JP2009039232A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像範囲とフレームレートと分解能を良好に並立させる超音波ビームの走査技術を提供する。
【解決手段】送受信部１２は、プローブ１０が備える複数の振動素子を制御して超音波ビームを走査させる。送受信部１２は、各ビーム番号ごとに算出されるビーム位置データに基づいて複数のビーム番号の各々に対応した超音波ビームを順次形成することにより走査領域３０内において超音波ビームを走査させる。ビーム位置データは、走査領域３０内において関心領域の位置に応じて変更される超音波ビームのビーム間隔に対応したビーム間隔データを利用して算出される。ビーム間隔データは、ビーム間隔の最小値に対応した最小ビーム間隔データとビーム番号に応じてビーム間隔を調整するためのピッチ変換係数とを利用して算出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に超音波ビームの走査技術に関する。

一般に超音波診断装置においては、診断画像の画像範囲すなわち超音波ビームの走査範囲の広さと、診断画像のフレームレートすなわち単位時間当たりの当該走査範囲の走査回数と、診断画像の分解能は、相互にトレードオフの関係にある。例えば、広範囲の診断画像を高い分解能で得ようとするとフレームレートが低くなり、フレームレートを維持したまま高分解能の画像を得ようとすると画像範囲を狭くする必要がある。

これに対し、例えば特許文献１，２には、比較的粗く超音波ビームを走査させて広域画像を形成し、比較的密に超音波ビームを走査させて狭域画像を形成し、広域画像と狭域画像を合成して合成画像を形成する技術が記載されている。この技術により、フレームレートの低下を抑えつつ、限定された狭域内において高分解能を実現することができる。

また、特許文献３には、ビーム間隔が粗いデータについて、ビーム間において補間したビームを形成することによりビーム間隔を密にする技術が記載されている。ちなみに、特許文献４には、ビーム走査空間を構成する各ビームラインごとに、ビームアドレスやビーム長などのビーム形成条件を個別的に設定する技術が記載されている。

特開２００５−１５２３４６号公報 特開２０００−２３２９７８号公報 特開２００１−２３１７８１号公報 特開２００４−２７５２２３号公報

上記のように、相互にトレードオフの関係にある診断画像についての画像範囲とフレームレートと分解能をできるだけ悪化させずに並立させようとする試みがいくつか成されてきた。このような状況を背景としつつ、本願発明者は、画像範囲とフレームレートと分解能を良好に並立させるための技術について研究開発を重ねてきた。特に、超音波ビームの走査技術に注目した。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、画像範囲とフレームレートと分解能を良好に並立させる超音波ビームの走査技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様の超音波診断装置は、超音波を送受波する複数の振動素子を備えたプローブと、複数の振動素子を制御して超音波ビームを走査させる送受信部と、超音波ビームを介して走査領域内から得られる受信信号に基づいて超音波画像データを形成する画像形成部と、超音波画像データに対応した超音波画像を表示する表示部と、を有し、前記送受信部は、各ビーム番号ごとに算出されるビーム位置データに基づいて複数のビーム番号の各々に対応した超音波ビームを順次形成することにより走査領域内において超音波ビームを走査させ、前記ビーム位置データは、走査領域内において関心領域の位置に応じて変更される超音波ビームのビーム間隔に対応したビーム間隔データを利用して算出されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記ビーム間隔データは、ビーム間隔の最小値に対応した最小ビーム間隔データとビーム番号に応じてビーム間隔を調整するためのピッチ変換係数とを利用して算出されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記ピッチ変換係数は、走査領域の領域端における超音波ビームのビーム位置に対応した領域端位置データと、走査領域の領域端における超音波ビームのビーム番号に対応した領域端ビーム番号と、前記最小ビーム間隔データと、に基づいて算出されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記プローブは、前記最小ビーム間隔データと前記ピッチ変換係数のうちの少なくとも一方についての変更操作を受け付けるユーザ操作デバイスを備えることを特徴とする。

望ましい態様において、前記ビーム間隔データは、段階的に変更されるビーム間隔の段階数に対応した段階係数と、走査領域の大きさに対応した走査角度データと、走査領域内に形成される超音波ビームの本数に対応したビーム数データと、に基づいて算出されることを特徴とする。

望ましい態様において、前記送受信部は、前記ビーム間隔データを利用して各ビーム番号ごとに算出されるビーム位置データに基づいて複数のビーム番号の各々に対応した受信ビームを形成し、互いに隣接する２本の受信ビームの中間に１本の送信ビームを形成することにより、当該１本の送信ビームに当該２本の受信ビームを対応させた送受信処理を実行することを特徴とする。

本発明により、画像範囲とフレームレートと分解能を良好に並立させる超音波ビームの走査技術が提供される。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示す機能ブロック図である。

プローブ１０は、超音波を送受波する超音波プローブであり、複数の振動素子を備えている。複数の振動素子は、例えば、１列に配列されて電子的に制御されることにより、走査領域３０内において２次元的に超音波を送受波する。なお、複数の振動素子が格子状に２次元的に配列されて電子的に制御されることにより、３次元的に超音波を送受波してもよい。

送受信部１２は、プローブ１０が備える複数の振動素子の各々に対応した送信信号を出力する。送受信部１２は、各振動素子の送信信号に対してその振動素子に応じた遅延処理などを施す。送受信部１２から出力された送信信号は、プローブ１０の各振動素子へ供給される。つまり、送受信部１２が送信ビームフォーマとして機能し、各振動素子が送受信部１２で形成された送信信号に応じて振動し、超音波の送信ビームが形成されてその送信ビームが走査制御される。超音波の送信ビームは、例えば、頂点角度θの扇形状の走査領域３０内で走査される。

また、送受信部１２は、プローブ１０が備える複数の振動素子から得られる受信信号に基づいて受信ビームを形成する。送受信部１２は、各振動素子の受信信号に対してその振動素子に応じた遅延処理などを施し、そして複数の振動素子から得られる受信信号を加算処理する。つまり、送受信部１２は、受信ビームフォーマとして機能し、複数の振動素子から出力される受信信号を例えば整相加算処理して受信ビームデータを形成する。こうして、例えば、扇形状の走査領域３０内の全域から受信ビームデータが収集される。

超音波画像形成部１４は、送受信部１２において形成された受信ビームデータに基づいて超音波画像の画像データを形成する。例えば、超音波の送信ビームが二次元的に走査されて得られる受信ビームデータに基づいて、走査領域３０に対応した二次元Ｂモード画像の画像データを形成する。もちろん、超音波の送信ビームが三次元的に走査されて得られる受信ビームデータに基づいて三次元超音波画像の画像データを形成してもよい。また、画像データとしてドプラ画像などの画像データを形成してもよい。

表示画像形成部１６は、超音波画像形成部１４において形成された超音波画像（画像データ）に基づいて表示画像を形成する。また、表示画像形成部１６は、本超音波診断装置の装置状態に応じた表示画像やユーザインターフェース画像などを形成する。そして、表示画像形成部１６において形成された表示画像は表示部１８に表示される。

操作パネル２２は、ユーザ操作を受け付ける操作デバイスである。操作パネル２２は、例えば、トラックボール、マウス、キーボード、タッチパネルなどであり、例えば本超音波診断装置の装置本体に設けられる。

制御部２０は、本超音波診断装置内の各部を制御する。制御部２０は、例えば、操作パネル２２を介して入力されるユーザ操作に応じて装置内の各部を制御する。本実施形態においては、超音波画像の画像範囲とフレームレートと分解能を良好に並立させるように、超音波ビームの走査制御が行われる。その制御の際には、必要に応じて、例えば装置本体に設けられた操作パネル２２やプローブ１０に設けられた操作デバイス（図４，５参照）を介してユーザから操作を受け付ける。そこで、以下に、本実施形態における超音波ビームの走査制御について説明する。

本実施形態では、関心領域の位置に応じてビーム間隔を変更させて走査を行う。例えば、走査領域３０内において、診断対象となる組織などが存在する関心領域内で超音波ビームのビーム密度を比較的密に維持し、且つ、広範囲な走査領域３０を観察するために、関心領域以外の領域では超音波ビームのビーム密度を比較的粗くする。

図２は、関心領域の位置に応じたビーム間隔の変更を説明するための図である。図２（ａ）には、走査領域３０内においてビーム間隔を変更せずに一定間隔で超音波ビームを走査させた場合の例（比較例）が示されている。一方、図２（ｂ）には、走査領域３０内の中央に位置する関心領域においてビーム間隔を比較的狭くして、走査領域３０の両端に向かって関心領域から遠ざかるにつれてビーム間隔を次第に広くした場合の例（本実施形態例）が示されている。

本実施形態においては、例えば比較例の場合と同じ超音波ビーム本数であっても、関心領域の位置において超音波ビームの間隔が狭いため高分解能を実現することができ、且つ、超音波ビーム本数を増加させる必要がないことからフレームレートを低下させることなく、比較例の場合と同じ広さの走査領域３０内で超音波ビームを走査させることが可能になる。

図２（ａ）に示す比較例の場合には、扇形状の走査領域３０の頂点角度（図１の頂点角度θ）であるスキャンエリア（SCAN_AREA）を走査領域３０内に形成される超音波ビームの本数であるビーム本数（BEAM_NUM）で割ることにより、次式のように超音波ビーム間のビーム間隔であるピッチ（Pitch）が算出される。

さらに、ピッチ（Pitch）を利用して、各ビーム番号（BEAM_NO）に対応した超音波ビームのビーム角度であるビーム位置（BEAM_POS）が次式のように算出される。

比較例においては、ビーム間隔であるピッチ（Pitch）が走査領域３０内において固定されているため、図２（ａ）に示すように、走査領域３０の全域においてビーム間隔が一定となる。

これに対し、本実施形態においては、走査領域３０内において関心領域の位置に応じて超音波ビームのビーム間隔を変更する。つまり、ビーム間隔の最小値に対応した最小ビーム間隔（minPitch）と、ビーム番号（BEAM_NO）と、ビーム番号に応じてビーム間隔を調整するためのピッチ変換係数（Pc）を利用して、比較例の固定的なピッチ（Pitch）に換えて、ビーム間隔データ(minPitch＋(Pc×|BEAM_NO|))を算出し、このビーム間隔データを利用してビーム位置（BEAM_POS）を次式のように算出する。

ちなみに、ビーム間隔データを(minPitch＋(Pc×|BEAM_NO|)ⁿ)とし、ｎ乗を含んだビーム間隔データを用いてもよい。

また、（３）式において、ピッチ変換係数（Pc）は、走査領域３０の領域端における超音波ビームのビーム位置であるスキャン終了位置（END_AREA）と、走査領域３０の領域端における超音波ビームのビーム番号であるスキャン終了ビーム番号（END_BEAM_NO）と、ビーム間隔の最小値に対応した最小ビーム間隔（minPitch）に基づいて次式のように算出される。

例えば、スキャンエリア（SCAN_AREA）を６０度（−３０度〜３０度）とするとスキャン終了位置（END_AREA）が３０度となり、ビーム本数（BEAM_NUM）を３１本（−１５〜１５）とするとスキャン終了ビーム番号（END_BEAM_NO）が１５となり、さらに最小ビーム間隔（minPitch）を１度とすると、（４）式から、ピッチ変換係数はPc＝0.0666666667となる。さらに、この場合におけるビーム位置（BEAM_POS）を（３）式から各ビーム番号ごとに算出すると図３に示すとおりとなる。

図３は、各ビーム番号（BEAM_NO）とビーム位置（BEAM_POS）との対応関係を示す図である。なお、図３には、上記（３）（４）式を利用して算出される本実施形態のビーム位置と、上記（１）（２）式を利用して算出される比較例のビーム位置が示されている。

比較例においては、走査領域の全域において超音波ビームのビーム間隔が一定である。これに対し、本実施形態においては、ビーム番号が０の付近すなわち走査領域（図２の符号３０）の中央付近において、ビーム位置の間隔が比較的狭く、ビーム番号の絶対値が大きくなるにつれてビーム位置の間隔が広くなっている。つまり、走査領域の中央付近に関心領域があり、その中央付近において超音波ビームのビーム密度が比較的密であり、中央付近の関心領域から離れるに従って超音波ビームのビーム密度が次第に粗くなっている。

このように、本実施形態では、比較例の場合と同じビーム本数でありながら、つまり、比較例の場合と同じフレームレートを実現可能でありながら、走査領域の中央付近にある関心領域においてビーム密度を高めて、関心領域内において高分解能を実現することができる。さらに、本実施形態では、比較例の場合と同じ大きさの走査領域を形成することができる。

図１に示す送受信部１２は、例えば上記（３）（４）式を利用して算出されるビーム位置に超音波ビームを形成するようにプローブ１０を制御する。そのプローブ１０には、走査の制御態様を変更するためのユーザ操作デバイスが設けられる。そして、そのユーザ操作デバイスを介して受け付けたユーザ操作に応じて制御部２０が動作し、制御部２０から送受信部１２へ制御情報が伝えられて走査の制御態様が変更される。

図４は、プローブ１０に設けられるユーザ操作デバイス１２０を説明するための図である。ユーザ操作デバイス１２０は、例えば、上記（３）（４）式におけるピッチ変換係数（Pc）と最小ビーム間隔（minPitch）をユーザが変更する際に利用される。ユーザは、プローブ１０を把持した状態で変更操作を行うことができる。そのため、ユーザ操作デバイス１２０は、例えば、プローブ１０の先端側（超音波の送受波側）の側面などに設けられる。

図４（Ａ）は、操作デバイスとして静電パッド１２０Ａを利用したプローブ１０を示している。ユーザは、プローブ１０を把持した状態で静電パッド１２０Ａの表面で指を滑らせる。これにより、例えば指が滑る方向に応じてピッチ変換係数や最小ビーム間隔の値が変化する。

一方、図４（Ｂ）は、操作デバイスとしてスライドレバー１２０Ｂを利用したプローブ１０を示している。ユーザは、スライドレバー１２０Ｂを指でスライドさせる。これにより、例えばスライドレバー１２０Ｂのスライド方向に応じてピッチ変換係数や最小ビーム間隔の値が変化する。なお、スライドレバー１２０Ｂ表面の中央部には、ユーザの指に対応した窪み１２２が設けられおり、この窪み１２２にユーザの指が嵌められることによって、スライド操作を容易にしている。

図５は、プローブ１０に設けられるユーザ操作デバイス１２０の別の態様を説明するための図であり、操作デバイスとしてダイヤル１２０Ｃを利用したプローブ１０を示している。ユーザはダイヤル１２０Ｃを回転させ、その回転に応じてピッチ変換係数や最小ビーム間隔の値が変化する。

なお、図４および図５に示した各操作デバイスにボタン機能が設けられ、例えばボタンが押される度に最小ビーム間隔を「狭、中、広、狭、中、広」あるいは「狭、中、広、中、狭」のように変更し、順次大きさが切り換えられるようにしてもよい。また、図４および図５に示した各操作デバイスによってピッチ変換係数と最小ビーム間隔のうちの一方を操作し、装置本体に設けられた操作パネル（図１の符号２２）によってピッチ変換係数と最小ビーム間隔のうちの他方を操作するようにしてもよい。

上述した例においては（３）（４）式を利用してビーム間隔を変更させているが、ビーム間隔を段階的に変更するようにしてもよい。例えば、段階的に変更されるビーム間隔の段階数を示す段階係数（dk）と、走査領域の大きさに対応した走査角度（SCAN_AREA）と、走査領域内に形成される超音波ビームの本数であるビーム本数（BEAM_NUM）を利用し、次式のようにS_pitch，M_pitch，L_pitchと段階的にビーム間隔であるピッチ（Pitch）を変化させてもよい。

例えば、走査角度（SCAN_AREA）を９０度（−４５〜４５）、ビーム本数（BEAM_NUM）を３０、段階係数（dk）を３とすると、S_pitch=0.97261、M_pitch=1.956522、L_pitch=5.869565となる。さらに、この場合におけるビーム位置（BEAM_POS）を各ビーム番号ごとに算出すると図６に示すとおりとなる。

図６は、各ビーム番号（BEAM_NO）とビーム位置（BEAM_POS）との対応関係を示す図である。図６には、ピッチ（Pitch）も示されており、走査領域の中央にあるビーム番号０から走査領域の端にあるビーム番号−１４，１５に向かって、S_pitch，M_pitch，L_pitchと段階的に切り換えられている。図６に示す例においても、例えば、走査領域の大きさを維持しつつ、走査領域の中央付近にある関心領域においてビーム密度を高めて、関心領域内において高分解能を実現することができる。

また、図１に示す送受信部１２は、ビーム間隔データを利用して各ビーム番号ごとに算出されるビーム位置（例えば図３や図６に示すBEAM_POS）に基づいて複数のビーム番号の各々に対応した受信ビームを形成し、互いに隣接する２本の受信ビームの中間に１本の送信ビームを形成することにより、１本の送信ビームに２本の受信ビームを対応させたパラレル受信処理を実行してもよい。

図７は、本実施形態におけるパラレル受信処理を説明するための図である。例えば、送信ビームの本数を３１本とする場合には、受信ビームの本数を６２本とし、上述した（３）（４）式を利用して受信ビームのビーム位置を算出する。そして、互いに隣接する２本の受信ビームＲＸＡとＲＸＢのビーム位置に基づいて、送信ビームＴＸ１のビーム位置を「ＴＸ１のビーム位置＝（ＲＸＡのビーム位置＋ＲＸＢのビーム位置）／２」とする。同様に、送信ビームＴＸ２のビーム位置を「ＴＸ２のビーム位置＝（ＲＸＣのビーム位置＋ＲＸＤのビーム位置）／２」とする。こうして、１本の送信ビームに２本の受信ビームを対応させたパラレル受信処理を実行してもよい。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態により、例えば、関心領域内で高分解能を維持しつつ広範囲の情報を高速に得ることが可能になる。特に、近年においては、手術の支援装置として超音波診断装置が利用されている。例えば、こうした術中支援装置として、本実施形態の超音波診断装置を利用することができる。

例えば、本実施形態の超音波診断装置により二次元あるいは三次元の超音波画像を形成し、治療器具を患者の体内へ挿入する際の画像を映し出す。そして、挿入が開始された直後においては、走査領域内において均一なビーム間隔で超音波ビームを走査させて画像を形成し、治療器具が患部に近づいた時点で、患部を含む関心領域内において高密度で超音波ビームを形成してそれ以外の領域では低密度で超音波ビームを形成する。これにより、画像形成の処理速度の低下を抑えつつ患部を含む関心領域内において分解能を高めることができ、患部に到達した治療器具の様子を高分解能な画像で観察することが可能になる。

ちなみに、赤外線センサや磁気センサを利用して超音波プローブと治療器具の先端の位置関係を追跡し、その位置情報に基づいて治療器具の先端付近が常に高密度となるように超音波ビームを形成するような態様も可能である。

なお、上述した実施形態やその効果は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示す機能ブロック図である。 関心領域の位置に応じたビーム間隔の変更を説明するための図である。 各ビーム番号とビーム位置との対応関係を示す図である。 プローブに設けられるユーザ操作デバイスを説明するための図である。 ユーザ操作デバイスの別の態様を説明するための図である。 各ビーム番号とビーム位置との対応関係を示す図である。 本実施形態におけるパラレル受信処理を説明するための図である。

符号の説明

１０ プローブ、１２ 送受信部、１４ 超音波画像形成部、２０ 制御部。

Claims (6)

1. 超音波を送受波する複数の振動素子を備えたプローブと、
   複数の振動素子を制御して超音波ビームを走査させる送受信部と、
   超音波ビームを介して走査領域内から得られる受信信号に基づいて超音波画像データを形成する画像形成部と、
   超音波画像データに対応した超音波画像を表示する表示部と、
   を有し、
   前記送受信部は、各ビーム番号ごとに算出されるビーム位置データに基づいて複数のビーム番号の各々に対応した超音波ビームを順次形成することにより走査領域内において超音波ビームを走査させ、
   前記ビーム位置データは、走査領域内において関心領域の位置に応じて変更される超音波ビームのビーム間隔に対応したビーム間隔データを利用して算出される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記ビーム間隔データは、ビーム間隔の最小値に対応した最小ビーム間隔データとビーム番号に応じてビーム間隔を調整するためのピッチ変換係数とを利用して算出される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記ピッチ変換係数は、走査領域の領域端における超音波ビームのビーム位置に対応した領域端位置データと、走査領域の領域端における超音波ビームのビーム番号に対応した領域端ビーム番号と、前記最小ビーム間隔データと、に基づいて算出される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項２または３に記載の超音波診断装置において、
   前記プローブは、前記最小ビーム間隔データと前記ピッチ変換係数のうちの少なくとも一方についての変更操作を受け付けるユーザ操作デバイスを備える、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記ビーム間隔データは、段階的に変更されるビーム間隔の段階数に対応した段階係数と、走査領域の大きさに対応した走査角度データと、走査領域内に形成される超音波ビームの本数に対応したビーム数データと、に基づいて算出される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記送受信部は、前記ビーム間隔データを利用して各ビーム番号ごとに算出されるビーム位置データに基づいて複数のビーム番号の各々に対応した受信ビームを形成し、互いに隣接する２本の受信ビームの中間に１本の送信ビームを形成することにより、当該１本の送信ビームに当該２本の受信ビームを対応させた送受信処理を実行する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。

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