(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超音波素子を２次元的に配列して形成された２次元アレイプローブと、
対象物の３次元走査を間欠的に行うように前記２次元アレイプローブを駆動制御すると共に、前記間欠的に行われる各３次元走査の間、該３次元走査時の走査レート以上の走査レートで２次元走査を行うように前記２次元アレイプローブを駆動制御する制御手段と、
前記間欠的に行われる３次元走査により得られた超音波情報に基づいて３次元画像を形成し、前記各３次元走査の間に行われる２次元走査により得られた超音波情報に基づいて２次元画像を形成する画像形成手段と
を有することを特徴とする３次元超音波診断装置。
【請求項２】
前記画像形成手段は、前記間欠的に行われる３次元走査により得られた超音波情報に基づいて３次元画像を形成すると共に、この３次元走査により得られた超音波情報に基づいて、当該走査タイミングの２次元画像を形成することを特徴とする請求項１記載の３次元超音波診断装置。
【請求項３】
前記画像形成手段で形成された３次元画像に、２次元画像を重ね合わせて表示手段に表示する重畳表示手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の３次元超音波診断装置。
【請求項４】
前記重畳表示手段は、３次元画像の中心断面に相当する２次元画像を重ね合わせて表示手段に表示することを特徴とする請求項３記載の３次元超音波診断装置。
【請求項５】
２次元アレイプローブの超音波探触子面に対して相対的な２次元画像の断面を指定するための断面指定手段を有し、
前記重畳表示手段は、前記断面指定手段で指定された断面の２次元画像を、３次元画像と重ね合わせて表示手段に表示することを特徴とする請求項３記載の３次元超音波診断装置。
【請求項６】
前記重畳表示手段は、前記断面指定手段で指定された断面の２次元画像が常に正面に位置するように前記表示手段に表示することを特徴とする請求項５記載の３次元超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波素子を２次元的に配列してなる２次元アレイプローブを用いて３次元情報を得る３次元超音波診断装置に関し、特に、微少な超音波素子を多数用いて構成される２次元アレイプローブの駆動時の負担を軽減し、又は安全性の範囲内で３次元のボリューム像を得ると共に、リアルタイムで２次元断層像を得ることを可能とした３次元超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波診断装置は、一般的に超音波ビームを１つの面内で走査し、断面画像を表示するシステムとなっている。近年、超音波診断装置の超音波送受信部である超音波プローブを移動させながら診断画像を収集し、３次元情報を得る試みが盛んに行われており、超音波診断装置における３次元ボリューム像の表示により、新たな診断の可能性が期待されている。実際には、腹部用のコンベックスプローブやリニアアレイプローブを手動又は機械的に移動させることで３次元ボリューム像を得る研究や、電子セクタプローブを回転させる機構を持った経食道用マルチプレーンプローブにより３次元ボリューム像を得る研究が進められている。
【０００３】
しかし、３次元ボリューム像を再構成するには、従来の断面画像走査に比べてかなりの時間を要するため、心臓等の動きの早い部位を撮影対象とする場合は、動きが捉えきれないという問題を生ずる。このため、超音波素子を２次元的に配列してなる２次元アレイプローブを用い、３０フレーム／秒の実時間（リアルタイム）に近いフレームレートで超音波ビームを立体的に走査することで３次元ボリューム像を取り込んで表示する３次元超音波診断装置の開発が研究途上にある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、このような３次元超音波診断装置では、３次元ボリューム像を表示した場合でも、所定の断面（注目する断面）については従来の２次元断面像と略々同一のフレームレートで画像の観測をする場合が多くなると考えられるが、２次元アレイプローブを常時３次元ボリューム走査して従来の２次元断層像と同じ画質の３次元ボリューム像を得ようとすると、２次元アレイプローブに対して従来以上の超音波エネルギーを与える必要があり、２次元アレイプローブが破損し３次元超音波診断装置の安全性に問題を生ずる虞がある。
【０００５】
すなわち、２次元アレイプローブは、微少な超音波素子を２次元的に多数配列して形成されている。このため、従来の２次元断層像と同じ画質の３次元ボリューム像を得ようとして、従来以上の超音波エネルギーを長時間に亘って各超音波素子に与えると、微少な超音波素子が従来以上の超音波エネルギーにより駆動されるため、２次元アレイプローブが破損し３次元超音波診断装置の安全性に問題を生ずる虞がある。
【０００６】
また、超音波放射エネルギーを２次元アレイプローブの破損限界内、又は被検者体内温度上昇の安全範囲で３次元ボリューム像を得ようとする場合は、放射エネルギーを従来よりも低下せざるを得ず、画質が低下する問題を生ずる。
【０００７】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、２次元アレイプローブを破損させることなく、安全性の範囲内の超音波エネルギーを用いて画質を低下させることなく、必要な画質の３次元ボリューム像を表示すると共に、２次元断面像のリアルタイム表示を可能とすることができるような３次元超音波診断装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る３次元超音波診断装置は、上述の課題を解決するための手段として、複数の超音波素子を２次元的に配列して形成された２次元アレイプローブと、対象物の３次元走査を間欠的に行うように前記２次元アレイプローブを駆動制御すると共に、前記間欠的に行われる各３次元走査の間、該３次元走査時の走査レート以上の走査レートで２次元走査を行うように前記２次元アレイプローブを駆動制御する制御手段と、前記間欠的に行われる３次元走査により得られた超音波情報に基づいて３次元画像を形成し、前記各３次元走査の間に行われる２次元走査により得られた超音波情報に基づいて２次元画像を形成する画像形成手段とを有する。
【０００９】
このような３次元超音波診断装置は、３次元画像を２次元画像の観察のための参照画像として考え、２次元アレイプローブを、参照画像に十分な走査レートで間欠的に走査して３次元画像を得ると共に、間欠的に行われる各３次元走査の間、該３次元走査時の走査レート以上の走査レートで２次元走査して２次元画像を得る。
【００１０】
これにより、２次元アレイプローブの３次元走査を間欠的に行うことができるため、２次元アレイプローブに対して安全性が問題となるまで長時間超音波エネルギーを与えることなく、参照画像に十分な走査レートで間欠的に３次元画像を得ることができる。また、２次元画像を得る際には、２次元アレイプローブを３次元走査時の走査レート以上の高い走査レートで走査するようになっているため、従来と略々同一の走査レート（リアルタイム）で２次元画像を得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る３次元超音波診断装置に好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。まず、図１は、本発明の実施の形態となる３次元超音波診断装置のブロック図である。
【００１２】
この図１において、当該実施の形態の３次元超音波診断装置は、多数の微少な超音波素子が２次元的に配列され形成された２次元アレイプローブ１と、２次元アレイプローブ１で２次元的或いは３次元的に取り込まれたエコー信号に基づいて、３次元のボリューム像、或いは２次元断層像を形成する画像収集処理部２と、当該３次元超音波診断装置全体の制御を司るコントローラ７と、マウス装置、トラックボール装置或いはキーボード等のポインティングデバイス８と、画像収集処理部２で形成された３次元のボリューム像或いは２次元断層像を、陰極線管（ＣＲＴ）や液晶表示部（ＬＣＤ）等の表示部１０に表示制御するスキャンコンバータ９とを有している。
【００１３】
画像収集処理部２は、各トランスデューサ・エレメントにＢモード画像等の２次元断層面音場が形成されるように遅延時間を調整する２次元ビームフォーマ４と、３次元のボリューム音場が形成されるように遅延時間を調整する３次元ビームフォーマ３と、超音波の送信パルスにより２次元アレイプローブ１の各超音波振動子を駆動し、これにより生体組織の音響インピーダンスの差により生じる反射波であるエコー信号を受信する送受信部５と、Ｂモード等の２次元断層画像、あるいは３次元的なエコー信号から生体組織等の３次元構造を再構成し、ボリュームレンダリング等の３次元表示手法により３次元画像の処理を行う画像処理部６とを有している。
【００１４】
なお、この図１では、２次元ビームフォーマ４及び３次元ビームフォーマ３は別ブロックとして図示しているが、これは説明上分かり易くするために機能的に分けたもので、ハードウェア上は同一のブロックになっていてもよい。
【００１５】
次に、このような構成を有する当該実施の形態の３次元超音波診断装置の動作説明をする。
【００１６】
まず、図２，図３にそれぞれセクタ方式、リニア方式の３次元／２次元断層音場のモデルを示す。３次元音場は、２次元アレイプローブ１にて全てのエレメントにて同時受信ができる場合のもので、２次元アレイプローブ１の全体の送受信領域を、例えば該送受信領域の中心で直交する２本の直線で４等分割し、この分割した各領域毎に超音波の送受信を行うような分割受信の場合は、その受信エレメント群の対応する分割された３次元音場となる。また、図２、図３に斜線で示す２次元断層音場の場合は、２次元アレイプローブ１のｘ方向の１列のエレメント、あるいはレンズ方向の音場の広がりを少なくするために複数列のエレメントを用いて２次元ビームフォーミングを行う。
【００１７】
なお、２次元断層音場は、ｘ方向に平行の場合であるが、ｙ方向に平行な場合はｙ方向の１列、あるいは複数列のエレメントを用いることになる。
【００１８】
次に、図４に当該３次元超音波診断装置の２次元スキャン及び３次元スキャンの時系列的なタイミングチャートを示す。当該３次元超音波診断装置においては、図４（ａ）のスキャン系列（送受信系列）に示すように３次元スキャンはｎ番目、（ｎ＋１）番目、（ｎ＋２）番目・・・等のように間欠的なフレームレートで行うように、また、２次元スキャンは、１ｓ，２ｓ，３ｓ，４ｓ，５ｓ・・・等のように高フレームレートで（連続的に）行うように、コントローラ２が画像収集処理部２の送受信部５を介して２次元アレイプローブ１を駆動制御する。
【００１９】
画像収集処理部２の画像処理部６は、図４（ｂ）に示すようにｎ番目、（ｎ＋１）番目、（ｎ＋２）番目・・・等の３次元スキャン終了後に収集された各非等方的な３次元画像データを、それぞれ３次元表示処理を行うための等方的な３次元データに再構成（リサンプリング）し、この再構成データに対して例えばボリュームレンダリング処理や、ＭＩＰ処理等の３次元画像処理を施すことで３次元ボリューム像を形成し、これをスキャンコンバータ９に供給する。スキャンコンバータ９は、この３次元ボリューム像に所定の表示処理を施し、これを表示部１０に供給する。また、画像処理部６は、２次元スキャン後は、この２次元画像データに対して従来の超音波診断装置で行われているＢモード処理等を施すことで瞬時に（リアルタイムに）２次元断層像を形成し、これをスキャンコンバータ９を介して表示部１０に供給する。
【００２０】
これにより、表示部１０には、図４（ｃ）に示すようにｎ番目の３次元スキャンと、（ｎ＋１）番目の３次元スキャンとの間に行われた２次元スキャンによる２次元断層像が、（ｎ−１）番目の３次元スキャンによる３次元ボリューム像と重ね合わされて表示部１０に表示されることとなる。また、図４（ａ）に示すように３次元データ中における２次元断層面、すなわち、例えば（ｎ＋１）番目の３次元スキャンにより得られた３次元ボリューム像には、２次元断層像５ｓと２次元断層像７ｓとの間の２次元断層像６ｓの断層面が含まれているので、この断層面も同図（ｃ）に示すように２次元断層像６ｄとして表示する。
【００２１】
このような重ね合わせ表示を行うことにより、表示されている３次元ボリューム像とそれに重ねて表示される２次元断層像の時間のずれが大きいが、２次元断層像のリアルタイム性を確保することができる。
【００２２】
なお、リアルタイム性はある程度犠牲にしても、この時間のずれを補正する必要があれば、例えば図５（ａ）〜（ｃ）に示すように２次元断層像を所定時間分ずらして表示するようにすればよい。
【００２３】
次に、３次元ボリューム像に重ね合わせて表示する２次元断層像の断層面は、以下に説明する断層位置の断層面を表示することが考えられる。
【００２４】
第１に、図２或いは図３に斜線で示すように、従来の１次元プローブと同様にプローブ面の中心ラインに垂直な断層面、すなわち、３次元ボリューム像の中心断面の２次元断層像を常に表示する。
【００２５】
次に、図６（ａ）に示すように、例えば３次元ボリューム像上で肝細胞ガンを固定表示し、その中の断面のみを図６（ｂ）に示すように任意の方向に平行移動、或いは図６（ｃ）に示すように回転、傾けて表示して観察したいという臨床ニーズがある。なお、通常、ガン細胞は球形であるが、説明を分かり易くするために図６（ａ）〜（ｃ）には立方体と仮定して示している。
【００２６】
このため、第２に、肝細胞ガンを観察可能な位置で２次元アレイプローブ１を固定したうえで、２次元アレイプローブ１を押さえていない手でポインティングデバイス８が操作された際に、この操作により指定された断層面の２次元断層像を表示する。実際には、２次元断層面の指定の自由度が大きくなると、従来の１次元プローブの操作感との違和感が大きくなるので、例えば図２或いは図３に示すｙ方向の煽り及びシフトのみに限定した方が画像の解釈（読影）がし易いと考えられる。
【００２７】
次に、このような２次元断層面の移動は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように正面方向でシフトする場合は問題ないのであるが、同図（ｃ）に示すように２次元断層面が回転移動した場合は、断層面を斜め視線方向から見ることになるため、回転角度が深くなると見難い場合がある。そこで、第３に、図７（ａ）に示すように断層面を斜め視線方向から見ることになる場合には、同図（ｂ）に示すようにその断層面を正面から見るかたちに、３次元ボリューム像の視線方向を変更して表示する。これにより、観察する断層面を回転操作した場合でも、断層面を常に正面から見たように表示することができる。
【００２８】
以上の説明から明らかなように、当該実施の形態の３次元超音波診断装置は、２次元アレイプローブ１を間欠的に駆動して所定の間欠的なフレームレートで３次元ボリューム像を得ると共に、この３次元ボリューム像を得る際のフレームレート以上の高いフレームレートで２次元アレイプローブ１を部分的に駆動してリアルタイムで２次元断層像を得る。これにより、２次元アレイプローブ１に対して安全性が問題となるまで長時間超音波エネルギーを与えることなく、間欠的に３次元のボリューム像を得ることができるうえ、従来と略々同一のフレームレート（リアルタイム）で２次元断層像を得ることができる。従って、２次元アレイプローブ１を破損させることなく、また、安全性の範囲内の超音波エネルギーを用いて画質を低下させることなく、必要な３次元ボリューム像を表示すると共に、リアルタイムで２次元断面像を表示することができる。
【００２９】
最後に、上述の実施の形態は、本発明の一例である。このため、本発明はこの実施の形態に限定されることはない。例えば、上述の実施の形態の説明では、３次元ボリューム像と２次元断層像を重ね合わせて表示することとしたが、これは、表示部１０の表示領域を分割し、３次元ボリューム像と２次元断層像とを別々に表示するようにしてもよく、この他、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係る３次元超音波診断装置は、安全性が問題となるレベルまでの超音波エネルギーを与えることなく破損を防止したうえで、また、安全性の範囲内の超音波エネルギーを用いて画質を低下させることなく、必要な３次元ボリューム走査／表示を行うことができ、また、精査が必要となる対象疾患部位においては、従来と略々同一のフレームレートでリアルタイム表示を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の３次元超音波診断装置のブロック図である。
【図２】前記実施の形態の３次元超音波診断装置に、セクタスキャン方式の２次元アレイプローブが設けられている場合の３次元／２次元スキャン対象領域を示す図である。
【図３】前記実施の形態の３次元超音波診断装置に、リニアスキャン方式の２次元アレイプローブが設けられている場合の３次元／２次元スキャン対象領域を示す図である。
【図４】前記実施の形態の３次元超音波診断装置の３次元ボリューム像及び２次元断層像の処理／表示タイミングを説明するための図である。
【図５】前記実施の形態の３次元超音波診断装置の３次元ボリューム像及び２次元断層像の、他の処理／表示タイミングを説明するための図である。
【図６】前記実施の形態の３次元超音波診断装置における３次元ボリューム像と２次元断層像との重ね合わせ表示及び断層面の移動操作を説明するための図である。
【図７】前記断層面の移動操作により、断層面が回転操作された際の問題点、及び回転操作された断層面を正面表示する表示形態を説明するための図である。
【符号の説明】
１…２次元アレイプローブ、２…画像収集処理部、３…３次元ビームフォーマ、４…２次元ビームフォーマ、５…送受信部、６…画像処理部、７…コントローラ、８…ポインティングデバイス、９…スキャンコンバータ、１０…表示部
【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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【図６】
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【図７】
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