JPH048353A - 超音波信号処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超音波による物体の検出あるいは検査等に好
適な超音波信号処理方法およびそのための装置に関し、
特に、計測対象とする物体が運動するものである場合に
有効な超音波信号処理方法およびそのための装置に関す
る。

［従来の技術］ 医療診断用の超音波撮像装置、すなわち、超音波を用い
て人体内部を映像化し、これを基に診断を行う装置等に
おいては、運動している対象部位からの情報を得る必要
性は大きい。例えば、心臓に関連した各種診断情報は、
心臓の動きの影響を考慮しなければ、精度の高い情報を
得ることはできない。このため、心電波形を同期信号と
し、心臓の動きの周期性を利用して計測する方法が広く
行われている。また、周期性が利用できない場合には、
対象の動きに比べて十分高速な計測手段により、対象か
らの瞬間的な情報を得る方法が広く行われている。

また、これとは別に、特開昭６１−１７６３２６号公報
には、計測対象の動きに正確に追従して、計測装置と計
測対象との相対関係が所定の範囲内に納まるように制御
するようにした超音波診断装置が開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、従来の超音波診断装置においては、例えば、
日本電子機械工業会層［医用超音波機器ハンドブック」
（コロナ社、１９６０年刊）に記載されている如く、通
常は、送波１回ごとの受信信号を処理して映像化し、こ
れを表示する如く構成されていた。

しかし、超音波診断装置の高精度、高分解能化等の高性
能要求に対処するためには、より微弱な計測信号を取り
出すことが必要となり、上述の如く送波１回ごとの受信
信号を処理して映像化する方式ではＳ／Ｎの低下が避け
られないという問題が生じて来た。これに対しては、超
音波血流計、すなわち、超音波を応用して血流の速度を
計測する装置において行われている如く、複数回の送受
信の結果を加算して計測を行うことが考えられるが、計
測対象とする物体が運動するものである場合には、単純
な加算処理では、計測信号、特に微弱な計測信号が雑音
と同様に消去されてしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、従来の技術における上述の如き問題を解
消し、雑音の少ない信号検出が可能な、特に計測対象と
する物体が運動するものである場合に有効な超音波信号
処理方法およびそのための装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の上記目的は、超音波を対象物体に送信し、対象
物体からの反射または透過信号を受信してこれを処理す
る超音波信号処理方法において、複数の超音波受信信号
の受信時刻の変化を検出して前記対象物体の運動状況を
計測するステップと、前記複数の受信時刻の対象物体の
運動による変化を補正するステップと、受信時刻の変化
を補正した前記受信信号を加算するステップとを有する
ことを特徴とする超音波信号処理方法、および、超音波
を対象物体に送信し、対象物体からの反射または透過信
号を受信し、これを処理して映像化する超音波信号処理
装置において、複数の超音波受信信号の位相変化を検出
して前記対象物体の運動状況を計測する手段と、前記複
数の受信信号位相の対象物体の運動による変化を補正す
る手段と、位相の変化を補正した前記受信信号を加算す
る手段を有することを特徴とする超音波信号処理装置に
よって達成される。

〔作用１ 本発明に係る超音波信号処理方法においては、対象物体
の運動による受信信号の位相変化を検出して、これを補
正した上で加算するようにしたので、受信信号を雑音か
ら分離して多数加算することによる増強が可能になると
いう効果がある。

また、本発明に係る超音波信号処理装置においては、上
述の超音波信号処理方法に基づいて増強された計測信号
を映像化するようにしたので、Ｓ／Ｎの良い映像を得ら
れる超音波信号処理装置を実現することが可能となる。

なお、処理時間との関係においては、映像化に際して、
対象物体の全体の映像化は低周波信号により行い、対象
物体の一部分についてのみ高精度映像化を行うための高
周波信号を用いることが実際的である。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は、本発明の第一の実施例を示す超音波撮像装置
における信号処理のブロック構成図である。図において
、Ｔは信号源、ＴＲは送受波器、Ｘは計測対象物、Ｍｌ
−Ｍ４はメモリ、ＭＤは運動検出処理部、ＭＣは運動補
正処理部、ＡＤＤは信号加算器を示している。

本実施例に示す超音波撮像装置における信号処理の概要
は、以下の通りである。すなわち、本実施例においては
、信号源Ｔからの信号Ｓにより送受波器ＴＲを駆動し、
通常はビーム状の超音波により計測対象物Ｘを照射して
、反射信号Ｒを受信し、順次、メモリＭｌに記憶する。

この記憶内容は、図に示される如く、計測対象物Ｘの運
動によって時間的に変動する。この変動状況を運動検出
処理部ＭＤにより計測して、結果をメモリＭ２に記憶す
る。このようにして得られた運動情報を用いて、運動補
正処理部ＭＣは、メモリＭｌの内容の運動による変化分
を座標変換等の方法により補正し、その結果をメモリＭ
３に記憶する。このように運動の補正された受信信号を
信号加算器ＡＤＤにより各時刻毎に加算して、加算結果
をメモリＭ４に記憶する。

上述の如き処理を行うと、全受信信号が同相にて加算さ
れ、雑音は位相が不規則なため打ち消されることになる
。なお、上記運動検出処理部ＭＤの機能の詳細について
は、後述する。

第２図は、本発明の第二の実施例を示す超音波撮像装置
における信号処理のブロック構成図である。本実施例に
おいては、焦点深度により距離方向の空間分解能を付与
し、連続波を送信して映像化を行うものである。この場
合には、メモリＭｌの内容は位相変化であり、この位相
変化を運動検出処理１ｉ１ＭＤにより計測することによ
り運動検出が可能となる。この情報を利用して、運動補
正処理を行うと単一周波数の正弦波となる。この場合の
信号加算器ＡＤＤにおける加算処理は、フーリエ変換等
により行われる。この処理を収束位置を変化させて行う
ことにより映像化が可能となる。

第３図は、本発明の第三の実施例を示す超音波撮像装置
における信号処理のブロック構成図である。本実施例に
おいては、送波器ＴＲＩと受波器ＴＲ２を対向させ、透
過信号に対して同様の処理を行うものである。この場合
には、第２図に示した実施例と類似の位相処理が行われ
る。

上記実施例においては、説明を簡単にするために、全受
信信号を一旦記憶してから運動補正処理を行う例を示し
たが、第４図に示す如く、運動状況を順次推定し、受信
信号の運動変動を逐次補正することも可能である。本実
施例においては、運動検出処理部ＭＤの出力を運動補正
処理部ＭＣに印加することにより、受信信号Ｒの運動補
償を行い、運動補正処理部ＭＣの出力を加算する如く構
成したものである。

次に、本発明の第五の実施例を、第５図に基づいて説明
する。第５図は、前述の信号Ｓとして、本来の計測用信
号（ｂ部）よりも低周波の物体運動計測用の、超音波信
号（ａ部〕を併用する如く構成した例を示すものである
。ここでは、反射受信信号只の高周波成分を第５図のメ
モリＬｉ　］に記憶する。また、一方、低周波成分をメ
モリ〜１５に記憶する。低周波成分は低減衰のため、本
実施例によれば、高Ｓ／Ｎにて運動計測が可能となる。

上述の、低周波の物体運動計測用の超音波信号の他の構
成例を第６図に示す、第６図（ａ）に示す波形は、同（
ｂ）と同（Ｃ）に示す波形の和であり、高周波と低／＃
波の信号成分が含まれる。また、伝搬媒体の非線形性か
ら、第６図（ｄ）に示す波形を送信すると、波形が歪み
同（ｅ）に示す波形のようになる。この波形は同（ｆ）
に示す波形と同（ｇ）に示す波形との和であり、第５図
に示した信号Ｓと同様に、高周波成分と低周波成分が含
まれているので、これを利用して、前述の如き処理を行
うことにより、高Ｓ／Ｎにて運動計測が可能となる。

なお、例えば、第６図（ｈ）に示す短いパルス波形は、
同（１）に示す広い周波数成分を有する。そこで、受信
信号である同（ｊ）に示す低周波数成分を使用して、運
動計測を行うことも可能である。

次に、本発明の更に他の実施例を、第７図に基づいて説
明する。第７図は、信号Ｓとして、前述の高周波の計測
用信号（ｂ部）と低周波の物体運動計測用の超音波信号
（ａ部）とを交互に送信し、計測用信号（ｂ部）による
受信信号をメモリＭｌに、運動計測用信号（ａ部）によ
る受信信号をメモリＭ５に、切換えスイッチＳＷにより
選択記憶する例を示すものである。なお、ここで、加算
される信号ｃｂ部）の方を高い頻度で送信すると、加算
回数が増加して、Ｓ／Ｎ向上に有効である。

生体を対象にする場合には、心臓の拍動による運動が問
題となる。そこで、ＥＣＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｃａｒｄ
ｉｏ　Ｇｒａｐｈ）信号（心電信号）あるいはＵＣＧ（
Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｃａｒｄｉｏ　Ｇ　ｒａｐｈ）
信号（超音波心エコー信号）を使用し、上述の、運動計
測を心拍動に同期させることにより拡張期の安定した信
号を使用することができる。

第８図に示すように、広帯域の長時間信号を送波し、受
信信号と送信波形の相互相関を行い、この相関器出力に
関して、本信号処理を行う構成も可能である。この場合
の送信波形としては、擬似乱数、ＦＭ波、Ｍ系列波形、
パーカー系列等種々の波形が適用可能である。

広帯域信号を送信するような場合においては、このよう
な加算によりＳ／Ｎが向上した結果であるＭ４の内容を
高域強調し、距離分解能の向上を図ることもできる。ま
た、低周波から高周波までの広い帯域の信号が得られる
ことから、対象物質の減衰係数の周波数特性が高精度で
計測可能となる。この減衰情報を、この方式において得
られる映像情報あるいは運動情報と組み合わせる任意の
表示が可能である。

また、上述の各実施例に示した方法によって得た信号を
処理して映像化する超音波信号処理装置における映像化
に際して、第９図に示すように、全体の映像化を低周波
信号により行い、対象の一部分についてのみ運動補正し
た加算処理を行うことにより、比較的高速な映像装置が
構成できる。

ここで、全体の映像化を加算用（例えば、２０ＭＨ２）
あるいは、運動計測用（例えば、Ｉ　ＭＨｚ）と異なる
第三の信号（例えば、３〜３．５ＭＨｚ）により行うこ
とにより、それぞれ最適な動作を実現できる。

具体的に説明すると、成人の心拍周期は約１秒であり、
１　ｍ５ｅｃ以内の時間においては生体の運動変形が小
さく、通常の周波数の超音波によると１／４波長までの
位相変化は生じない。このため、本方式による装置にお
いて、加算を行う時間を１ｍ５ｅｃ以上　１　ｓｅｃ以
下とする構成が、生体計測において特に有効である。ま
た、生体中の超音波の減衰量から、前述の運動計測用の
信号の周波数は、１〜３ＭＨ２程度に選択するのが有効
である。画周波数の比が１．５倍以上になるようにする
と特に有効である。

第１Ｏ図は、受信信号の位相検出を行って、受信信号を
位相を示すデータに変換してからメモリＭ１に格納する
ようにした、一種の前処理の内容を説明するための図で
ある。

受信信号を二個の乗算器ＭＲ，ＭＩに印加し、正弦波信
号りを９０度位相差発生器ＨＢに印加し、発生した信号
ＤＲ，ＤＩとの乗算を行い、低周波成分を抽出すること
により複素信号を得る。受信信号Ｒを Ｒ＝、ＡＣＯ５（（１１，を十〇） ＤＲ＋　ｊ　Ｄ　ｒ　＝ｅｘｐ（ｊ　ωｄｔ　）とする
と、乗算器出力は Ａｃｏｓ（ω、を十〇）ｅｘｐ（ｊ　ωｄｔ　）＝（Ａ
／２）［ｅｘｐ（ｊ　（ω、を十〇））＋ｅＸｐ（、Ｂ
ω、ｔ＋０））］０ｅｘｐ（ｊω、シ） ＝（Ａ／２）［ｅｘｐ（ｊ　（（ω、＋ωｄ）シ十〇）
）＋ｅｘｐ（−ｊ　（（ω、−ωｄ）を十〇））コとな
る。このため、低域濾波器ＬＰＦの出力は（Ａ／２）［
ｅｘｐ（−ｊ　（（ω、−ω、＋）　を十〇））］＝Ｃ
Ｒ＋ｊ　ＣＩ となり、記憶容量の節約あるいは位相回転による運動補
正などが可能となる。特に、ω、＝ω４の場合において
は、位相情報の記憶となる。

例えば、第５図の波形Ｓを送信すると、受信信号は第１
１図Ｒとなる。この信号に対し第１２図＜８）の処理を
行う。ここで、ＴＧＣＩ、ＴＧＣ２は時間とともに増幅
度が変化する増幅器であり、各部分の波形は、それぞれ
第１１図ＲＨ−ＲＴ、の通すである。この処理により、
ＲＭは信号振幅の変化範囲が圧縮されるため、信号のア
ナログ−ディジタル変換器ＡＤの構成が簡単になる。ま
た、第１２図（ｂ）に示す如く、それぞれにアナログ−
ディジタル変換器ＡＤＩ、ＡＤ２を配置すると、それぞ
れに最適な変換器を選択可能となる。この場合において
は、ＡＤＩのビット数をＡＤ２のビット数よりも小さく
することができる。また、ＡＤ２の動作速度をＡＤＩの
動作速度よりも低くすることができる。

ここで、前述の運動検出処理部ＭＤの機能の詳細につい
て、第１３図に示す例により説明する。

メモリＭ１の内容の一つである反射信号Ｒの各時刻にお
ける位相を計測する場合を考える。第１３図に示す運動
検出処理部ＭＤの主要部（前半部）の構成は、第１Ｏ図
に示した位相検出部と同様であり、第１０図におけるω
、＝ω６の場合に相当する。

従って、図の信号ＣＲは、時刻しにおける受信信号Ｒの
位相θ、を有する Ｐ　、　（ｔ　）＝　（Ａ／２）ｅｘｐ（−ｊ　　θ、
（１，））となる。この値を、−時メモリＭＴに保存す
る。

同様に、信号ＣＩは時刻しにおける受信信号Ｒの位相θ
１を有する Ｐ、（ｔ、　）−（Ａ／２）ｅｘｐｆ−ｊ　θ、（１，
））となる。共役器ＣＰにより、この共役信号を求める
と、 Ｐ　、　客（ｔ　）　＝　（Ａ／２）ｅｘｐ（ｊ　θ、
（Ｌ））となる。この両者から、複素乗算器ＤＰにより
、Ｐ、（ｔ）・Ｐ、宰（１）を作ると、 Ｐ、（ｔ）・２１本（シ） ＝　（Ａ’／４）ｅｘｐ［ｊ　Ｉ　（３、（ｔ　）−〇
、（１））］となる。この位相角θ、（シ）−〇、（ｔ
）は反射体の移動距離に比例するため、換算テーブルＣ
Ｔにより、移動距離が算出可能である。

これとは別に、送受波器内部の不要反射など、移動しな
い固定信号が発生する。この信号は加算処理により大き
く成長するため問題となる場合がある。この場合には、
実際の対象についての計測の前に、これら不要反射によ
る信号を計測し記憶しておく構成とし、実際の信号から
これら不要信号を減算する二とが可能である。

以上は、説明を簡単にするために、最も重要な距離方向
の変動の補正のみにつき説明したが、加算時間を極端に
大きくする場合には、方位方向の運動も問題になる。こ
の場合には、方位方向の運動検出部を追加することによ
り対応が可能であることは言うまでもないことである。

なお、本方式は、上に述べた実施例に限られるものでは
なく、従来から超音波信号を利用している大多数の分野
に応用できることは明白である。

［発明の効果］ 以上、詳細に説明した如く、本発明によれば、対象物体
の運動による受信信号の位相変化を検出して、これを補
正した上で加算するようにしたので、受信信号を雑音か
ら分離して多数加算することによる増強が可能になると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図、第７図、第８図は本発明の実施例を示
すブロック構成図、第６図は本方式の運動測定信号の構
成法の説明図、第９図は部分領域信号処理方法の説明図
、第１０図は位相検出方法の説明図、第１１図は各部の
受信信号波形、第１２図はアナログ−ディジタル変換部
の構成例を示す図、また、第１３図は運動検出処理部の
構成例を示すブロック図である。 Ｓ：送信信号、Ｒ：受信信号、Ｔ二信号源、ＴＲ：送受
波器、Ｍｌ−Ｍ５：記憶部、ＭＤ、運動検出処理部、Ｍ
Ｃ：運動補正処理部、ＡＤＤ　：信号加算部、ＨＰＦ　
：高域濾波器、ＬＰＦ　：低域濾波器、ＳＷ：切換えス
イッチ、ＣＯＲ：相関器、ＭＲ，ＭＩ：乗算器、ＨＢ・
９０度位相差発生器、ＭＴコニ−時モリ、ＣＰ：共役器
、ＤＰ：Ｗ累乗算器、ＣＴ・換算テーブル。 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図（そのｌ） 第 図（その２） 第 図 第 図（その３） 第 図 ＯＲ 第 図 第 図 Ｒ ＰＦ ）ＪＢ 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波を対象物体に送信し、対象物体からの反射ま
   たは透過信号を受信してこれを処理する超音波信号処理
   方法において、複数の超音波受信信号の受信時刻の変化
   を検出して前記対象物体の運動状況を計測するステップ
   と、前記複数の受信時刻の対象物体の運動による変化を
   補正するステップと、受信時刻の変化を補正した前記受
   信信号を加算するステップとを有することを特徴とする
   超音波信号処理方法。 ２、前記対象物体の運動状況を計測するステップが、前
   記複数の超音波受信信号のすべてを一旦記憶し、該記憶
   された受信信号から対象物体の運動状況を計測するステ
   ップであることを特徴とする請求項１記載の超音波信号
   処理方法。 ３、前記対象物体の運動状況を計測するステップにおい
   て、前記加算される計測対象信号よりも低周波の物体運
   動計測用の超音波信号を用いることを特徴とする請求項
   １記載の超音波信号処理方法。 ４、前記低周波の物体運動計測用超音波信号と前記加算
   される計測対象信号との周波数の比が、１：１．５以上
   であることを特徴とする請求項３記載の超音波信号処理
   方法。 ５、前記低周波の物体運動計測用超音波信号が、前記加
   算される計測対象信号と実質的に同時に送信されること
   を特徴とする請求項３記載の超音波信号処理方法。 ６、前記低周波の物体運動計測用超音波信号と摩記加算
   される計測対象信号とが交互に送信されることを特徴と
   する請求項３記載の超音波信号処理方法。 ７、前記加算される計測対象信号を、前記低周波の物体
   運動計測用超音波信号より高頻度で送信することを特徴
   とする請求項６記載の超音波信号処理方法。 ８、前記対象物体の運動状況を計測するステップにおい
   て使用する前記複数の受信信号を、心拍動に同期させる
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波信号処理方法。 ９、前記対象物体の運動状況を計測するステップの前処
   理として、広帯域の信号を送信し、受信信号と送信波形
   との相互相関を行うことを特徴とする請求項１記載の超
   音波信号処理方法。 １０、前記広帯域の信号波形を、不規則波形としたこと
   を特徴とする請求項９記載の超音波信号処理方法。 １１、前記対象物体の運動状況を計測するステップの前
   処理として、前記複数の受信信号の位相検出処理を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波信号処理方法。 １２、超音波を対象物体に送信し、対象物体からの反射
   または透過信号を受信し、これを処理して映像化する超
   音波信号処理装置において、複数の超音波受信信号の位
   相変化を検出して前記対象物体の運動状況を計測する手
   段と、前記複数の受信信号位相の対象物体の運動による
   変化を補正する手段と、位相の変化を補正した前記受信
   信号を加算する手段を有することを特徴とする超音波信
   号処理装置。 １３、前記映像化に際して、対象物体の全体の映像化を
   低周波信号により行い、対象物体の一部分についてのみ
   高精度映像化を行うための高周波信号を用いることを特
   徴とする請求項１２記載の超音波信号処理装置。 １４、前記映像化に使用する低周波信号は、前記物体運
   動計測用信号の周波数より高く、計測対象信号の周波数
   より低い、第三の周波数を有するものであることを特徴
   とする請求項１３記載の超音波信号処理装置。