(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実ビームに対応する受信信号を実ビームに対応する複素信号に変換する複素信号変換手段と、
前記実ビームに対応する複素信号の実数部と虚数部について個別にビーム補間処理を実行する実数部補間回路及び虚数部補間回路を有し、補間ビームに対応する補間信号を複素信号として生成するビーム補間手段と、
前記ビーム補間手段から出力される複素信号に対する絶対値演算によりエコー強度を表す信号を生成する絶対値演算手段と、
前記絶対値演算後のエコー強度を示す信号に基づいて、座標変換により超音波画像を形成する画像形成手段と、
を含み、
前記複素信号変換手段と前記ビーム補間手段との間には、表示ピクセルレートに従って余分なデータの間引きを実行する間引き手段が設けられたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記ビーム補間手段は、互いに隣接する複数の実ビームに対応する複素信号に基づいて補間ビームに対応する補間信号を生成することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、
前記ビーム補間手段における前記実数部補間回路及び前記虚数部補間回路は、互いに隣接する複数の実ビームに対応する複素信号に対してそれぞれ重み付けを行って加算することにより補間ビームに対応する補間信号を生成する重み付け加算回路として構成されたことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、
前記重み付けの係数を深さに応じて可変設定する係数可変手段を含むことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項５】
請求項１記載の装置において、
前記ビーム補間手段は、実ビーム間に補間ビームを挿入した形で複素信号を順次出力することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、
前記画像形成手段は、前記実ビーム及び前記補間ビームに対応する複素信号に基づいて、座標変換により前記超音波画像を形成することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項７】
請求項１記載の装置において、
前記画像形成手段は前記エコー強度を表す信号に対する座標変換により前記超音波画像としての断層画像を形成するデジタルスキャンコンバータを含むことを特徴とする超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波診断装置に関し、特に超音波ビームの補間に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波ビームの走査方向（方位方向）における空間分解能を向上するためには、走査面を構成する超音波ビーム（音線）の本数を増加させればよい。しかし、診断深さを変えないという前提で、超音波ビームの本数を増加させると、フレームレートが低下し、動きの早い臓器（例えば心臓など）をリアルタイムで診断できないという問題が生じる。その一方、従来、いわゆるデジタルスキャンコンバータにおいて、座標変換に伴う画素不足を補うために画素ごとに補間を行うことが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、輝度情報に変換された段階で補間を行うと、精度のよい補間を行うことができないという問題が指摘されている。なお、特開平６−１４９２９号には、高周波（ＲＦ）の段階で補間を行う技術が開示されている。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、超音波ビーム間に適切な補間ビームを生成することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、実ビームに対応する受信信号を実ビームに対応する複素信号に変換する複素信号変換手段と、前記実ビームに対応する複素信号の実数部と虚数部について個別にビーム補間処理を実行する実数部補間回路及び虚数部補間回路を有し、補間ビームに対応する補間信号を複素信号として生成するビーム補間手段と、前記ビーム補間手段から出力される複素信号に対する絶対値演算によりエコー強度を表す信号を生成する絶対値演算手段と、前記絶対値演算後のエコー強度を示す信号に基づいて、座標変換により超音波画像を形成する画像形成手段と、を含むことを特徴とする。
【０００６】
上記構成によれば、受信信号が複素信号に変換された段階で（ベースバンド領域において）座標変換前にビーム補間処理がなされる。すなわち、複素信号の実数部及び虚数部のそれぞれについて個別にビーム補間処理が実行される。よって、輝度信号の段階で行う補間に比べて、忠実な補間が行えるという利点があり、これは本発明者による実験によっても確かめられている。
【０００７】
本発明によれば、忠実なビーム補間を行って方位方向の分解能を高めることができるので、フレームレートを低下させることなく、画質向上を図ることができる。なお、本発明はいわゆる多方向同時受信方式と組み合わせて実現してもよい。また、本発明は、断層画像などを形成する超音波診断装置及びドプラ画像を形成する超音波診断装置の両者にも適用できる。
【０００８】
本発明の望ましい態様では、前記ビーム補間手段は、互いに隣接する複数の実ビームに対応する複素信号に基づいて補間ビームに対応する補間信号を生成する。
【０００９】
また、本発明では、前記複素信号変換手段と前記ビーム補間手段との間には、表示ピクセルレートに従って余分なデータの間引きを実行する間引き手段が設けられる。データの間引きを輝度信号の段階で行う場合に比べ、ベースバンド領域上でデータの間引きを行えば、それ以降に行われる受信信号処理の負担を軽減でき、同時に回路規模を縮小できる。
【００１０】
本発明の望ましい態様では、前記ビーム補間手段は、互いに隣接する複数の実ビームに対応する複素信号に対してそれぞれ重み付けを行って加算することにより補間ビームに対応する補間信号を生成する重み付け加算回路を含む。
【００１１】
ビーム補間のために参照される実ビームは望ましくは偶数本の実ビームであり、各実ビームに対して重み付けを行い、それらを加算することによってビーム補間を行える。重み付けのための係数は、例えばサンプリング理論によるsinc関数に基づいて決定してもよい。実用上は、参照される実ビームは例えば４本であるが、少ないデータから補間する場合にはどうしても誤差が生じやすい。そこで、そのような場合には例えば３次のスプライン関数などを利用して得られる係数を利用し、誤差を少なくすることができる。
【００１２】
本発明の望ましい態様では、前記重み付けの係数を深さに応じて可変設定する係数可変手段を含む。
望ましくは、前記ビーム補間手段は、実ビーム間に補間ビームを挿入した形で複素信号を順次出力する。望ましくは、前記画像形成手段は、前記実ビーム及び前記補間ビームに対応する複素信号に基づいて、座標変換により前記超音波画像を形成する。望ましくは、前記ビーム補間手段から出力される複素信号から絶対値演算によりエコー強度を表す信号を生成する手段を含み、前記画像形成手段は前記エコー強度を表す信号に対する座標変換により前記超音波画像としての断層画像を形成するデジタルスキャンコンバータを含む。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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。
【００１４】
図１には、本発明に係る超音波診断装置の全体構成がブロック図で示されている。この超音波診断装置は、生体に対して超音波の送受波を行い、これによって得られた受信信号に基づいて断層画像やいわゆるドプラ画像を形成する装置である。
【００１５】
アレー振動子１０は複数の振動素子を整列配置したものであって、このアレー振動子１０を電子走査することによって超音波ビームが走査される。送信器１２はアレイ振動子１０の各振動素子に対して送信信号を供給する回路である。受信器１４には、アレー振動子１０の各振動素子から出力される受信信号が入力され、各受信信号に対して増幅などの処理が行われる。ビームフォーマ１６は、各受信信号に対してＡ／Ｄ変換を実行すると共に、そのＡ／Ｄ変換後の受信信号に対して遅延加算を行うことによって電子走査や電子フォーカスを実現する回路である。ビームフォーマ１６から出力された受信信号は直交検波回路１８に入力される。
【００１６】
この直交検波回路１８は、直交検波によって受信信号を複素信号に変換する回路である。
【００１７】
補間回路１００には、直交検波回路１８から出力された受信信号（複素信号）が入力されている。補間回路１００は、後に詳述するように複素信号の実数部及び虚数部それぞれに対してビーム補間を実行する回路である。ビーム補間後の実数部信号及び虚数部信号は絶対値回路２０に入力され絶対値演算を行うことによってエコー強度を表す信号が生成される。
【００１８】
信号圧縮回路２２は、絶対値回路２０から出力された信号に対して例えば対数関数により信号圧縮を実行する回路である。その回路から出力された信号は間引き回路２４に入力され、表示ピクセルレートに基づいて不要なデータが間引かれる。すなわち、表示器３０における画素の数よりもデータの個数が多い場合、その余剰データを排除するために間引き回路２４が設けられている。表示処理回路２６はいわゆるデジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）を構成するものであり、その表示処理回路２６から出力される信号が表示器３０に送られる。これによって表示器３０において超音波画像が表示されることになる。
【００１９】
図１に示す実施形態では主に断層画像を表示するための回路構成が示されていたが、例えば補間回路１００から出力される補間後の複素信号をＦＦＴやいわゆる自己相関演算器等に送ることによってドプラ画像を構成することもできる。
【００２０】
図２には、図１に示した直交検波回路１８から絶対値回路２０までの構成が具体的に示されている。
【００２１】
直交検波回路１８は、受信信号に対してそれぞれ所定の参照信号を混合する２つのミキサ３２Ａ，３２Ｂと、ミキサ３２Ａ，３２Ｂから出力される信号を入力してベースバンド領域上の成分のみを出力するローパスフィルタ（ＬＰＦ）３４Ａ，３４Ｂと、を含むものである。すなわち受信信号は直交検波回路１８において複素信号に変換され、それを構成する実数部信号及び虚数部信号のそれぞれが補間回路１００に入力されている。
【００２２】
補間回路１００は、具体的には、実数部信号に対して補間処理を行う補間回路１００Ａと、虚数部信号に対して補間処理を行う補間回路１００Ｂと、で構成される。それぞれの補間回路１００Ａ，１００Ｂは互いに同一の構成を有しており、その具体例が図３に示されている。この補間回路１００Ａ，１００Ｂの作用については後に詳述する。絶対値回路２０は、補間回路１００Ａ，１００Ｂから出力された信号の絶対値演算を行うことによってエコー強度を表す信号を出力する回路である。
【００２３】
図４には、補間回路１００の作用が概念的に示されている。本実施形態では、４つの実ビームｎ，ｎ＋１，ｎ＋２，ｎ＋３を用いてそれらの中央に仮想的に補間ビームが生成されている。具体的には、同一深さの４つの実データＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに基づいて補間ビーム上の同一深さに補間データＢ’が生成される。
【００２４】
図３には、そのような補間ビームを生成するための回路構成例が示されている。受信信号（実数部信号又は虚数部信号）はラインメモリ４０，４２，４４に順次入力される。ラインメモリ４０，４２，４４はそれぞれ超音波ビーム１本分のデータを格納するメモリである。図３の構成から明らかなように、乗算器５２には第１番目の実ビームの信号が入力され、乗算器５０には第２番目の実ビームの信号が入力され、乗算器４８には第３番目の実ビームの信号が入力され、乗算器４６には第４番目の実ビームの信号が入力される。そして、それぞれの乗算器４６，４８，５０，５２において各信号に対して係数ｃ0，ｃ1，ｃ2，ｃ3が乗算されることになる。そして、その乗算結果は全て加算器５４において加算され、スイッチ５８を介してラインメモリ６４又はラインメモリ６６に格納される。一方、ラインメモリ４２の出力もスイッチ５６を介してラインメモリ６０またはラインメモリ６２に入力される。ラインメモリ６０及びラインメモリ６２には、実ビームの信号が順次格納され、ラインメモリ６４及びラインメモリ６６には補間ビームの信号が順次格納される。これらのラインメモリ６０，６２，６４，６６はデータバッファとして機能するものであり、スイッチ６８によってそれらのメモリ６０，６２，６４，６６から順次信号が読み出されることになる。すなわち、実ビーム間に補間ビームを挿入した形で信号が読み出されることになる。なお、スイッチ５６，５８はその後段の２つのラインメモリに対して交互に信号を振り分けるための回路である。
【００２５】
本実施形態では、乗算器４６，４８，５０，５２に与える係数を設定する係数可変回路７０が設けられている。この係数可変回路７０は、データの深さに応じて各係数を可変設定する手段である。
【００２６】
ここで、それらの係数の決定手法としては各種のものが考えられるが、基本的にはサンプリング理論に基づいたｓｉｎｃ関数からそれらを決定するのが望ましい。ｓｉｎｃ関数を採用する場合、あるデータ列に対して任意のデータ間のある一点の値を推定するためには、理想的にはその前後の無限大の数のデータが必要となる。ただし、本実施形態では、図５に示すように補間データの前後２つずつのデータからｓｉｎｃ関数を用いて補間データを推定している。図５において各点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｂ’はそれぞれ図４に示したものと対応している。本実施形態では、例えば係数ｃ0，ｃ1，ｃ2，ｃ3としてはそれぞれ−０．２１２２，０．６３６６，０．６３６６，−０．２１２２を設定することができる。もちろん、それらの係数は深さに応じて可変設定するのが望ましい。
【００２７】
ちなみに、補間データの決定に当たっては、最低前後２点ずつのデータがあればそれらを推定することは可能であるが、前後２点ずつという少ないデータから各補間データを推定する場合どうしても誤差が生じやすい。そこで、例えば三次のスプライン関数などを利用して得られる係数を用いると、誤差をさらに低減することが可能である。
【００２８】
ここで、計算式を用いて、上記のビーム補間による効果を参考までに説明する。
【００２９】
図１及び図７に示した直交検波回路１８の入力信号を以下の式（１）のように定義する。
【００３０】
【数１】
0003806229.tif 000002
ただし、
【数２】
0003806229.tif 000003
である。直交検波回路１８の出力信号を構成する実数部と虚数部はそれぞれ以下の式（２）、（３）で表される。
【００３１】
【数３】
0003806229.tif 000004
式（２）、（３）のｎ＝０からｎ＝３までのデータを用いて補間を行うと、その出力
【数４】
0003806229.tif 000005
はそれぞれ次の式（４）、（５）となる。
【００３２】
【数５】
0003806229.tif 000006
ただし、Ｃｎは補間係数である。
【００３３】
上式に示されるように仮想的に生成される補間ビームの本数は実ビームの本数と同じである。したがって、実ビームの本数の２倍のビーム数の情報が得られることになり、本実施形態によれば、フレームレートを低下させることなく方位方向の空間分解能を改善することが可能である。
【００３４】
次に間引き回路を有する実施形態について説明する。図６には、間引き回路を有する実施形態の装置構成が示されている。なお、図１に示す構成と同様の構成には同一符号を付しその説明を省略する。
【００３５】
この実施形態では、直交検波回路１８と補間回路１００との間に間引き回路１０２が設けられている。図１に示した構成例では、絶対値回路２０及び信号圧縮回路２２を通過した時点で間引き処理が行われていたが、図６に示す構成例では、いわゆるベースバンド領域の複素信号でデータの間引きが行われている。
【００３６】
図７には、その具体的な回路構成が示されており、直交検波回路１８と補間回路１００との間に間引き回路１０２Ａ及び１０２Ｂが設けられている。間引き回路１０２Ａ，１０２Ｂはそれぞれ実数部及び虚数部に対応して設けられている。これらの間引き回路１０２Ａ，１０２Ｂは表示ピクセルレートに相当するデータだけを残し、それ以外の余剰データを間引く回路である。
【００３７】
この実施形態によれば、補間処理を行う前に余剰データの削減を行えるので、補間回路の構成を簡略化でき、さらに他の構成を簡略化できるという利点がある。よって、装置構成を小型化できるという利点もある。さらに、間引きの前に必要なアンチエリアシングフィルタをローパスフィルタ３４Ａ，３４Ｂで兼ねることができるという利点もある。
【００３８】
上記の実施形態では、図３に示したように４タップの非巡回型フィルタが利用されていたが、もちろんそれ以上のタップ数を有するフィルタを利用してもよい。すなわち、４つのデータよりも多くのデータを用いて補間データを生成してもよい。また、本実施形態の装置はいわゆる２方向同時受信などの多方向同時受信方式を組み合わせてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、超音波ビーム間に適切な補間ビームを生成して、フレームレートを低下させることなく方位方向における分解能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る実施形態の回路構成を示すブロック図である。
【図２】  直交検波回路、補間回路、絶対値回路の構成例を示す図である。
【図３】  補間回路の一例を示す回路図である。
【図４】  補間ビームを示す説明図である。
【図５】  ｓｉｎｃ関数を利用した補間係数の決定方法を説明するための説明図である。
【図６】  本発明に係る間引き回路を有する実施形態の回路構成を示すブロック図である。
【図７】  直交検波回路と補間回路との間に間引き回路を設けた場合の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１８  直交検波回路、２０  絶対値回路、２２  信号圧縮回路、２６  表示処理回路、３０  表示器、７０  係数可変回路、１００  補間回路、１０２  間引き回路。
【図１】
0003806229.tif 000007
【図２】
0003806229.tif 000008
【図３】
0003806229.tif 000009
【図４】
0003806229.tif 000010
【図５】
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【図６】
0003806229.tif 000012
【図７】
0003806229.tif 000013