JP2014083360A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波診断においてＣＷＤ法を利用した計測を行う場合において、方位方向及び深さ方向への同時計測を可能とする超音波診断装置を提供すること。
【解決手段】異なる中心周波数を有する複数の第１の送信波を周波数変調し合成することで第２の送信波を生成し、第２の送信波を連続的に送信し、周波数変調された第２の送信波に対応する反射波を受信し、当該反射波に基づく第１の受信信号を発生し、周波数変調に関する帯域幅に対応し中心周波数毎に設けられたバンドパスフィルタを用いて、第１の受信信号から複数の方位方向に対応する複数の第２の受信信号を抽出し、各第２の受信信号を復調し、復調された各第２の受信信号を周波数解析し、各方位方向の深さ方向に関する距離情報を算出し、各方位方向の深さ方向に関する距離情報に基づいて超音波画像を生成し表示する。
【選択図】図７

Description

連続超音波（ＣＷ:continuous wave）を用いた連続波ドプラ（ＣＷＤ:continuous wave Doppler）計測を実施する場合に、方位方向及び深さ方向への同時計測を可能とする超音波診断装置に関する。

超音波診断装置は、超音波プローブに設けられた振動子から発生する超音波パルスを被検体内に放射し、被検体組織の音響インピーダンスの差異によって生ずる超音波反射波を前記振動子により受信して生体情報を収集するものである。超音波プローブを体表に接触させるだけの簡単な操作で画像データのリアルタイム表示が可能であり、例えば、心臓等、動きのある対象物を観察出来るため、循環器領域、各種臓器の形態診断や機能診断に広く用いられている。

この様な超音波診断装置を用いた超音波診断において、ＣＷＤ法と呼ばれる血流速度の計測方法がある。この手法は、連続波の超音波を用いてドプライメージングを行うことにより、血流速度を計測するものであり、一般的に深部の高速血流の計測に用いられている。

特開２００８−６３８２９号公報 特開２００５−２３３９１号公報

従来のＣＷＤ法は、ＰＷＤ法と異なり距離分解能がない。また、複数ビームの同時収集もできない。前者は最近ＦＭＣＷ技術が検討され対応できる可能性が大きいが、後者は連続波送信しながらビームを揺動するといった原理的な問題があり解決困難である。

上記事情を鑑みてなされたもので、超音波診断においてＣＷＤ法を利用した計測を行う場合において、方位方向及び深さ方向（距離方向）への分解能を持った同時計測を可能とする超音波診断装置を提供することを目的としている。

一実施形態に係る超音波診断装置は、超音波プローブを介して、異なる中心周波数を有する複数の第１の送信波を周波数変調し合成することで第２の送信波を生成し、前記第２の送信波を連続的に送信する送信ユニットと、前記超音波プローブを介して前記周波数変調された第２の送信波に対応する反射波を受信し、当該反射波に基づく第１の受信信号を発生する受信ユニットと、前記周波数変調に関する帯域幅に対応し前記中心周波数毎に設けられたバンドパスフィルタを用いて、前記第１の受信信号から複数の方位方向に対応する複数の第２の受信信号を抽出するフィルタユニットと、前記各第２の受信信号を復調する復調ユニットと、前記復調された各第２の受信信号を周波数解析し、各方位方向の深さ方向に関する距離情報を算出する解析ユニットと、前記各方位方向の深さ方向に関する距離情報に基づいて超音波画像を生成する画像生成ユニットと、前記超音波画像を表示する表示ユニットと、を具備することを特徴とする超音波診断装置である。

以上本発明によれば、超音波診断においてＣＷＤ法を利用した計測を行う場合において、方位方向及び深さ方向（距離方向）への分解能を持った同時計測を可能とする超音波診断装置を実現することができる。

図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１のブロック構成図を示している。 図２は、周波数分割したＦＭＣＷＤ機能を実現する超音波送信ユニット２１の構成を示した図である。 図３は、周波数分割したＦＭＣＷＤ機能に従う送信処理を説明するための図である。 図４は、周波数分割したＦＭＣＷＤ機能に従う送信処理を説明するための図である。 図５は、周波数分割したＦＭＣＷＤ機能に従う送信ビームを説明するための図である。 図６は、本周波数分割したＦＭＣＷＤ機能を実現する超音波受信ユニット２２の構成を示した図である。 図７は、周波数分割したＦＭＣＷＤ機能に従う受信処理を説明するための図である。 図８は、本応用例に係る復調処理を説明するための概念図である。 図９（ａ），（ｂ）は、応用例に係る復調処理の効果を説明するための図である。 図１０は、応用例に係る復調処理の効果を説明するための図である。

以下、実施形態を図面に従って説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

図１は、本実施形態に係る超音波診断装置１のブロック構成図を示している。同図に示すように、本超音波診断装置１は、超音波プローブ１２、入力装置１３、モニター１４、超音波送信ユニット２１、超音波受信ユニット２２、Ｂモード処理ユニット２３、ドプラ・血流検出ユニット２４、画像生成ユニット２５、画像メモリ２６、表示処理ユニット２７、制御プロセッサ（ＣＰＵ）２８、記憶ユニット２９、インタフェースユニット３０を具備している。以下、個々の構成要素の機能について説明する。

超音波プローブ１２は、被検体に対して超音波を送信し、当該送信した超音波に基づく被検体からの反射波を受信するデバイス（探触子）であり、その先端に複数の超音波振動子、整合層、バッキング材等を有している。超音波振動子は、超音波送信ユニット２１からの駆動信号に基づきスキャン領域内の所望の方向に超音波を送信し、当該被検体からの反射波を電気信号に変換する。整合層は、当該超音波振動子に設けられ、超音波エネルギーを効率良く伝播させるための中間層である。バッキング材は、当該超音波振動子から後方への超音波の伝播を防止する。当該超音波プローブ１２から被検体Ｐに超音波が送信されると、当該送信超音波は、体内組織の音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、エコー信号として超音波プローブ１２に受信される。このエコー信号の振幅は、反射することになった不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。また、送信された超音波パルスが、移動している血流で反射された場合のエコーは、ドプラ効果により移動体の超音波送受信方向の速度成分に依存して、周波数偏移を受ける。

なお、本超音波プローブ１２は、ＣＷＤ送受信が可能な帯域を有するものである。また、複数の超音波振動子が一次元に配列された一次元アレイプローブ、複数の超音波振動子が二次元に配列された二次元アレイプローブのいずれであってもよい。

入力装置１３は、装置本体１１に接続され、オペレータからの各種指示、条件、関心領域（ＲＯＩ）の設定指示、種々の画質条件設定指示等を装置本体１１にとりこむための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、マウス、キーボード等を有している。

モニター１４は、表示処理ユニット２７からのビデオ信号に基づいて、生体内の形態学的情報や、血流情報、各方位方向毎のドプラ波形等を表示する。

超音波送信ユニット２１及び超音波受信ユニット２２は、後述する周波数分割したＦＭＣＷＤ機能を実現するための送信、受信を実行する。超音波送信ユニット２１及び超音波受信ユニット２２の構成・動作については、後で詳しく説明する。

Ｂモード処理ユニット２３は、受信ユニット２２からエコー信号を受け取り、対数増幅、包絡線検波処理などを施し、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータを生成する。

ドプラ・血流検出ユニット２４は、受信ユニット２２から受け取ったエコー信号から血流信号を抽出・解析し、ドプラ波形、血流データとしての平均速度、分散、パワー等の血流情報を求める。また、ドプラ・血流検出ユニット２４は、後述する同時多方向ＣＷＤ機能に従って各方位方向毎のドプラ偏移周波数を検出し、各方位方向毎のドプラ波形、血流データとしての平均速度、分散、パワー等の血流情報を求める。

画像生成ユニット２５は、Ｂモード処理ユニット２３、画像メモリ２６から受け取った二次元的或いは三次元的なＲＡＷデータをＲＡＷ−ピクセル変換（或いはボクセル変換）を実行することにより、二次元或いは三次元画像データを生成する。また、画像生成ユニット２５は、生成した画像データに対して、ボリュームレンダリング、多断面変換表示（ＭＰＲ：multi planar reconstruction）、最大値投影表示（ＭＩＰ：maximum intensity projection）等の所定の画像処理を行う。なお、ノイズ低減や画像の繋がりを良くすることを目的として、画像生成ユニット２５の後に二次元的なフィルタを挿入し、空間的なスムージングを行うようにしてもよい。

画像メモリ２６は、例えばＢモード処理ユニット２３から受け取った複数のＢモードデータを用いて、二次元的或いは三次元的なＢモードＲＡＷデータを生成する。

表示処理ユニット２７は、画像生成ユニット２５において生成・処理された各種画像データに対し、ダイナミックレンジ、輝度（ブライトネス）、コントラスト、γカーブ補正、ＲＧＢ変換等の各種を実行する。

制御プロセッサ２８は、情報処理装置（計算機）としての機能を持ち、本超音波診断装置本体の動作を制御する。制御プロセッサ２９は、記憶ユニット３１から後述する周波数分割したＦＭＣＷＤ機能を実現するための制御プログラムを読み出して自身が有するメモリ上に展開し、同時多方向ＣＷＤに関する制御、同機能によって得られた各方位方向に関するドプラ信号を用いた計算（コンパウンド、信号強度の空間分布、自動角度補正、血流速度の血管内分布、診断指標値等の計算）を実行する。

記憶ユニット２９は、後述する周波数分割したＦＭＣＷＤ機能を実現するための制御プログラムや、診断情報（患者ＩＤ、医師の所見等）、診断プロトコル、送受信条件、スペックル除去機能を実現するためのプログラム、ボディマーク生成プログラム、映像化に用いるカラーデータの範囲を診断部位毎に予め設定する変換テーブル、その他のデータ群が保管されている。また、必要に応じて、図示しない画像メモリ中の画像の保管などにも使用される。記憶ユニット２９のデータは、インタフェースユニット３０を経由して外部周辺装置へ転送することも可能となっている。

インタフェースユニット３０は、入力装置１３、ネットワーク、新たな外部記憶装置（図示せず）に関するインタフェースである。当該装置によって得られた超音波画像等のデータや解析結果等は、インタフェースユニット３０よって、ネットワークを介して他の装置に転送可能である。

（周波数分割したＦＭＣＷＤ機能）
次に、本超音波診断装置１が具備する周波数分割したＦＭＣＷＤ機能について説明する。当該機能は、方位方向及び距離方向（深さ方向）の双方に分解能をもつＣＷＤを実現する技術である。すなわち、ＣＷＤ法によって血流計測を行う場合において、超音波ビームの方位方向毎に異なる基本周波数を割り当てた多重波（マルチ周波数送信波）を、各超音波振動子から帯域毎に周波数変調しながら送信する。また、当該周波数変調された多重波によって得られる反射波から各基本周波数のドプラ偏移周波数を検出することで、各方位方向からの反射波を弁別すると共に、弁別された方位方向毎の反射波を復調することで、距離方向についての分解能を実現するものである。

図２は、本周波数分割したＦＭＣＷＤ機能を実現する超音波送信ユニット２１の構成を示した図である。超音波送信ユニット２１は、原振発生部２１ａ、送信分周部２１ｂ、チャープ波発生部２１ｃ、波形合成部２１ｄ等を有している。

原振発生部２１ａは、所定の周波数ｆｒ Ｈｚ（周期；１／ｆｒ秒）を有する原振波形を繰り返し発生する。送信分周部２１ｂは、原振波形を分周し、方位方向に応じて異なる基本周波数ｆ１、ｆ２、・・・ｆＮが割り当てられた基本波形を発生する。

チャープ波発生部２１ｃは、各基本周波数に対応するチャープ発生器２１ｃ−１〜２１ｃ−Ｎを有する。各チャープ発生器２１ｃ−１〜２１ｃ−Ｎには、それぞれ送信分周部２１ｂから対応する基本周波数を有する基本波形を逐次入力する。各チャープ発生器２１ｃ−１〜２１ｃ−Ｎは、入力する基本波形に基づいて、各基本周波数ｆ１、ｆ２、・・・ｆＮを中心周波数とし、それぞれが帯域幅をΔｆ１〜ΔｆＮとするチャープ波を発生する。これにより、図３、図４に示すようにそれぞれがｆｉ±Δｆｉ（ただし、ｉは１≦ｉ≦Ｎを満たす２以上の自然数）の帯域を有するチャープ波ｉによって帯域分割し、Ｎ方位方向に対応するＮ個のビームを確保する。

波形合成部２１ｄは、図４に示すように、各チャープ発生器２１ｃ−１〜２１ｃ−Ｎからチャープ波を受け取り加算することで送信ビームフォーミングを行い、各チャープ波が多重化された送信波形ＶＭを発生する。波形合成部２１ｄは、発生した送信波形ＶＭに超音波振動子毎に異なる位相遅延（φ_１、φ_２、φ_３、・・・、φ_Ｎ）を与え、各超音波振動子に供給する。その結果、図５に示すように、方位方向θ１に対応するチャープ波１、方位方向θ２に対応するチャープ波２、・・・、方位方向θＮに対応するチャープ波Ｎが多重化された送信ビームが超音波プローブ１２から連続的に送信されることになる。なお、図５の例では、中心偏向角をθとする送信ビームの例を示した。

送信された送信ビームは、被検体の体内において反射され、反射波として各超音波振動子に受信される。受信ユニット２２は、当該超音波振動子毎に受信された各反射波に対して、以下に述べる周波数分割したＦＭＣＷＤ機能に従う受信処理を実行する。

図６は、本周波数分割したＦＭＣＷＤ機能を実現する超音波受信ユニット２２の構成を示した図である。超音波受信ユニット２２は、バンドパスフィルタアレイ２２ａ、復調部２２ｂ、周波数解析部２２ｃ等を有している。

バンドパスフィルタアレイ２２ａは、各周波数帯域ｆ１±Δｆ１〜ｆＮ±ΔｆＮに対応するバンドパスフィルタ２２ａ−１〜２２ａ−Ｎを有している。各バンドパスフィルタ２２ａ−１〜２２ａ−Ｎは、超音波プローブ１２を介して受け取った受信信号から、それぞれ対応する周波数帯域の信号を抽出する。これにより、Ｎ個の方位方向に対応するＮ個のチャープ波１〜Ｎが分離されることになる。

復調部２２ｂは、各周波数帯域に対応する複数の復調器２２ｂ−１〜２２ｂ−Ｎを有する。各復調器２２ｂ−１〜２２ｂ−Ｎは、対応する周波数帯域を有するチャープ波１〜Ｎに対して復調処理を実行する。これにより、図７に示す様に、ｆ１±Δｆ１〜ｆＮ±ΔｆＮに帯域分割されたＮ個の方位方向に対応するＮ個の受信ビームのパワースペクトラムが検出されることになる。

周波数解析部２２ｃは、周波数帯域ｆ１±Δｆ１〜ｆＮ±ΔｆＮに対応するＮ個の周波数解析器２２ｃ−１〜２２ｃ−Ｎを有する。各周波数解析器２２ｃ−１〜２２ｃ−Ｎは、各復調器２２ｂ−１〜２２ｂ−Ｎから出力された復調信号を離散フーリエ変換することで、周波数情報を距離情報に変換する。これにより、各方位方向（すなわち送受信ビーム１〜Ｎ毎）について距離情報が検出されることになる。

画像生成ユニット２５は、各方位方向について距離情報を用いて、各方位方向の各深さについてのドプラ情報がマッピングされた超音波画像を生成する。生成された超音波画像は、表示処理ユニット２７において所定の表示処理を受けた後、モニター１４に所定の形態で表示される。

（応用例）
各復調器２２ｂ−１〜２２ｂ−Ｎにおいて実行される復調処理は、どの様なものであってもよい。本応用例では、各バンドパスフィルタ２２ａ−１〜２２ａ−Ｎからの出力であるチャープ波１〜Ｎに対して、送信時において生成された各周波数帯域に対応するチャープ波の複素共役波形を積算する復調処理について説明する。

図８は、本応用例に係る復調処理を説明するための概念図である。同図に示すように、本応用例に係る復調処理では、復調部２２ｂの各周波数帯域に対応する各復調器２２ｂ−１〜２２ｂ−Ｎにおいて、波形合成部２１ｄにおいて合成する前の各チャープ波６０のアップ（或いはダウン）の変調区間に応じて、超音波伝播速度から換算される距離方向観測区間に対応した逆向き（すなわち、合成前のチャープ波がアップの場合にはダウン、合成前のチャープ波がダウンの場合にはアップ）の受信リファレンスチャープ波６３（すなわち、チャープ波６０の複素共役波形）を積算することで復調を行う。

一般的に、１回のチャープ送信６０（アップまたはダウン）と単一受信検波器（τ＝０）の検波出力の中に、対応する距離方向観測区間の反射体強度情報６１が全て含まれている。当該検出出力を用いた１回の周波数解析（離散的フーリエ変換：ＤＦＴ）等を全観測区間に対して行うことにより、距離方向反射強度分布を、周波数スペクトラムとして検出することができる。この信号処理により、ハードウェア／ソフトウェアの大幅な規模削減が可能である。同時に、パルス圧縮の効果が得られるため、パルス法に比べて波形の尾引き等が少なく、良好な距離分解能を得ることができる。

図９（ａ）は、多位相復調のレンジを０ｍｍに固定し３０ｍｍ位置と６０ｍｍ位置のピンターゲットからの反射信号を復調した波形を示したものであり、横軸（時間軸）の単位は１μｓであり、縦軸はフルスィングで０．１Ｖｐｐである。なお、受信波は複素復調しているため、波形ＡはＩ−ｐｈａｓｅ信号、波形ＢはＱ−ｐｈａｓｅ信号である。また、図９（ｂ）は、図９（ａ）の波形を周波数解析した結果にＨａｍｍｉｎｇ窓をかけ、１２８点ＦＦＴ後パワースペクトラムを計算し対数圧縮して得られた±５００ｋＨｚレンジでの深さの異なるスペクトラムである。すなわち、スペクトラムＣはプローブ表面（体表０ｍｍ）での反射に由来する成分であり、スペクトラムＤは３０ｍｍ位置のピンターゲットからの反射成分であり、スペクトラムＥは６０ｍｍ位置のピンターゲットからの反射成分である。なお、縦軸はパワーのｄＢそのものに対応し、横軸はＦＦＴ出力の並べ替え補正していないので、左端が０Ｈｚで中央に進むにつれ周波数が高くなり、中央部で５００ｋＨｚ、右半分は中央から−５００ｋＨｚとなり負の絶対値が減少し右端で０Ｈｚとなる。

図１０は、図９（ｂ）に示すスペクトラムに従うＢモード像から比較プロファイルを作成し、ＦＭＣＷのＡモード（ＦＦＴ点数はそのままで、帯域を１／２にして３章解析より感度を高めた）に、ピーク位置基準に合わせたものである。水中３０ｍｍと４０ｍｍのピンターゲットの画像信号Ｐは、通常のパルス法による反射エコーパワーをＳＴＣ補正（距離に応じたゲイン補正）をかけて表示用に対数圧縮したものである。一方、ＦＭＣＷ法による反射エコーパワーを対数圧縮したスペクトラムＦには、ＳＴＣ補正はかかっていないが、３０ｍｍ位置のピンターゲットと４０ｍｍ位置のピンターゲットを良好に分離できていることがわかる。同図から、ＦＭＣＷ法では、パルス圧縮効果によって固定体後方の尾引きがないこと、連続波ペンシルプローブ（２ＭＨｚ）なのに距離分解能が良いことが確認できる。

また、本実施例では図２、図４、図５、図６などでアナログ回路(ＢＰＦなど）を用いて説明しているが、アナログ信号とディジタル信号を変換するＤＡ変換器やＡＤ変換器のサンプリング周波数が充分に高ければ、ディジタル処理やソフトウェアによる波形の合成分離も可能である。

（効果）
本超音波診断装置によれば、ＣＷＤ法によって血流計測を行う場合において、超音波ビームの方位方向毎に異なる基本周波数を割り当てたマルチ周波数送信波を、各超音波振動子から帯域毎に周波数変調しながら送信する。また、当該周波数変調されたマルチ周波数送信波によって得られる反射波から各基本周波数のドプラ偏移周波数を検出することで、各方位方向からの反射波を弁別すると共に、弁別された方位方向毎の反射波を復調することで、周波数情報を距離情報に変換する。これにより、ＣＤＷ法においても、各方位方向（すなわち送受信ビーム１〜Ｎ毎）について深さ毎のドプラ情報を取得することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…超音波診断装置、１２…超音波プローブ、１３…入力装置、１４…モニター、２１…超音波送信ユニット、２２…超音波受信ユニット、２３…Ｂモード処理ユニット、２４…ドプラ・血流検出ユニット、２５…画像生成ユニット、２６…画像メモリ、２７…表示処理ユニット、２８…制御プロセッサ、２９…記憶ユニット、３０…インタフェースユニット

Claims (3)

1. 超音波プローブを介して、異なる中心周波数を有する複数の第１の送信波を周波数変調し合成することで第２の送信波を生成し、前記第２の送信波を連続的に送信する送信ユニットと、
   前記超音波プローブを介して前記周波数変調された第２の送信波に対応する反射波を受信し、当該反射波に基づく第１の受信信号を発生する受信ユニットと、
   前記周波数変調に関する帯域幅に対応し前記中心周波数毎に設けられたバンドパスフィルタを用いて、前記第１の受信信号から複数の方位方向に対応する複数の第２の受信信号を抽出するフィルタユニットと、
   前記各第２の受信信号を復調する復調ユニットと、
   前記復調された各第２の受信信号を周波数解析し、各方位方向の深さ方向に関する距離情報を算出する解析ユニットと、
   前記各方位方向の深さ方向に関する距離情報に基づいて超音波画像を生成する画像生成ユニットと、
   前記超音波画像を表示する表示ユニットと、
   を具備することを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記復調ユニットは、前記複数の第１の送信波の複素共役波形を用いて前記各第２の受信信号を復調することを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記復調ユニットは、複数の第１の送信波の変調区間に応じて、超音波伝播速度から換算される距離方向観測区間に対応した逆向きの復調を行い、
   前記画像生成ユニットは、全観測区間に相当する周波数解析により得られたスペクトラムの周波数分布が距離方向反射強度分布に対応する前記超音波画像を生成すること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の超音波診断装置。

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