JP5416947B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

血流速度情報を提供するドプラ・モードを備えた超音波診断装置に係わる。

超音波診断装置は、プローブ素子に対応した各チャンネルに対してフォーカス位置に応じた遅延制御を適用し、送信および受信ビームフォーミングを行うことによってフォーカスの合ったエコー信号を得、それをもとに画像を構築している。

ビームフォーミングの精度はいわゆるビーム幅にかかわり、フォーカス位置に対する感度と、それ以外の場所からの信号に対する感度の比が大きいことが要求される。フォーカス位置から反射されてくる信号を映像化することが望ましいため、当然このビーム幅は「細い」あるいは「狭い」ほうが望ましいというのが一般的な考え方である。

システムがアナログからディジタルに発展するときに期待された効果のひとつに、このビームフォーミング精度向上があった。すなわち、それまでは例えば受信遅延回路としてアナログ遅延線が使われていたが、この分解能は必ずしも必要十分に小さいものでなく、かつ部品間のばらつきもあるため、受信ビームフォーミングの精度も要求される値にとどいているわけではなかった。一方ディジタルでは一定のクロックレートで処理されるため、そのレートが十分小さければ精度向上が期待でき、装置間のばらつきも無視できる程度のものになる。

ディジタルで信号を処理する装置においては、クロックレートを小さくできる限りにおいて、あるいは処理方式に依存した誤差（例えば制御データの量子化誤差）の範囲において、ビーム幅を細くできる（特許文献１参照）。
特開2006-87677号公報

しかしながら、固定フォーカスで血流速度を検出するドプラ・モードでは、必ずしもビーム幅が細ければ細いほど良いというわけではない。

例えば、局所的に発生している病的高速流を検出しようとした場合、ビームが細すぎると、設定フォーカス（この場合ユーザが装置制御パネル等から設定）が該局所を少しでも外すと血流を逃してしまうという事態に陥る可能性がある。通常、ユーザはカラー・モードで高速流の発生箇所を知り、その速度を定量把握するため、CWドプラ・モードに移り、その検出波形から速度を読み取る。ここで、フォーカスはカラー・モード画像の「色」をガイドにトラックボール等で設定するが、病的高速流発生箇所の体積が小さくかつビームが細いと、より正確なフォーカス設定操作が要求される。図１は本発明の課題を説明するための超音波ビームと血流との位置関係を示す模式図である。図１（ａ）（ｂ）はそれぞれ超音波振動子１１から放射されるビーム１２の形状を示しており、前者のビーム幅の方が後者のそれよりも広い。各ビーム１２は、ビーム幅が最も小さく絞られた焦点位置が測定すべき病的高速流発生箇所１３に合わせられる。しかし、図１（ｂ）に示すように、焦点位置におけるビームの幅が狭くなり、ビームが病的高速流発生箇所１３から外れると、ドプラシフトを受けてそこから反射されてくるエコー信号の強度が弱まる。場合によってはノイズに埋まり、本来あるはずの速度成分が検出できなくなる。

したがって本発明の目的は、診断すべき対象箇所に応じてビーム幅を変化させることが可能な超音波診断装置を提供することにある。

本発明の超音波診断装置は、超音波信号を送信あるいは受信するように配列された複数個の超音波振動子と、これらの超音波振動子に複数個の送受信切り換えスイッチを介して駆動パルス信号を供給する送信回路と、この送信回路へ供給される前記駆動パルスの遅延量を制御する送信ビームフォーミング制御回路と、前記各超音波振動子により受信された前記超音波信号が前記送受信切り換えスイッチを介してそれぞれ供給される複数個の受信回路と、これらの受信回路の出力信号がそれぞれ供給される受信ビームフォーミング制御回路と、を備え、 固定焦点で血流速度を検出する診断モードを備えた超音波診断装置であって、
前記受信ビームフォーミング制御回路は、さらに、量子化精度選択信号入力装置と、この入力装置により供給された量子化精度選択信号に基づいて遅延量子化量を決定する遅延量子化量決定装置と、前記遅延量子化量決定装置の決定した遅延量子化量に基づいて、遅延量に量子化を施す量子化回路と、前記各受信回路の出力信号に前記量子化された遅延量を付与する信号遅延回路と、この信号遅延回路により遅延された前記各受信信号の出力信号を合成する信号合成装置を備えることを特徴とするものである。

また、本発明の前記超音波診断装置においては、前記遅延量子化量決定装置の精度情報出力は前記送信ビームフォーミング制御回路にも供給され、送信および受信ビームフォーミングの精度を、それぞれ独立に制御できることを特徴とするものである。

さらに、本発明の前記超音波診断装置においては、前記送信および受信ビームフォーミングの精度は前記量子化精度選択信号入力装置により選択されることを特徴とするものである。

このように、本発明の実施形態に係る超音波診断装置においては、他のモードで要求されているビームフォーミング精度が確保できているとすると、ディジタルシステムにおいてはそこからビーム幅を太くすること、あるいはビームフォーミング精度を変化させることは比較的容易に実施可能である。すなわち、遅延制御パラメータを計算する過程において、ある量子化範囲を定めて、その精度でパラメータを出力することが可能である。

本発明によれば、超音波のビーム幅を、ユーザが使用目的に応じて制御することにより、確度の高い診断に寄与することができる。

図２乃至図４は本発明の原理を説明するための図である。図２は本発明が適用される超音波診断装置の受信回路構成の１例を示すブロック図である。Ｎチャンネル（０、１、２、３、…、Ｎ−１）の超音波信号を発信あるいは受信するＮ個の超音波振動子１１−１、１１−２、１１−３、…、１１−Ｎには、それぞれ、送受信切り替えスイッチ（Ｔ/Ｒスイッチ）１４−１、１４−２、１４−３、…、１４−Ｎを介して送信回路１５から駆動パルス信号が供給される。Ｎ個の超音波振動子１１−１、１１−２、１１−３、…、１１−Ｎから対象物に出射されそこから反射された超音波パルス信号は再びＮ個の超音波振動子１１−１、１１−２、１１−３、…、１１−Ｎにより受信され、電気信号に変換される。これらの受信信号はＴ/Ｒスイッチ１４−１、１４−２、１４−３、…、１４−Ｎを介して受信回路１６−１、１６−２、１６−３、…、１６−Ｎにより増幅され、ＡＤ変換器１７−１、１７−２、１７−３、…、１７−Ｎによりそれぞれディジタル信号に変換される。ディジタル信号に変換された各チャンネルの受信信号は、ファーストイン／ファーストアウトメモリ（ＦＩＦＯメモリ）１８−１、１８−２、１８−３、…、１８−Ｎに同一のタイミングにより順次記憶される。

ＦＩＦＯメモリ１８−１、１８−２、１８−３、…、１８−Ｎにディジタル情報として記憶された各チャンネルの受信信号は、書き込み／読み出し制御回路１９からの書き込み／読み出し制御信号により、各チャンネルが受け持つべき遅延量に対応して決定されるタイミングで読み出され、各ＦＩＦＯメモリ１８−１、１８−２、１８−３、…、１８−Ｎから読み出された受信信号は加算回路２０により加算される。

これらのＦＩＦＯメモリ１８−１、１８−２、１８−３、…、１８−Ｎ、書き込み／読み出し制御回路１９および加算回路２０により、いわゆる、受信ビームフォーミング処理が行われる。

ここで、FIFOメモリ１８−１、１８−２、１８−３、…、１８−Ｎによる読み出し制御が受信遅延処理に対応し、具体的には読み出しアドレスを計算し各メモリに供給するということになる。Bモード等、フォーカスを時々刻々更新する受信ダイナミック・フォーカスを適用するモードに関しては、アドレスは次の式で表わされる遅延量ｄｎ（ｔ）から求める。

図３は上記の式（１）で表される遅延量ｄｎ（ｔ）の求め方を説明するための図である。
同図において、Ｘ−Ｙ座標は超音波ビームによりスキャンが行われる２次元平面を表し、超音波フロー部を形成する複数個の超音波振動子１１はＹ軸上に、フォーカス開始座標（初期フォーカス位置）（ｘｉｎｉ、ｙｉｎｉ）を中心として対称に配列されている。これらの超音波振動子１１のうちの任意の振動子の一座標を（ｘｎ、ｙｎ）とし、ある時刻ｔでのフォーカス座標を(x_f, y_f)とする。ここで、vは音速であり、θはＸ軸と超音波ビームの進行方向との角度、すなわち、時刻ｔにおけるスキャン角度である。

このようにして得られた遅延量ｄｎ（ｔ）を、システムクロックレートで割ったものがアドレスとなる。

ここで、Tがクロックレートで、[ ] は整数化処理を表わす。

以上はダイナミック・フォーカス適用時の例であるが、本発明が適用されるCWドプラ等固定焦点モードでは、遅延量ｄｎ（ｔ）およびアドレスは次の式（３）（４）で与えられる。すなわち、この場合においては、時々刻々更新されるフォーカス(x_f, y_f)は存在しなくなり、初期フォーカス位置(x_ini, y_ini)で固定焦点位置を表わす。

整数化処理について第1項と2項を分けると、

第2項は時間をクロックレート、すなわち量子化時間で割ったものなので、アドレスの単調増加’k’に相当する。これも含めて、上式を次のように書きなおす。

で、焦点位置から決まる各チャンネルに固有の定数である。

上式は、次のことを示している。すなわち、固定焦点時の読み出しアドレスは、チャンネルに固有のオフセット[D_n/T]を持つ単調増加となる。

ここでビーム幅を決めるのは、[D_n/T]の精度である。従来は、システムクロックレート’T’で量子化し、この場合そのシステムが持つ最高精度でビームフォーミングすることになる。別のいい方をすると、ビーム幅を最小に絞ることになる。ここで、前述したように、ビーム幅が細いことはいつでもいいとは限らず、特に微小血流を検出するような場合に、細すぎるビーム幅はそれらを「とりづらく」する可能性がある。

そこで、本発明においては前述したように、量子化精度を可変にする。ビームフォーミングの精度を議論するときは、送受信中心周波数の波長を基準にしてなされるが、例えば波長の1/32、1/16、1/8および1/4の量子化精度を想定し、切りかえられるようにする。送受信中心周波数2MHzを例に取ると、１波長に相当する周期は500nsなので、上の量子化精度は、15.625ns、31.25ns、62.5nsおよび125nsとなる。これを「T_Q」として上式「T」の代わりに適用する。

図４（Ａ）はビームフォーミング制御回路へ入力される「T_Q」とその決定処理過程を示すブロック図である。同図において、量子化精度選択信号入力装置４１は量子化精度をどの段階の精度にするかを選択する装置であり、ユーザにより選定される。この入力装置４１により選定された量子化精度値を表す情報は遅延量子化量決定装置４２により、上記（８）式中の量子化精度ＴＱが決定され、送信ビームフォーミング制御回路４３あるいは受信ビームフォーミング制御回路４４に供給される。遅延量子化量決定装置４２により決定された量子化精度ＴＱに基づいて送信ビームフォーミング制御回路４３あるいは受信ビームフォーミング制御回路４４において、上記（８）式により、アドレスA_n[k]が出力されることになる。

図４（Ｂ）は遅延量子化量決定装置４２のより具体的な構成例を示すブロック図である。この装置４２は、例えば４種の量子化パラメータＴＱ０、ＴＱ１、ＴＱ２、ＴＱ３の任意の１種を量子化精度選択信号入力装置４１からの選択信号により選択して出力信号ＴＱとして出力する。

図5は本発明の実施形態を示す超音波診断装置のブロック図である。同図においては、図２乃至図４に示す超音波診断装置の構成要素と同じかあるいはこれに相当する構成要素には同一番号を付し、特に必要な場合を除き詳細な説明は省略する。

同図における入力装置４１および遅延量子化量決定装置４２は、図４において説明した各装置に対応するものである。ここで送信パルス発生回路５１は図４の送信ビームフォーミング制御回路４３に対応し、遅延量子化量決定装置４２により決定された量子化精度ＴＱが入力信号として供給され、これにより決定される遅延量を持った送信タイミングパルスを生成し送信回路１５に供給する。送信回路１５は送信パルス発生回路５１出力の送信タイミング信号を受け、各超音波振動子１１−１、１１−２、１１−３、…、１１−Ｎを駆動するための高圧パルスを発生する回路である。T/Rスイッチ１４−１、１４−２、１４−３、…、１４−Ｎは、送信時は高圧パスルを振動子に伝達しつつ受信回路が高圧で壊れないように保護し、受信時は振動子からのエコー信号を後段に伝達するものである。受信回路５３は、図２の受信回路１６−１、１６−２、１６−３、…、１６−ＮおよびＡＤ変換器１７−１、１７−２、１７−３、…、１７−Ｎに相当し、微弱なエコー信号を増幅し、後段で信号処理可能なものにする。ディジタルシステムではAD変換器がここに含まれる。受信ビームフォーマ５４は、図４の受信ビームフォーミング制御回路４４および図２のＦＩＦＯメモリ１８−１、１８−２、１８−３、…、１８−Ｎ、書き込み／読み出し制御回路１９および加算回路２０に相当し、各チャンネルエコー信号に適切な遅延を付与し加算する。また、FIFO読出しアドレス発生回路５２は図２の書き込み／読み出し制御回路１９に対応している。

このような本発明の実施形態に拠れば、ユーザの指示により遅延量子化量を遅延量子化決定プロセスによって決め、その情報をビームフォーミング制御回路に出力することにより、ビーム幅の制御が可能になり、診断状況によって適応的にビームを形成できるようになる。

図６は本発明の他の実施形態を示す超音波診断装置のブロック図である。同図においては、図５に示す超音波診断装置の構成要素と同じかあるいはこれに相当する構成要素には同一番号を付し、特に必要な場合を除き詳細な説明は省略する。

図５の実施形態では送信および受信ビームフォーミングに同じ遅延量子化量を適用しているが、本実施形態においては、たとえば、「送信は太く、受信は細く」あるいはその逆の要求のように、送信ビームと受信ビームの太さを自由に選択できる超音波診断装置を提供するものである。

この装置においては、入力装置４１および遅延量子化量決定装置４２により、送信ビームフォーミング用の量子化精度を「T_QT」とし、受信ビームフォーミング用の量子化精度を「T_QT」とは異なる値の「T_QR」をそれぞれ出力し、それぞれ送信パルス発生回路５１およびFIFO読出しアドレス発生回路５２に供給する。すなわち、送信ビームフォーミングには「T_QT」、受信ビームフォーミングには「T_QR」という異なる量子化精度を適用できるようにしている。

本実施形態のその他の構成部分は図５の構成と同じであるため、それらの部分についての詳細な説明は省略する。

図７は本発明のさらに他の実施形態を示す超音波診断装置の構成を示すブロック図である。これまでの例では、受信ビームフォーマをFIFOメモリと加算器として説明してきたが、本実施形態においては、それとは異なる形態の受信ビームフォーマが用いられる。すなわち、この形態の受信ビームフォーマは、まず入力信号である受信信号に第１の混合器７１−１、７１−２を用いて直行検波を適用し、同相成分Iと直交成分Qのベースバンド信号をそれぞれバンドパスフィルタ７２−１，７２−２を介して得る。図中cos（ωc・Dn）と−sin（ωc・Dn）による掛け算が直交検波を表わす。次に同相成分Iと直交成分Qのベースバンド信号をＡＤ変換器７３−１、７３−２によりディジタル変換する。そして第２の混合器７４−１、７４−２を用いて、それらI/Q信号に係数を乗じたものどうしを第１の加算器７５−１、７５−２を用いて加算演算により位相を制御し、そのチャンネルに必要な遅延を付与する。そのようにして位相が揃えられた各チャンネルI/Q信号は、第２の加算器７６−１、７６−２により足し合わされ、受信ビームフォーミングが完遂される。

ここで、ビームフォーミングの精度は、係数coef_A/coef_Bによって決まる。これら遅延係数は一般には次のように表わせる。

ここで、ω_cはエコー信号の中心周波数で、D_nは(7)式で表わせるそのチャンネル固有の遅延時間である。上式で求まる係数を適用すると、各素子とフォーカス設定位置の関係において決まる受信遅延が正確に適用される。別の言い方をすると、受信ビームは最も細くなる。

ここで、本発明の趣旨にそってビーム幅を制御するため、前出の量子化パラメータ「T_QR」を用いて次のように遅延係数を計算する。

ここで[ ]は前出同様、整数化処理である。遅延時間を量子化するので、結果として制御されるI/Q信号の位相もある変化幅で段階的に変化することになる。形成される受信ビームは、正確なものでなくなり、そこからある変位を持ったものになる。つまり、ビーム幅が太くなる。

図８は本発明のさらに他の実施形態を示す超音波診断装置の構成を示すブロック図である。この実施形態においては、図７に示したようなI/Q信号を用いる受信ビームフォーマ（仮にI/Q受信ビームフォーマと呼ぶ）が適用されている。同図においては、図５に示す超音波診断装置の構成要素と同じかあるいはこれに相当する構成要素には同一番号を付し、特に必要な場合を除き詳細な説明は省略する。

この実施形態では、図５のFIFO読出しアドレス発生回路５２の代わりに遅延係数計算装置８１が用いられ、図５の受信ビームフォーミング制御回路５４の代わりにI/Q受信ビームフォーマ８２が用いられる。I/Q受信ビームフォーマ８２は図7に示すような動作を行う回路であり、量子化精度パラメータ「T_QR」を受け、上記の式（１１）（１２）に示すような遅延係数を出力する。

以上説明した本発明の実施形態によれば、従来一律に決まっていた超音波のビーム幅を、ユーザが使用目的に応じて制御できるようになる。特に微小血流を検出するような場合において、細く絞ったビームによってそれらを検出しにくくなる可能性のある場合に有効である。例えば、スキャン開始時は血流の有無をまず確認するため比較的太いビームを形成する。そのために、これまでの例でいうと例えば用いている周波数の波長の1/8の量子化精度で遅延を量子化する。この結果より広い範囲に対する感度を設定できるので、「カラーモードで見えたと思った血流がとれない」、というような事態をより少なくすることができる。血流の有無が確認できたら、次はより正確に位置を特定し、速度を確定する必要がある。そのためにビーム幅を絞り、システムが持っている最高の精度でより細かいスキャンをすることも可能である。
このように、特に微小血流検出能を上げることができ、確度の高い診断に寄与することができる。

以上、本発明をいくつかの実施形態により詳細に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の課題を説明するための超音波ビームと血流との位置関係を示す模式図である。 本発明が適用される超音波診断装置の受信回路構成の１例を示すブロック図である。 図３は遅延量ｄｎ（ｔ）の求め方を説明するための図である。 図４（Ａ）はビームフォーミング制御回路へ入力される「T_Q」とその決定処理過程を示すブロック図であり、（Ｂ）は遅延量子化量決定装置のより具体的な構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態を示す超音波診断装置のブロック図である。 本発明の他の実施形態を示す超音波診断装置のブロック図である。 本発明のさらに他の実施形態を示す超音波診断装置の構成を示すブロック図である。 本発明のさらに他の実施形態を示す超音波診断装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１−１、１１−２、１１−３、…、１１−Ｎ１ 超音波振動子
１２ ビーム
１３ 血流
１４−１、１４−２、１４−３、…、１４−Ｎ Ｔ/Ｒスイッチ
１５ 送信回路
１６−１、１６−２、１６−３、…、１６−Ｎ 受信回路
１７−１、１７−２、１７−３、…、１７−Ｎ ＡＤ変換器
１８−１、１８−２、１８−３、…、１８−Ｎ ＦＩＦＯメモリ
１９ 書き込み／読み出し制御回路
２０ 加算回路
４１ 量子化精度選択信号入力装置
４２ 遅延量子化量決定装置
４３ 送信ビームフォーミング制御回路
４４ 受信ビームフォーミング制御回路

Claims (6)

1. 超音波信号を送信あるいは受信するように配列された複数個の超音波振動子と、
   これらの超音波振動子に複数個の送受信切り換えスイッチを介して駆動パルス信号を供給する送信回路と、
   この送信回路へ供給される前記駆動パルスの遅延量を制御する送信ビームフォーミング制御回路と、
   前記各超音波振動子により受信された前記超音波信号が前記送受信切り換えスイッチを介してそれぞれ供給される複数個の受信回路と、
   これらの受信回路の出力信号がそれぞれ供給される受信ビームフォーミング制御回路と、を備え、
   固定焦点で血流速度を検出する診断モードを備えた超音波診断装置であって、
   前記受信ビームフォーミング制御回路は、さらに、
   入力装置と、
   この入力装置により選択されたビーム太さに基づいて遅延量子化量を決定する遅延量子化量決定装置と、
   前記遅延量子化量決定装置の決定した遅延量子化量に基づいて、遅延量に量子化を施す量子化回路と、
   前記各受信回路の出力信号に前記量子化された遅延量を付与する信号遅延回路と、
   この信号遅延回路により遅延された前記各受信信号の出力信号を合成する信号合成装置を備えること
   を特徴とする超音波診断装置。
2. 前記量子化回路は、前記送信ビームフォーミング制御回路が制御する遅延量に対しても量子化を施す
   請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記遅延量子化量決定装置の出力は前記送信ビームフォーミング制御回路にも供給され、送信及び受信ビームフォーミングの精度を、それぞれ独立に制御できることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
4. 前記送信及び受信ビームフォーミングの精度は前記量子化決定装置の決定した遅延量子化量により選択されることを特徴とする請求項３記載の超音波診断装置。
5. 前記駆動パルスの遅延量は、前記送受信超音波信号の中心周波数と前記遅延量の量子化精度に基づいて決定することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
6. スキャン開始時に荒い量子化精度により量子化した遅延量により形成した広いビーム幅でスキャンを行い、その後細かい量子化精度により量子化した遅延量により形成した狭いビーム幅でスキャンを行うことを特徴とする請求項５記載の超音波診断装置。

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