き率を累積的に加算し、加算結果が所定値以上となるたびにウィンドウ設定パルスを出力するウィンドウ設定部をさらに有し、
前記ウィンドウ設定パルスの出力タイミングに応じて前記入力データ列にウィンドウを設定する、
ことを特徴とする超音波診断装置。
請求項４に記載の超音波診断装置において、
前記各入力データに乗算される係数は、超音波の送信周波数および診断深さの少なくとも一方に基づいて決定される、
ことを特徴とする超音波診断装置。