(57)【要約】  本発明の超音波診断装置は、所定動作の周波数帯域で被検体に超音波を送受信する超音波探触子と、前記動作帯域に含まれる基本周波数の矩形波形を前記超音波探触子に送信する送信部と、前記被検体からの反射波中に含まれる低域応答を遮断する低域遮断周波数を設定する設定部と、前記超音波探触子が受信する前記反射波を検出する機能を有し、該反射波中の設定された前記低域遮断周波数より低い周波数の信号を遮断する受信部と、を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定動作の周波数帯域で被検体に超音波を送受信する超音波探触子と、
前記動作帯域に含まれる基本周波数の矩形波形を前記超音波探触子に送信する送信部と、
前記被検体からの反射波中に含まれる低域応答を遮断する低域遮断周波数を設定する設定部と、
前記超音波探触子が受信する前記反射波を検出する機能を有し、該反射波中の設定された前記低域遮断周波数より低い周波数の信号を遮断する受信部と、
を備えたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記受信部は、前記低域遮断周波数を有するフィルタを含み、
前記超音波探触子から送信される前記基本周波数に対応して、前記フィルタの前記低域遮断周波数を選択する手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の超音波診断装置。
【請求項３】
前記受信部の低域遮断周波数特性が、0.5f0である請求項1記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記受信部の低域遮断周波数特性が、前記被検体からの前記反射波の深度に対応して、0.8f0から0.5f0の範囲で可変可能である請求項1記載の超音波診断装置。
【請求項５】
前記受信部の低域遮断周波数特性が、0.8f0から1.2f0なる帯域通過特性を有するフィルタにより可変可能である請求項1記載の超音波診断装置。
【請求項６】
前記送信部が、前記超音波探触子に内蔵されている請求項1記載の超音波診断装置。
【請求項７】
前記受信部が、前記超音波探触子に内蔵されている請求項6記載の超音波診断装置。
【請求項８】
被検体に超音波を送信し、反射波に基づき診断を行う超音波診断装置であって、超音波を送受信する超音波探触子と、
基本周波数f0の矩形波形を前記超音波探触子に送信する送信部と、
前記超音波探触子が受信する前記被検体からの反射波を検出する受信部と、
前記受信部の出力を超音波画像データに変換する画像変換部と、
前記超音波画像データに基づき、画像を表示する表示部と、
前記送信部と前記受信部を制御する制御部とを備え、
前記受信部は低域遮断周波数を有するフィルタ部を含み、
前記制御部は、前記フィルタ部の前記低域遮断周波数の設定を制御することにより、前記反射波中に含まれる低域応答を遮断する、ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項９】
前記フィルタ部は、前記低域遮断周波数を有する高域通過フィルタで構成され、
前記制御部は、前記超音波探触子から送信される前記基本周波数f0に対応して、前記高域通過フィルタの前記低域遮断周波数を制御する請求項8記載の超音波診断装置。
【請求項１０】
前記フィルタ部の前記低域遮断周波数が0.5f0である請求項8記載の超音波診断装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記被検体からの前記反射波の深度に対応して、前記高域通過フィルタの前記低域遮断周波数特性を、0.8f0から0.5f0の範囲で可変可能である請求項10記載の超音波診断装置。
【請求項１２】
前記フィルタ部は、0.8f0から1.2f0なる帯域通過特性を有する帯域通過フィルタで構成される請求項8記載の超音波診断装置。
【請求項１３】
前記送信部が、前記超音波探触子に内蔵されている請求項8記載の超音波診断装置。
【請求項１４】
前記受信部は、前記超音波探触子の複数の超音波素子からの前記反射波に対応する信号を加算する加算処理部を有し、前記フィルタ部は前記加算処理部の後段に設置される請求項8記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置、特に簡易構成で上位システムと同等な画像を得ることが可能な超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポータブルや汎用の超音波診断装置の需要は強いが、性能と価格との両立は困難な課題である。近年、限られた実装スペースしか持たない小型の超音波診断装置でも高画質な画像描出が要望されている。【０００３】
かかる装置は、例えば192チャネルなどの多チャンネル送受信系からなるフロントエンド部と、その出力である多チャンネル受信信号をデジタル化するA/D変換器、およびその出力を遅延加算するビームフォーマ部、および加算信号を処理して画像化するバックエンド部から構成される。【０００４】
このような超音波診断装置の一例として、例えば、特許文献1に示す構成がある。本特許文献においては、超音波ビームの1ライン分の受信超音波信号に対して、その反射波の到達時刻に応じて刻々フィルタ特性を変化させるデジタルダイナミックフィルタ用いる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2000-217825号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の超音波診断装置においては、その送信部は、送信の立ち上がり特性を改善するため、上位機種では高価で実装スペースを必要とするD/A変換器などの波形発生器によりガウス波形等を生成し、これを線形増幅した後、探触子へ高圧パルスとして印加するための高圧増幅器、および高圧パルスから隣接する受信系を保護するための送受分離回路などから形成されている。【０００７】
このような組み合わせは、実装スペースに従って価格負荷が大きいため、しばしばさらに探触子の各素子へ高圧パルスを分配する高圧切り替え回路が用いられることも行われている。これは、送受信系を192チャンネルも並列配置するかわりに、例えば64チャンネルに限定された送受信系を探触子の192素子に分配供給して、実装スペースと価格を低減することができるからである。【０００８】
他方、普及機種では、例え上述の送受信系を採用したとしても、例えば32チャンネルといったように、大幅にチャンネル数を減らすか、ガウス波形の代わりに、片極性や両極性(双極性)の矩形パルスを送信するよう構成している。このため、チャンネル数に比例する空間分解能、後述する送受信スペクトラムの低域成分のために、上級機種に比較して画質が劣るのが通例であった。また、ガウス関数を用いた送波波形などを使用して波形を改善したとしても、受信ビームをリニアな特性で増幅させるアンプが必要とされるため、総合的に判断して、ガウス関数を用いた送波波形の普及機クラスへの展開は困難であった。【０００９】
本発明の目的は、片極性や両極性の矩形パルスを使用しながらも、上位システムと同等の画質を描出することが可能な超音波診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明では、所定動作の周波数帯域で被検体に超音波を送受信する超音波探触子と、前記動作帯域に含まれる基本周波数の矩形波形を前記超音波探触子に送信する送信部と、前記被検体からの反射波中に含まれる低域応答を遮断する低域遮断周波数を設定する設定部と、前記超音波探触子が受信する前記反射波を検出する機能を有し、該反射波中の設定された前記低域遮断周波数より低い周波数の信号を遮断する受信部と、を備えたことを特徴とする超音波診断装置を提供する。【００１１】
また、本発明では、上記の目的を達成するため、被検体に超音波を送信し、反射波に基づき診断を行う超音波診断装置であって、超音波を送受信する超音波探触子と、基本周波数f0の矩形波形を前記超音波探触子に送信する送信部と、超音波探触子が受信する被検体からの反射波を検出する受信部と、受信部の出力を超音波画像データに変換する画像変換部と、超音波画像データに基づき、画像を表示する表示部と、送信部と受信部を制御する制御部とを備え、受信部は低域遮断周波数を有するフィルタ部を含み、制御部は、このフィルタ部の低域遮断周波数の設定を制御することにより、反射波中に含まれる低域応答を遮断する超音波診断装置を提供する。【００１２】
すなわち、本発明では、好適には、矩形パルス発生器とそれを高圧パルスに変換するトランスからなる簡易送信系を用いることにより、大幅に実装スペースを低減し、矩形パルスに利用に伴う画質の劣化を、送信される矩形パルスに整合した低域応答を遮断する受信フィルタを組み合わせることにより、片極性や両極性(双極性)の矩形パルスを送信する簡易型送波回路を使用し、片極性や両極性の矩形パルスを使用しながらも、上位システムと同等の画質を描出することが可能で、大幅に送受信部の実装スペースを低減可能な超音波診装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、片極性や両極性の矩形パルスを使用しながらも、上位システムと同等の画質を描出することが可能な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】
【００１４】
【図１】本発明が適用される超音波診断装置の全体を示すブロック図。
【図２】超音波探触子から送信されるガウス状のスペクトラムを有する送信波を説明する波形図。
【図３】各実施例に係わる超音波探触子から送信される片極性パルスのスペクトルを説明する波形図。
【図４】各実施例に係わる超音波探触子から送信される両極性パルスのスペクトルを説明する波形図。
【図５Ａ】第1の実施例の超音波診断装置の全体構成を示すブロック図。
【図５Ｂ】第2の実施例の超音波診断装置の全体構成を示すブロック図。
【図６】各実施例の変形例における画像調整フローを説明する図。
【図７】図6に示した画像調整フローを説明する周波数スペクトラムを示す波形図。
【図８】各実施例の変形例を説明する周波数スペクトラムを示す波形図。
【図９Ａ】送波に半波矩形波形を用いるが0．5f0の高域フィルタを受信部に設置しない場合の画像の一例を示す図。
【図９Ｂ】実施例の構成により得られる画像の一例を示す図。
【図９Ｃ】従来のガウシアン送波により得られる画像の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を適用してなる超音波診断装置の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。なお、本明細書において、送信処理手段を送信処理部又は送信部、或いは送信処理回路と呼ぶなど、「手段」を「部」、或いは「回路」と呼ぶ場合がある。
【００１６】
まず、本発明の実施形態を説明するに先立ち、本発明が適用される超音波診断装置の全体構成を図1に示す。
【００１７】
この超音波診断装置は、生体などの被検体6の検査部位に超音波を送信及び受信して、この検査部位の超音波画像を得て医療診断を行うものである。超音波診断装置は、超音波探触子1と、送信処理手段2と、受信処理手段3と、画像変換部(デジタルスキャンコンバータ、以下「DSC」と略す)4と、画像表示部5から構成される。
【００１８】
送信処理手段2は、フォーカスクロック発生器(focusCK)からの信号をデジタルアナログ変換器(D/A)でアナログ変換して得られた信号を、送信パルス発生器(Transmitting Pulse)で送信パルスとし、この送信パルスを送信増幅器(Trans.amp)で増幅、送受切り換え回路(T/R change)を経由して、超音波探触子1に印加される。
【００１９】
超音波探触子1は、送信処理手段2で駆動パルスとして生成された送波パルスを被検体に送波し、その反射波を受信する。その受信エコーは、受信処理手段3は、送受切替回路(T/R change)を介して、増幅(Pre-amp)、アナログデジタル変換(A/D)、フィルタリング(Filter)、検波、対数圧縮(Memory)する。その後、加算処理部(Σ)にて超音波探触子の複数の超音波素子が受信した反射波に対応する複数の信号の加算処理を行い、受波信号としてDSC4に送られる。DSC4では受信処理されたエコー信号を画像データ化し、画像表示部5に表示する。
【００２０】
送信パルス発生回路として利用されるデジタル型の片極性パルスや双極性パルス発生回路は、D/A変換器などを用いたガウス状のスペクトラムなどを発生するアナログ型の任意波形発生器に比べ、簡易な構成で実現出来るほか、トランスなどを用いた昇圧により容易に高圧パルスを発生させることが出来、普及機やハンドキャリー機の送信部として好適である。しかし、空間分解能など画質において上級機に比べ劣ることが多い。
【００２１】
本願発明者はまずこの原因を検討した。以下、その結果について説明する。  
上級システムで用いられているアナログ任意波形発生器から構成される送波系では図2左側に示す送信波形21が得られる。この送信波形21は、図2右側に示すごとく、周波数(f)を横軸、スペクトル強度(S)を縦軸とするグラフで分布を表すと、周波数(f0)を中心としたガウス状のスペクトラム22を有する送信波であり、探触子のスペクトラムの頂上部もまたガウススペクトラムとなる。
【００２２】
係る送信波形が生体中で減衰する多くの場合、周波数の一乗に比例することが知られているので、式(1)となる。
【００２３】
【数１】
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ここで、σ2は分散を示す。
【００２４】
ガウススペクトラムを用いると生体内の減衰を経た受信信号のスペクトラムもまたガウス上のスペクトラムになるので、深度によらず同一のスペクトラム特性を有したフィルタを用いることができる。上級システムでは送信信号波形の形成に、時間方向に対してガウス分布状の波形重みを加えて送信波形を生成する。しかし、この送波波形形成回路を送信チャンネル分具備するには大規模な回路構成を必要としコストに転嫁される。
【００２５】
他方、図3左側に示す片極性パルス31の場合には、送信される超音波は図3右側に示すごとく、周波数(f)を横軸、スペクトル強度(S)を縦軸とするグラフで分布を表すと、スペクトラム32の様子を呈し、探触子の低域応答と高域応答が付加される。後者は生体内の減衰によって受信時への影響は少ないが、前者は一般に前述のガウス送信の場合と比べ方位分解能の劣化など画質阻害要因となる。
【００２６】
また、図4左側に示す双極性パルスの場合には、送信される超音波は図4右側に示すごとく、周波数(f)を横軸、スペクトル強度(S)を縦軸とするグラフで分布を表すと、スペクトラム42の様子を呈し、探触子の低域応答と高域応答が付加される。後者は生体内の減衰によって受信時への影響は少ないが、前者は一般に前記ガウス送信の場合と比べ、方位分解能の劣化(片極性パルスの場合に比べれば少ないものの)など画質阻害要因となる。
【００２７】
そこで、本発明では上述のとおり、送信部の極性パルスの周波数f0に連動して、例えば0．5f0の高域通過フィルタ(「高域フィルタ」とも呼ぶ場合もある。)を受信部に設けることによりこの課題を解決することとした。また、0．5f0だけでなく高域フィルタの周波数は操作卓など、別に設ける設定部で任意に設定可能である。また、高域フィルタの周波数は予め0．5f0、0．3f0等にデフォルト設定されていても、前出の設定部より設定されたものとする。すなわち、図3右側、図4右側において、波線33、34のように、低域応答をカットする特性を有する高域フィルタなどを用いれば、送受信系全体として、等価的にガウススペクトラムに極似した特性とすることが出来るからである。
【実施例１】
【００２８】
図5Aに超音波診断装置の第一の実施形態の全体構成を示すブロック図を示す。同図において、図1と同一の番号は同一のものを示す。51、52はそれぞれ、f0設定回路、及びフィルタ係数設定回路である。これらのf0設定回路51、フィルタ係数設定回路52は、別々の回路構成として示したが、一個の制御回路とする、或いは図示を省略した超音波診断装置の制御部の一部として構成することも可能であることは言うまでもない。【００２９】
ここで、送波周波数f0が設定された場合、f0設定回路51からf0情報を受け、フィルタ係数設定回路52が初段増幅された受信ビームの周波数帯域を、遮断周波数0．5f0とした高域フィルタ(HPF)53で帯域制限を行うことで、図3の破線33で示した特性で受信ビームの低域成分を遮断する。【００３０】
本実施例では、受波信号がf0に対しガウシアンで近似されない非対称のスペクトル分布を持つときに0．5f0の高域フィルタ53を使用し、効率良くロールオフを低減するため、多極性や両極性の矩形パルスを送信する装置の画質向上にはとりわけ有効である。【００３１】
高域フィルタ53は初段増幅後にCR回路などの簡易なものを具備しても対応可能ではあるが、受波信号の各チャンネルに具備しそれぞれ2次以上にすることが好ましい。【００３２】
一例として、探触子1で超音波送波周波数を4MHzの超音波探触子を使用し中心周波数f0を4MHzとして制御する場合で、その周波数成分は2MHzから5MHzの範囲にわたる。このときの高域フィルタ53の遮断周波数を2MHzと設定する。【００３３】
上述した手法にて、送波波形に依存する距離分解能に対し、受波包絡成分の0．5f0で帯域制限をかけることにより、見かけ上、超音波パルスの尾引きが改善され、並びに反射体・散乱体の反射波について方位方向での分解能を向上させるため、ガウス波形を使用した送波を用いた装置と同様に、スペックル像を球状に描出することを可能とする。【００３４】
上述した実施例1においては、初段増幅後にCR回路などを具備することで簡易に実現するものであるが、その変形例として図5Aのf0設定回路51で使用者がカットオフ周波数を切換え、画像を調整することを可能としても良い。【００３５】
この調整フローを図6に示す。まず、検査が開始すると(61)、接続探触子1の認識が行われる(62)。その後、表示深度の設定(63)、及びf0設定回路51により送波周波数f0設定(64)が行われる。【００３６】
フィルタ係数設定回路では、探触子の送波周波数f0に対して相応する周波数応答に見合った係数を決定する(65)。この手段としては探触子毎にプリセットされた係数を超音波診断装置の制御部がメモリからロードするか、或いは探触子1を選択し、表示パラメータ設定毎に計算によって求めても良い。この係数から図5Aに示すHPF53の特性を制御するが、TAP数16あるいは32程度のFIRフィルタ(Finite Impulse Response Filter)をソフトウェアで構成し実現可能である(66)。なお、図5Aで示したがフィルタは整相後に設けられるため1チャンネル分で実現し、128TAPのフィルタを構成したとしても回路規模は縮小される。【００３７】
本実施例によれば、送波回路の構成を高級手段となるハードウェア構成を用いる代わりデジタル型の送信パルス発生回路を用い、受波した信号を整相後に所定のフィルタ処理を施すことで、上級機と同様な画像を描出することを可能とし、回路規模を縮小したコストを抑える装置構成を実現可能となる。【００３８】
また、実装スペースを必要とする多チャンネル・アナログ送受信系を使用するため、良好な画質を得ることができる。
【実施例２】
【００３９】
図5Bに、上述したデジタル型の送信パルス発生回路を含む送信処理部55を内蔵する探触子54を用いる超音波診断装置の第2の実施例を示した。【００４０】
図5Bに示すように、超音波探触子54は、送信処理部55、及び送受切り換え回路(T/R change)と前置増幅器(Pre-amp)を含んでいる。なお、送受切り換え回路(T/R change)から図示が省略された複数の超音波素子(Elements)への信号線が配線される。【００４１】
また、受信処理部56は、実施例1同様、低域応答を除去することが可能なHPF57を備える。本実施例の構成においては、超音波探触子の設計により送受信の信号帯域が規定されるため、その特性に見合った受波信号帯域を、受信処理部56内蔵のCR回路で構成するフィルタ57、上述した低域応答をカットする帯域制限を行えば、第1の実施例と同様の効果が期待できる。なお、更なる変形例として、超音波探触子54に、受信処理部56も内蔵させるよう構成することも可能である。【００４２】
本実施例によれば、簡易な構成で上位機種とほぼ同等な画質が得られると共に、その縮小された実装スペースを活かして、送受信系を探触子内に配置することにより、探触子と診断装置本体とをつなぐケーブルの影響を軽減して、上位機種と同等あるいはそれ以上の画質も期待できる。【００４３】
上述した各実施例において、受信処理部3における受信ビームについて、被検体の深度、すなわち被検体からの反射波の深度に応じて、HPFフィルタ57の遮断周波数を送信周波数に対して0．8f0から0．5f0と変化させることが可能となる。図7のごとく、周波数(f)を横軸、スペクトル強度(S)を縦軸とするグラフで分布を表す周波数スペクトラムを用いて説明する。図7において、71は送受全体の総合帯域特性、72はフィルタ57の帯域特性を示す。本実施例は受信ビームの被検体深度における周波数スペクトラムの編移に応じてフィルタ57を可変させて適応する。送波フォーカスの深さ設定が深くなるにつれて、FIRフィルタなどを用いたHPF57の通過周波数帯域を低く偏移することを含む。【００４４】
前述の4MHz超音波探触子を使用し、中心周波数f0を4MHzで送波した場合であれば、図7のフィルタ特性72に示すように、深度に応じて遮断周波数を3．2MHzから2MHzとシフトさせる。このシフト量は、減衰補正として減衰係数α・伝播距離x・周波数fc(dB)で表わされるリニアな補正を行うものではなく、離散量を含む補正を行い、並びに低域成分の利得を上げ信号感度補填することをも意図するため、予め使用する探触子に応じ、このフィルタ特性を演算した結果を、超音波診断装置の図示を省略したメモリであるRAMなどに記憶しておきこれを使用するよう構成することも可能である。
【実施例３】
【００４５】
更に、第3の実施例として、図8に示すごとく、周波数(f)を横軸、スペクトル強度(S)を縦軸とするグラフで分布を表せば、前述のフィルタ手段の通過特性が、0．8f0から1．2f0なる帯域通過特性82を示すよう構成することも可能である。この帯域フィルタの帯域通過特性82についても、深度に対応して、その中心周波数を低域に推移させることも可能である。【００４６】
前述の4MHz超音波探触子を使用した場合で、体表すなわち深度0mmにあたる領域では帯域通過特性82を3．2MHzから4．8MHzとすることで、後段の総合帯域81に影響を与えることなく、方位分解能の劣化など画質阻害要因となる低域・高域のノイズ成分を遮断しS/Nを向上させる。【００４７】
以上説明してきた本発明の各実施例によるフィルタ処理の結果、例えばガウシアン近似の送波波形を持つ装置と、ほぼ同等の画像を得ることができた。シミュレーション結果に基づく画像を、図9A、図9B、図9Cに示した。それぞれ、図9Aは送波に半波矩形波形を用いるが0．5f0の高域フィルタを受信部に設置しない場合、図9Bは送波に半波矩形波形を用い、且つ0．5f0の高域フィルタを受信部に設置した本発明の実施例構成の場合、図9Cは従来のガウシアン送波による構成の場合を示している。【００４８】
同図から明らかなように、本発明の実施例1に対応する図9Bの画像は、従来のガウシアン送波による場合の図9Cの画像とほぼ同等の画質を得ることができる。【００４９】
また、添付図面を参照して、本発明に係る超音波診断装置等の好適ないくつかの実施例について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００５０】
51  f0設定回路、52  フィルタ係数設定回路、53  高域フィルタ、55  Probe
【図１】
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【図２】
2009157411.tif 000005
【図３】
2009157411.tif 000006
【図４】
2009157411.tif 000007
【図５Ａ】
2009157411.tif 000008
【図５Ｂ】
2009157411.tif 000009
【図６】
2009157411.tif 000010
【図７】
2009157411.tif 000011
【図８】
2009157411.tif 000012
【図９Ａ】
2009157411.tif 000013
【図９Ｂ】
2009157411.tif 000014
【図９Ｃ】
2009157411.tif 000015
【国際調査報告】
2009157411.tif 000016
2009157411.tif 000017
2009157411.tif 000018