(57)【要約】  スペクトル解析の精度を向上させ、延いては生体の組織性状を示す情報の信頼性を向上させる。  受信信号に対して周波数スペクトル解析の対象となる演算領域及び窓領域を設定する。窓領域の複数の受信信号に重み付けを行い、重み付け後の窓領域の受信信号の周波数スペクトル解析を行う。重み付けは、複数の振動子から送信された超音波が、前記被検体内を波動伝搬し、前記演算領域に対応する前記被検体内の対象領域に到達して反射され、さらに被検体内を波動伝搬して複数の振動子に到達したと仮定した場合に、窓領域の受信信号に生じる強度分布に対応した重み分布を用いて行う。
2018008089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配列された複数の振動子から被検体に対して送信され、前記被検体で反射または透過された超音波を前記複数の振動子で受信することにより時系列に夫々得られた受信信号の整相加算後の受信信号に対して、前記受信信号の周波数スペクトル解析の対象となる演算領域及び該演算領域を含む窓領域を設定する領域設定部と、
前記窓領域の複数の前記受信信号に重み付けを行い、重み付け後の前記窓領域の前記受信信号の周波数スペクトル解析を行うスペクトル抽出部と、を備え、
前記スペクトル抽出部は、前記複数の振動子から送信された超音波が、前記被検体内を波動伝搬し、前記演算領域に対応する前記被検体内の対象領域に到達して反射または透過され、さらに前記被検体内を波動伝搬して前記複数の振動子に到達したと仮定した場合に、前記窓領域の前記受信信号に生じる強度分布に対応した重み分布を用いて、前記重み付けを行う、スペクトル解析装置。
【請求項２】
前記重み分布を演算により求める重み演算部をさらに有し、
前記重み演算部は、
前記複数の振動子から送信された超音波が前記被検体内を伝搬して前記対象領域に到達したと仮定した場合の前記対象領域における前記超音波の強度分布を算出する送信ビーム演算部と、所定の強度分布の超音波の照射を受けた前記対象領域から発せられた超音波が前記被検体内を伝搬して前記振動子に到達して受信されたと仮定した場合に前記複数の振動子の出力する受信信号の前記窓領域における強度分布を算出する受信ビーム演算部と、前記送信ビーム演算部の算出した強度分布と前記受信ビーム演算部の算出した強度分布とを合成することにより前記窓領域の前記受信信号に生じる強度分布を求める合成部と、前記窓領域の前記受信信号に生じる強度分布に基づいて前記重み分布を求める重み算出部とを有する、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項３】
複数の前記振動子の時系列な前記受信信号を、所定の受信走査線上の複数の受信焦点の位置に応じた遅延時間で夫々遅延させた後に加算することにより時系列な整相加算後受信信号を生成する遅延加算部と、前記整相加算後受信信号の包絡線を検波する検波部と、を含む受信ビームフォーマをさらに有し
前記領域設定部は、前記検波部による検波前の前記整相加算後受信信号に対して前記窓領域を設定し、
前記スペクトル抽出部は、前記整相加算後受信信号に対して重み付けを行う、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項４】
前記受信ビーム演算部は、前記対象領域を複数のサブ領域に分割し、前記サブ領域ごとに前記窓領域の前記受信信号の強度分布を算出し、前記合成部は、前記サブ領域ごとの前記受信信号の強度分布を加算し、加算後の前記受信信号の強度分布を、前記送信ビーム演算部の算出した強度分布と合成することにより、前記窓領域の前記受信信号に生じる強度分布を求める、請求項２記載のスペクトル解析装置。
【請求項５】
前記重み演算部は、前記スペクトル抽出部が行う前記周波数スペクトル解析の結果に望まれる周波数分解能および前記演算領域の大きさに応じて、前記窓領域の大きさを設定する窓サイズ設定部をさらに有する、請求項２記載のスペクトル解析装置。
【請求項６】
前記スペクトル抽出部が、前記重み付された前記窓領域の前記受信信号をフーリエ変換することによりスペクトル解析を行う、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項７】
前記振動子から前記被検体に対して送信される超音波が、所定の中心周波数および所定の帯域を有する、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項８】
前記演算領域および前記窓領域は、前記受信信号の時間軸方向と、前記複数の振動子の配列方向とを軸とする空間に配置された複数の前記受信信号に設定され、
前記スペクトル抽出部が、前記窓領域の前記受信信号を２次元又は３次元フーリエ変換する、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項９】
前記振動子の超音波の送信および受信の条件であって、予め定めた設定可能な条件ごとにそれぞれ予め求めておいた前記重み分布を記憶する重み記憶部を備え、
前記スペクトル抽出部は、前記被検体に送信され、前記振動子が受信した超音波の送信および受信の条件に対応する前記重み分布を前記重み記憶部から読み出して、前記窓領域の前記受信信号に対して重み付けを行う、請求項２記載のスペクトル解析装置。
【請求項１０】
前記対象領域の設定をユーザから受け付ける受付部をさらに有し、
前記領域設定部は、前記受付部が受け付けた前記対象領域に対応する、前記受信信号上の前記演算領域を演算により求める、演算領域算出部を有することを特徴とする、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項１１】
配列された複数の振動子から被検体に対して送信され、前記被検体で反射された超音波を前記複数の振動子で受信することにより時系列に夫々得られる受信信号に対して、前記受信信号の周波数スペクトル解析の対象となる演算領域及び該演算領域を含む窓領域を設定する領域設定ステップと、
前記窓領域の複数の前記受信信号に重み付けを行い、重み付け後の前記窓領域の前記受信信号の周波数スペクトル解析を行うスペクトル抽出ステップとを含み、
前記スペクトル抽出ステップは、前記複数の振動子から送信された超音波が、前記被検体内を波動伝搬し、前記演算領域に対応する前記被検体内の対象領域に到達して反射され、さらに前記被検体内を波動伝搬して前記複数の振動子に到達したと仮定した場合に、前記窓領域の前記受信信号に生じる強度分布に対応した重み分布を用いて、前記重み付けを行う、スペクトル解析方法。
【請求項１２】
配列された複数の振動子と、前記振動子から被検体に対して超音波を送信させる送信ビームフォーマと、前記被検体で反射された超音波を前記複数の振動子で受信することにより得られる受信信号をスペクトル解析するスペクトル解析装置と、該スペクトル解析装置による解析結果に基づいて、前記被検体の生体情報を算出する生体情報抽出部とを有し、
前記スペクトル解析装置は、請求項１乃至請求項１０の何れか１項記載のスペクトル解析装置である、超音波撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波の被検体に対する送受波に基づいて得られる受信信号の周波数スペクトルを解析するスペクトル解析装置及び、該スペクトル解析装置によるスペクトル解析の結果に基づいて被検体の組織性状を示す情報を取得する超音波撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体組織に超音波ビームを送信し、その反射波（エコー信号）を受信して解析し、診断像等を生成する超音波診断装置が知られている。近年、超音波診断装置では、診断像の生成だけでなく、血管や各種臓器等の生体の組織性状を診断することが求められているため、生体についての物理量（以下、生体物理量）を測定する超音波診断装置が提案されている。生体物理量としては、例えば、生体組織の音響減衰率、音速、血流や生体組織の移動速度量、散乱特性量等が挙げられる。そして、生体物理量を測定するために、生体物理量に起因する縦波伝搬波（超音波キャリア）のスペクトル変化を用いる技術がある。【０００３】
このような超音波診断装置の例として、例えば、特許文献１には、エコー信号の複数の位置にそれぞれゲート（窓領域）を設定し、ゲート内のエコー信号を高速フーリエ変換処理することにより、周波数特性を得ることにより、生体組織性状を診断する生体組織性状診断装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１７００４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ゲート（窓領域）内のエコー信号には、ゲート位置に対応する生体内の対象領域から発せられた超音波のスペクトル情報だけでなく、対象領域の周囲の領域から発せられた超音波のスペクトル情報も含んでしまうという問題がある。このため、窓領域のエコー信号に対してスペクトル解析を施して得た解析結果は、生体内の対象領域についての情報以外に、周囲領域の情報も含むため、対象領域の組織性状を示す情報の分解能が低下する。【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、スペクトル解析の精度を向上させ、延いては生体の組織性状を示す情報の信頼性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。【０００８】
本発明の一態様のスペクトル解析装置は、配列された複数の振動子から被検体に対して送信され、被検体で反射または透過された超音波を前記複数の振動子で受信することにより時系列に夫々得られた受信信号の整相加算後の受信信号に対して、受信信号の周波数スペクトル解析の対象となる演算領域及び該演算領域を含む窓領域を設定する領域設定部と、窓領域の複数の受信信号に重み付けを行い、重み付け後の窓領域の受信信号の周波数スペクトル解析を行うスペクトル抽出部と、を備える。スペクトル抽出部は、複数の振動子から送信された超音波が、被検体内を波動伝搬し、演算領域に対応する被検体内の対象領域に到達して反射または透過され、さらに被検体内を波動伝搬して複数の振動子に到達したと仮定した場合に、窓領域の受信信号に生じる強度分布に対応した重み分布を用いて、重み付けを行う。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スペクトル解析の精度を向上させ、延いては生体の組織性状を示す情報の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）超音波の送受信に基づく受信信号の処理の過程と、受信信号に設定される演算領域および窓領域を示す説明図である。
【図４】一実施形態の重み演算部の構成を示すブロック図。
【図５】一実施形態のスペクトル解析部の構成を示すブロック図。
【図６】一実施形態の波動重みの例を示す図である。
【図７】一実施形態に演算領域とサブ領域を説明する図である。
【図８】従来の窓領域に対する重みの例を示す説明図である。
【図９】一実施形態のスペクトルの総エネルギーにおける対象領域３０の各位置からの超音波のスペクトルエネルギー率を示し、窓領域に対して従来の重み付けを行った場合と、本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置における重み付を行った場合とを比較したグラフである。
【図１０】一実施形態のＢモード像上に設定された生体物理量の演算ピクセルの例を示す図である。
【図１１】一実施形態の生体物理量のマップを示す図である。
【図１２】一実施形態に係る超音波撮像装置におけるスペクトル解析に用いる重み分布の決定処理を示すフローチャートである。
【図１３】一実施形態に係る超音波撮像装置におけるスペクトル解析処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置について、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る超音波撮像装置（超音波送受信装置）の概略構成を示す斜視図である。超音波撮像装置２は、被検体１に対する超音波の送受波に基づいて時系列に夫々得られる受信信号の周波数スペクトル解析を行うスペクトル解析部（スペクトル解析装置）１７を備えており、所謂Ｂモード画像を取得して表示させる他、超音波パルスを送信して被検体１から得られる受信信号を解析することにより組織性状を示す生体物理量を取得する。
【００１３】
このため、超音波撮像装置は、図２に示すように、超音波探触子１０、操作者からの入力を受け付けるコンソール１１、制御部１２、送信ビームフォーマ１３、送受分離回路（Ｔ／Ｒ: Transmit/Receive）１４、受信ビームフォーマ１５、スペクトル解析部１７、生体物理量マッピング部１８、画像処理部１９及び画像表示部２０を備えている。
【００１４】
コンソール１１は、スイッチ群やキーボード等からなり、操作者からの入力を受け付ける。制御部１２は、超音波送信開始指令等を送信ビームフォーマ１３に通知する他、各部の制御を行う。また、制御部１２は、送信パルス設定値（送信信号波形の中心周波数、帯域、振幅、ならびに、送信パルスの時間幅（送信パルスに含まれるキャリア波形の周期数））、送信に用いる開口の座標、送信ビームの設定値（送信焦点位置）等を送信ビームフォーマ１３に設定する。送信ビームフォーマ１３は、制御部１２から受け取った送信パルス設定値および送信ビームの設定値に基づいて送信信号を生成し、送信焦点位置に応じて送信に寄与する振動子の領域である開口内の振動子ごとに送信信号を遅延させ、送受分離回路１４を介して、超音波探触子１０の送信開口内の振動子（トランスデューサ）にそれぞれ出力する。
【００１５】
超音波探触子１０は、振動子を複数配列してなる電気音響変換器アレイを備えている。振動子は、電気信号（電圧波形）を機械応力信号（音圧波形）に変換する圧電体などで構成されている。送信開口は、所定の方向へ超音波を照射する振動子の領域であり、１以上の振動子によって構成されている。振動子は、送受分離回路１４から供給された送信信号に基づいてそれぞれ駆動されることにより超音波を被検体１に向かって送信する。送信開口内の１以上の振動子が超音波を送信することにより、送信焦点に集束する超音波パルスである送信ビームが被検体１内部に照射される。なお、送信焦点は、被検体１内に位置する場合の他に、仮想的に、被検体１の外側（超音波の送信方向に対して超音波探触子の手前側）に位置してもよい。
【００１６】
被検体１内部に照射された送信ビームは、被検体１内で反射され、または、被検体１内を透過して、超音波探触子１０の振動子によって受信される。被検体１を透過した超音波を受信する場合には、円環形状の超音波探触子１０や、被検体１を挟んで向い合せに配置された一対の超音波探触子１０を用いる。以下の説明では、被検体１内で反射された超音波を超音波探触子１０で受信する場合を例に説明する。
【００１７】
被検体１内部に照射された送信ビームは、図３（ａ）に示すように、被検体１内の反射体により反射および後方散乱等されることにより、エコー１００を発生し、超音波探触子１０に到達する。超音波探触子１０の複数の振動子は、エコーの音圧波形を電圧波形に変換して複数の受信信号１０３をそれぞれ生成し、生成された受信信号１０３は、受信ビームフォーマ１５に出力される。
【００１８】
図２に示すように、受信ビームフォーマ１５は、遅延加算部１５１、検波部１５２及びメモリ１５３を備え、複数の受信信号に対して図示しないＡ／Ｄ変換回路でＡ／Ｄ変換をした後、遅延加算部１５１において、図３（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）に示すように、所定の受信走査線１０２上に設定された受信焦点１０１の位置に応じた遅延時間で受信信号１０３夫々遅延させた後に加算することにより整相加算後受信信号１０４を生成する。検波部１５２は、図３（ｄ）のように、整相加算後受信信号１０４の包絡線を検波する。包絡線検波後の受信信号１０５の振幅は、受信焦点１０１において生じたエコーの強度に対応している。
【００１９】
なお、受信走査線１０２は、撮像範囲内に所定の間隔で複数設定され、受信走査線１０２上には、所定の間隔で複数の受信焦点１０１が設定されるため、遅延加算部１５１がそれぞれの受信走査線１０２上の複数の受信焦点１０１について順次受信信号１０３を遅延加算していくことにより、図３（ｅ）のように、整相加算後受信信号１０４が受信走査線１０２ごとに生成される。検波部１５２は、時系列な整相加算後受信信号１０４を順次包絡線検波し、受信走査線１０２上の複数の受信焦点１０１におけるエコー強度を検出する。さらに受信ビームフォーマ１５は、生成した整相加算後受信信号１０４および検波後の受信信号１０５をメモリ１５３に記憶する。
【００２０】
画像処理部１９は、受信ビームフォーマ１５のメモリ１５３から受信走査線１０２ごとに包絡線検波後の各受信焦点１０１のエコー強度を受け取り、超音波画像（例えば、Ｂモード像）を生成する。生成した超音波画像は、画像表示部２０に表示される。画像処理部１９が超音波画像を生成するための処理には、例えば対数圧縮処理等が含まれる。
【００２１】
ここで、受信ビームフォーマ１５が受信する受信信号１０３及び受信ビームフォーマにおいて生成される整相加算後受信信号１０４の波形には、Ｂモード画像を生成するための振幅情報（強度情報）の他、超音波の送信信号波形が伝搬過程の周波数減衰や位相回転を経た、それらの重畳としての波形であるキャリア波形の情報が含まれている。このキャリア波形の情報には、超音波の伝搬過程で生じた周波数変化や位相回転等の波形の変化の情報と、超音波が被検体を伝搬する際の時間情報が含まれている。キャリア波形の情報は、伝搬媒体（被検体１）の情報を示している。そこで、本実施形態では、スペクトル解析部１７が、受信ビームフォーマ１５から得られた受信信号のスペクトル解析を行い、被検体１の情報をさらに抽出する。
【００２２】
このとき、被検体１内の任意の反射点から見ると、超音波の送信及び受信はそれぞれ指向性(送信指向性と受信指向性)を有するため、超音波の送受信及び散乱体の反射の畳み込み演算により、超音波探触子１０に到達する際の超音波は、点広がり関数で表される所定の広がりを生じる。そのため、超音波探触子１０で検出される受信信号は、被検体１の複数の反射点で反射され、点広がり関数でそれぞれ広がった超音波が重畳した信号になっている。言い換えると、振動子が出力する受信信号には、所望の反射点のスペクトル情報の他に、周囲の様々な点から発せられたスペクトル情報が重畳して含まれている。
【００２３】
本実施形態では、図３（ｅ）に示すように、被検体１の所望の対象領域３０に対応する受信信号の演算領域３１を取り囲むように、窓領域３２を設定し、窓領域３２内の受信信号に対して重み付けを行うことにより、受信信号に含まれる対象領域３０の周囲からの信号を除去（低減）する。これにより、対象領域３０におけるスペクトル情報を高精度に抽出することができる。以下、これをさらに詳しく説明する。
【００２４】
スペクトル解析部１７は、領域設定部１７１と、重み演算部１７２と、スペクトル抽出部１７３とを備えている。
【００２５】
領域設定部１７１は、振動子から時系列に夫々得られる受信信号に対して、周波数スペクトル解析の対象となる演算領域３１と、演算領域を含む窓領域３２を設定する。ここで、演算領域３１および窓領域３２を設定する対象となる受信信号は、図３（ｅ）のように、受信ビームフォーマ１５の遅延加算部１５１において生成された整相加算後受信信号１０４である。
【００２６】
領域設定部１７１は、図３（ｅ）に示すように、複数の整相加算後受信信号１０４に対して、スペクトル解析を行う演算領域３１と、演算領域３１を囲繞するように設定された窓領域３２とを設定する。すなわち、領域設定部１７１は、深さ方向（プローブ表面からの距離）と複数の振動子の配列方向とを軸とする２次元空間に配置された複数の整相加算後受信信号１０４に対して、演算領域３１及び窓領域３２を設定する。演算領域３１の位置及び大きさは、被検体１内の生体の組織性状を示す情報を取得したい対象領域３０において送信ビームが反射されて生じたエコー１００が振動子に到達して生じる受信信号の範囲と対応するように、超音波の伝搬速度および対象領域３０の位置及び大きさに基づいて、領域設定部１７１が予め定めた演算方法により演算を行って定める。対象領域３０の位置および大きさは、コンソール１１および制御部１２を介してユーザから受け付ける。
【００２７】
また、ユーザが設定可能な複数種類の位置及び大きさの対象領域３０について、それぞれ対応する演算領域３１の位置及び大きさを予め演算により求め、演算結果を領域設定部１７１内のメモリ４１に格納しておいてもよい。この場合、領域設定部１７１は、コンソール１１および制御部１２を介してユーザから受け付けた対象領域３０に対応する演算領域３１の位置及び大きさをメモリ４１から読み出して整相加算後受信信号１０４に対して設定する。
【００２８】
領域設定部１７１は、その構成を図４に示すように、窓サイズ設定部４２を有する。窓サイズ設定部４２は、演算領域３１より外側に位置する窓領域３２の深さ方向の大きさΔZおよび振動子の配列方向の大きさΔＷ（図３（ｅ）参照）を、受信ビーム演算部５２へ与える。窓サイズ設定部４２は、演算領域３１において所望の周波数分解能が得られるように、所望の周波数分解能と、被検体１内における超音波の音速ｃに基づいて演算により、窓領域３２の深さ方向の大きさΔZを求める。例えば、窓サイズ設定部４２は、フーリエ変換における時間窓の長さと所望の周波数分解能との関係から導かれる空間窓の長さΔZと周波数分解能との関係を示す式（１）に従って算出する。
【００２９】
【数１】
2018008089.tif 000003
但し、ｃは音速値、ΔＦは所望の周波数分解能である。
【００３０】
一方、窓サイズ設定部４２は、振動子の配列方向について演算領域３１よりも外側に位置する窓領域３２の大きさをΔＷとして、ΔＺと同様に所望の周波数分解能が得られるように求める。ΔＷとΔＺはどうちらも空間方向であり，ΔＷについても式（１）と同様の関係が成立するため、例えばΔＷと周波数分解能との関係を示す式（２）に従って算出する。
【００３１】
【数２】
2018008089.tif 000004
【００３２】
スペクトル抽出部１７３は、図５に示すように、重み乗算部５５と、フーリエ変換部５６と、スペクトル変換部５７とを有する。重み乗算部５５は、窓領域３２を含む複数の整相加算後受信信号１０４に重み付けを行う。フーリエ変換部５６およびスペクトル変換部５７は、重み付け後の窓領域３１の整相加算後受信信号１０４の周波数スペクトル解析を行い、その結果である波数スペクトルと周波数スペクトルをそれぞれ生体物理量マッピング部１８に送信する。このとき、重み乗算部５５は、複数の振動子から送信された超音波（送信ビーム）が、被検体１内を波動伝搬し、演算領域３１に対応する被検体１内の対象領域３０に到達して反射され、さらに被検体１内を波動伝搬して複数の振動子に到達したと仮定した場合に、窓領域３２の整相加算後受信信号１０４に生じる強度分布に対応した重み分布（例えば図６参照）を用いて、重み付けを行う。本実施形態では、このような波動伝搬を考慮して定めた重み分布を「波動重み」と呼ぶ。
【００３３】
このように窓領域３２内の整相加算後受信信号１０４に対して波動重みを用いて重み付けを行うことにより、整相加算後受信信号１０４に含まれる対象領域３０の周辺領域で生じたエコーの受信信号を除去（低減）することができる。よって、重み付け後のスペクトル解析において、振動子から対象領域３０に伝搬する経路において超音波（送信ビーム）に生じたスペクトル変化、および、対象領域３０における反射や散乱に生じたスペクトル変化、ならびに、対象領域３０から振動子まで伝搬する経路において超音波（エコー）に生じたスペクトル変化を高精度に求めることができる。
【００３４】
重み演算部１７２は、スペクトル抽出部１７３の重み乗算部５５が重み付けに用いる波動重みを演算により求める。重み演算部１７２は、図４に示すように、送信ビーム演算部５１と、受信ビーム演算部５２と、合成部５３と、重み算出部５４とを有する。
送信ビーム演算部５１は、複数の振動子から送信された超音波が被検体１内を伝搬して対象領域３０に到達したと仮定した場合の、対象領域３０における超音波の強度分布を算出する。
【００３５】
受信ビーム演算部５２は、予め定めた所定の強度分布の超音波の照射を受けた対象領域３０から発せられた超音波が被検体内を伝搬して振動子に到達して受信されたと仮定した場合に、整相加算後受信信号１０４の窓領域３２における強度分布を算出する。
合成部５３は、送信ビーム演算部５１の算出した強度分布と受信ビーム演算部５２の算出した強度分布とを合成することにより、窓領域３２の整相加算後受信信号１０４に生じる強度分布を求める。重み算出部５４は、合成部５３が求めた窓領域３２の整相加算後受信信号１０４に生じる強度分布に基づいて重み分布を定める。これを以下、数式を用いて具体的に説明する。
【００３６】
送信ビーム演算部５１は、振動子から送信された超音波が対象領域３０を含む撮像領域に到達したと仮定した場合、撮像領域における超音波の強度、すなわち、対象領域３０内の位置（ｘ、ｚ）における送信ビーム音場Ａｔｘ（ｘ、ｚ）を、例えば式（３）により演算する。
【００３７】
【数３】
2018008089.tif 000005
【００３８】
但し、ｍは、送信開口の番号、Ｍは、送信開口の振動子の数、Ｗｔｘは送信開口に付される開口重み、Ｐ（ｆ）は、送信波形の周波数ｆのスペクトルを表す関数、ｃは音速値、ｒは、以下の式（４）で与えられる送信に用いられる送信開口の振動子と対象領域３０内の点（ｘ，ｚ）との距離、τは、送信開口の送信時遅延時間、ｔは時間である。
【００３９】
【数４】
2018008089.tif 000006
ただし、ｘｅ(ｍ）およびｚｅ(ｍ）は、ｍ番目の送信素子のｘ座標およびｚ座標である。
【００４０】
受信ビーム演算部５２は、予め定めた所定の強度分布の超音波の照射を受けた対象領域３０から発せられた超音波が被検体１内を伝搬して振動子に到達して受信されたと仮定した場合に、複数の振動子の出力する整相加算後受信信号１０４の窓領域３２における強度分布、すなわち窓領域３２内の位置（ｘ、ｚ）における受信ビーム音場Ａｒｘ（ｘ、ｚ）を、以下の式（５）により演算する。
【００４１】
【数５】
2018008089.tif 000007
【００４２】
ただし、ｍは、受信開口の番号、Ｍは、受信開口の振動子数、Ｐ’（ｆ）は、受信波形の周波数ｆのスペクトルを表す関数であり，これは例えば送信波形のスペクトルＰ（ｆ）と受信のインパルス応答とから算出され設定される。Ｗｒｘは受信開口に付される開口重み、ｒは前記式（３）と同様に計算される受信振動子と対象領域３０内の点（ｘ，ｚ）との距離、ｃは音速値、ｔは時間である。
【００４３】
なお、受信ビーム演算部５２は、受信ビーム音場Ａｒｘ（ｘ、ｚ）を算出するに際し、図７に示すように、演算領域３１を複数（Ｉ個）のサブ領域３１−ｉ（ｉ＝１，２、・・・Ｉ）に分割し、サブ領域３１−ｉ毎に、受信ビーム音場Ａｒｘ（ｘ（ｉ）、ｙ（ｉ））を式（５）を用いて演算する。サブ領域３１−ｉのサイズは、例えばサブ波長程度の大きさに設定する。サブ波長とは、送信パルスの波長と同等かそれ以下の長さである。
【００４４】
そして、合成部５３は、送信ビーム演算部５１の算出した送信ビーム音場Ａｔｘ（ｘ、ｚ）と、受信ビーム演算部５２の算出したサブ領域３１−ｉごとの受信ビーム音場Ａｒｘ（ｘ（ｉ）、ｚ（ｉ））との積を求めることにより合成し、窓領域３２の受信信号１０４に生じる信号強度分布Ａｗを求める。具体的には以下の式（６）に従って算出する。
【００４５】
【数６】
2018008089.tif 000008
但し、ｉは、サブ領域の番号である。
【００４６】
重み算出部５４は、窓領域３２における信号の強度分布Ａｗに基づいて、窓領域３２に対する重みを決定する。前記重みは例えば以下の式（７）に従って決定する。すなわち、信号強度分布Ａｗのデシベル値ＡｗｄＢに対して、予め定めた定数であるデシベル下限値Ｇを加えた（ＡｗｄＢ＋Ｇ）の値が０以上である位置には、（ＡｗｄＢ＋Ｇ）に予め定めた係数αを掛けた値α（ＡｗｄＢ＋Ｇ）を重みＷｗとして設定し、（ＡｗｄＢ＋Ｇ）の値が０未満である位置には、重みＷｗ＝０を設定する。
【００４７】
次に重み算出部５４は、領域設定部１７１で定められた窓領域３２の領域外に対しては重みＷ＝０を設定し、窓領域３２の領域内についてはＷ＝Ｗｗを設定して、重みＷをスペクトル抽出部１７３に与える。この設定に従い、後述のように重み乗算部５５（図５）が、整相加算後の受信信号１０４とＷとを乗算することで、窓領域３２の領域内にある整相加算後の受信信号１０４のみを抽出し、窓領域３２の領域内の受信信号１０４に波動重みＷｗを付与する。
【００４８】
【数７】
2018008089.tif 000009
【００４９】
但し、ＡｗｄＢは、強度分布Ａｗのデシベル値であり、Ｇは、予め定めたデシベル下限値、αは、予め定めた比例定数の係数である。
【００５０】
式（７）のように窓領域３２に重みＷｗを設定することにより、超音波探触子１０（振動子）から対象領域３０までの波動伝搬と、対象領域３０における反射等および対象領域３０から超音波探触子１０までの波動伝搬を考慮して求めた窓領域３２の信号強度に基づいて、信号強度が所定の下限値Ｇ以上に大きい点には、信号強度に応じた重みが付与され、信号強度が下限値Ｇ未満の点には重みゼロが付与される。すなわち、式（７）により求めた図６のような波動重みにより窓領域３２内の受信信号１０４を重みづけすることにより、窓領域３２内の受信信号１０４に含まれる、対象領域３０の周辺領域から伝搬した受信信号を除去または低減することができる。
【００５１】
したがって、一般に、窓領域３２に対するスペクトル解析において用いられる、図８のような、中心部の重みが最も大きく、周辺部に近づくほど重みが小さくなる重み（例えばＨａｎｎ重み等）を用いた場合と比較して、本実施形態の波動重みを用いることにより、図９のように被検体１内の対象領域３０から伝搬した受信信号を抽出できる。よって、この後のスペクトル抽出により、対象領域３０から伝搬した受信信号のスペクトルを精度よく抽出することができる。
【００５２】
図９は、一実施形態のスペクトルの総エネルギーにおける窓領域３２の中の各位置からの超音波のスペクトルエネルギー率を示し、窓領域３２に対して従来の重み付けを行った場合と、波動伝搬に基づく重み付けを行った場合とを比較したグラフである。図９において、対象領域３０において散乱し受信された信号の成分をシグナル、対象領域３０以外で散乱し受信された信号をノイズと定義すると、波動伝搬に基づく重み付けを行った場合、前記波動重みを用いることで、従来の重み付けを行った場合と比べて、対象領域３０からの受信信号強度、即ち前記シグナルの強度が大きい領域を残し、前記シグナル強度が弱く、即ち前記ノイズ成分が大きい領域は除くように重み付けがなされるため、ＳＮ比（Signal to noise ratio）が向上し、即ちスペクトル抽出の精度が向上する効果が得られる。
【００５３】
なお、重み演算部１７２は、超音波の送信および受信の条件が設定されるたびに、演算により重み分布を算出してもよい。また、重み演算部１７２は、超音波の送信および受信の条件であって、予め定めた設定可能な条件ごとに、予め演算により求めておいた重み分布を記憶する重み記憶部を備える構成であってもよい。重み演算部１７２が重み記憶部を備える場合、スペクトル抽出部１７３は、超音波の送信および受信の条件に対応する重み分布を重み記憶部から読み出して、窓領域３２の前記受信信号に対して重み付けを行う。
【００５４】
スペクトル抽出部１７３のフーリエ変換部５６は、重み乗算部５５が波動重みを用いて重み付けした窓領域３１の整相加算後受信信号１０４の周波数スペクトル解析を行う。すなわち、フーリエ変換部５６は、窓領域３２の整相加算後受信信号１０４に対して２次元ないし３次元のＦＦＴ(Fast Fourier Transform)等のフーリエ変換を行うことにより波数スペクトルを得る。
【００５５】
スペクトル変換部５７では、波数スペクトルデータに対して、例えば周波数と波数の関係式である分散関係の式を用いた内挿処理を行うことにより、周波数スペクトルに変換する。スペクトル抽出部１７３のフーリエ変換部５６およびスペクトル変換部５７は、波数スペクトルおよび周波数スペクトルをスペクトル情報として生体物理量マッピング部１８に出力する。
【００５６】
図１０に生体物理量の演算ピクセルの例を、図１１に生体物理量マップの例を示す。生体物理量マッピング部１８は、図２に示したように、生体物理量抽出部１８１及びマッピング部１８２を備えている。生体物理量抽出部１８１は、スペクトル抽出部１７３から取得した波数スペクトルおよび周波数スペクトルを、予め定めた生体物理量の演算ピクセル毎に、かつ、送信ビームの送信ごとに記憶する。演算ピクセルは、診断に用いる超音波画像（Ｂモード像）上の一部または全部に、図１０のように所望の分解能で設定される。
【００５７】
生体物理量抽出部１８１は、演算ピクセルごとの波数スペクトルおよび周波数スペクトル等のスペクトル情報から、音響減衰率、音速、血流等の生体の移動速度量や散乱特性量等の生体物理量のうち所望の生体物理量を、公知の演算手法により算出する。例えば減衰率は、演算ピクセル毎に記憶された周波数スペクトルを用いて、深さ方向の周波数成分の振幅または強度の差分を求めることにより算出することができる。差分を複数の送信ごとに求め、送信間の差分の平均値を算出して、差分の平均値に基づいて減衰率を算出してもよい。また、例えば、血流の移動速度は、周波数スペクトルの位相成分の変化に基づいて演算される。
【００５８】
マッピング部１８２は、生体物理量抽出部１８１において、算出した生体物理量の大きさに濃淡または色相を割り当てて演算ピクセルごとに配置することにより、生体物理量マップを図１１のように生成する。血流ベクトルである場合には、ベクトルを示す矢印としてマッピングしてもよい。生体物理量マップは、単独で画像表示部２０に表示させてもよいし、画像処理部１９が生成した超音波画像（Ｂモード像）と重畳させて画像表示部２０に表示させてもよい。
【００５９】
スペクトル解析部１７や生体物理量マッピング部１８に含まれる各部の機能は、制御部１２が有する図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）が、予めＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等のメモリに格納されたプログラムを読み込んで実行することによりソフトウエアとして実現する。また、スペクトル解析部１７および生体物理量マッピング部１８の各部の機能の一部又は全部を、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）のようなカスタムＩＣやＦＰＧＡ（field-programmable gate array）のようなプログラマブルＩＣ等のハードウエアにより実現してもよい。
【００６０】
以下、本実施形態に係る超音波撮像装置において、スペクトル解析部１７が行う受信信号に対するスペクトル解析処理を図１２および図１３のフローチャートに従って説明する。
【００６１】
まず、図１２に従ってスペクトル解析に用いる重みの決定処理について説明する。
【００６２】
ステップＳ１１では、領域設定部１７１が、スペクトル解析を行う対象領域である演算領域と、演算領域を囲繞するように設定された窓領域とを設定する。具体的には、領域設定部１７１は、制御部１２から被検体１においてユーザが設定した対象領域３０の位置及び大きさに関する情報を受け取り、これに音速を考慮して、整相加算後受信信号１０４上の演算領域３１の位置及び大きさを予め定めた演算方法により算出する。もしくは、予め求めておいた演算領域３１の位置及び大きさを、対象領域３０の位置及び大きさに関する情報に基づいて、領域設定部１７１が内蔵するメモリ４１から読み出す。さらに、領域設定部１７１の窓サイズ設定部４２は、スペクトル解析を行うに際しての所望の周波数分解能を制御部１２から受け取り、式（１）に基づいて窓領域３２の大きさおよび位置を算出する。
【００６３】
ステップＳ１２において、重み演算部１７２の送信ビーム演算部５１は、送信強度分布である送信ビーム音場Ａｔｘ（送信側音場）を演算して算出する。具体的には、重み演算部１７２は、制御部１２から送信パルス設定値（中心周波数や帯域等）、送信開口座標、送信ビーム設定値（フォーカス焦点）等の情報を受け取り、これらを用いて、上述した式（２）に従って送信ビーム音場Ａｔｘを算出する。
【００６４】
次のステップＳ１３では、重み演算部１７２の受信ビーム演算部５２が、受信強度分布である受信ビーム音場Ａｒｘ（受信側音場）を演算して算出する。具体的には、重み演算部１７２は制御部１２から受信パルス設定値、受信開口座標、受信ビーム設定値（受信フォーカス焦点等）を受け取り、これら用いて、上述した式（５）に従って演算領域３１における受信ビーム音場Ａｒｘを演算して算出する。重み演算部１７２の合成部５３は、次のステップＳ１４おいて、すでに算出した送信ビーム音場Ａｔｘと受信ビーム音場Ａｒｘとを用い、式（６）に従って演算領域３１における整相加算後受信信号１０４の強度分布Ａｗを演算して取得する。
【００６５】
重み演算部１７２の重み算出部５４は、ステップＳ１５において、強度分布Ａｗに基づいて、窓領域に対する重みＷＷを演算して決定する。具体的には、重み算出部５４は、演算領域３２における受信信号の強度分布Ａｗを用いて、上述の式（７）に従って窓領域３２の受信信号に対する重み分布（波動重み）を決定する。重み算出部５４は、窓領域３２に対する重みＷＷを用いて、全領域に対する重みＷを決定する。具体的には、重み算出部５４は、窓領域３２外はＷ＝０、窓領域３２内はＷ＝ＷＷにより決定する。
【００６６】
続いて、図１３に従って、図１２のフローチャートに従って算出された波動重みを用いたスペクトル解析処理について説明する。
【００６７】
スペクトル抽出部１７３の重み乗算部５５は、ステップＳ２２において、整相加算後受信信号１０４の全体に対して、重み演算部１７２により算出された波動重みを乗算することにより重み付けを行う。
【００６８】
ステップＳ２３では、スペクトル抽出部１７２のフーリエ変換部５６は、重み付された整相加算後受信信号１０４に対してフーリエ変換を行うことにより波数スペクトルを算出する。ステップＳ２４では、スペクトル変換部５７は、波数スペクトルを周波数スペクトルに変換して抽出する。
【００６９】
本実施形態に係る超音波撮像装置によれば、超音波探触子１０から対象領域３０へ到達する超音波信号の伝搬、対象領域３０から超音波探触子１０に到達する超音波信号の伝搬により生じる超音波信号の広がりおよび強度分布を考慮して、受信信号に重み付け行うため、対象領域３０のスペクトルを精度よく抽出することができる。そして、このようスペクトル解析により得られた波数または周波数スペクトルを用いることで、生体の組織性状を示す情報の信頼性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１０・・・超音波探触子、１１・・・コンソール、１２・・・制御部、１３・・・送信ビームフォーマ、１４・・・送受分離回路、１５・・・受信ビームフォーマ、１７・・・スペクトル解析部、１８・・・生体物理量マッピング部、１９・・・画像処理部、２０・・・画像表示部、１５１・・・遅延加算部、１５２・・・検波部、１５３・・・メモリ、１７１…領域設定部、１７２・・・重み決定部、１７３・・・スペクトル抽出部、１８１生体物理量抽出部、１８２・・マッピング部
【図１】
2018008089.tif 000010
【図２】
2018008089.tif 000011
【図３】
2018008089.tif 000012
【図４】
2018008089.tif 000013
【図５】
2018008089.tif 000014
【図６】
2018008089.tif 000015
【図７】
2018008089.tif 000016
【図８】
2018008089.tif 000017
【図９】
2018008089.tif 000018
【図１０】
2018008089.tif 000019
【図１１】
2018008089.tif 000020
【図１２】
2018008089.tif 000021
【図１３】
2018008089.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月7日(2018.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配列された複数の振動子から被検体に対して送信され、前記被検体で反射または透過された超音波を前記複数の振動子で受信することにより時系列に夫々得られた受信信号の整相加算後の受信信号に対して、前記受信信号の周波数スペクトル解析の対象となる演算領域及び該演算領域を含む窓領域を設定する領域設定部と、
前記窓領域の複数の前記受信信号に重み付けを行い、重み付け後の前記窓領域の前記受信信号の周波数スペクトル解析を行うスペクトル抽出部と、を備え、
前記スペクトル抽出部は、前記複数の振動子から送信された超音波が、前記被検体内を波動伝搬し、前記演算領域に対応する前記被検体内の対象領域に到達して反射または透過され、さらに前記被検体内を波動伝搬して前記複数の振動子に到達したと仮定した場合に、前記窓領域の前記受信信号に生じる強度分布に対応した重み分布を用いて、前記重み付けを行う、スペクトル解析装置。
【請求項２】
前記重み分布を演算により求める重み演算部をさらに有し、
前記重み演算部は、
前記複数の振動子から送信された超音波が前記被検体内を伝搬して前記対象領域に到達したと仮定した場合の前記対象領域における前記超音波の強度分布を算出する送信ビーム演算部と、所定の強度分布の超音波の照射を受けた前記対象領域から発せられた超音波が前記被検体内を伝搬して前記振動子に到達して受信されたと仮定した場合に前記複数の振動子の出力する受信信号の前記窓領域における強度分布を算出する受信ビーム演算部と、前記送信ビーム演算部の算出した強度分布と前記受信ビーム演算部の算出した強度分布とを合成することにより前記窓領域の前記受信信号に生じる強度分布を求める合成部と、前記窓領域の前記受信信号に生じる強度分布に基づいて前記重み分布を求める重み算出部とを有する、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項３】
複数の前記振動子の時系列な前記受信信号を、所定の受信走査線上の複数の受信焦点の位置に応じた遅延時間で夫々遅延させた後に加算することにより時系列な整相加算後受信信号を生成する遅延加算部と、前記整相加算後受信信号の包絡線を検波する検波部と、を含む受信ビームフォーマをさらに有し
前記領域設定部は、前記検波部による検波前の前記整相加算後受信信号に対して前記窓領域を設定し、
前記スペクトル抽出部は、前記整相加算後受信信号に対して重み付けを行う、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項４】
前記受信ビーム演算部は、前記対象領域を複数のサブ領域に分割し、前記サブ領域ごとに前記窓領域の前記受信信号の強度分布を算出し、前記合成部は、前記サブ領域ごとの前記受信信号の強度分布を加算し、加算後の前記受信信号の強度分布を、前記送信ビーム演算部の算出した強度分布と合成することにより、前記窓領域の前記受信信号に生じる強度分布を求める、請求項２記載のスペクトル解析装置。
【請求項５】
前記重み演算部は、前記スペクトル抽出部が行う前記周波数スペクトル解析の結果に望まれる周波数分解能および前記演算領域の大きさに応じて、前記窓領域の大きさを設定する窓サイズ設定部をさらに有する、請求項２記載のスペクトル解析装置。
【請求項６】
前記スペクトル抽出部が、前記重み付された前記窓領域の前記受信信号をフーリエ変換することによりスペクトル解析を行う、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項７】
前記振動子から前記被検体に対して送信される超音波が、所定の中心周波数および所定の帯域を有する、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項８】
前記演算領域および前記窓領域は、前記受信信号の時間軸方向と、前記複数の振動子の配列方向とを軸とする空間に配置された複数の前記受信信号に設定され、
前記スペクトル抽出部が、前記窓領域の前記受信信号を２次元又は３次元フーリエ変換する、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項９】
前記振動子の超音波の送信および受信の条件であって、予め定めた設定可能な条件ごとにそれぞれ予め求めておいた前記重み分布を記憶する重み記憶部を備え、
前記スペクトル抽出部は、前記被検体に送信され、前記振動子が受信した超音波の送信および受信の条件に対応する前記重み分布を前記重み記憶部から読み出して、前記窓領域の前記受信信号に対して重み付けを行う、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項１０】
前記対象領域の設定をユーザから受け付ける受付部をさらに有し、
前記領域設定部は、前記受付部が受け付けた前記対象領域に対応する、前記受信信号上の前記演算領域を演算により求める、演算領域算出部を有することを特徴とする、請求項１記載のスペクトル解析装置。
【請求項１１】
配列された複数の振動子から被検体に対して送信され、前記被検体で反射された超音波を前記複数の振動子で受信することにより時系列に夫々得られる受信信号に対して、前記受信信号の周波数スペクトル解析の対象となる演算領域及び該演算領域を含む窓領域を設定する領域設定ステップと、
前記窓領域の複数の前記受信信号に重み付けを行い、重み付け後の前記窓領域の前記受信信号の周波数スペクトル解析を行うスペクトル抽出ステップとを含み、
前記スペクトル抽出ステップは、前記複数の振動子から送信された超音波が、前記被検体内を波動伝搬し、前記演算領域に対応する前記被検体内の対象領域に到達して反射され、さらに前記被検体内を波動伝搬して前記複数の振動子に到達したと仮定した場合に、前記窓領域の前記受信信号に生じる強度分布に対応した重み分布を用いて、前記重み付けを行う、スペクトル解析方法。
【請求項１２】
配列された複数の振動子と、前記振動子から被検体に対して超音波を送信させる送信ビームフォーマと、前記被検体で反射された超音波を前記複数の振動子で受信することにより得られる受信信号をスペクトル解析するスペクトル解析装置と、該スペクトル解析装置による解析結果に基づいて、前記被検体の生体情報を算出する生体情報抽出部とを有し、
前記スペクトル解析装置は、請求項１乃至請求項１０の何れか１項記載のスペクトル解析装置である、超音波撮像装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
このような超音波診断装置の例として、特許文献１には、エコー信号の複数の位置にそれぞれゲート（窓領域）を設定し、ゲート内のエコー信号に対して高速フーリエ変換処理を行って周波数特性を得ることにより、生体組織性状を診断する生体組織性状診断装置が開示されている。
【国際調査報告】
2018008089.tif 000023
2018008089.tif 000024