JP6535383B2 - 超音波診断システム及び超音波診断システムの作動方法 - Google Patents
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Description
従来の超音波診断システムでは、超音波を被検体に照射して、当該被検体から反射される反射波を解析することで被検体の断層画像を作成している。音は疎密波であるため、超音波の音圧は、当該超音波の進行方向に対しては変動しながら伝番する。超音波診断においては、被検体中に存在する散乱体によって散乱されたエコー信号を受信する。従来の超音波診断システムは、散乱体の位置の時間変動に起因するエコー信号の変動を測定することで、対象物の動きを検出することができる。
本発明の一つの実施形態に係る超音波診断システム10は、人体等の被検体に超音波を照射し、反射される反射波(以下、同一場所に対して異なる時間に取得された複数の反射波から解析して対象の時間変化成分を抽出した信号を「ドップラー信号」とも呼ぶ。)を用いて、被検体内の組織、特に血流を撮像するためのシステムとして構成される。被検体は、人体もしくはその構成部位であり、手、腕、足、臀部、***等が挙げられる。本実施形態に係る超音波診断システム10では、被検体T内の血流の流量と流速を計測することができる。癌細胞が発生した箇所には新生血管と呼ばれる血管が新たに形成されるため血管の密度が高くなる。超音波診断システム10は、血流量と血流速とを計測して計測結果を画像化することができる。医師は、超音波診断システム10の撮像画像を確認することで、悪性腫瘍(以下、悪性腫瘍のことを「癌」とも呼ぶ。)等の病変を診断することができる。以下、超音波診断システム10の構成について図1を参照しながら説明する。
送受信回路120は、リングアレイRの素子に制御信号(電気的信号)を送信し、超音波の送受信を制御する。たとえば、送受信回路120は、素子に対して送信する超音波の周波数や大きさ、波の種類(連続波やパルス波等)、後述する演算回路130が血流の流量や流速を計測するために素子から収集する受信データの数(以下、収集する受信データの数、即ち演算に用いるための、被検体T内における同一部位からのデータの時間変化成分を所得するために複数回の送受信における送受信の回数を「パケット数」とも呼ぶ。)の指示を送る。本実施形態では、一例として、パケット数を8とし、送受信回路120は、一度に、256素子を駆動させる制御信号を送信するものとする。
まず、超音波診断システム10の血流量計測処理について説明する。
ここでは、リングアレイRを構成する全てもしくは概略全ての素子で構成される送受波面(以下全開口)を用いて超音波の送受信を行うことにより血流の流量を計測する場合について説明する。本実施形態に係る送受信回路120は、同時に制御できる素子の数が256となるように構成されている。そのため、スイッチ110によって素子を4つおきの駆動を4回繰り返すことで超音波診断システム10は、全開口の受信データを収集することができる。
次に、血流速計測処理について説明する。従来のドップラー信号を用いて速度ベクトルを計測する装置の場合、血流の速度成分のうち、超音波の伝搬方向のみしか動きを検出できない。そこで、本実施形態に係る超音波診断システム10では、異なる2方向に反射したドップラー信号を解析することで計測した、各方向の速度ベクトルを合成することで、血流の流速を算出することができる。なお、本実施形態においては、互いに直交する2方向のドップラー信号を解析するものとして説明するが、解析に用いられるのは反射角が互いに異なるドップラー信号であればよく、直交するものに限定されない。
流速計測処理における素子の超音波送受信の制御方法として、たとえば構成1〜2の2つの方法があげられる。
図4は、構成1における超音波の送受信の様子を模式的に示している。構成1では、超音波診断システム10は、45度(第1の角度の一例である。)の方向D1から超音波を送信し、直交する、0度(第2の角度の一例である。)と90度(第3の角度の一例である。)とをそれぞれ中心軸とする2方向においてドップラー信号を受信する。なお、ここでは角度とは、送信開口の中心部及び送信焦点を結んだベクトルと、予め設定された基準線(例えば、素子e0と素子e1024の間の位置と円の中心を結んだ直線)との間の角度のことをいう。
図4(A)は、45度の方向D1から超音波が送信され、0度を中心軸とするドップラー信号が受信される様子を模式的に示す図である。図4(B)は、45度の方向D1から超音波が送信され、90度を中心軸とするドップラー信号が受信される様子を模式的に示す図である。
送受信回路120が所定の周波数の超音波を送受信するための制御信号をパケット数分、生成する。スイッチ110は、0〜90度の位置に配置された素子e1〜256が送信する超音波が、挿入部SPの中点に同時に到達するように、順次、制御信号を伝達し駆動させる。例えば幾何学的な中心位置に集束させる場合は、素子e1からe256まで全て遅延時間を0に設定して制御信号を伝達する。制御信号を与えられた順に、駆動素子が超音波を送信する(S101)。
図9(a)(b)は、45度の方向D1から超音波を送信し、0度(図9(a))と90度(図9(b))とをそれぞれ中心軸とする2方向においてドップラー信号を受信した場合の感度の空間分布(点応答関数)を示す図である。この場合、図9(a)と、(b)に示す点応答関数の傾きの差が成す角度は、90度とはなっていない。
他方、図9(c)(d)は、45度の方向D1から超音波を送信し、直交する、135度(図9(c))と−45度(図9(d))とをそれぞれ中心軸とする2方向においてドップラー信号を受信した場合の感度の空間分布(点応答関数)を示す図である。この場合、図9(c)と(d)とに示した点応答関数の傾きの差が成す角度は90度に広がっている。これによって、あらゆる方向における血流の速度ベクトルを撮像することが可能になる。この一例のように、点応答関数の傾きの差が成す角度が90度となるように、受信位置を設定することが好ましい。
図6は、構成2における超音波の送受信の一例を模式的に示している。構成2では、たとえば、超音波診断システム10は、45度の方向D1において超音波を送受信し、次いで135度の方向D2において超音波を送受信する。図6(A)は、45度の方向D1から超音波が送信され、45度を中心軸とするドップラー信号が受信される様子を模式的に示す図である。図6(B)は、135度の方向D2から超音波が送信され、135度を中心軸とする方向のドップラー信号が受信される様子を模式的に示す図である。
送受信回路120が所定の周波数の超音波を送受信するための制御信号をパケット回数分、生成する。スイッチ110は、0〜90度の位置に配置された素子e1〜256が送信する超音波が挿入部SPの中点に同時に到達するように、順次、制御信号を伝達し駆動させる。具体的には送信フォーカス位置と素子位置の距離を推定音速で除した値を元に設定した遅延時間を用いて制御信号を伝達する。制御信号を与えられた順に、駆動素子が超音波を送信する(S201)。さらにスイッチ110は、0〜90度の位置に配置された素子e1〜256に対して制御信号を伝達させ、ドップラー信号を受信させる(S202)。
パケット回数分(本実施形態においては8パケット分)の受信データが収集されると、演算回路130が、後述する、流速算出処理により、位相変化を抽出し、45度と135度との位置の速度ベクトルを算出する。演算回路130は、算出した45度と135度との速度ベクトルを合成することで血流の流速を推定する(S206)。撮像視野内のスキャンが完了していない場合(S208:NO)、リングアレイRを上下に移動させ、素子が超音波を送受信する焦点位置を移動させる(S207)。このS201〜S208の処理が、撮像視野内のスキャンが完了するまで(S208:YES)、繰り返される。
次に、演算回路130による流速算出処理について説明する。
演算回路130は、受信したドップラー信号に基づいて血流の速度ベクトルを解析する。図8(A)は受信素子が受信した8パケット分のドップラー信号の波形を示している。図8(A)のグラフの横軸は、各パケットにおいて、素子が超音波を送信してからの相対的な経過時間を示している。図8(B)のグラフは、図8(A)の各パケットのドップラー信号の基準時間における振幅をプロットしたものである。音は正弦関数の波形であるため、パケット間の基準時間における位相の変化(図8(B)のグラフの傾き)が、血流の速度を示すことになる。
上記の1.から3.までの説明では、二方向の速度推定ステップと、速度成分毎に体動と血流を分解して体動除去を行なうステップから構成される例に関する説明を行った。ここでは、体動及び血流から構成される動きに関して、二方向の情報を同時に用いて、体動除去を行う手法について説明する。
1.点応答関数の異方性を小さく(図3)することで、エコー信号に二方向の動き成分が含まれるように構成し、一つの空間vs時間の二次元Casorati行列を構成する。
2.A方向vs時間と、B方向vs時間の二つの2次元Casorati行列を空間次元方向(図12(B)の縦の向き)に連結して、図12(B)に示すように、一つのCasorati行列を構成する。(この方法の小さなアレンジとしては、図12(B)に示すように上半分と下半分に方向Aと方向Bを並べるのとは異なり、縞々になるように方向Aと方向Bを交互に入れ込む再配列法などもある。)
これらの方法で構成された2次元のCasorati行列に含まれる体動と血流の分解には、Casorati行列の共分散行列に対する特異値分解や、非負値行列因子分解、などの主成分分析などの分野で広く使われている方法などが適用可能である。
点応答関数としては、方向Aに対応する点応答関数と、方向Bに対応する点応答関数(いずれも形状は図4や図6に示す一組の形状となる)。図13は、散乱体分布に対して、体動と血流を模擬した動きを与えた128フレームの空間分布データを時間方向に投影した結果を示すものである。ここでは説明のために、体動を模擬する散乱体の数を2の6乗個、血流を模擬する散乱体の数も2の6乗個として、それぞれの輝度比を1として可視化しているが、以下の実際の計算においては、体動を模擬する散乱体の数を2の12乗個、血流の動きを模擬する散乱体の数を2の10乗個として、血球の輝度が体組織の輝度の1/10となるように設定した。血流は撮像面内を円環状に流れ、体動は一方向にsin波に従った速度変化をするように与えた(128フレームで1周期。振幅は画素空間のピクセル間隔の40倍)
以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
また例えば、超音波診断システム10は、撮像視内を、血流の流量の測定を行うパケット(全開口で送受信)と流速の測定を行うパケット(開口制限で送受信)とを交互に行ってスキャンするものとしても良い。
110 スイッチ
120 送受信回路
130 演算回路
140 画像表示装置
R リングアレイ
T 被検体
SP 挿入部
e1〜1024 素子
P01〜04 凹面型振動子
Claims (13)
- 被検体の周囲に配置され、超音波の送信又は受信の少なくともいずれかを行う複数の素子と、
前記複数の素子のうち、第1の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記被検体内の診断対象に対して、第1の角度で超音波を送信し、前記複数の素子のうち第2の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記診断対象から第2の角度で反射される前記超音波の反射波を受信し、前記複数の素子のうち第3の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記診断対象から前記第2の角度とは異なる第3の角度で反射される前記超音波の反射波を受信するように、前記複数の素子を制御する制御部と、
前記第2の領域に配置された素子の少なくとも一部が受信した反射波と前記第3の領域に配置された素子の少なくとも一部が受信した反射波とに基づいて、前記診断対象の速度ベクトルを演算する演算部と、
を備える超音波診断システム。 - 被検体の周囲に配置され、超音波の送信又は受信の少なくともいずれかを行う複数の素子と、
前記複数の素子のうち、第1の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記被検体内の診断対象に対して、第1の角度で第1の超音波を送信し、前記複数の素子のうち前記第1の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記診断対象から前記第1の角度で反射される前記第1の超音波の反射波を受信し、前記複数の素子のうち、第2の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記診断対象に対して、第2の角度で第2の超音波を送信し、前記複数の素子のうち前記第2の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記診断対象から前記第2の角度で反射される前記第2の超音波の反射波を受信するように、前記複数の素子を制御する制御部と、
前記第1の領域に配置された素子の少なくとも一部が受信した反射波と前記第2の領域に配置された素子の少なくとも一部が受信した反射波とに基づいて、前記診断対象の速度ベクトルを演算する演算部と、
を備える超音波診断システム。 - 前記演算部は、さらに、
前記診断対象中を流れる流体の速度を計測する、速度ベクトルを計測するモードと、流量を計測するモードとを有し、
前記速度ベクトルを計測するモードにおける前記超音波の送信を行う素子が分布する第1の範囲と、前記超音波の受信を行う素子が分布する第2の範囲と、前記流量を計測するモードにおける前記超音波の送信を行う素子が分布する第3の範囲と、前記超音波の受信を行う素子が分布する第4の範囲とにおいて、前記第1の範囲が前記第3の範囲より狭い、または前記第2の範囲が前記第4の範囲より狭い、請求項1または2に記載の超音波診断システム。 - 前記演算部は、
前記速度ベクトルの計測を行うモードにおいて、前記速度ベクトルにおける速度成分ごとに異なるカットオフ値を設定する体動除去フィルタを備えることを特徴とする、請求項3に記載の超音波診断システム。 - 前記演算部は、
前記反射波の受信時において受信フォーカス毎に、独立した時間軸を設定し、異なる時相に取得された信号間の相互相関の演算において、相互相関の計算軸に前記独立した時間軸を用いることを特徴とする、請求項1または2に記載の超音波診断システム。 - 被検体の周囲に配置され、超音波の送信又は受信の少なくともいずれかを行う複数の素子と、
前記複数の素子のうち少なくとも第1の領域に配置された素子によって、前記被検体内の診断対象から反射される第1の超音波の反射波を受信し、前記複数の素子のうち少なくとも第2の領域に配置された素子によって、前記診断対象から反射される第2の超音波の反射波を受信するように、前記複数の素子を制御する制御部と、
前記第1の領域に配置された素子が受信した前記第1の超音波の反射波から第1の画像の撮像を行い、前記第2の領域に配置された素子が受信した前記第2の超音波の反射波から第2の画像の撮像を行い、前記第1の画像と前記第2の画像のそれぞれについて、画像を並べ替えて構成されるベクトルを時間方向に並べた2つの行列の算出を行い、前記2つの行列を時間方向と直交する方向に並べた第3の行列の算出を行い、前記第3の行列から、前記診断対象の血流情報を抽出する、演算部とを備える超音波診断システム。 - 被検体の周囲に配置され、超音波の送信又は受信の少なくともいずれかを行う複数の素子と、
前記複数の素子のうち少なくとも第1の領域に配置された素子によって、前記被検体内の診断対象に第1の超音波を送信し、前記複数の素子のうち少なくとも第2の領域に配置された素子によって、前記診断対象に第2の超音波を送信するように、前記複数の素子を制御する制御部と、
前記第1の領域に配置された素子が送信した前記第1の超音波の反射波から第1の画像の撮像を行い、前記第2の領域に配置された素子が送信した前記第2の超音波の反射波から第2の画像の撮像を行い、前記第1の画像と前記第2の画像のそれぞれについて、画像を並べ替えて構成されるベクトルを時間方向に並べた2つの行列の算出を行い、前記2つの行列を時間方向と直交する方向に並べた第3の行列の算出を行い、前記第3の行列から、前記診断対象の血流情報を抽出する、演算部とを備える超音波診断システム。 - 前記演算部は、
前記第3の行列から体動と血流に分離を行い、体動を除去するフィルタを備えたことを特徴とする、請求項6又は7に記載の超音波診断システム。 - 前記体動を除去するフィルタは、特異値分解もしくは固有値分解であることを特徴とする、請求項8に記載の超音波診断システム。
- 被検体の周囲に配置され、超音波の送信又は受信の少なくともいずれかを行う複数の素子を備える超音波診断システムの作動方法であって、
前記複数の素子のうち第1の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記被検体内の診断対象に対して、第1の角度で超音波を送信し、前記複数の素子のうち第2の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記診断対象から第2の角度で反射される前記超音波の反射波を受信し、前記複数の素子のうち第3の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記診断対象から前記第2の角度とは異なる第3の角度で反射される前記超音波の反射波を受信するように、前記複数の素子を制御するステップと、
前記第2の領域に配置された素子の少なくとも一部が受信した反射波と前記第3の領域に配置された素子の少なくとも一部が受信した反射波とに基づいて、前記診断対象の速度ベクトルを演算するステップと、
を備える超音波診断システムの作動方法。 - 被検体の周囲に配置され、超音波の送信又は受信の少なくともいずれかを行う複数の素子を備える超音波診断システムの作動方法であって、
前記複数の素子のうち、第1の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記被検体内の診断対象に対して、第1の角度で第1の超音波を送信し、前記複数の素子のうち前記第1の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記診断対象から前記第1の角度で反射される前記第1の超音波の反射波を受信し、前記複数の素子のうち、第2の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記診断対象に対して、第2の角度で第2の超音波を送信し、前記複数の素子のうち前記第2の領域に配置された素子の少なくとも一部によって、前記診断対象から前記第2の角度で反射される前記第2の超音波の反射波を受信するように、前記複数の素子を制御するステップと、
前記第1の領域に配置された素子の少なくとも一部が受信した反射波と前記第2の領域に配置された素子の少なくとも一部が受信した反射波とに基づいて、前記診断対象の速度ベクトルを演算するステップと、
を備える超音波診断システムの作動方法。 - 被検体の周囲に配置され、超音波の送信又は受信の少なくともいずれかを行う複数の素子と、
前記複数の素子の一部を構成する素子から被検体内の診断対象に対して超音波を送信し、前記診断対象から反射される前記超音波の反射波を、前記診断対象からの反射角度が互いに異なる領域に配置された2つ以上の開口によって受信するように、前記複数の素子を制御する制御部と、
前記2つ以上の開口を構成する素子群がそれぞれ受信した反射波に基づいて、前記診断対象の速度ベクトルを演算する演算部と、
を備える超音波診断システム。 - 被検体の周囲に配置され、超音波の送信又は受信の少なくともいずれかを行う複数の素子と、
前記複数の素子のうち、第1の領域に配置された素子から被検体内の診断対象に対して第1の超音波を送信し、前記診断対象から反射される前記第1の超音波の反射波を、前記第1の領域に配置された素子で受信し、
前記複数の素子のうち、第2の領域に配置された素子から前記診断対象に対して第2の超音波を送信し、前記診断対象から反射される前記第2の超音波の反射波を、前記第2の領域に配置された素子で受信するように、前記複数の素子を制御する制御部と、
前記第1の超音波の反射波と前記第2の超音波の反射波とに基づいて、前記診断対象の速度ベクトルを演算する演算部と、
を備える超音波診断システム。
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