(57)【要約】【課題】組織の運動パラメータを二次元的に表示する超音波診断装置において、音響走査線の走査方向の表示分解能を高める。【解決手段】超音波プローブ１で超音波を送受信し、受信した組織からの超音波エコーを位相検波手段４で位相検波し、位相検波信号から組織の運動速度を組織運動速度演算部６で演算し、表示手段８に表示する。このとき音響走査線の生成位置を心拍に同期してずらしながら走査することで、密度の高い音響走査線を得ることができるようになり、従来よりも走査方向の表示分解能を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を送受する超音波振動子アレイを内蔵する超音波プローブと、前記超音波プローブの各振動子に送信信号を供給し、送信ビームを形成する送信手段と、前記超音波プローブの各振動子によって電気信号に変換された超音波エコーを整相加算する遅延合成手段と、前記遅延合成手段によって生成された音響走査線の生成位置を制御する走査制御手段と、前記音響走査線のエコー信号を位相検波する位相検波手段と、前記位相検波手段の出力信号から被検体の任意の部位の変位速度を演算する変位速度演算手段と、前記任意の部位の変位速度を前記音響走査線の位置に対応させてマッピングする表示制御手段と、前記表示制御手段によりマッピングされた画像を表示する表示手段と、前記被検体の固有振動の周期の位相をリアルタイムに特定可能な被検体信号検出手段とを備えたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
前記遅延合成手段は、１本の送信ビームに対して複数の音響走査線のエコー信号生成が可能である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】
前記表示手段に表示する走査範囲を指定する手段を備え、前記走査制御手段による音響走査線生成の密度が前記走査範囲に応じて可変であることを特徴とする請求項１または２記載の超音波診断装置。
【請求項４】
前記表示手段に表示される画像は、前記被検体の任意の部位の変位速度を時間積分することで算出される移動距離であることを特徴とする請求項１または２または３記載の超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体内の任意の部位に超音波を送信し、被検体から得られた超音波エコー信号から、被検体内の任意の部位の性状診断を行うこと目的とした超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
動脈硬化診断を目的とした超音波による診断は、現在の汎用超音波診断装置の主要機能であるＢモード機能、Ｍモード機能を用いた形状診断、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）ドプラ機能、あるいはカラードプラ機能を用いた血流速度診断の結果を用いて行っている。Ｂモード機能では、血管内径の評価、血管壁厚の評価、隆起病変の評価、Ｍモード機能では、心臓の拍動に伴う時間的な血管径の変化の評価、ＦＦＴドプラ機能およびカラードプラ機能では、隆起病変による血管狭窄部位の血流速度の評価が行われる。
【０００３】
Ｂモード機能を用いた隆起病変の評価においては、隆起病変の存在や大きさの観測と、モニタに表示される超音波エコー断層像の輝度とから、病変の性状を判断することが行われている。しかし、Ｂモード機能を用いた輝度情報による評価法では、著しく低い輝度を呈する病変については発見しにくく、かつ輝度により性状を判断しているために定量的に評価できないという問題がある。
【０００４】
組織性状診断を目的とした超音波診断装置の機能として、第一に、特許文献１に開示されているように、組織ドプライメージングを用いたものがあげられるが、超音波プローブに対する組織の運動を計測するため、組織全体の運動の中で、機能が停止して運動していない局所的な病変部分の検出が難しい。
【０００５】
同様な組織性状診断を目的とした超音波診断装置の機能として、第二に、特許文献２に開示されたものがある。この超音波診断装置では、超音波エコーの検波出力信号の振幅および位相の情報から、最小二乗法を用いて、対象の瞬時的な位置を決定することによって、高精度なトラッキングを行い、拍動などによって大きく動いている組織の中の微小運動を計測することができるという利点がある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−３１３４８５号公報
【特許文献２】
特開平１０−５２２６  号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の第二の方法を用いて組織中の微小運動を表示する場合、表示したい生体被検深度と検出したい組織運動速度とから、生成できる音響走査線の数は一意に決まり、通常の条件下でその数は数本である。したがって、組織の運動を表現することについては、その元データとなる音響走査線の密度が粗であるため、走査方向の表示分解能が低い画像となってしまうという問題を有していた。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、生体などの被検体の任意の部位の微小運動を表示するにあたり、表示する被検深度と検出すべき運動速度とによらず、走査方向表示分解能の高い画像を表示できる優れた超音波診断装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波診断装置は、超音波を送受する超音波振動子アレイを内蔵する超音波プローブと、前記超音波プローブの各振動子に送信信号を供給し、送信ビームを形成する送信手段と、前記超音波プローブの各振動子によって電気信号に変換された超音波エコーを整相加算する遅延合成手段と、前記遅延合成手段によって生成された音響走査線の生成位置を制御する走査制御手段と、前記音響走査線のエコー信号を位相検波する位相検波手段と、前記位相検波手段の出力信号から被検体の任意の部位の変位速度を演算する変位速度演算手段と、前記任意の部位の変位速度を前記音響走査線の位置に対応させてマッピングする表示制御手段と、前記表示制御手段によりマッピングされた画像を表示する表示手段と、前記被検体の固有振動の周期の位相をリアルタイムに特定可能な被検体信号検出手段とを備えたことを特徴とする。この構成により、被検体の任意の部位の微小運動を表示する際に、走査方向表示分解能の高い画像が得られるように音響走査線の生成位置を制御することができる。
【００１０】
また、本発明の超音波診断装置は、前記遅延合成手段を、１本の送信ビームに対して複数の音響走査線のエコー信号生成が可能な構成とした。この構成により、単位時間当たりの音響走査線生成数を増加することができるので、完像時間を早めることができるようになるか、同じ完像時間であればより高い走査方向分解能で表示できるようになる。
【００１１】
さらに、本発明の超音波診断装置は、前記表示手段に表示される走査範囲を指定する手段を備え、前記走査制御手段による音響走査線生成の密度が前記走査範囲に応じて可変とした。この構成により、被検体の所望の部位のみの運動速度が表示されるように指定でき、かつ指定された表示範囲内において最適な条件で音響走査線生成が可能となる。
【００１２】
そして、本発明の超音波診断装置は、前記表示手段に表示される画像は、前記被検体の任意の部位の変位速度を時間積分することで算出される移動距離とした。この構成により、被検体の任意の部位の微小移動距離を二次元的に表示することができる。
【００１３】
【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。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態の超音波診断装置の構成を示すブロック図である。
【００１５】
この超音波診断装置は、アレイ状に配列された複数の超音波振動子（以下、超音波振動子アレイという）から構成され、被検体である生体内に超音波を送信し、生体内の任意の部位（組織）からの超音波エコーを電気信号に変換する超音波プローブ１と、超音波プローブ１に送信パルスを供給する送信手段２とを備えている。ここで、送信手段２は超音波プローブ１の振動子の配列形状および超音波送信方向に応じて、所定の送信パルスを超音波プローブ１に与える。送信手段２からの送信パルスは、通常、超音波プローブ１内の一部または全ての複数の超音波振動子に対して出力され、送信される超音波が所定の方向および生体内の所定の深度に焦点を結ぶように、すなわち送信ビームを形成するように、各振動子に対して異なる位相をもって供給される。
【００１６】
また、この超音波診断装置は、超音波プローブ１で電気信号に変換された超音波エコーに対し、所定の方向に受信ビームが形成されるよう、各超音波振動子からの各受信信号に異なる遅延時間を与え合成する遅延合成手段３を備えている。
前述した送信ビームとこの受信ビームとは送受でひとつの走査線を構成し、これを音響走査線と呼ぶ。
【００１７】
音響走査線の位置および方向の制御、すなわち送信手段２への送信パルスの遅延時間制御および遅延合成手段３に対する遅延時間制御は走査制御手段５によって行われ、１回の送受信毎にその制御が行えるように構成されている。また、送信手段２または遅延合成手段３が処理することのできる信号数より超音波振動子アレイの数が多い場合、送信手段２または遅延合成手段３と超音波振動子アレイとの間に接続を切り替えるスイッチを設ける構成をとる場合もあるが、このスイッチの接続制御も走査制御手段５が行う。
【００１８】
さらに、この超音波診断装置は、遅延合成手段３によって音響走査線が構成された受信信号から組織運動（変位）によるドプラ偏移信号を抽出する位相検波手段４を備えている。位相検波手段４は、各受信信号に対して、その周期が既知でかつ位相が異なる二つの参照信号を掛けることで実部信号および虚部信号を得る。通常、参照信号の周波数は、受信信号の周波数帯域内に選ぶことで高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
【００１９】
また、この超音波診断装置は、位相検波手段４によって得られた実部信号と虚部信号とから自己相関法、ＦＦＴ法等を用いて、その音響走査線上の対象となる組織運動の速度、さらに速度を時間積分して得られる移動量を算出する変位速度演算手段である組織運動速度演算手段６と、組織運動速度演算手段６で算出された運動（変位）速度および移動量のデータについて、音響走査線に対応して得られた運動速度または移動量あるいはその両方を、二次元的にマッピングして表示手段８の表示走査法にて表示できるよう走査変換を行う表示制御手段７と、表示制御手段７の出力を表示する表示手段８とを備えている。ここで、表示手段８にて表示される運動（変位）速度または移動量は、速度または移動量に対応した色付けであっても良いし、矢印等の図形でも良い。
【００２０】
そして、この超音波診断装置は、生体信号を計測し生体固有の振動の周期（心拍周期）の特定の位相をリアルタイムに検出した位相トリガ信号を走査制御手段５に供給する被検体信号検出手段である生体信号検出手段９と、この超音波診断装置全体を制御する主制御部１０と、操作卓１１とを備えている。走査制御手段５は、位相トリガ信号により、心拍の特定位相をリアルタイムに知ることができる。
また、主制御部１０は操作卓１１からのユーザの操作を解読して装置がなすべきことを決定し、装置内の各手段に対して指令を与える。
【００２１】
次に、以上のように構成された超音波診断装置の動作について図２から図４を用いて説明する。
【００２２】
生体内の組織運動特に動脈組織の運動は、動脈内を流れる血流にもとづくものであるため、各心拍周期で同様の運動を繰り返す。したがって、ある音響走査線上の組織運動の解析は、１心拍に渡って行えば良いことになる。
【００２３】
ところで注目している組織の存在する音響走査線に沿う方向の最大検出速度成分Ｖは、
Ｖ＝Ｃ×Ｆｐｒｆ／（２×Ｆｒ  ）  ［ｍ／ｓ］…式［１］
Ｃ    ：音速［ｍ／ｓ］
Ｆｐｒｆ：その音響走査線の送信繰り返し周波数
Ｆｒ  ：位相検波の参照周波数
で与えられる。
【００２４】
一方、観測したい生体の被検深度Ｄに必要な音響走査線の送信繰り返し周波数は、
Ｆｐｒｆ＜Ｃ／（２×Ｄ）…式［２］
である。
【００２５】
好適な条件として生体内での音速Ｃを１５４０［ｍ／ｓ］、被検深度を６ｃｍとすると、式［２］からＦｐｒｆは１２．８３ｋＨｚ以下となる。
【００２６】
また、組織運動の音響走査線に沿う方向の速度成分Ｖを、７．５ＭＨｚの参照信号を用いて２０［ｃｍ／ｓ］まで検出するときのＦｐｒｆは、式［１］から１．９４８ｋＨｚ以上となる。
【００２７】
これらのことから、６ｃｍの被検深度をもった音響走査線を生成するための最大Ｆｐｒｆは１２．８３ｋＨｚ、その音響走査線上の組織運動速度を２０［ｃｍ／ｓ］まで検出するための最小Ｆｐｒｆは１．９４８ｋＨｚとなる。この条件を満たすためには、ある音響走査線について、送信繰り返し周波数１２．８３ｋＨｚで最多でも６回に１回（１２．８３／１．９４８≒６．５９）は送受信しなくてはならない。すなわち音響走査線は６本しか生成できないことになる。
【００２８】
一方、現在超音波診断装置の超音波プローブとして通常用いられている振動子アレイ数は１２８〜２５６程度であり、いわゆるＢモード用に生成する音響走査線数も同程度が意図されている。また送受信遅延制御のみで音響走査線を生成する超音波診断装置についても同様である。
【００２９】
組織運動速度および移動量の分布を表示する超音波診断装置については、Ｂモードの音響走査線密度の半分を仮定したとしても６４〜１２８本程度必要となるが、前記条件例に示したように、生成できる音響走査線数は必要音響走査線数には届かない。すなわち走査方向の表示分解能が著しく低い画像しか表示することができない。
【００３０】
そこで本発明では、各心拍での組織運動は同様な運動を繰り返すという特徴を利用し、心拍に同期して音響走査線の生成位置を変えていくことにより、結果として数心拍で必要なる音響走査線を生成し、表示することができるように走査制御する。
【００３１】
この走査制御方法の一例を図２に示し、その走査制御方法により表示手段８に表示される組織運動分布を図３に示す。また、走査制御のトリガに用いる生体信号を図４に示す。ここでは、説明を簡単にするため、超音波プローブ１中の超音波振動子アレイ２０は全部で２４個の振動子で構成されるものとし、生成する音響走査線２１も振動子と同数、同密度とする。また、本実施の形態では、生体信号４０の特徴点であるＲ波を心拍のトリガとしている。
【００３２】
前記条件での走査を行う場合は、同一音響走査線に着目するならば６回に１回の送受信が必要である。この条件を満たすために、ある心拍周期（例えば図４の第１心拍）の特定の位相を開始トリガとして、振動子＃０→＃４→＃８→＃１２→＃１６→＃２０→＃０→＃４→＃８→＃１２→＃１６…というように、各振動子番号に相当する位置にできる音響走査線を送受する。こうすることにより、たとえば振動子＃０の位置にできる音響走査線は６回に１回送受信される。振動子＃４の位置の走査線も同様である。
【００３３】
こうして次の心拍トリガである第２心拍トリガが入力され、一連の走査制御は完結し、組織運動速度演算が終了すると、図３（ａ）に示されるような組織運動速度分布が表示手段８に表示される。第２心拍においては、走査制御は振動子＃２→＃６→＃１０→＃１４→＃１８→＃２２→＃２→＃６→＃８→＃１４→＃１８の位置に音響走査線ができるように制御される。第２心拍が終了すると、図３（ｂ）のような画像が表示される。こうして次々と心拍トリガ入力される度に生成される音響走査線の位置を変えてゆくことで、本例の場合では４心拍で完像し、その走査線総数は２４本、密度は振動子と同一となる。当然、完像時間を短くするために、音響走査線の生成密度を低くするような走査制御も可能である。
【００３４】
このように、本発明の実施の形態によれば、心拍に同期して音響走査線の生成位置を変えていくことにより、一心拍の間に生成される音響走査線の数が限定されていても、走査方向に対して所望の数の音響走査線を生成し、表示分解能の高い画像を得ることができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の超音波診断装置のブロック構成は第１の実施の形態と同じであり、音響走査線の生成方法が異なる。
【００３６】
本発明の第２の実施の形態の超音波診断装置では、遅延合成手段３が１回の送信について複数の受信ビームを形成できるように構成している。遅延合成手段３は、図５に示すように、整相加算回路５０を複数搭載している。
【００３７】
受信ビームは、各振動子から時時刻々入力される受信信号に対してビームを形成するように遅延時間を与えて整相加算することで得られる。図５の例では２回路搭載されているので、１本の送信ビームについて２本の受信ビームを形成できる。音響走査線は送信ビームと受信ビームとの合成であるから、結果として一送信で２本の音響走査線を生成することができるようになる。
【００３８】
本実施の形態の超音波診断装置は図６で示すような走査制御を行う。本実施の形態でも、２４個の超音波振動子アレイ２０を内蔵する超音波プローブ１を用い、アレイの数と同数同密度の音響走査線を生成することを例にとる。なお被検深度、組織運動の検出速度も前記第１の実施の形態と同条件とする。
【００３９】
走査制御手段５は、送信ビームの位置を隣り合う振動子の中間に位置するよう制御し、音響走査線２２がそれら振動子の直下に生成するような受信ビーム制御を行う。このようにすると、例えば図５の振動子＃０と＃１との中間に送信ビーム＃１を生成し、振動子＃０および＃１の直下に音響走査線＃１および＃１を同時に生成する。
【００４０】
これを実施の形態１と同様に、第１心拍で（振動子＃０と＃１との中間）→（振動子＃４と＃５との中間）→（振動子＃８と＃９との中間）→（振動子＃１２と＃１３との中間）→（振動子＃１６と＃１７との中間）→（振動子＃２０と＃２１との中間）→（振動子＃０と＃１との中間）→（振動子＃４と＃５との中間）→（振動子＃８と＃９との中間）…という位置に送信ビームを形成するように制御すると、振動子＃０、＃１、＃４、＃５、＃８、＃９、＃１２、＃１３、＃１６、＃１７、＃２０  、＃２１の位置に音響走査線が生成される。つまり１心拍の間に１２本の音響走査線が生成および表示され、次の心拍でさらに異なる１２本の音響走査線が生成および表示できるので、２心拍で完像できるようになる。
【００４１】
なお当然のことながら、音響走査線の生成密度を振動子配列密度の半分になるように走査制御すれば、１心拍で完像できることはいうまでもない。また２心拍完像であれば、音響走査線の生成密度を２倍に上げることができ、よってさらに走査方向の表示分解能を上げることができる。また、図６では、１本の送信ビームに対して２本の受信ビームを形成したが、１本の送信ビームに対して３本以上の受信ビームを形成することも可能である。
【００４２】
このように、本発明の第２の実施の形態によれば、１本の送信ビームに対して複数本の受信ビームを形成することにより、完像時間を早めることができるようになるか、または同じ完像時間であれば、より高い走査方向分解能で表示することができる。
【００４３】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態の超音波診断装置のブロック構成は第１の実施の形態と同じであり、操作卓１１から、ユーザが表示させたい走査範囲（組織運動速度または移動距離の表示範囲）を指定できるように構成されている。また走査制御手段５は、指定された範囲に応じて音響走査線生成位置を変えられるよう構成される。
【００４４】
図８に示すように、本実施の形態の超音波診断装置は、ユーザに対して表示範囲を指定する箱状のグラフィックス６０（以下ＲＯＩ＝“Ｒｅｇｉｏｎ  ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｅｓｔ”）を表示し、その範囲は操作卓１１から所望の大きさ・位置に適宜変更できる。指定された表示範囲は、主制御部１０を通じて走査制御手段５に通知される。
【００４５】
例えば表示指定範囲が振動子アレイ＃６から＃１７の位置であったとし、被検深度、組織運動検出速度、音響走査線の密度が第１および第２の実施の形態と同じであったとすると、走査制御手段５は図７のように音響走査線２３を制御する。
【００４６】
つまり振動子＃０〜＃５および＃１８〜＃２３の位置に音響走査線を生成する必要はなく、第１心拍では、振動子＃６→＃８→＃１０→＃１２→＃１４→＃１６→＃６→＃８→＃１０…の位置に、第２心拍では＃７→＃９→＃１１→＃１３→＃１５→＃１７→＃７→＃９→＃１１…の位置に音響走査線２３を生成するように制御し、２心拍で完像できるようになる。
【００４７】
いうまでもないが、音響走査線の生成密度を前記の半分にするならば１心拍で完像することができる。同様に２心拍完像であれば、音響走査線の密度を２倍にすることができるため、より走査方向の表示分解能を上げることができる。
【００４８】
このように、本発明の第３の実施の形態によれば、表示手段８に表示する走査範囲を操作卓１１から指定し、走査制御手段５による音響走査線生成の密度を前記範囲に応じて可変としたことにより、所望の組織部位のみの運動速度が表示されるように指定でき、指定された表示範囲内において最適な条件で音響走査線生成が可能となるので、完像時間を早めることができ、また同じ完像時間であればより高い走査方向分解能で表示できるようになる。
【００４９】
なお第１乃至第３の実施の形態においては、例として超音波振動子アレイ２０の配列を直線状としているが、円弧状であっても差し支えない。また音響走査線の生成方向を、超音波振動子アレイ２０の配列の直角方向として例示しているが、斜め方向でも差し支えないし、各音響走査線が平行関係になくても良い。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように本発明の超音波診断装置によれば、音響走査線の生成位置を制御する走査制御手段と被検体の固有振動の周期の位相をリアルタイムに特定できる被検体信号検出手段とを備え、前記走査制御手段は前記固有振動の周期ごとに音響走査線の生成位置を可変制御できるため、被検体の任意の部位の変位に由来する運動パラメータを表示するときに、表示する被検深度と検出すべき運動速度によらず、走査方向表示分解能の高い画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の超音波診断装置の構成を示すブロック図、
【図２】本発明の第１の実施の形態における音響走査線生成方法を示す図、
【図３】本発明の第１の実施の形態における組織運動パラメータの表示状態推移を示す
図、
【図４】生体信号例を示す図、
【図５】本発明の第２の実施形態における遅延合成手段の構成を示すブロック図、
【図６】本発明の第２の実施の形態における音響走査線生成方法を示す図、
【図７】本発明の第３の実施の形態における音響走査線生成方法を示す図、
【図８】本発明の第３の実施の形態における指定範囲表示方法と組織運動パラメータの表示状態を示す図である。
【符号の説明】
１  超音波プローブ
２  送信手段
３  遅延合成手段
４  位相検波手段
５  走査制御手段
６  組織運動速度演算手段
７  表示制御手段
８  表示手段
９  生体信号検出手段
１０  主制御部
１１  操作卓
２０  超音波振動子アレイ
２１  第１の実施の形態における音響走査線
２２  第２の実施の形態における音響走査線
２３  第３の実施における音響走査線
４０  生体信号（心電図）
５０  整相加算回路
６０  表示範囲指定グラフィックス（ＲＯＩ）
【図１】
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【図２】
2004173753.tif 000004
【図３】
2004173753.tif 000005
【図４】
2004173753.tif 000006
【図５】
2004173753.tif 000007
【図６】
2004173753.tif 000008
【図７】
2004173753.tif 000009
【図８】
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