JP5380114B2 - 超音波診断装置及び超音波診断装置制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検体に対して超音波を送受信し、受信した超音波に基づくエコー信号を用いて診断部位についての超音波画像を生成する超音波診断装置及びその制御方法に関する。さらに詳しくは、エコー信号のゲインの調整を行う超音波診断装置及びその制御方法に関する。

近年、被検体内に向けて超音波を送信し、該被検体の臓器などから反射した超音波（以下では、この反射した超音波を「超音波エコー」という。）を受信し、その超音波エコーを電気信号（以下では、この電気信号を「エコー信号」という。）に変換し、そのエコー信号に対して、対数圧縮、包絡線検波、や遅延加算処理などの信号処理を施し、さらに座標変換などの画像処理を行うなどして、被検体内の断面の画像である超音波画像を生成する超音波診断装置が広く普及している。

そして、上述した超音波診断装置には、エコー信号を一様に増幅する増幅部（これは、具体的にはアンプ（増幅器）で構成されており、より具体的には、ＬＮＡ：Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒなどが用いられている。）と、超音波の生体内減衰を補償するために体表からの深度に応じた感度でエコー信号を増幅するＴＧＣ（Ｔｉｍｅ Ｇａｉｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）部と、アナログ信号であるエコー信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、これらを制御する制御部が設けられている。この増幅率はゲインとも呼ばれ、該増幅率の設定を以下では、「ゲイン設定」ということがある。またゲイン設定を行いゲインを変換することをゲインの調整ということがある。

そして、入力されたエコー信号は、増幅部でエコー信号が増幅され、さらに、その増幅されたエコー信号に対しＴＧＣで受信時間の経過とともに増加するゲインで増幅が行われ、そして、その増幅されたエコー信号がＡ／Ｄ変換部によってディジタル信号に変換された後に、そのディジタル信号に変更されたエコー信号に対し上述した信号処理や画像処理が行われる。

ここで、超音波診断装置には、エコー信号の振幅値を用いた被検体の断層画像を生成するＢモードや、位相情報を用いて血流情報を取得するドプラモード等の様々な撮像及び画像生成のモード（以下では、「撮像モード」という。）を有する。そして、撮像モードの種類によって取得されるエコー信号の強弱、言い換えれば、取得するエコー信号の振幅が異なる。例えば、ドプラモードにおけるエコー信号（すなわち、血流からのエコー信号。）は、Ｂモードにおけるエコー信号（すなわち、骨や臓器などからのエコー信号。）に比べて非常に弱い、すなわち振幅の小さい信号である。そのため、Ｂモードではゲインが小さくてよく、ドプラモードではゲインを大きくする必要がある。すなわち、Ｂモードにおけるゲインと同じゲインを用いてドプラモードで取得したエコー信号に対する増幅を行うと、ゲインが足りないためＳ／Ｎ比が悪くなってしまう。逆に、ドプラモードにおけるゲインと同じゲインを用いてＢモードで取得したエコー信号に対する増幅を行うと、ゲインが大きすぎるためダイナミックレンジが不足して飽和してしまう。そのため、Ｂモードでは飽和の回避を重視したゲイン設定が必要となり、ドプラモードではＳ／Ｎの改善を重視したゲイン設定が必要となる。このように、撮像モード毎、すなわち、撮像の目的毎により超音波診断装置におけるゲイン設定は異なる。

さらに、エコー信号の振幅は、スキャンする部位（対象部位）によっても異なるし、患者の体型によっても異なる。

そのため、理想的には、撮像モードの種類、患者の体型、及び対象部位毎にエコー信号の振幅を測定し、その振幅で最良のＳ／Ｎを実現しかつ飽和が発生しないような最適なゲイン設定を行うことが望ましい。

この様なゲインの調整を行うために従来、Ａ／Ｄ変換部にＡ／Ｄコンバータのダイナミックレンジの閾値を設け、この閾値を基に増幅部のゲインの設定を変更する技術（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。

特開平１０−８５２１２号公報

しかし、増幅部に配置されたＬＮＡが出力できる振幅は制限があり、この出力できる振幅の制限を実際にＬＮＡが出力する信号が超えてしまうような場合（以下では、これを「ＬＮＡの飽和」という。）には、ＬＮＡの飽和を許容するしかなかった。ここで、ＬＮＡの飽和を許容するとは、その制限範囲以外の信号は使用しないということを指す。この点、特許文献１に記載された技術では、Ａ／Ｄコンバータの飽和は防げるが、増幅部におけるＬＮＡの飽和を回避することは困難である。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、Ｓ／Ｎを改善するとともに増幅器（ＬＮＡ）の飽和を回避する超音波診断装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の超音波診断装置は、複数の振動子を有する超音波プローブを介して被検体に向けて超音波を送信し、該被検体で反射した超音波エコーに基づくエコー信号を受信する送受信手段と、前記エコー信号に対数圧縮及び包絡線検波を含む信号処理を行う信号処理手段と、前記信号処理を施されたエコー信号に座標変換を含む画像処理を行い画像データを生成する画像処理手段と、前記画像データを基に表示手段に超音波画像を表示させる表示制御手段と、を備えた超音波診断装置であって、前記送受信手段は、一つの振動子からのエコー信号を設定された増幅率で増幅する第１増幅器と、該第１増幅器と並列に配置された他の増幅器とを複数有する増幅手段と、振幅が異なる複数種類の参照信号を発生する参照信号発生手段と、前記受信したエコー信号の振幅と前記参照信号とを比較し、前記参照信号の振幅に対応して前記受信したエコー信号の振幅の大きさを複数段階に分けて判断する比較判断手段と、前記段階に応じ前記エコー信号の振幅が大きくなる前記段階ほど小さい前記増幅率となるように、前記複数段階と前記増幅率との対応を予め記憶しており、前記比較判断手段により判断された前記振幅の大きさの段階に対応する前記増幅率を選択し、前記第１増幅器の増幅率を前記選択した増幅率に設定する制御手段と、前記増幅されたエコー信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、を備え、前記制御手段は、前記他の増幅器の増幅率を、前記第１増幅器の前記設定された増幅率より大きく、且つそれぞれが異なるように設定し、時間経過に応じて前記第１増幅器から順次前記増幅率が大きい前記他の増幅器に切り替えて前記受信したエコー信号を増幅するよう前記増幅手段を制御することを特徴とするものである。

請求項５に記載の超音波診断装置制御方法は、超音波を被検体に送信する段階と、前記被検体で反射した前記超音波を受信しエコー信号に変換する段階と、前記受信したエコー信号の振幅と前記参照信号を比較し、前記参照信号の振幅に対応して前記受信したエコー信号の振幅の大きさを複数段階に分けて判断する比較判断段階と、予め記憶している、前記段階に応じ前記エコー信号の振幅が大きくなる前記段階ほど小さい前記増幅率となるような、前記複数段階と前記増幅率との対応に基づいて、前記比較判断手段により判断された前記振幅の大きさの段階に対応する前記増幅率を選択する増幅率選択段階と、一つの前記振動子からのエコー信号を増幅する第１増幅器についてエコー信号の増幅率を前記選択した増幅率に設定し、該第１増幅器と並列に配置された複数の他の増幅器について、該設定された増幅率より大きく、且つそれぞれが異なるように設定し、時間経過に応じて該第１増幅器から順次前記増幅率が大きい該他の増幅器に切り替えてエコー信号を増幅するよう制御する制御段階と、前記受信したエコー信号を前記設定した増幅率で増幅する増幅段階と、前記増幅されたエコー信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換段階と、前記ディジタル信号に変換された前記エコー信号に対し対数圧縮及び包絡線検波を含む信号処理を行う信号処理段階と、前記信号処理を施された前記エコー信号に座標変換を含む画像処理を行い画像データを生成する画像処理段階と、前記画像データを基に表示部に超音波画像を表示させる画像表示段階と、を有することを特徴とするものである。

請求項１に記載の超音波診断装置及び請求項５に記載の超音波診断装置制御方法によると、入力されたエコー信号の振幅に応じて、該振幅が大きい場合には増幅器のゲインを小さくし、該振幅が小さい場合には増幅器のゲインを大きくするように調整できる構成である。これにより、増幅後のエコー信号のＳ／Ｎの改善とともに減衰器の飽和を低減することが可能となる。

本発明に係る超音波診断装置のブロック図 第１の実施形態に係る参照信号発生部、比較部、増幅部、及び制御部の構成を説明するための模式図 第１の実施形態に係る超音波診断装置によるゲインの調整の動作のフローチャートの図 第２の実施形態に係る超音波診断装置における増幅部の一例の図 第３の実施形態に係るゲインの設定を行うための入力画面の一例の図

〔第１の実施形態〕
以下、この発明の第１の実施形態に係る超音波診断装置について説明する。図１は本実施形態に係る超音波診断装置の機能を表すブロック図である。

超音波プローブ００１は、複数の振動子０１１が配置されている。この振動子０１１は、例えば２次元アレイプローブの場合には数千個が配置されることになる。そして、各振動子０１１は、個々に後述する送信回路１０１に接続されている。また、各振動子０１１は、個々に後述するＬＮＡ（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）２００に接続されている。そして、送信回路１０１から入力されたパルス電圧を受信する。そして、振動子０１１は受信したパルス信号により超音波を発生し、被検体に向けて超音波を送信する。さらに、振動子０１１は、被検体で反射した超音波エコーを受信し、受信したエコー信号を電圧に変換してエコー信号を生成し接続されているＬＮＡ２００へ出力する。

送受信部１００は、図１に示すように送信回路１０１、増幅部１０２、ＴＧＣ（Ｔｉｍｅ Ｇａｉｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ）１０３、Ａ／Ｄ変換部１０４、参照信号発生部１０５、比較部１０６、及び制御部１０７を備えている。この送受信部１００が本発明における「送受信手段」にあたる。

送信回路１０１は、パルス電圧を発生し、超音波プローブ００１に配置されている各振動子０１１にパルス電圧を送信する。

増幅部１０２は、超音波プローブ００１の各振動子０１１のそれぞれに接続されている複数のＬＮＡ２００を備えている。すなわち、ＬＮＡ２００は振動子０１１と同数配置されている。そして、ＬＮＡ２００は、ゲインの変更が可能な増幅器（アンプ）である。ここで、ゲインとは、入力されたエコー信号の振幅を増幅する増幅率のことである。すなわち、ゲインが大きいほどエコー信号は大きく増幅され、ゲインが小さいほどエコー信号は小さく増幅される。以下では、ゲイン設定を行いゲインを変更することをゲインの調整ということがある。また、ＬＮＡ２００は出力できる信号の振幅の大きさが決まっている。すなわち、ＬＮＡ２００は、エコー信号を増幅したときにその増幅後の信号の振幅が、自己が出力できる信号の振幅の大きさを超えている場合には、その超えた部分は自己が出力できる信号の振幅の最大値として出力を行う。

ＬＮＡ２００は、後述する制御部１０７からの制御信号の入力を受けて、その制御信号で指定された値にゲインが設定される。

ＬＮＡ２００は振動子０１１からエコー信号の入力を受ける。そして、ＬＮＡ２００は、設定されたゲインによってエコー信号を増幅する。さらに、ＬＮＡ２００は、増幅したエコー信号をＴＧＣ１０３へ出力する。

増幅部１０２が本発明における「増幅手段」にあたり、増幅部１０２に設けられた個々のＬＮＡ２００が本発明における「第１増幅器」にあたる。

ＴＧＣ１０３は、メモリなどの記憶部を有している。そして、ＴＧＣ１０３は、複数種類の時間経過とゲインとの対応の関数を自己の記憶部に記憶している。ＴＧＣ１０３は、後述する制御部１０７からの制御命令を受けて、記憶している関数の中から該制御命令で指定された関数を選択する。

ＴＧＣ１０３は、ＬＮＡ２００からエコー信号の入力を受ける。そして、ＴＧＣ１０３は、選択した関数を用いて経過時間に対応させてゲインを変化させ、入力された信号を増幅する。

この、ＴＧＣ１０３による増幅により、浅い部分での反射によるエコー信号から深い部分での反射によるエコー信号までのいずれのエコー信号も振幅が大きくなるように調整され、さらに、後述するＡ／Ｄ変換部１０４のダイナミックレンジの上限に近い値までになるようにエコー信号の振幅が増幅される。

ＴＧＣ１０３は、増幅を行ったエコー信号をＡ／Ｄ変換部１０４へ出力する。このＴＧＣ１０３が本発明における「ゲイン補正手段」にあたる。

Ａ／Ｄ変換部１０４は、Ａ／Ｄコンバータで構成されている。そして、Ａ／Ｄ変換部１０４は、ＴＧＣ１０３からエコー信号の入力を受ける。Ａ／Ｄ変換部１０４は、Ａ／Ｄコンバータを用いてアナログ信号である入力されたエコー信号をディジタル信号に変換する。そして、Ａ／Ｄ変換部１０４は、ディジタル信号に変換したエコー信号を信号処理部００２へ出力する。このＡ／Ｄ変換部１０４が本発明における「Ａ／Ｄ変換手段」にあたる。

参照信号発生部１０５は、異なる振幅を有する複数の参照信号を発生する。本実施形態では、参照信号Ｒ１及び参照信号Ｒ２（振幅の大きさが参照信号Ｒ１＜参照信号Ｒ２）という２種類の信号を発生する。ここで、図２は、増幅部１０２、参照信号発生部１０５、比較部１０６、及び制御部１０７の構成を説明するための模式図である。図２に点線で示される部分が参照信号発生部に当たる。具体的には、図２に示すように、参照信号発生部１０５は、複数の抵抗を並べることで出力する電圧を変え、異なる振幅の参照信号を生成している。ここで、本実施形態ではそれぞれが異なる振幅を有する２つの信号としたが、この数は他の数でもよい。そして、より振幅の種類が多いほどより細かくエコー信号の振幅を判断することができる。そして、参照信号発生部１０５は、生成した波長の異なる２種類の信号を比較部１０６へ出力する。この参照信号発生部１０５が本発明における「参照信号発生手段」にあたる。

比較部１０６は、図２の一点鎖線で表わされる部分である。比較部１０６は、図２に示すように、参照信号発生部１０５で発生した参照信号と同数の比較器（Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）２１０で構成されている。本実施形態では、比較部１０６は、比較器２１１及び比較器２１２という２つの比較器を備えている。以下では、比較器２１１及び比較器２１２を区別しない場合には単に「比較器２１０」という。比較部１０６は、参照信号発生部１０５から入力された異なる波長の参照信号をそれぞれ異なる比較器２１０で受信する。本実施形態では、参照信号Ｒ１を比較器２１１で、参照信号Ｒ２を比較器２１２で受信する。さらに、各比較器２１０は、増幅部１０２が受信したエコー信号と同じ信号の入力を受ける。そして、各比較器２１０は、エコー信号の振幅と参照信号の振幅とを比較する。具体的には、比較器２１１はエコー信号の振幅と参照信号Ｒ１の振幅とを比較し、比較器２１２はエコー信号の振幅と参照信号Ｒ２の振幅とを比較する。そして、各比較器２１０は各参照信号とエコー信号との大小関係を制御部１０７へ出力する。以下の説明では、エコー信号の振幅が参照信号Ｒ１の振幅より大きく参照信号Ｒ２より小さいとする。すなわち、比較器２１１は、参照信号Ｒ１の振幅よりエコー信号の振幅が大きいという結果を制御部１０７へ出力する。また、比較器２１２は、参照信号Ｒ２の振幅よりエコー信号の振幅が小さいという結果を制御部１０７へ出力する。この各参照信号との大小関係を判断することが、本発明における「エコー信号の振幅の大きさを段階的に判断」にあたる。すなわち、参照信号の振幅が振幅の大きさを判断する段階になっており、参照信号との大小関係の比較によりその段階のいずれに当たるかが判断できる。本実施形態では、参照信号Ｒ１より以下、参照信号Ｒ１より大きく参照信号Ｒ２以下、参照信号Ｒ２より大きい、という３段階でエコー信号の振幅の大きさの判断が行われる。

制御部１０７は、ＣＰＵ及びハードディスクやメモリなどの記憶領域で構成されている。制御部１０７は、自己の記憶領域に参照信号の振幅との比較結果（すなわち、エコー信号の振幅の大きさの段階）とそれに対応するゲインを記載したテーブルを予め記憶している。本実施形態では、エコー信号をＥとすると、制御部１０７は、Ｅ≦Ｒ１（この不等号はそれぞれの記号が表わす信号の振幅の大小関係を表している。以下同じ。）のとき、ＬＮＡ２００を図２に示すゲインが２１ｄＢであるＬＮＡ２０１とし、Ｒ１＜Ｅ≦Ｒ２のとき、ＬＮＡ２００をゲインが１８ｄＢであるＬＮＡ２０２とし、Ｒ２＜Ｅのとき、ＬＮＡ２００をゲインが１５ｄＢであるＬＮＡ２０３とするテーブルを記憶している。ここで説明の都合上、図２において模式的にＬＮＡ２０１、ＬＮＡ２０２、及びＬＮＡ２０３という３つの増幅器を配した構成で表わしているが、実際には上述したようにＬＮＡ２００はゲインが可変な１つの増幅器である。

制御部１０７は、比較部１０６から比較結果の入力を受ける。本実施形態では、制御部１０７は、Ｒ１＜Ｅ≦Ｒ２という結果の入力（実際には、比較器２１１からＲ１＜Ｅ、比較器２１２からＥ≦Ｒ２という結果の入力）を受ける。制御部１０７は自己が記憶しているテーブルを参照し、対応するゲインを選択する。本実施形態では、制御部１０７はＬＮＡ２０２を選択する。

制御部１０７は、選択したゲインにゲインを設定する制御命令を増幅部１０２へ出力する。本実施形態では、制御部１０７は、ＬＮＡ２００をＬＮＡ２０２に設定する制御信号を出力する。

ここで、本実施形態に係る超音波診断装置は、被検体の特定の断面に対して送信した複数本の超音波ビームで生成される複数本の走査線を用いて１枚の被検体の該特定の断面に対応する超音波画像を生成する。この１枚の超音波画像に必要な走査線をまとめた単位をフレームという。すなわち、本実施形態に係る超音波診断装置はフレーム毎に超音波画像を生成していく。そして、フレームの途中でゲインが変化すると、１枚の超音波画像の中で強度が変わってしまい正常な画像が生成できなくなる。そこで、比較部１０６及び制御部１０７は、フレーム単位で上述のゲインの選択及び設定を行う。

また、同じ患者、同じ部位、同じモードで撮像する場合には、一度ゲインの調整を行えば再度のゲインの調整は不要である。そこで、ある患者に対する検査を行う場合に、まず検査の開始時に制御部１０７は上述のゲインの調整を行う。そして、対象部位を変更した場合やモードの変更があった場合には、操作者からの入力を制御部１０７が受け、その入力を受けたタイミングで制御部１０７は上述のゲインの調整を再度行う。ここで、操作者はユーザインタフェース００５に備わっている表示部００６及び入力部００７を用いて上述の入力を行う。

ただし、受信したエコー信号は比較部１０６に入力されるとともに増幅部１０２へも入力される。すなわち、エコー信号の振幅の比較対象となるフレームは比較部１０６で比較されている段階ですでに増幅されＴＧＣ１０３へ出力されている。したがって、ゲインの調整は１つ後のフレームから行われることになる。よって、より正確には、制御部１０７は、検査が開始された１番目のフレームにおける画像生成で使用されたエコー信号を用いてゲインの調整を行い、２番目以降のフレームに対してその調整されたゲインを用いて画像生成が行われる。この場合、１番目のフレームにおいては予め決められたゲインを用いてエコー信号の増幅を行う。また、制御部１０７は、対象部位やモードの変更が入力され後の１番目のフレームにおける画像生成で使用されたエコー信号を用いてゲインの調整を行い、２番目以降のフレームに対してその調整されたゲインを用いて画像生成が行われる。

さらに、制御部１０７は、設定したＬＮＡ２００のゲインに合わせて、ＴＧＣ１０３が使用する時間経過とゲインとの対応関数を選択し、該選択した関数を使用する制御命令をＴＧＣ１０３へ出力する。

以上の比較部１０６及び制御部１０７が本発明における「比較判断手段」及び「制御手段」にあたる。

また、図２にはスイッチ２２０が配置されているが、これは、実際には振動子０１１へのパルス電圧の送信と振動子０１１からのエコー信号の受信とは同じ信号線により送受信が行われるため、振動子０１１へパルス電圧を送信する場合に比較部１０６に該パルス電圧が入力されることを防ぐためである。すなわち、振動子０１１へパルス電圧を送信する場合にスイッチ２２０をオフにしておくことで、比較部１０６へのパルス電圧の入力を遮断する。

信号処理部００２は、エコー信号の振幅情報の映像化を行い、エコー信号からＢモードデータやドプラデータといったデータを生成する。具体的には、信号処理部００２は、送受信部１００から入力されるエコー信号に対してバンドパスフィルタ処理を行い、その後、出力信号の包絡線を検波し、検波されたデータに対して対数変換による圧縮処理を施す。そして、信号処理部００２は、生成したデータを画像処理部００３へ出力する。この信号処理部００２が本発明における「信号処理手段」にあたる。

画像処理部００３は、ＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｃａｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を備える。画像処理部００３は、信号処理部００２から画像のデータの入力を受ける。ＤＳＣは、信号処理部００２から出力された走査線信号列で表される信号処理後のデータ（ラスタデータ）を読み込んで、そのラスタデータを空間情報に基づいた直交座標系のデータに変換し（Ｓｃａｎ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ処理）、超音波画像を生成する。画像処理部００３は生成した超音波画像を表示制御部００４へ出力する。この画像処理部００３が本発明における「画像処理手段」にあたる。

表示制御部００４は、画像処理部００３より入力された超音波画像をユーザインタフェース００５が備える表示部００６に表示させる。この表示制御部００４が本発明における「表示制御手段」にあたる。また表示部００６が本発明における「表示手段」にあたる。

統括制御部００８は、各機能部間のデータの受け渡しや各機能部の動作タイミングの調整などを行う。ただし、実際には統括制御部００８を介してデータの受け渡しが行われるが、ここでは説明の都合上、各機能部が直接データをやり取りしているように説明している。

次に、図３を用いて本実施形態に係る超音波診断装置によるゲインの調整の動作を説明する。ここで、図３は本実施形態に係る超音波診断装置によるゲインの調整の動作のフローチャートの図である。

ステップＳ００１：送受信部１００の送信回路１０１は、パルス電圧を超音波プローブ００１へ出力する。超音波プローブ００１は入力されたパルス電圧を振動子０１１で超音波に変換し、被検体に向けて該超音波を送信する。

ステップＳ００２：超音波プローブ００１に配置された振動子０１１は、被検体で反射した超音波エコーを受信してエコー信号に変換し、送受信部１００へ出力する。送受信部１００の増幅部１０２は、振動子０１１から入力されたエコー信号を受信する。

ステップＳ００３：制御部１０７は、ゲインの調整が必要か否かを判断する。具体的には、現在受信しているエコー信号のフレームが、検査開始から１番目のフレーム又は対象部位やモードの変更の入力が行われた後の１番目のフレームの場合には、制御部１０７は、ゲインの調整が必要と判断し、それ以外の場合にはゲインの調整が不要と判断する。ゲインの調整が必要と判断した場合には、ステップＳ００４に進む。ゲインの調整が不要と判断した場合には、ステップＳ０１１へ進む。

ステップＳ００４：参照信号発生部１０５は、異なる振幅を有する参照信号Ｒ１及び参照信号Ｒ２を発生する。そして、参照信号発生部１０５は、発生させた参照信号Ｒ１及び参照信号Ｒ２を比較部１０６へ出力する。

ステップＳ００５：比較部１０６は、超音波プローブ００１に配置された振動子０１１から入力されたエコー信号Ｅの振幅と参照信号発生部１０５から入力された参照信号Ｒ１及び参照信号Ｒ２の振幅とをそれぞれ比較し、エコー信号の振幅と参照信号Ｒ１及び参照信号Ｒ２の振幅それぞれとの大小関係を判断する。そして、比較部１０６は、比較結果を制御部１０７へ出力する。

ステップＳ００６：制御部１０７は、比較部１０６より入力された比較結果を基に、エコー信号Ｅの振幅が参照信号Ｒ１の振幅以下か否かを判断する。エコー信号Ｅの振幅が参照信号Ｒ１の振幅以下の場合には、ステップＳ００７へ進む。エコー信号Ｅの振幅が参照信号Ｒ１の振幅より大きい場合には、ステップＳ００８へ進む。

ステップＳ００７：制御部１０７は、ＬＮＡ２００をゲインが２１ｄＢであるＬＮＡ２０１に設定する。

ステップＳ００８：制御部１０７は、比較部１０６より入力された比較結果を基に、エコー信号Ｅの振幅が参照信号Ｒ２の振幅以下か否かを判断する。エコー信号Ｅの振幅が参照信号Ｒ２の振幅以下の場合には、ステップＳ００９へ進む。エコー信号Ｅの振幅が参照信号Ｒ１の振幅より大きい場合には、ステップＳ０１０へ進む。

ステップＳ００９：制御部１０７は、ＬＮＡ２００をゲインが１８ｄＢであるＬＮＡ２０２に設定する。

ステップＳ０１０：制御部１０７は、ＬＮＡ２００をゲインが１５ｄＢであるＬＮＡ２０３に設定する。

ステップＳ０１１：増幅部１０２は、各振動子０１１に対応して接続されているＬＮＡ２００を用いて、対応する各振動子０１１から入力されたエコー信号を増幅する。そして、増幅部１０２はＴＧＣ１０３に増幅したエコー信号を出力する。

ステップＳ０１２：ＴＧＣ１０３は、制御部１０７から指定された時間経過とゲインとの対応関数を用いて、増幅部１０２から入力されたエコー信号をさらに増幅する。そして、ＴＧＣ１０３は、増幅したエコー信号をＡ／Ｄ変換部１０４へ出力する。

ステップＳ０１３：Ａ／Ｄ変換部１０４は、ＴＧＣ１０３から入力されたエコー信号を、Ａ／Ｄコンバータを用いてアナログ信号からディジタル信号に変換する。そして、Ａ／Ｄ変換部１０４は、ディジタル信号に変換したエコー信号を信号処理部００２へ出力する。

ステップＳ０１４：信号処理部００２は、Ａ／Ｄ変換部１０４から入力されたエコー信号に対し、包絡線検波や対数圧縮などの信号処理を施す。そして、信号処理部００２は、信号処理を施したエコー信号を画像処理部００３へ出力する。

ステップＳ０１５：画像処理部００３は、信号処理部００２から入力されたエコー信号に対し座標変換などを施し超音波画像を生成する。そして、画像処理部００３は、生成した超音波画像を表示制御部００４へ出力する。

ステップＳ０１６：表示制御部００４は、画像処理部００３から入力された超音波画像を表示部００６に表示させる。

ステップＳ０１７：統括制御部００８は、検査が終了したか否かを判断する。検査が終了していない場合には、ステップＳ００１に戻る。検査が終了した場合には、超音波診断装置における画像生成の動作を終了する。

ここで、以上のフローの説明ではステップの番号順に説明したが、実際には検査開始から１番目のフレーム又は対象部位やモードの変更の入力が行われた後の１番目のフレームの信号の増幅を含む画像の生成とゲインの調整とは並列処理で行われている。すなわち、検査開始から１番目のフレーム又は対象部位やモードの変更の入力が行われた後の１番目のフレームにおいては、ステップＳ００４〜ステップＳ０１０とステップＳ０１１〜ステップＳ０１６までは同時に実行されている。したがって、検査開始から１番目のフレーム又は対象部位やモードの変更の入力が行われた後の１番目のフレームにおいてはゲインの調整が行われずに画像の生成が行われている。

また、以上のフローの説明では２種類の参照信号を使用してエコー信号の振幅の大きさを３段階で判断する構成で説明したが、参照信号の種類はさらに増やしエコー信号の振幅の大きさを判断する段階をより細かくすことも可能である。その場合には、ステップＳ０１３からステップＳ０１７までの間のステップがより細かく分かれることになる。

さらに、本実施形態ではＡ／Ｄ変換部１０４のダイナミックレンジの有効利用及び深い深度の信号をより増幅するためにＴＧＣ１０３を設けたが、ＬＮＡ２００によるエコー信号の増幅で十分な場合には、ＴＧＣ１０３を設けなくてもよい。

以上で説明したように、本実施形態に係る超音波診断装置は、入力されたエコー信号の振幅に応じてＬＮＡのゲインを調整することができる構成である。これにより、Ｂモードなどの振幅が大きいエコー信号を使用する場合や、患者の体型や対象部位などによりエコー信号の振幅が比較的大きい場合に、ＬＮＡのゲインを小さくすることでＬＮＡの飽和を回避することができ、さらにドプラモードなどの振幅が小さいエコー信号を使用する場合や、患者の体型や対象部位などによりエコー信号の振幅が比較的小さい場合に、ＬＮＡのゲインを大きくすることでＳ／Ｎをより良くすることが可能となる。

〔第２の実施形態〕
以下、この発明の第２の実施形態に係る超音波診断装置について説明する。本実施形態に係る超音波装置は、１つのエコー信号に対して複数のゲインが異なるＬＮＡを用いて時間経過とともにゲインを変化させていく構成であることが第１の実施形態と異なるものである。そこで以下では、時間経過に対するＬＮＡの切り替えによるゲインの調整を主に説明する。本実施形態に係る超音波診断装置のブロック図も図１で表わされる。以下の説明では、第１の実施形態と同一の符号を付された機能部は特に説明のない限り同じ機能を有するものとする。図４は本実施形態に係る超音波診断装置における増幅部の一例の図である。

以下では、まず本実施形態に係る増幅部１０２の構成を説明したのち、制御部１０７及び増幅部１０２によるゲインの調整の動作を説明する。ここで、以下の説明では、第１の実施形態と同様に、参照信号として参照信号Ｒ１及び参照信号Ｒ２という２種類の信号を使用するものとし、ＬＮＡ２００は３段階のゲインの設定が可能なものとする。さらに、増幅部１０２に入力されたエコー信号をＥと表す。

本実施形態に係る増幅部１０２は、図４に記載したように、一つの振動子０１１に対して２つのＬＮＡ２００（図４におけるＬＮＡ２００ａ及びＬＮＡ２００ｂ）が接続している。このＬＮＡ２００ａ及びＬＮＡ２００ｂそれぞれがゲインを３段階に設定できるアンプであり、それぞれが図２で模式的に示されているＬＮＡ２００と同様のアンプである。また、ＬＮＡ２００ａ及びＬＮＡ２００ｂには乗算器４０１及び乗算器４０２が接続されており、さらに、その後加算器４０３によりＬＮＡ２００ａからの出力とＬＮＡ２００ｂからの出力が加算される。ここで、乗算器４０１及び乗算器４０２としては例えば抵抗分割などを用いればよい。

ここで、本実施形態では１つの振動子０１１に対し２つのＬＮＡ２００としているが、接続されるＬＮＡ２００の数に特に制限はない。多くのＬＮＡ２００を使用するほど時間経過に対する細かい増幅率の変更を行うことが可能である。

制御部１０７の記憶領域には、エコー信号の振幅の大きさの特定の段階に対応するゲインにＬＮＡ２００ａを設定したときに そのゲインに対していくつ上の段階のゲインをＬＮＡ２００ｂに設定するかという値を予め記憶している。本実施形態では、制御部１０７は、ＬＮＡ２００ａに対して１段階上のゲインをＬＮＡ２００ｂに設定すると記憶している。ここで、本実施形態では１つの振動子０１１に対して２つのＬＮＡ２００しか接続されていないため上述のような説明になっているが、２つ以上のＬＮＡ２００が接続されている場合には、それぞれのＬＮＡ２００に対して予め決められた段階を順次上げていくようにゲインを設定していけばよい。また、本実施形態ではエコー信号の振幅の大きさを３段階で識別するため、１段階上のゲインを使用しているが、さらに多くの段階を使用してエコー信号の振幅の大きさを識別する場合には、より大きな段階を上げたゲイン（例えば、２段階上や３段階上のゲイン）を次のＬＮＡ２００に設定してもよい。

さらに、制御部１０７は、１つの振動子０１１に接続されたＬＮＡ２００のうち使用するＬＮＡ２００の切り替えのタイミングを予め記憶している。ここでは、制御部１０７は切り替え時間をｔ秒として記憶しているとして説明する。さらに、制御部１０７は、切り替えが始まってから切り替えが完了するまでの切替時間を予め記憶しており、その切替時間内でＬＮＡ２００ａからの出力とＬＮＡ２００ｂからの出力が徐々に変化していくように、切替時間に対応したそれぞれの出力の使用率を記憶している。ここで、それぞれの使用率を加算した時に１になるように設定されている。例えば、制御部１０７は、ＬＮＡ２００ｂの使用が時間に対して正比例になり、さらにＬＮＡ２００ａの使用率とＬＮＡ２００ｂの使用率が反比例になるように記憶していればよい。

制御部１０７は、比較部１０６より入力された参照信号の振幅とエコー信号の振幅との大小関係を基に記憶しているエコー信号の振幅の大きさの段階に対応するゲインが記載されたテーブルを参照し、増幅部１０２に配置されたＬＮＡ２００ａのゲインを選択し、該ゲインにＬＮＡ２００ａのゲインを設定する。さらに、制御部１０７は、予め決められている値分だけ上の段階に対応するゲイン（本実施形態では１段階上のゲイン）をＬＮＡ２００ｂに設定する。具体的には、Ｒ２＜Ｅの場合には、制御部１０７は、ＬＮＡ２００ａを２１ｄＢのゲインに設定し、ＬＮＡ２００ｂを１８ｄＢのゲインに設定する。また、Ｒ１＜Ｅ≦Ｒ２の場合には、制御部１０７は、ＬＮＡ２００ａを１８ｄＢのゲインに、ＬＮＡ２００ｂを２１ｄＢのゲインに設定する。さらに、それ以上のゲインが存在しないゲインをＬＮＡ２００ａに設定した場合には、ＬＮＡ２００ｂにはゲインの割り当てを行わない、又はＬＮＡ２００ｂにも同じ値のゲインを割り当てる。例えば、Ｅ≦Ｒ１の場合には、ＬＮＡ２００ａを２１ｄＢに設定し、ＬＮＡ２００ｂにはゲインの設定を行わない。ここで、本実施形態におけるＬＮＡ２００ａが本発明における「第１増幅器」にあたり、ＬＮＡ２００ｂが本発明における「他の増幅器」にあたる。

上述した制御部１０７によるゲインの設定は、第１の実施形態と同様に、検査が開始された１番目のフレームにおける画像生成で使用されたエコー信号を用いてゲインの調整を行い、２番目以降のフレームに対してその調整されたゲインを用いて画像生成が行われる。この場合、１番目のフレームにおいては予め決められたゲインを用いてエコー信号の増幅を行う。また、制御部１０７は、対象部位やモードの変更が入力された後の１番目のフレームにおける画像生成で使用されたエコー信号を用いてゲインの調整を行い、２番目以降のフレームに対してその調整されたゲインを用いて画像生成が行われる。そして、ゲインの調整を行った場合には、次のゲインの調整を行うタイミング、すなわち、対象部位やモードの変更が入力されるまでは、ＬＮＡ２００ａ及びＬＮＡ２００ｂのゲインは固定され、変更は行われない。

そして、制御部１０７は、振動子０１１から増幅部１０２にエコー信号が入力されてからｔ時間はＬＮＡ２００ａを使用するよう制御する。そして、制御部１０７は、ｔ時間経過後、記憶している切替時間に対応したそれぞれの出力の使用率になるように乗算器４０１及び乗算器４０２を制御する。

さらに、制御部１０７は、設定したゲインに基づいてＴＧＣ１０３が使用する時間経過とゲインとの対応関数を決定し、該決定した対応関数を使用する制御命令をＴＧＣ１０３に出力する。

増幅部１０２は、制御部１０７から制御信号の入力を受けて、ＬＮＡ２００ａ及びＬＮＡ２００ｂのゲインが設定される。

増幅部１０２は、超音波プローブ００１に配置された各振動子０１１のそれぞれに接続されたＬＮＡ２００（本実施形態ではＬＮＡ２００ａ及びＬＮＡ２００ｂ）で対応する振動子０１１からのエコー信号の入力を受ける。

さらに、制御部１０７の制御信号に基づいて、エコー信号の入力が開始されてからｔ秒までは、乗算器４０１によりＬＮＡ２００ａからの出力に１が乗算され、乗算器４０２によりＬＮＡ２００ｂからの出力に０が乗算される、加算器４０３においてそれらが加算されてＴＧＣ１０３へ出力される。すなわち、ｔ秒まではＬＮＡ２００ａの信号のみが使用される。次に、ｔ秒後から切替完了まで、制御部１０７の制御信号に基づいて、乗算器４０１によりＬＮＡ２００ａからの出力に対し１から０に徐々に減少する様に変化させた値が乗算され、乗算器４０２によりＬＮＡ２００ｂからの出力に対し０から１に徐々に増加するように変化させた値が乗算される。そして、加算器４０３においてそれらが加算されてＴＧＣ１０３へ出力される。さらに、切替完了後、制御部１０７の制御信号に基づいて、乗算器４０１によりＬＮＡ２００ａからの出力に０が乗算され、乗算器４０２によりＬＮＡ２００ｂからの出力に１が乗算される。そして、加算器４０３においてそれらが加算されてＴＧＣ１０３へ出力される。すなわち切替完了後は、ＬＮＡ２００ｂの信号のみが使用される。

ＴＧＣ１０３は、制御部１０７から入力された制御命令に基づいて、経過時間とゲインとの対応関数を選択し、該対応関数に基づいて増幅部１０２から入力されたエコー信号を増幅する。そして、ＴＧＣ１０３は、増幅したエコー信号をＡ／Ｄ変換部１０４へ出力する。

ここで、本実施形態では、制御部１０７によって切替時間内でそれぞれのＬＮＡ２００の使用率を変更していき、徐々に変位させていく構成を採ったが、使用率の滑らかな変更による信号の加算を行わずに、いずれかのＬＮＡ２００の出力のみを使用する構成でもよい。この場合には、乗算器４０１及び乗算器４０２は０か１をそれぞれの入力信号に掛けるよう制御される。

以上で説明したように、本実施形態に係る超音波診断装置では、エコー信号が入力される時間経過に合わせてＬＮＡを切り替えることによりゲインを変更することができる構成である。言い換えれば、深い場所で反射したエコー信号は浅い場所で反射したエコー信号よりも遅く受信されるため、超音波が反射した深度に合わせてゲインを調整することができる構成である。これにより、増幅部において振幅の小さい部分の信号（すなわち深い場所からのエコー信号）の増幅率を大きくすることができるため、Ｓ／Ｎをより向上させることが可能となる。

さらに、より多くのＬＮＡを振動子に配置すれば、より細かく時間経過に対応したゲインの調整が増幅部において可能になるため、ＴＧＣを設けずとも受信したエコー信号の全範囲にわたって深度に合わせた信号の増幅を行うことが可能となる。

〔第３の実施形態〕
以下、この発明の第３の実施形態に係る超音波診断装置について説明する。本実施形態に係る超音波診断装置は、ＬＮＡのゲインを操作者が指定することができるようにしたことが第１及び第２の実施形態と異なるものである。これは、操作者によっては、ＬＮＡ飽和などを犠牲にしても自分の好みのゲインを使用したい場合があるので、そのような状況に対応するためである。そこで以下では、操作者によるＬＮＡのゲインの指定ついて主に説明する。本実施形態に係る超音波診断装置のブロック図も図１で表わされる。以下の説明では、第１の実施形態と同一の符号を付された機能部は特に説明のない限り同じ機能を有するものとする。図５は、本実施形態に係るゲインの設定を行うための入力画面の一例の図である。

操作者は、予め増幅部１０２に設けられたＬＮＡ２００に設定するゲインを指定し入力する。具体的には、ユーザインタフェース００５に配置された表示部００６に図５に示す入力画面が表示される。そして、操作者はマウスなどの入力部００７を用いてポインタなどで、図５の入力画面に表示された、検査する対象部位である診断部位、検査モード、及び使用する周波数を指定することで入力する。それと同時に、操作者は、図５に示されたゲイン５００のうちで、ＬＮＡ２００に設定しようとするゲインの値をポインタなどで指定し入力する。この入力のタイミングとしては、検査開始直後、撮像モードを変更する時、検査の対象部位を変更する時に図５に示す入力画面が表示され、上述した入力が行われる。

制御部１０７は、入力されたＬＮＡ２００のゲインの値を受けて、該ゲインをＬＮＡ２００に設定する。ただし、第２の実施形態のゲイン設定と同様のゲイン設定の場合には、制御部１０７は、振動子０１１に接続された複数のＬＮＡ２００のうちの特定のＬＮＡ２００に対し入力されたゲインを設定し、その他のＬＮＡ２００に対して予め決められている値に応じてゲイン設定を行う。そして、操作者によりＬＮＡ２００のゲインの入力が行われた場合には、第１の実施形態又は第２の実施形態と同様の制御部１０７はゲイン設定の制御を行わない。

これに対し、操作者によるＬＮＡ２００の入力が行われない場合には、第１の実施形態又は第２の実施形態と同様のゲイン設定が行われる。

以上で説明したように、本実施形態に係る超音波診断装置は、操作者によりＬＮＡのゲイン指定を優先して行うことができる構成である。これにより、特定の対象部位や撮像モードにおいて操作者が好むＬＮＡのゲイン設定がある場合には、その値を優先して設定することが可能となり、操作者毎により適切な超音波画像の提供を行うことが可能となる。

００１ 超音波プローブ
００２ 信号処理部
００３ 画像処理部
００４ 表示制御部
００５ ユーザインタフェース
００６ 表示部
００７ 入力部
００８ 統括制御部
０１１ 振動子
１００ 送受信部
１０１ 送信回路
１０２ 増幅部
１０３ ＴＧＣ
１０４ Ａ／Ｄ変換部
１０５ 参照信号発生部
１０６ 比較部
１０７ 制御部
２００ ＬＮＡ

Claims (5)

1. 複数の振動子を有する超音波プローブを介して被検体に向けて超音波を送信し、該被検体で反射した超音波エコーに基づくエコー信号を受信する送受信手段と、
   前記エコー信号に対数圧縮及び包絡線検波を含む信号処理を行う信号処理手段と、
   前記信号処理を施されたエコー信号に座標変換を含む画像処理を行い画像データを生成する画像処理手段と、
   前記画像データを基に表示手段に超音波画像を表示させる表示制御手段と、
   を備えた超音波診断装置であって、
   前記送受信手段は、
   一つの振動子からのエコー信号を設定された増幅率で増幅する第１増幅器と、該第１増幅器と並列に配置された他の増幅器とを複数有する増幅手段と、
   振幅が異なる複数種類の参照信号を発生する参照信号発生手段と、
   前記受信したエコー信号の振幅と前記参照信号とを比較し、前記参照信号の振幅に対応して前記受信したエコー信号の振幅の大きさを複数段階に分けて判断する比較判断手段と、
   前記段階に応じ前記エコー信号の振幅が大きくなる前記段階ほど小さい前記増幅率となるように、前記複数段階と前記増幅率との対応を予め記憶しており、前記比較判断手段により判断された前記振幅の大きさの段階に対応する前記増幅率を選択し、前記第１増幅器の増幅率を前記選択した増幅率に設定する制御手段と、
   前記増幅されたエコー信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記他の増幅器の増幅率を、前記第１増幅器の前記設定された増幅率より大きく、且つそれぞれが異なるように設定し、時間経過に応じて前記第１増幅器から順次前記増幅率が大きい前記他の増幅器に切り替えて前記受信したエコー信号を増幅するよう前記増幅手段を制御する
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記送受信手段は、超音波の送受信を１つの画像を生成するために必要なデータを取得する単位であるフレーム毎に超音波の送受信を行っており、
   前記制御手段は、特定の前記フレームにおいて受信した前記エコー信号の振幅の大きさに基づいて行った増幅率の設定を用いて、次の前記フレームにおけるエコー信号の増幅を行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記制御手段は、前記第１増幅器及び前記他の増幅器における切り替えのときに、切り替え前の前記第１増幅器又は前記他の増幅器からの出力と切り替え後の前記他の増幅器の出力との使用比率を、前記切り替え後の前記他の増幅器の出力が徐々に大きな割合になるように、前記切り替え前の前記第１増幅器又は前記他の増幅器からの出力と前記切り替え後の前記他の増幅器の出力とを加算することで、前記受信したエコー信号を増幅した出力とし、前記出力の使用が前記切り替え後の前記他の増幅器の出力のみとなった時に前記切り替えを完了する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。
4. 前記送受信手段は、受信時間の経過とともに前記増幅率を増加させるゲイン補正手段を前記増幅手段と前記Ａ／Ｄ変換手段との間にさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の超音波診断装置。
5. 超音波を被検体に送信する段階と、
   前記被検体で反射した前記超音波を受信しエコー信号に変換する段階と、
   前記受信したエコー信号の振幅と前記参照信号を比較し、前記参照信号の振幅に対応して前記受信したエコー信号の振幅の大きさを複数段階に分けて判断する比較判断段階と、
   予め記憶している、前記段階に応じ前記エコー信号の振幅が大きくなる前記段階ほど小さい前記増幅率となるような、前記複数段階と前記増幅率との対応に基づいて、前記比較判断手段により判断された前記振幅の大きさの段階に対応する前記増幅率を選択する増幅率選択段階と、
   一つの前記振動子からのエコー信号を増幅する第１増幅器についてエコー信号の増幅率を前記選択した増幅率に設定し、該第１増幅器と並列に配置された複数の他の増幅器について、該設定された増幅率より大きく、且つそれぞれが異なるように設定し、時間経過に応じて該第１増幅器から順次前記増幅率が大きい該他の増幅器に切り替えてエコー信号を増幅するよう制御する制御段階と、
   前記受信したエコー信号を前記設定した増幅率で増幅する増幅段階と、
   前記増幅されたエコー信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換段階と、
   前記ディジタル信号に変換された前記エコー信号に対し対数圧縮及び包絡線検波を含む信号処理を行う信号処理段階と、
   前記信号処理を施された前記エコー信号に座標変換を含む画像処理を行い画像データを生成する画像処理段階と、
   前記画像データを基に表示部に超音波画像を表示させる画像表示段階と、
   を有することを特徴とする超音波診断装置制御方法。

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