(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受信する超音波素子と、前記超音波素子を回転させることにより断層像を得ると共に前記超音波素子を揺動させることにより三次元画像の元データである複数の断層像データを得るデータ取得手段と、揺動制御用のエンコーダ信号を発生する揺動信号発生手段と、回転制御用のエンコーダ信号を発生する回転信号発生手段と、前記揺動制御用のエンコーダ信号と前記回転制御用のエンコーダ信号が入力される角度検知回路を有する超音波診断装置において、前記揺動制御用のエンコーダ信号から得られる角度分解能に前記回転制御用のエンコーダ信号を利用して補間することにより断層像毎に断層像の角度分解能を生成することを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は医療用超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、三次元画像の元情報である断層像を取得する際に揺動制御用のエンコーダ信号ではその角度分解能が低く、高精度な三次元画像を提供することが困難であり、この問題点を解決する為に、特開平１１−１７８８２２号公報はロータリエンコーダが本来有する角度分解能以上の角度分解能を得るために、エンコーダ出力パルスに積分回路を付加して分解能を向上させる方法などを開示する。
【０００３】
また、三次元画像を表示する際に対象物の表面のエコーレベルが観察することが困難である、などの問題点を解決するために、特開平５−１４６４３２号公報には、仮想視点からの距離に応じて物体表面の明度を設定する物体表面のエコーレベルに応じて色相等を設定する等の手段が用いられている。
【０００４】
超音波プローブを揺動させて三次元画像を表示する場合には、完全な等角速度制御を実現することが望まれる。しかし、高速かつ高精度な制御回路が必要となるため、一般的な揺動制御回路では揺動のエンコーダパルス幅は振幅中心付近ほど短いパルス幅となり、振幅の両端で長いパルス幅となる特徴を持っている。従って、上記特開平１１−１７８８２２号公報に記載されたロータリエンコーダが本来有する角度分解能以上の角度分解能を得るための方法では「第１のエンコーダパルス信号に基づいて更に短い間隔の第２のパルスを生成し、その第２のパルス信号に基づいて超音波ビームの走査制御を実施する」ことが実現可能な電子スキャン型の超音波プローブの場合には応用可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メカニカルセクタ型の超音波プローブの場合では、断層像を取得する走査は常に一定速度で回転することが前提となっているため、揺動角度毎にダイナミックに変化する第２のパルス幅に合致させて回転速度をダイナミックに変化させることが新たな制御回路の追加なしでは困難である、という問題を有していた。
【０００６】
また、上記特開平５−１４６４３２号公報に記載された超音波診断装置の「仮想視点からの距離に応じて物体表面の明度を設定する」等の手法では、仮想視点から対象物までの経路にノイズが多数含まれる一般的な超音波画像の場合には正常に効果を発揮することが困難という問題を有していた。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、断層像を取得するメカニカルセクタ型の超音波プローブが常に一定速度で回転することで断層像の物理的な寸法精度を保っていることを利用して、メカニカルセクタ型の超音波プローブを揺動させた場合でも、揺動角度の位置情報を揺動エンコーダの分解能以上に高め、高精度の三次元画像を提供する優れた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る発明は、超音波を送受信する超音波素子と、超音波素子を回転させることにより断層像を得ると共に超音波素子を揺動させることにより三次元画像の元データである複数の断層像データを得る手段と、揺動制御用のエンコーダ信号を発生する手段と、回転制御用のエンコーダ信号を発生する手段と、揺動制御用のエンコーダ信号と回転制御用のエンコーダ信号が入力される角度検知回路を有する超音波診断装置において、揺動制御用のエンコーダ信号から得られる角度分解能に前記回転制御用のエンコーダ信号を利用して補間することにより断層像毎に断層像の角度分解能を生成することを特徴とする超音波診断装置である。
【０００９】
この構成により、回路追加なしに、メカニカルセクタ型の超音波プローブを揺動させて三次元画像を構築した際に、取得した断層像の角度情報を高精度に検知することができ、結果として高精度の三次元画像を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１１】
本発明の実施の形態の超音波診断装置を図１と図２に示す。
【００１２】
図１（ａ）に示すように、本発明の実施の形態の超音波診断装置は、メカニカルセクタ型の三次元超音波プローブ（以下、単に「プローブ」と言う。）１００、超音波の送受信回路１１１、プローブの回転エンコーダ信号を受信しながら回転の速度を安定させる制御回路１１２、揺動エンコーダ信号を受信しながら揺動の速度と角度を制御する回路回路１１３、断層像データを格納する画像メモリ１１４、三次元処理部１２０、回転と揺動の２つのエンコーダ信号から高分解能な角度情報を生成する角度検知回路１２１、三次元画像データを生成する高速演算処理部１２２、断層像と三次元画像を表示するフォーマットに変換する画像処理回路１１５、観測モニタ１１６、及びシステム全体を制御するホストｕＰ１５０から構成される。なお、プローブに関して、図１（ａ）はプローブ１００が回転する場合の回転方向を示す側面図であり、図１（ｂ）はプローブ１００が揺動する場合の揺動範囲を示す平面図である。
【００１３】
次に、本発明の実施の形態における超音波診断装置の動作について説明する。
【００１４】
プローブ１００で受信された超音波エコー信号は、送受信部１１１を経由して画像メモリ１１４に一時的に蓄積される。この時、受信されたエコー信号毎に、角度分解能が低い揺動制御用のエンコーダ信号と分解能は高いが揺動角度には直接関与していない回転制御用のエンコーダ信号が、それぞれ遥動制御回路１１３と回転制御回路１１２から角度検知回路１２１に入力され、高分解能な角度情報に変換される。
【００１５】
図２は高分解能な角度情報に変換する一例を示しており、図２（ａ）では、揺動の中心（揺動中点）から揺動をスタートして右移動を開始し揺動指定角度まで達した後に、逆方向である左移動を開始して反対側の揺動指定角度へ進み、その後再び右移動と左移動の揺動運動を繰返すプローブ先端の移動軌跡と、その間に発生する揺動制御用のエンコーダパルスの発生間隔を示す図と、揺動している間、定速回転を続けている回転制御用のエンコーダパルスの発生間隔を示す図とをその関係がわかるように図示している。つまり、揺動用のエンコーダパルスは揺動の中心部程移動速度が速いため短い間隔でパルスが発生し、揺動角度が反転する両端付近では移動速度が遅くなるためパルス間隔は長くなる。しかし、回転制御用のエンコーダパルスは常に定速回転を続けているため、揺動位置に無関係に常に一定間隔のパルスを発生している。また図２（ｂ）は図２（ａ）のイの部分のエンコーダパルスの関係を拡大表示したもので、Ａ点とＢ点は隣合った揺動用エンコーダパルス、Ｔｎ点は回転制御用のエンコーダパルスの基準点、αはＡ点とＴｎ点との距離（＝回転用エンコーダパルス数）、βはＡ点とＢ点との距離（＝回転用エンコーダパルス数）である。したがって、Ｔｎの基準点で取得された断層像データの角度情報は回転エンコーダ情報のパルス数との比例関係から以下のように算出することで高分解能の角度情報に変換することができる。
【００１６】
Ｔn = Ｂ＋(|Ａ−Ｂ|)×α÷β
ただし、回転の角度情報は揺動角度情報に比べて約１０００倍の精度を持っているため、ＡからＢ間の微小角度内での揺動速度変化は無視できると仮定している。
【００１７】
再び図１を参照すると、図１の角度検知部１２１で回転エンコーダ情報のパルス数との比例関係により求められた高精度な揺動角度情報が高速演算処理回路１２２に送出され、同時に画像メモリ１１４から画像データが取り込まれるため、高精度な揺動角度情報を三次元画像構築に盛り込んだ精度の高い三次元画像が生成される。生成された三次元画像は画像処理回路１１５に送られ、観察者(ユーザ)により選択された画像フォーマットに変換されて、観測モニタ１１６に表示される。
【００１８】
次に、本発明の他の超音波診断装置のブロック図を図３に示す。
【００１９】
図３に示すように、本発明の他の超音波診断装置は、メカニカルセクタ型の三次元超音波プローブ（以下、単に「プローブ」という。）２００、超音波の送受信回路２１１、プローブの回転速度を安定させる制御回路２１２、断層像データを格納する画像メモリ２１４、三次元処理部２２０、境界判定をするパラメータを仮想視点からの距離に応じて変化させる境界判定制御回路２２１、三次元画像データを生成する三次元処理回路２２２、断層像と三次元画像を表示するフォーマットに変換する画像処理回路２１５、観測モニタ２１６、観測モニタ２１６から三次元情報を得る観察者２１７、観察者が境界判定をするパラメータの変更を指示する操作卓２１８、及びシステム全体を制御するホストｕＰ２５０から構成される。
【００２０】
次に、本発明の他の超音波診断装置の動作について説明する。
【００２１】
プローブ２００で受信された超音波エコー信号は、送受信回路２１１を経由して画像メモリ２１４に一時的に蓄積される。三次元画像生成部２２０では、画像メモリ２１４から取り込んだ画像データから境界判定制御回路２２１がデフォルト設定の仮想視点からの距離に応じて境界判定をするノイズカット値などのパラメータに沿って境界判定を実行し、三次元処理回路２２２により三次元画像が生成される。生成された三次元画像は画像処理回路２１５に送られ、観察者(ユーザ)により選択された画像フォーマットに変換されて、観測モニタ２１６に表示される。観察者２１７が観測モニタ２１６に表示された三次元画像を見ながら境界判定をするノイズカット等のパラメータの値を操作卓２１８から入力すると、その新設定により境界判定制御回路２２１が新たな境界判定を実行し、再び三次元処理回路２２２で生成された画像が観測モニタ２１６に表示される。
【００２２】
図４を参照して、境界判定に距離情報を加味しない場合について説明する。
【００２３】
固定しきい値を使用して、視線（Ａ）、視線（Ｂ）、視線（Ｃ）での、それぞれの視線におけるエコー信号とノイズの影響を図示し、三次元演算を実施する場合の境界判定がＮＧとなる模様を示している。すなわち、視線（Ａ）および視線（Ｂ）の場合には、仮想視点からの距離に比例して上昇してゆくノイズ量がしきい値を越える手前で対象物（の表面）に到達しているので、正しい境界判定が行なわれるが、視線（Ｃ）の場合は仮想視点からの距離が遠い（＝遠い）ので上昇してゆくノイズ量がしきい値を越えた後に対象物（の表面）に到達しているので、実際の対象物の表面ではなくノイズ量がしきい値を越えた地点を境界（＝対象物の表面）と判断する。つまり、境界判定がＮＧとなる。
【００２４】
次に、図５を参照して、境界判定に距離情報を加味させる場合について説明する。
【００２５】
仮想視点からの距離に応じて境界判定をするノイズカット値等のパラメータを変化させた例として、しきい値を仮想視点からの距離に応じて変化させた場合の、視線（ＡＡ）、視線（ＢＢ）、視線（ＣＣ）での、それぞれの視線におけるエコー信号とノイズの影響を図示し、三次元演算を実施する場合の境界判定が正しく実施される模様を示している。すなわち、視線（ＡＡ）および視線（ＢＢ）の場合には、しきい値を可変させた場合でも仮想視点からの距離に比例して上昇してゆくノイズ量がしきい値を越える手前で対象物（の表面）に到達しているので、図４と同様に正しい境界判定が行なわれる。特に図４の固定しきい値の場合には境界判定がＮＧとなった視線（ＣＣ）の場合のように仮想視点からの距離が遠い（＝遠い）場合でも、しきい値の値が距離に応じて上昇しているので、ノイズ量がしきい値以上に大きくなる手前で対象物（の表面）に到達するので、実際の対象物の境界（＝対象物の表面）と判断する。つまり、境界判定が実施され、正しい三次元画像が提供される。
【００２６】
また、図３で観察者２１７が観測モニタ２１６に表示された三次元画像を見ながら境界判定をするノイズカット等のパラメータの値を操作卓２１８から入力する際に意図的に極端に低いノイズカット値など通常とは異なる設定をすることで、仮想視点から距離の遠い部分の境界を敢えて観測モニタ２１６に表示しないことも可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、超音波を送受信する超音波素子と、超音波素子を回転させることにより断層像を得ると共に前記超音波素子を揺動させることにより三次元画像の元データである複数の断層像データを得るデータ取得手段と、揺動制御用のエンコーダ信号を発生する揺動信号発生手段と、回転制御用のエンコーダ信号を発生する回転信号発生手段と、揺動制御用のエンコーダ信号と回転制御用のエンコーダ信号が入力される角度検知回路を有する超音波診断装置において、揺動制御用のエンコーダ信号から得られる角度分解能に回転制御用のエンコーダ信号を利用して補間することにより断層像毎に断層像の角度分解能を生成することにより、回路追加なしに、メカニカルセクタ型の超音波プローブを揺動させて三次元画像を構築した際に、取得した断層像の角度情報を高精度に検知することができ、結果として高精度の三次元画像を得ることができる超音波診断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態による超音波診断装置のブロック図
（ｂ）はプローブが遥動する場合の遥動範囲を示す平面図
【図２】（ａ）は本発明の実施の形態における角度分解能を高精度に変換する一例を示す説明図
（ｂ）は図２（ａ）におけるイ部分の拡大図
【図３】本発明の他の超音波診断装置のブロック図
【図４】本発明の他の境界判定に距離情報を加味しない場合の一例を示す説明図
【図５】本発明の他の境界判定に距離情報を加味させる場合の一例を示す説明図
【符号の説明】
１００  メカニカルセクタ型の三次元超音波プローブ
１１１、２１１  超音波の送受信回路
１１２、２１２  メカニカルセクタプローブの回転制御回路
１１３  揺動制御回路
１１４、２１４  画像メモリ
１２０、２２０  三次元処理部
１２１  角度検知回路
１２２、２２２  高速演算処理回路
１１５、２１５  画像処理回路
１１６、２１６  観測モニタ
２００  メカニカルセクタ型の三次元超音波プローブ
２２１  境界判定制御回路
２１７  観察者(ユーザ)
２１８  操作卓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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