(57)【要約】超音波振動子体が完全には等角速度で揺動走査していなくとも、空間的により正しい位置に３次元画像を構築する技術が開示され、その技術によれば揺動角度検出手段１０４は超音波振動子体１の揺動角度を検出し、３次元画像処理手段１１は揺動角度検出手段により検出された揺動角度、及び超音波受信手段４より出力される画像データに基づいて３次元画像を形成する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ビームを走査するための超音波振動子がアレイ状に配置された超音波振動子体と、
前記超音波ビームの走査方向と交差する方向に前記超音波振動子体を揺動走査させる振動子体揺動モータと、
前記超音波振動子体の揺動角度を検出する揺動角度検出手段と、
前記超音波ビームを形成するように前記超音波振動子を励振する超音波送信手段と、
前記超音波振動子によって受波された超音波エコーから超音波ビームを形成して可視化画像データに変換する超音波受信手段と、
前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度、及び前記超音波受信手段から出力される画像データに基づいて３次元画像を形成する３次元画像処理手段と、
前記３次元画像を表示する画像表示手段とを、
有する超音波診断装置。
【請求項２】
超音波ビームを走査するための超音波振動子がアレイ状に配置された超音波振動子体と、
前記超音波ビームの走査方向と交差する方向に前記超音波振動子体を揺動走査させる振動子体揺動モータと、
前記超音波振動子体の揺動角度を検出する揺動角度検出手段と、
前記超音波ビームを形成するように前記超音波振動子を励振する超音波送信手段と、
前記超音波振動子によって受波された超音波エコーから超音波ビームを形成して可視化画像データに変換する超音波受信手段と、
前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度の情報を前記超音波受信手段から出力される画像データに付加する揺動角度情報付加手段と、
前記揺動角度情報付加手段から出力される画像データ、及び前記付加された揺動角度情報に基づいて３次元画像を形成する３次元画像処理手段と、
前記３次元画像を表示する画像表示手段とを、
有する超音波診断装置。
【請求項３】
前記３次元画像処理手段は、前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度の情報をスムージングした角度情報に基づいて３次元画像を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
被検体の断層面を２次元走査するとともに、前記２次元走査を行う走査面と直交する方向に揺動駆動される超音波振動子体と、
前記超音波振動子体が前記２次元走査することにより得られた受信信号をフレームメモリに記録して２次元画像データを生成し、前記２次元画像データを読み出して出力する走査変換手段と、
前記超音波振動子体の揺動方向の位置情報を前記走査変換手段の処理時間分だけ遅延させる遅延手段と、
前記遅延手段により遅延された前記揺動方向の前記位置情報に基づいて、前記走査変換手段から順次出力される複数フレームの前記２次元画像データから３次元画像を生成する３次元画像処理手段とを、
有する超音波診断装置。
【請求項５】
被検体の断層面を２次元走査するとともに、前記２次元走査を行う走査面と直交する方向に揺動駆動される超音波振動子体と、
前記超音波振動子体が２次元走査することにより得られた受信信号をフレームメモリに記録して２次元画像データを生成するとともに、前記超音波振動子体の揺動方向の位置情報を前記フレームメモリに書き込み、前記２次元画像データ及び前記位置情報を読み出して出力する走査変換手段と、
前記走査変換手段から順次出力される複数フレームの２次元画像データ及び前記揺動方向の前記位置情報から３次元画像を生成する３次元画像処理手段とを、
有する超音波診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、生体内のエコーデータを３次元的に取得して仮想視点からの画像データに変換して表示する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  一般に、生体内の組織様態を３次元表示させることを目的とした超音波診断装置において、３次元エコーデータを取り込むための超音波探触子として、超音波ビームを走査するための超音波振動子体をビーム走査方向と交差する方向に機械的に揺動走査する構成が知られている（例えば下記の特許文献１参照）。図１２はその走査状態を示した説明図である。図１２において、超音波振動子体１は図示を省略したプローブ内において、被検体の表面に対して水平方向Ｘ（図１２では凸状）に整列するように配置された複数の超音波振動子を含んで構成され、この超音波振動子体１は被検体の深度方向Ｙに超音波を送受信してＸ−Ｙ平面を２次元走査するとともに、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向Ｚに揺動して揺動方向Ｚを走査する。【０００３】  このような超音波探触子では、超音波ビーム走査（以下、主断面走査という）と揺動走査を同時に行うことで、時々刻々移動する両走査面の交線に相当する生体内組織からのエコーデータ、すなわち３次元空間のエコーデータ取得が可能になる。取得された３次元エコーデータは、仮想視点からの画像データに変換するような３次元画像の構築処理が施されて、平面内にあたかも奥行きがあるかのような表示方法をもって表示させたり、あるいは任意断面を表示させたりする。【０００４】  ところで３次元画像構築にあたっては、各エコーデータの３次元空間内における方向成分が既知である必要がある。このような揺動走査を機械的に行う超音波探触子を用いた超音波診断装置では、超音波振動子体の時間に対する理想的な揺動角速度Ｗが図１３Ａに示すようなプロファイル２１となるように、すなわち超音波振動子体の時間に対する理想的な揺動角度θが図１３Ｂに示すようなプロファイル２２となるように超音波振動子体を揺動制御するとともに、３次元画像構築に供されるエコーデータは揺動角速度Ｗが比較的一定（Ｗ＝ｗ１）である期間ｔ１〜ｔ２中に取得されたものが使用される。前記に加え、主断面走査を一定時間間隔で行うことにより主断面走査面は平面、かつ各主断面は等角であるという見込みの下で３次元画像構築が行われる。【０００５】  また一般に、単位時間あたりの３次元エコーデータ取得レートを向上させる目的で、
ｗ２＝（−１）×ｗ１
となるように揺動制御を行った上でＷ＝ｗ１の往路期間ｔ１〜ｔ２とＷ＝ｗ２の復路期間ｔ４〜ｔ５の往復揺動期間でエコーデータを取得している。このとき図１４に示すように、揺動走査往路５６では主断面走査方向５３として実線で示す主断面走査面５１を形成し、揺動走査復路５５でも同じ主断面走査方向５３とすると、揺動復路では破線で示すような主断面走査面５２が生成されて揺動往復で走査面角度の不一致が生じるので、揺動復路では往路の方向５３と逆の方向を主断面走査方向５４とすることで、揺動往復での走査面角度の不一致を緩和させる方法が提案されている（例えば下記の特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平３−１８４５３２号公報（第２図）
【特許文献２】特開２００１−７０３０１号公報（図３）
【０００６】  近年では、超音波診断装置による３次元画像は、生体内組織の様態観測と共に、３次元画像とガイドラインをモニタリングしながらの穿刺、あるいは臓器、腫瘍、胎児などの距離・角度・面積・体積などの計測にも用いられるようになり、その有用性が高まっている。こういった医療の要請に対して、超音波診断装置が提供する３次元画像は従来にも増して高精度、すなわち空間的に正しい位置に画像が構築されることが不可欠となっている。【０００７】  しかしながら、上記従来の超音波診断装置では、超音波振動子体は３次元エコーデータを取得している期間は等角速度で揺動走査しているという前提の下、３次元画像を構築するために用いられる主断面走査面は平面であるという想定で３次元画像構築が行われている。一般にモータを用いた機械式揺動走査では、現在の揺動走査角度又は揺動走査角速度あるいはその両方から次なる時間のモータ印加電圧あるいは電流を決定する、いわゆるフィードバック制御が用いられるが、いかに高精度なフィードバック制御を用いても揺動走査を完全な等角速度で行うことはできない。つまり実際に取得されるエコーデータの主断面走査面は完全な平面を形成するとは言えず、各主断面は、ある程度の曲面となっている。この結果、各主断面走査面は平面であるとの想定で構築された３次元画像は、曲面の程度に応じて歪む、ずれる、あるいは揺動往復に応じて画像が揺れるなどの問題を有しており、結果として術者の期待する方向とずれた方向に穿刺を行ったり、距離・角度・面積・体積などの計測誤差が大きいといったことを招くおそれがあった。
【発明の開示】
【０００８】  本発明は上記従来の問題を解決するためになされたもので、その目的は、超音波振動子体が完全には等角速度で揺動走査していなくとも、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することができる超音波診断装置を提供することにある。
【０００９】  本発明の他の目的は、超音波振動子体を揺動させて２次元画像から３次元画像を生成する際に、超音波振動子体の揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる超音波診断装置を提供することにある。
【００１０】  上記目的を達成するために本発明は、超音波ビームを走査するための超音波振動子がアレイ状に配置された超音波振動子体と、
前記超音波ビームの走査方向と交差する方向に前記超音波振動子体を揺動走査させる振動子体揺動モータと、
前記超音波振動子体の揺動角度を検出する揺動角度検出手段と、
前記超音波ビームを形成するように前記超音波振動子を励振する超音波送信手段と、
前記超音波振動子によって受波された超音波エコーから超音波ビームを形成して可視化画像データに変換する超音波受信手段と、
前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度、及び前記超音波受信手段から出力される画像データに基づいて３次元画像を形成する３次元画像処理手段と、
前記３次元画像を表示する画像表示手段とを、
有する構成としたものである。
この構成により、超音波振動子体が完全には等角速度で揺動走査されていなくとも取得された各超音波エコーに対応する実際の揺動走査角度を３次元画像処理手段に与えることができ、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することができる。
【００１１】  また、本発明は、超音波ビームを走査するための超音波振動子がアレイ状に配置された超音波振動子体と、
前記超音波ビームの走査方向と交差する方向に前記超音波振動子体を揺動走査させる振動子体揺動モータと、
前記超音波振動子体の揺動角度を検出する揺動角度検出手段と、
前記超音波ビームを形成するように前記超音波振動子を励振する超音波送信手段と、
前記超音波振動子によって受波された超音波エコーから超音波ビームを形成して可視化画像データに変換する超音波受信手段と、
前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度の情報を前記超音波受信手段から出力される画像データに付加する揺動角度情報付加手段と、
前記揺動角度情報付加手段から出力される画像データ、及び前記付加された揺動角度情報に基づいて３次元画像を形成する３次元画像処理手段と、
前記３次元画像を表示する画像表示手段とを、
有する構成としたものである。
この構成により、超音波振動子体が完全には等角速度で揺動走査されていなくとも取得された各超音波エコーに対応する実際の揺動走査角度を３次元画像処理手段に与えることができ、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することができる。
【００１２】  また、本発明の超音波診断装置では、前記３次元画像処理手段が、前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度の情報をスムージングした角度情報に基づいて３次元画像を形成することを特徴とする。
この構成により、前記揺動角度検出手段で得られる最小揺動角度の分解能以上の揺動角度情報を基に３次元画像処理を行うことができる。
【００１３】  また、本発明は、被検体の断層面を２次元走査するとともに、前記２次元走査を行う走査面と直交する方向に揺動駆動される超音波振動子体と、
前記超音波振動子体が前記２次元走査することにより得られた受信信号をフレームメモリに記録して２次元画像データを生成し、前記２次元画像データを読み出して出力する走査変換手段と、
前記超音波振動子体の揺動方向の位置情報を前記走査変換手段の処理時間分だけ遅延させる遅延手段と、
前記遅延手段により遅延された前記揺動方向の前記位置情報に基づいて、前記走査変換手段から順次出力される複数フレームの前記２次元画像データから３次元画像を生成する３次元画像処理手段とを、
有する構成とした。
この構成により、３次元画像処理手段に入力される複数フレームの２次元画像データの入力タイミングと超音波振動子体の揺動方向の位置情報が同期するので、超音波振動子体の揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる。
【００１４】  また、本発明は、被検体の断層面を２次元走査するとともに、前記２次元走査を行う走査面と直交する方向に揺動駆動される超音波振動子体と、
前記超音波振動子体が２次元走査することにより得られた受信信号をフレームメモリに記録して２次元画像データを生成するとともに、前記超音波振動子体の揺動方向の位置情報を前記フレームメモリに書き込み、前記２次元画像データ及び前記位置情報を読み出して出力する走査変換手段と、
前記走査変換手段から順次出力される複数フレームの２次元画像データ及び前記揺動方向の前記位置情報から３次元画像を生成する３次元画像処理手段とを、
有する構成とした。
この構成により、走査変換手段から順次出力される複数フレームの２次元画像データ及び揺動方向の位置情報から３次元画像を生成するので、超音波振動子体の揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる。
【００１５】  本発明によれば、超音波振動子体が完全には等角速度で揺動走査されていなくとも取得された各超音波エコーに対応する実際の揺動走査角度を３次元画像処理手段に与えることができ、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することができる。
また、最小揺動角度分解能以上の揺動角度情報を基に３次元画像処理を行うことができる。
【００１６】  また、本発明によれば、超音波振動子体を揺動させて２次元画像から３次元画像を生成する際に、超音波振動子体の揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る超音波診断装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図
【図２】図１中の揺動角度検出手段の一例を示す説明図
【図３Ａ】機械走査方式の超音波振動子の実際の揺動角速度プロファイルを示す説明図
【図３Ｂ】機械走査方式の超音波振動子の実際の揺動角度プロファイルを示す説明図
【図４】本発明における補正前の主断面走査面の形状を示す説明図
【図５】本発明に係る超音波診断装置の第２の実施の形態の構成を示すブロック図
【図６】図５における揺動角度情報付加手段の構成例及び角度情報付き画像データを示す説明図
【図７】本発明に係る超音波診断装置の第３の実施の形態における角度情報のスムージング処理を示す説明図
【図８】本発明に係る超音波診断装置の第３の実施の形態における画像のスムージング処理を示す説明図
【図９】本発明に係る超音波診断装置の第４の実施の形態の構成を示すブロック図
【図１０】本発明に係る超音波診断装置の第５の実施の形態の構成を示すブロック図
【図１１】図１０のフレームメモリ内の記録領域の書き込み情報を示す説明図
【図１２】一般的な超音波振動子体の揺動状態を示した説明図
【図１３Ａ】超音波振動子体の時間に対する理想的な揺動角速度プロファイルを示す説明図
【図１３Ｂ】超音波振動子体の時間に対する理想的な揺動角度プロファイルを示す説明図
【図１４】従来の主断面走査面の形状を示す説明図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  ＜第１の実施の形態＞
図１は本発明に係る超音波診断装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。この超音波診断装置は、生体内に超音波を送波し、かつ生体内組織からの超音波エコーを電気信号に変換する超音波振動子２がアレイ状に複数配列された超音波振動子体１を備えている。各超音波振動子２は超音波送信手段３から供給される送信パルスによって励振されるが、このとき超音波送信手段３は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が形成されるように、異なる位相の送信パルスを、超音波振動子体１に配置される一部又はすべての超音波振動子２に対して与えるように制御される。【００１９】  このようにして生体に送波された超音波は、生体内の各組織から時々刻々エコーとして戻ってくる。超音波振動子体１の各超音波振動子２によって電気信号に変換された超音波エコーに対し、超音波受信手段４は所定の方向に受信ビームが形成されるように各超音波振動子２からの各受信信号に対して異なる遅延時間を与えた上で加算する。前述の送信ビームとこの受信ビームは、送受信で１つの音響走査線を形成する。超音波受信手段４はこの音響走査線に沿う超音波エコーデータを生成し、さらに超音波エコーデータを可視化するために検波処理を施して画像データを出力する。このようにして次々と送受信に供される超音波振動子群を切り替えながら、あるいは送受信のビームの方向を変えながら異なる方向の音響走査線が形成されるように送受信が行われ、その結果、１つの主断面走査面が形成される。【００２０】  さらにこの超音波診断装置には、モータ制御手段１０１、振動子体揺動モータ１０２、回転伝達手段１０３及び揺動角度検出手段１０４を含んで構成される揺動制御手段５を備えている。このうち、振動子体揺動モータ１０２は超音波振動子体１を前述の主断面走査面と交差する方向に揺動走査させるもので、回転伝達手段１０３が振動子体駆動モータ１０２の回転運動を超音波振動子体１に伝達する。振動子体駆動モータ１０２はモータ制御手段１０１によって揺動制御を受ける。なおモータ制御手段１０１に対する揺動角速度、揺動角度範囲などモータ制御に必要な情報は主制御手段１０より受ける。主断面走査と揺動走査を同時に行うことで、超音波受信手段４は主断面走査面と揺動走査面の交線に相当する超音波エコーデータを生成することができるようになるが、通常、両走査面は独立に走査されるわけではなく生体内の特定の３次元部位の超音波エコーデータを一様に取得できるように走査される。すなわち、揺動走査一回あたりの各主断面走査面間の角度は、ほぼ等角となるように主断面走査と揺動走査がなされる。【００２１】  このため、モータ制御手段１０１は振動子体駆動モータ１０２につながる超音波振動子体１がいずれの揺動走査角度、あるいは角速度にあるかを常に監視しながら、３次元エコーデータ取得期間内では超音波振動子体１がほぼ等角速度で揺動するように制御を行う必要がある。このため、この超音波診断装置には、超音波振動子体１の揺動走査角度を得るために、振動子体駆動モータ１０２の回転運動を超音波振動子体１に伝達する回転伝達手段１０３に結合された揺動角度検出手段１０４を備えている。超音波振動子体１の揺動走査角度に相当する情報を得ることができる箇所であれば、揺動角度検出手段１０４の設置位置は、回転伝達手段１０３の振動子体駆動モータ１０２側、超音波振動子体１側あるいは両者の中間部のいずれであってもよい。【００２２】  揺動角度検出手段１０４の好適な実施方法は、回転伝達手段１０３にロータリエンコーダを取り付ける方法であり、その例を図２に示す。ロータリエンコーダは最低２種類で構成され、一方のＺロータリエンコーダ６５は、回転伝達手段１０３である振動子体駆動モータ１０２の回転軸６０の特定の角度において一発のパルス（以下Ｚパルス）が出力できるように回転軸６０にＺパルスロータ６１が取り付けられている。例えば磁気式エンコーダであればＺパルスロータ６１は一回転あたり一発のＺパルスを発生するように着磁されており、Ｚパルスセンサ６３はＺパルスロータ６１の着磁部分６１ａを検出してＺパルスを出力する。【００２３】  同様に、他方のＡロータリエンコーダ６６は回転軸６０の一回転あたり数百パルス（以下Ａパルス：固定値）を発生するように等角に着磁（図の６２ａ）されたＡパルスロータ６２とＡパルスセンサ６４を備える。以上は磁気式ロータリエンコーダの例であるが、光学式、機械式でも本発明の構成には差し支えない。各ロータリエンコーダ６５、６６からのＡパルスとＺパルスはエンコーダパルスカウンタ６７に送出される。【００２４】  エンコーダパルスカウンタ６７は、Ｚロータリエンコーダ６５からのＺパルスによってリセットされ、Ａロータリエンコーダ６６からのＡパルスによってカウントアップ又はカウントダウンするもので、カウントの結果であるカウント値は振動子体駆動モータ１０２の回転軸角度、すなわち超音波振動子体１の揺動走査角度に相当する。このようにしてモータ制御手段１０１は揺動角度検出手段１０４のカウント値から現在の超音波振動子体１の揺動走査角度を知ることができるので、所定の次の揺動走査角度に超音波振動子体１を移動させるために振動子体駆動モータ１０２を制御する。なお揺動制御に現在の揺動走査角速度を加味する場合においては、揺動走査角度の時間差分をもって揺動走査角速度を得ることができる。【００２５】  このようにして主断面走査と揺動走査を同時に走査することで取得された生体内の特定の３次元部位の超音波エコーの画像データは、３次元画像処理手段１１へ送られる。３次元画像処理手段１１では、得られた画像データから、画像表示手段１２に生体内の特定の３次元部位の構造物を仮想視点から観測しながらあたかも奥行きがあるような表示がなされるように、あるいは３次元構造物を任意平面で切り取った断面表示などの３次元画像処理を行う。この３次元画像処理実施には、取得された各音響走査線の超音波エコーデータが３次元空間内のいずれの方向成分のものであるかが既知でなくてはならないが、本発明における３次元画像処理手段１１は、主断面走査面における走査方向角度は超音波振動子体１を構成する超音波振動子２の配置および送受信ビームの方向から、また、揺動走査面の揺動角度は揺動角度検出手段１０４からの揺動角度情報によって取得する。【００２６】  ところで一般に、揺動走査として機械走査方式を用いた３次元表示超音波診断装置では��モータ制御手段によって振動子体駆動モータ１０２をいかに高精度に制御しても、完全な揺動等角速度運動を行わせることはできず、ある時間Ｔにおける実際の振動子体揺動角速度Ｗ及びその結果である揺動角度θは、それぞれ図３Ａ、３Ｂに示すようなプロファイル３１、３２となる。つまり比較的安定的に等角速度走査を行っているであろう往路期間Ｔ１〜Ｔ２、復路期間Ｔ４〜Ｔ５においても、時間に対する揺動角速度プロファイル３１は角速度Ｗ１、Ｗ２付近である変動をもって運動しており、時間に対する揺動角度プロファイル３２は同期間において直線とはならない。したがって、例えば時刻Ｔ１とＴ２の間の期間４２（図４参照）で得られた実際の各主断面走査面は、図４に示すような曲面の主断面走査面４１の集合となる。【００２７】  そこで、図１に示すような構成である本発明に係る超音波診断装置においては、たとえ超音波振動子体１の揺動走査が完全には等角速度で行われなくとも、すなわち各主断面走査面が平面でなくとも、揺動角度検出手段１０４によって各超音波エコーが取得された時点の実際の超音波振動子体１の揺動角度θを３次元画像処理手段１１に通知することができるので、実際の揺動角度に基づく３次元画像構築が可能となり、結果として空間的により正しい位置に３次元画像を構築することが可能になる。【００２８】  ＜第２の実施の形態＞
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は本発明に係る超音波診断装置の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。上述の第１の実施の形態では、３次元画像処理手段１１に超音波受信手段４からの画像データおよび揺動角度検出手段１０４からの揺動角度情報が入力されているが、本発明の趣旨からして３次元画像構築には音響走査線１本の画像データに対して１つの揺動角度情報が存在すれば足りる。すなわち画像データの単位時間あたりのデータ量に対して、揺動角度情報の単位時間あたりのデータ量は圧倒的に少ない。一方で通常は超音波受信手段４からの画像データは常に有効というわけではなく、超音波エコー取得に先立って各回路ブロックへのパラメータ設定時間などを確保するためのブランキング時間が生じる。すなわち、画像データ列は間歇的に３次元画像処理手段１１に入力されることになる。【００２９】  本発明の第２の実施の形態は、３次元画像処理手段１１の前段に、超音波受信手段４からの画像データと揺動角度検出手段１０４からの揺動角度情報とを選択する揺動角度情報付加手段６を設け、画像データのブランキング時間に揺動角度情報を付加したものを３次元画像処理手段１１の入力とする。【００３０】  揺動角度情報付加手段６の構成例及びデータについて図６を用いて説明する。本実施の形態の揺動角度情報付加手段６では、画像データに揺動角度情報を付加する方法として、超音波受信手段４からの画像データと揺動角度検出手段１０４からの揺動角度情報を切り替えるスイッチ７１を設けている。１本の音響走査線に相当する各画像データ列は、Ｖｎ、Ｖｎ＋１、Ｖｎ＋２…のように間歇的にブランキング時間７２を伴って超音波受信手段４より揺動角度情報付加手段６に対して入力される。スイッチ７１はブランキング時間７２を画像データ列から判別するか又は外部より入力するかいずれかの方法で捕え、ブランキング時間７２の一部（前側、後側あるいは前側から一定条件のところから）又は全部の時間では揺動角度情報θｊ、θｊ＋１…を、それ以外の時間では画像データ列Ｖｎ、Ｖｎ＋１、Ｖｎ＋２…を選択するように制御する。したがって、スイッチ７１の出力には、音響走査線画像データ列Ｖｎ、Ｖｎ＋１、Ｖｎ＋２…のブランキング時間７２に揺動角度情報θｊ、θｊ＋１…が付加された角度情報付き画像データ列が現れる。【００３１】  このようにして３次元画像処理手段１１には角度情報付き画像データ列が入力されるので、３次元画像処理においては各音響走査線の画像データ列Ｖｎ、Ｖｎ＋１、Ｖｎ＋２…に対する揺動角度情報θｊ、θｊ＋１…を角度情報付き画像データ列の中から取得することができるようになる。この結果、実際の揺動走査角度θに基づく３次元画像構築が可能となり、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することが可能になるとともに、３次元画像処理手段１１へのインタフェースの簡素化による回路物量低減、コスト低減が可能となる。【００３２】  ＜第３の実施の形態＞
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。超音波振動子体１の実際の揺動走査角度θに相当する揺動角度情報は、揺動角度検出手段１０４によって得ることは上述したが、通常用いられるロータリエンコーダ方式に関してはＡロータリエンコーダ６６のＡパルス発生単位に相当する超音波振動子体１の実際の揺動走査角度が揺動角度検出の最小分解能となる。ある主断面走査を時刻Ｔ（Ｎ）〜Ｔ（Ｎ＋１７）にわたって行う例を図７に実線で示す。時刻Ｔ（Ｎ）〜Ｔ（Ｎ＋２）で取得した音響走査線の実際の揺動角度はθ１、Ｔ（Ｎ＋３）〜Ｔ（Ｎ＋７）で取得した音響走査線の実際の揺動角度はθ２、以降Ｔ（Ｎ＋１７）まで続く。ここでΔθ＝θ２−θ１が揺動角度検出の最小分解能である。【００３３】  図８で実線で示すように、各時刻で取得された音響走査線の画像データおよび実際の揺動角度θ１〜θ４をそのまま用いて構築された主断面走査面９１は、Δθの大きさに対応した階段状になるため、Δθは限りなく小さくすることが望ましい。このためにはＡパルスロータ６２の１回転あたりのパルス発生数を増加させたり、回転軸６０に対して別個のロータリエンコーダを追加するという方法が挙げられるが、実現のためのコストが上昇したり、物量が増大するという問題が発生する。【００３４】  本発明の第３の実施の形態の超音波診断装置を構成する３次元画像処理手段１１は、各音響走査線に付加された超音波振動子体１の実際の揺動角度θ１、θ２、θ３・・・をスムージングする機能を有し、図７で破線で示すような揺動角度スムージング結果８１を用いて３次元画像を構築する。なおスムージングの方法については線形内挿法、スプライン補間法、ニュートン補間法などを適宜用いることができる。以上のように３次元画像処理手段１１は得られた揺動角度スムージング結果８１を各超音波エコーの揺動角度として改めて参照した上で３次元画像を構築できるので、図８に破線で示すようなスムージング後の主断面走査面９２が構成でき、より自然な３次元画像が構築できる。【００３５】  ＜第４の実施の形態＞
図９は本発明に係る超音波診断装置の第４の実施の形態の構成を示すブロック図である。図９においては、第１の実施の形態を示す図１では図示を省略した送受信制御手段７を付加し、図１中の超音波受信手段４をその機能にしたがって超音波受信手段４ａと受信信号処理手段４ｂとに分離して表し、さらに図１の３次元画像処理手段１１に対応する３次元画像処理手段１１Ａの詳細を示したものである。３次元画像処理手段１１Ａは走査変換手段１１１、フレームメモリ１１２、遅延手段１１３及び３次元画像処理手段１１５を含んで構成されている。【００３６】  次に、第４の実施の形態の動作について説明する。図示省略の超音波プローブ内の超音波振動子体１は、送受信制御手段７の制御により超音波送信手段３から超音波信号を送信し、その反射信号を超音波受信手段４ａが受信する。超音波受信手段４ａは送受信制御手段７の制御により音響走査線に沿う超音波エコーデータを生成して受信信号処理手段４ｂに加える。受信信号処理手段４ｂは超音波エコーデータを可視化するために検波処理を施して画像データを出力する。この受信信号処理手段４ｂから出力された画像データは３次元画像処理手段１１Ａに送られる。【００３７】  ３次元画像処理手段１１Ａに送られた画像データは走査変換手段（ＤＳＣ）１１１に入力される。走査変換手段１１１は１フレームごとにエコーデータをフレームメモリ１１２に記録してＸ−Ｙ面の２次元画像を生成し、それを読み出して３次元画像処理手段１１５に加える。なお、このエコーデータはデジタル信号であり、超音波振動子体１が出力するアナログ信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ（図示省略）により生成される。このＡ／Ｄコンバータは超音波振動子体１と走査変換手段１１１との間の任意の場所に設けることができる。【００３８】  また、超音波振動子体１を収納する図示省略の超音波プローブ内には超音波振動子体１をＺ方向に揺動するために、図１に示した振動子体駆動モータ１０２、揺動角度検出手段１０４が設けられており、これらが揺動制御手段５を構成している。揺動角度検出手段１０４は上述したように、ロータリエンコーダ６５、６６（図２参照）及そのパルスをカウントするエンコーダパルスカウンタ６７を備え、現在の超音波振動子体１の揺動走査角度を示す揺動角度情報が遅延手段１１３に送られる。遅延手段１１３は送受信制御手段７の超音波送受信タイミングを基準として走査変換手段１１１の処理分だけ揺動角度情報を遅延させて３次元画像処理手段１１５に送る。３次元画像処理手段１１５は走査変換手段１１１からの複数フレームのＸ−Ｙ面の２次元画像を、遅延手段１１３により遅延された揺動角度情報に基づいて３次元画像を生成して画像表示手段１２に送る。【００３９】  上記の構成により、３次元画像処理手段１１５に入力される２次元画像のタイミングと、超音波振動子体１のＺ方向の揺動角度が同期しているので、揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる。【００４０】  ＜第５の実施の形態＞
図１０は本発明に係る超音波診断装置の第５の実施の形態の構成を示すブロック図であり、図１１は図１０のフレームメモリ内の記録領域の書き込み情報を示す説明図である。図１０に示した構成要素のうち、第４の実施の形態を示す図９と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施の形態は図９中の３次元画像処理手段１１Ａの代わりに３次元画像処理手段１１Ｂを備えている点が異なっている。この３次元画像処理手段１１Ｂは第２の実施の形態を示す図５中の揺動角度情報付加手段６と同一に構成された揺動角度情報付加手段１１４と、図９を用いて説明した走査変換手段（ＤＳＣ）１１１と、フレームメモリ１１２と、３次元画像処理手段１１５とで構成されている。【００４１】  次に、第５の実施の形態の動作について、第４の実施の形態と構成を異にする部分について説明する。揺動角度情報付加手段１１４は、第２の実施の形態で詳しく説明したように、受信信号処理手段４ｂからの画像データと、揺動制御手段５を構成する揺動角度検出手段１０４（図５参照）からの揺動角度情報とを受け取り、画像データのブランキング時間に揺動角度情報を付加したものを走査変換手段（ＤＳＣ）１１１の入力とする。走査変換手段（ＤＳＣ）１１１は図１１に示すように、１フレームごとに受信データをフレームメモリ１１２内の記録領域１１２ａに記録してＸ−Ｙ面の２次元画像を生成するとともに、揺動角度検出手段１０４からの揺動角度情報として超音波振動子体１の各超音波振動子２の音響線の位置に対応する揺動角度情報を記録し、これを読み出して３次元画像処理手段１１５に出力する。【００４２】  なお、揺動角度情報は図１１のように超音波振動子体１の各超音波振動素子の音響線ごとに書き込んでもよいし、１フレームを代表する揺動角度だけを書き込んでもよい。例えば１フレーム内の先頭だけ、中央だけ、後端だけなどの角度のみでもよい。さらには、その代表値を同じフレーム内の角度情報の記録領域に同じ値として記録してもよい。【００４３】  ３次元画像処理手段１１５は走査変換手段１１１からの複数フレームのＸ−Ｙ面の２次元画像を揺動角度情報に基づいて３次元画像に展開し、３次元画像データを画像表示手段１２に送る。この構成により、揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】  以上のように本発明に係る超音波診断装置は、超音波振動子体が完全には等角速度で揺動走査されていなくとも取得された各超音波エコーに対応する実際の揺動走査角度を３次元画像処理手段に与えることができ、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することができ、また、最小揺動角度分解能以上の揺動角度情報を基に３次元画像処理を行うことができる効果を有し、生体内のエコーデータを３次元的に取得して仮想視点からの画像データに変換して表示する超音波診断装置などに対して有用である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年10月5日(2006.10.5)
【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】
超音波ビームを走査するための超音波振動子がアレイ状に配置された超音波振動子体と、
前記超音波ビームの走査方向と交差する方向に前記超音波振動子体を揺動走査させる振動子体揺動モータと、
前記超音波振動子体の揺動角度を検出する揺動角度検出手段と、
前記超音波ビームを形成するように前記超音波振動子を励振する超音波送信手段と、
前記超音波振動子によって受波された超音波エコーから超音波ビームを形成して可視化画像データに変換する超音波受信手段と、
前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度、及び前記超音波受信手段から出力される画像データに基づいて３次元画像を形成する３次元画像処理手段と、
前記３次元画像を表示する画像表示手段とを、
有する超音波診断装置。
【請求項２】
超音波ビームを走査するための超音波振動子がアレイ状に配置された超音波振動子体と、
前記超音波ビームの走査方向と交差する方向に前記超音波振動子体を揺動走査させる振動子体揺動モータと、
前記超音波振動子体の揺動角度を検出する揺動角度検出手段と、
前記超音波ビームを形成するように前記超音波振動子を励振する超音波送信手段と、
前記超音波振動子によって受波された超音波エコーから超音波ビームを形成して可視化画像データに変換する超音波受信手段と、
前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度の情報を前記超音波受信手段から出力される画像データに付加する揺動角度情報付加手段と、
前記揺動角度情報付加手段から出力される画像データ、及び前記付加された揺動角度情報に基づいて３次元画像を形成する３次元画像処理手段と、
前記３次元画像を表示する画像表示手段とを、
有する超音波診断装置。
【請求項３】
前記３次元画像処理手段は、前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度の情報をスムージングした角度情報に基づいて３次元画像を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波診断装置。
【請求項４】
被検体の断層面を２次元走査するとともに、前記２次元走査を行う走査面と直交する方向に揺動駆動される超音波振動子体と、
前記超音波振動子体が前記２次元走査することにより得られた受信信号をフレームメモリに記録して２次元画像データを生成し、前記２次元画像データを読み出して出力する走査変換手段と、
前記超音波振動子体の揺動方向の位置情報を前記走査変換手段の処理時間分だけ遅延させる遅延手段と、
前記遅延手段により遅延された前記揺動方向の前記位置情報に基づいて、前記走査変換手段から順次出力される複数フレームの前記２次元画像データから３次元画像を生成する３次元画像処理手段とを、
有する超音波診断装置。
【請求項５】
被検体の断層面を２次元走査するとともに、前記２次元走査を行う走査面と直交する方向に揺動駆動される超音波振動子体と、
前記超音波振動子体が２次元走査することにより得られた受信信号をフレームメモリに記録して２次元画像データを生成するとともに、前記超音波振動子体の揺動方向の位置情報を前記フレームメモリに書き込み、前記２次元画像データ及び前記位置情報を読み出して出力する走査変換手段と、
前記走査変換手段から順次出力される複数フレームの２次元画像データ及び前記揺動方向の前記位置情報から３次元画像を生成する３次元画像処理手段とを、
有する超音波診断装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内のエコーデータを３次元的に取得して仮想視点からの画像データに変換して表示する超音波診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、生体内の組織様態を３次元表示させることを目的とした超音波診断装置において、３次元エコーデータを取り込むための超音波探触子として、超音波ビームを走査するための超音波振動子体をビーム走査方向と交差する方向に機械的に揺動走査する構成が知られている（例えば下記の特許文献１参照）。図１２はその走査状態を示した説明図である。図１２において、超音波振動子体１は図示を省略したプローブ内において、被検体の表面に対して水平方向Ｘ（図１２では凸状）に整列するように配置された複数の超音波振動子を含んで構成され、この超音波振動子体１は被検体の深度方向Ｙに超音波を送受信してＸ−Ｙ平面を２次元走査するとともに、Ｘ−Ｙ平面と直交する方向Ｚに揺動して揺動方向Ｚを走査する。
【０００３】
このような超音波探触子では、超音波ビーム走査（以下、主断面走査という）と揺動走査を同時に行うことで、時々刻々移動する両走査面の交線に相当する生体内組織からのエコーデータ、すなわち３次元空間のエコーデータ取得が可能になる。取得された３次元エコーデータは、仮想視点からの画像データに変換するような３次元画像の構築処理が施されて、平面内にあたかも奥行きがあるかのような表示方法をもって表示させたり、あるいは任意断面を表示させたりする。
【０００４】
ところで３次元画像構築にあたっては、各エコーデータの３次元空間内における方向成分が既知である必要がある。このような揺動走査を機械的に行う超音波探触子を用いた超音波診断装置では、超音波振動子体の時間に対する理想的な揺動角速度Ｗが図１３Ａに示すようなプロファイル２１となるように、すなわち超音波振動子体の時間に対する理想的な揺動角度θが図１３Ｂに示すようなプロファイル２２となるように超音波振動子体を揺動制御するとともに、３次元画像構築に供されるエコーデータは揺動角速度Ｗが比較的一定（Ｗ＝ｗ１）である期間ｔ１〜ｔ２中に取得されたものが使用される。前記に加え、主断面走査を一定時間間隔で行うことにより主断面走査面は平面、かつ各主断面は等角であるという見込みの下で３次元画像構築が行われる。
【０００５】
また一般に、単位時間あたりの３次元エコーデータ取得レートを向上させる目的で、
ｗ２＝（−１）×ｗ１
となるように揺動制御を行った上でＷ＝ｗ１の往路期間ｔ１〜ｔ２とＷ＝ｗ２の復路期間ｔ４〜ｔ５の往復揺動期間でエコーデータを取得している。このとき図１４に示すように、揺動走査往路５６では主断面走査方向５３として実線で示す主断面走査面５１を形成し、揺動走査復路５５でも同じ主断面走査方向５３とすると、揺動復路では破線で示すような主断面走査面５２が生成されて揺動往復で走査面角度の不一致が生じるので、揺動復路では往路の方向５３と逆の方向を主断面走査方向５４とすることで、揺動往復での走査面角度の不一致を緩和させる方法が提案されている（例えば下記の特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平３−１８４５３２号公報（第２図）
【特許文献２】特開２００１−７０３０１号公報（図３）
【０００６】
近年では、超音波診断装置による３次元画像は、生体内組織の様態観測と共に、３次元画像とガイドラインをモニタリングしながらの穿刺、あるいは臓器、腫瘍、胎児などの距離・角度・面積・体積などの計測にも用いられるようになり、その有用性が高まっている。こういった医療の要請に対して、超音波診断装置が提供する３次元画像は従来にも増して高精度、すなわち空間的に正しい位置に画像が構築されることが不可欠となっている。
【０００７】
しかしながら、上記従来の超音波診断装置では、超音波振動子体は３次元エコーデータを取得している期間は等角速度で揺動走査しているという前提の下、３次元画像を構築するために用いられる主断面走査面は平面であるという想定で３次元画像構築が行われている。一般にモータを用いた機械式揺動走査では、現在の揺動走査角度又は揺動走査角速度あるいはその両方から次なる時間のモータ印加電圧あるいは電流を決定する、いわゆるフィードバック制御が用いられるが、いかに高精度なフィードバック制御を用いても揺動走査を完全な等角速度で行うことはできない。つまり実際に取得されるエコーデータの主断面走査面は完全な平面を形成するとは言えず、各主断面は、ある程度の曲面となっている。この結果、各主断面走査面は平面であるとの想定で構築された３次元画像は、曲面の程度に応じて歪む、ずれる、あるいは揺動往復に応じて画像が揺れるなどの問題を有しており、結果として術者の期待する方向とずれた方向に穿刺を行ったり、距離・角度・面積・体積などの計測誤差が大きいといったことを招くおそれがあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記従来の問題を解決するためになされたもので、その目的は、超音波振動子体が完全には等角速度で揺動走査していなくとも、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することができる超音波診断装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、超音波振動子体を揺動させて２次元画像から３次元画像を生成する際に、超音波振動子体の揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる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に本発明は、超音波ビームを走査するための超音波振動子がアレイ状に配置された超音波振動子体と、
前記超音波ビームの走査方向と交差する方向に前記超音波振動子体を揺動走査させる振動子体揺動モータと、
前記超音波振動子体の揺動角度を検出する揺動角度検出手段と、
前記超音波ビームを形成するように前記超音波振動子を励振する超音波送信手段と、
前記超音波振動子によって受波された超音波エコーから超音波ビームを形成して可視化画像データに変換する超音波受信手段と、
前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度、及び前記超音波受信手段から出力される画像データに基づいて３次元画像を形成する３次元画像処理手段と、
前記３次元画像を表示する画像表示手段とを、
有する構成としたものである。
この構成により、超音波振動子体が完全には等角速度で揺動走査されていなくとも取得された各超音波エコーに対応する実際の揺動走査角度を３次元画像処理手段に与えることができ、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することができる。
【００１１】
また、本発明は、超音波ビームを走査するための超音波振動子がアレイ状に配置された超音波振動子体と、
前記超音波ビームの走査方向と交差する方向に前記超音波振動子体を揺動走査させる振動子体揺動モータと、
前記超音波振動子体の揺動角度を検出する揺動角度検出手段と、
前記超音波ビームを形成するように前記超音波振動子を励振する超音波送信手段と、
前記超音波振動子によって受波された超音波エコーから超音波ビームを形成して可視化画像データに変換する超音波受信手段と、
前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度の情報を前記超音波受信手段から出力される画像データに付加する揺動角度情報付加手段と、
前記揺動角度情報付加手段から出力される画像データ、及び前記付加された揺動角度情報に基づいて３次元画像を形成する３次元画像処理手段と、
前記３次元画像を表示する画像表示手段とを、
有する構成としたものである。
この構成により、超音波振動子体が完全には等角速度で揺動走査されていなくとも取得された各超音波エコーに対応する実際の揺動走査角度を３次元画像処理手段に与えることができ、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することができる。
【００１２】
また、本発明の超音波診断装置では、前記３次元画像処理手段が、前記揺動角度検出手段により検出された揺動角度の情報をスムージングした角度情報に基づいて３次元画像を形成することを特徴とする。
この構成により、前記揺動角度検出手段で得られる最小揺動角度の分解能以上の揺動角度情報を基に３次元画像処理を行うことができる。
【００１３】
また、本発明は、被検体の断層面を２次元走査するとともに、前記２次元走査を行う走査面と直交する方向に揺動駆動される超音波振動子体と、
前記超音波振動子体が前記２次元走査することにより得られた受信信号をフレームメモリに記録して２次元画像データを生成し、前記２次元画像データを読み出して出力する走査変換手段と、
前記超音波振動子体の揺動方向の位置情報を前記走査変換手段の処理時間分だけ遅延させる遅延手段と、
前記遅延手段により遅延された前記揺動方向の前記位置情報に基づいて、前記走査変換手段から順次出力される複数フレームの前記２次元画像データから３次元画像を生成する３次元画像処理手段とを、
有する構成とした。
この構成により、３次元画像処理手段に入力される複数フレームの２次元画像データの入力タイミングと超音波振動子体の揺動方向の位置情報が同期するので、超音波振動子体の揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる。
【００１４】
また、本発明は、被検体の断層面を２次元走査するとともに、前記２次元走査を行う走査面と直交する方向に揺動駆動される超音波振動子体と、
前記超音波振動子体が２次元走査することにより得られた受信信号をフレームメモリに記録して２次元画像データを生成するとともに、前記超音波振動子体の揺動方向の位置情報を前記フレームメモリに書き込み、前記２次元画像データ及び前記位置情報を読み出して出力する走査変換手段と、
前記走査変換手段から順次出力される複数フレームの２次元画像データ及び前記揺動方向の前記位置情報から３次元画像を生成する３次元画像処理手段とを、
有する構成とした。
この構成により、走査変換手段から順次出力される複数フレームの２次元画像データ及び揺動方向の位置情報から３次元画像を生成するので、超音波振動子体の揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、超音波振動子体が完全には等角速度で揺動走査されていなくとも取得された各超音波エコーに対応する実際の揺動走査角度を３次元画像処理手段に与えることができ、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することができる。
また、最小揺動角度分解能以上の揺動角度情報を基に３次元画像処理を行うことができる。
【００１６】
また、本発明によれば、超音波振動子体を揺動させて２次元画像から３次元画像を生成する際に、超音波振動子体の揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明に係る超音波診断装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。この超音波診断装置は、生体内に超音波を送波し、かつ生体内組織からの超音波エコーを電気信号に変換する超音波振動子２がアレイ状に複数配列された超音波振動子体１を備えている。各超音波振動子２は超音波送信手段３から供給される送信パルスによって励振されるが、このとき超音波送信手段３は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が形成されるように、異なる位相の送信パルスを、超音波振動子体１に配置される一部又はすべての超音波振動子２に対して与えるように制御される。
【００１８】
このようにして生体に送波された超音波は、生体内の各組織から時々刻々エコーとして戻ってくる。超音波振動子体１の各超音波振動子２によって電気信号に変換された超音波エコーに対し、超音波受信手段４は所定の方向に受信ビームが形成されるように各超音波振動子２からの各受信信号に対して異なる遅延時間を与えた上で加算する。前述の送信ビームとこの受信ビームは、送受信で１つの音響走査線を形成する。超音波受信手段４はこの音響走査線に沿う超音波エコーデータを生成し、さらに超音波エコーデータを可視化するために検波処理を施して画像データを出力する。このようにして次々と送受信に供される超音波振動子群を切り替えながら、あるいは送受信のビームの方向を変えながら異なる方向の音響走査線が形成されるように送受信が行われ、その結果、１つの主断面走査面が形成される。
【００１９】
さらにこの超音波診断装置には、モータ制御手段１０１、振動子体揺動モータ１０２、回転伝達手段１０３及び揺動角度検出手段１０４を含んで構成される揺動制御手段５を備えている。このうち、振動子体揺動モータ１０２は超音波振動子体１を前述の主断面走査面と交差する方向に揺動走査させるもので、回転伝達手段１０３が振動子体駆動モータ１０２の回転運動を超音波振動子体１に伝達する。振動子体駆動モータ１０２はモータ制御手段１０１によって揺動制御を受ける。なおモータ制御手段１０１に対する揺動角速度、揺動角度範囲などモータ制御に必要な情報は主制御手段１０より受ける。主断面走査と揺動走査を同時に行うことで、超音波受信手段４は主断面走査面と揺動走査面の交線に相当する超音波エコーデータを生成することができるようになるが、通常、両走査面は独立に走査されるわけではなく生体内の特定の３次元部位の超音波エコーデータを一様に取得できるように走査される。すなわち、揺動走査一回あたりの各主断面走査面間の角度は、ほぼ等角となるように主断面走査と揺動走査がなされる。
【００２０】
このため、モータ制御手段１０１は振動子体駆動モータ１０２につながる超音波振動子体１がいずれの揺動走査角度、あるいは角速度にあるかを常に監視しながら、３次元エコーデータ取得期間内では超音波振動子体１がほぼ等角速度で揺動するように制御を行う必要がある。このため、この超音波診断装置には、超音波振動子体１の揺動走査角度を得るために、振動子体駆動モータ１０２の回転運動を超音波振動子体１に伝達する回転伝達手段１０３に結合された揺動角度検出手段１０４を備えている。超音波振動子体１の揺動走査角度に相当する情報を得ることができる箇所であれば、揺動角度検出手段１０４の設置位置は、回転伝達手段１０３の振動子体駆動モータ１０２側、超音波振動子体１側あるいは両者の中間部のいずれであってもよい。
【００２１】
揺動角度検出手段１０４の好適な実施方法は、回転伝達手段１０３にロータリエンコーダを取り付ける方法であり、その例を図２に示す。ロータリエンコーダは最低２種類で構成され、一方のＺロータリエンコーダ６５は、回転伝達手段１０３である振動子体駆動モータ１０２の回転軸６０の特定の角度において一発のパルス（以下Ｚパルス）が出力できるように回転軸６０にＺパルスロータ６１が取り付けられている。例えば磁気式エンコーダであればＺパルスロータ６１は一回転あたり一発のＺパルスを発生するように着磁されており、Ｚパルスセンサ６３はＺパルスロータ６１の着磁部分６１ａを検出してＺパルスを出力する。
【００２２】
同様に、他方のＡロータリエンコーダ６６は回転軸６０の一回転あたり数百パルス（以下Ａパルス：固定値）を発生するように等角に着磁（図の６２ａ）されたＡパルスロータ６２とＡパルスセンサ６４を備える。以上は磁気式ロータリエンコーダの例であるが、光学式、機械式でも本発明の構成には差し支えない。各ロータリエンコーダ６５、６６からのＡパルスとＺパルスはエンコーダパルスカウンタ６７に送出される。
【００２３】
エンコーダパルスカウンタ６７は、Ｚロータリエンコーダ６５からのＺパルスによってリセットされ、Ａロータリエンコーダ６６からのＡパルスによってカウントアップ又はカウントダウンするもので、カウントの結果であるカウント値は振動子体駆動モータ１０２の回転軸角度、すなわち超音波振動子体１の揺動走査角度に相当する。このようにしてモータ制御手段１０１は揺動角度検出手段１０４のカウント値から現在の超音波振動子体１の揺動走査角度を知ることができるので、所定の次の揺動走査角度に超音波振動子体１を移動させるために振動子体駆動モータ１０２を制御する。なお揺動制御に現在の揺動走査角速度を加味する場合においては、揺動走査角度の時間差分をもって揺動走査角速度を得ることができる。
【００２４】
このようにして主断面走査と揺動走査を同時に走査することで取得された生体内の特定の３次元部位の超音波エコーの画像データは、３次元画像処理手段１１へ送られる。３次元画像処理手段１１では、得られた画像データから、画像表示手段１２に生体内の特定の３次元部位の構造物を仮想視点から観測しながらあたかも奥行きがあるような表示がなされるように、あるいは３次元構造物を任意平面で切り取った断面表示などの３次元画像処理を行う。この３次元画像処理実施には、取得された各音響走査線の超音波エコーデータが３次元空間内のいずれの方向成分のものであるかが既知でなくてはならないが、本発明における３次元画像処理手段１１は、主断面走査面における走査方向角度は超音波振動子体１を構成する超音波振動子２の配置および送受信ビームの方向から、また、揺動走査面の揺動角度は揺動角度検出手段１０４からの揺動角度情報によって取得する。
【００２５】
ところで一般に、揺動走査として機械走査方式を用いた３次元表示超音波診断装置では、モータ制御手段によって振動子体駆動モータ１０２をいかに高精度に制御しても、完全な揺動等角速度運動を行わせることはできず、ある時間Ｔにおける実際の振動子体揺動角速度Ｗ及びその結果である揺動角度θは、それぞれ図３Ａ、３Ｂに示すようなプロファイル３１、３２となる。つまり比較的安定的に等角速度走査を行っているであろう往路期間Ｔ１〜Ｔ２、復路期間Ｔ４〜Ｔ５においても、時間に対する揺動角速度プロファイル３１は角速度Ｗ１、Ｗ２付近である変動をもって運動しており、時間に対する揺動角度プロファイル３２は同期間において直線とはならない。したがって、例えば時刻Ｔ１とＴ２の間の期間４２（図４参照）で得られた実際の各主断面走査面は、図４に示すような曲面の主断面走査面４１の集合となる。
【００２６】
そこで、図１に示すような構成である本発明に係る超音波診断装置においては、たとえ超音波振動子体１の揺動走査が完全には等角速度で行われなくとも、すなわち各主断面走査面が平面でなくとも、揺動角度検出手段１０４によって各超音波エコーが取得された時点の実際の超音波振動子体１の揺動角度θを３次元画像処理手段１１に通知することができるので、実際の揺動角度に基づく３次元画像構築が可能となり、結果として空間的により正しい位置に３次元画像を構築することが可能になる。
【００２７】
＜第２の実施の形態＞
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は本発明に係る超音波診断装置の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。上述の第１の実施の形態では、３次元画像処理手段１１に超音波受信手段４からの画像データおよび揺動角度検出手段１０４からの揺動角度情報が入力されているが、本発明の趣旨からして３次元画像構築には音響走査線１本の画像データに対して１つの揺動角度情報が存在すれば足りる。すなわち画像データの単位時間あたりのデータ量に対して、揺動角度情報の単位時間あたりのデータ量は圧倒的に少ない。一方で通常は超音波受信手段４からの画像データは常に有効というわけではなく、超音波エコー取得に先立って各回路ブロックへのパラメータ設定時間などを確保するためのブランキング時間が生じる。すなわち、画像データ列は間歇的に３次元画像処理手段１１に入力されることになる。
【００２８】
本発明の第２の実施の形態は、３次元画像処理手段１１の前段に、超音波受信手段４からの画像データと揺動角度検出手段１０４からの揺動角度情報とを選択する揺動角度情報付加手段６を設け、画像データのブランキング時間に揺動角度情報を付加したものを３次元画像処理手段１１の入力とする。
【００２９】
揺動角度情報付加手段６の構成例及びデータについて図６を用いて説明する。本実施の形態の揺動角度情報付加手段６では、画像データに揺動角度情報を付加する方法として、超音波受信手段４からの画像データと揺動角度検出手段１０４からの揺動角度情報を切り替えるスイッチ７１を設けている。１本の音響走査線に相当する各画像データ列は、Ｖn、Ｖn+1、Ｖn+2…のように間歇的にブランキング時間７２を伴って超音波受信手段４より揺動角度情報付加手段６に対して入力される。スイッチ７１はブランキング時間７２を画像データ列から判別するか又は外部より入力するかいずれかの方法で捕え、ブランキング時間７２の一部（前側、後側あるいは前側から一定条件のところから）又は全部の時間では揺動角度情報θｊ、θj+1…を、それ以外の時間では画像データ列Ｖn、Ｖn+1、Ｖn+2…を選択するように制御する。したがって、スイッチ７１の出力には、音響走査線画像データ列Ｖn、Ｖn+1、Ｖn+2…のブランキング時間７２に揺動角度情報θｊ、θj+1…が付加された角度情報付き画像データ列が現れる。
【００３０】
このようにして３次元画像処理手段１１には角度情報付き画像データ列が入力されるので、３次元画像処理においては各音響走査線の画像データ列Ｖn、Ｖn+1、Ｖn+2…に対する揺動角度情報θｊ、θj+1…を角度情報付き画像データ列の中から取得することができるようになる。この結果、実際の揺動走査角度θに基づく３次元画像構築が可能となり、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することが可能になるとともに、３次元画像処理手段１１へのインタフェースの簡素化による回路物量低減、コスト低減が可能となる。
【００３１】
＜第３の実施の形態＞
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。超音波振動子体１の実際の揺動走査角度θに相当する揺動角度情報は、揺動角度検出手段１０４によって得ることは上述したが、通常用いられるロータリエンコーダ方式に関してはＡロータリエンコーダ６６のＡパルス発生単位に相当する超音波振動子体１の実際の揺動走査角度が揺動角度検出の最小分解能となる。ある主断面走査を時刻Ｔ（Ｎ）〜Ｔ（Ｎ＋１７）にわたって行う例を図７に実線で示す。時刻Ｔ（Ｎ）〜Ｔ（Ｎ＋２）で取得した音響走査線の実際の揺動角度はθ１、Ｔ（Ｎ＋３）〜Ｔ（Ｎ＋７）で取得した音響走査線の実際の揺動角度はθ２、以降Ｔ（Ｎ＋１７）まで続く。ここでΔθ＝θ２−θ１が揺動角度検出の最小分解能である。
【００３２】
図８で実線で示すように、各時刻で取得された音響走査線の画像データおよび実際の揺動角度θ１〜θ４をそのまま用いて構築された主断面走査面９１は、Δθの大きさに対応した階段状になるため、Δθは限りなく小さくすることが望ましい。このためにはＡパルスロータ６２の１回転あたりのパルス発生数を増加させたり、回転軸６０に対して別個のロータリエンコーダを追加するという方法が挙げられるが、実現のためのコストが上昇したり、物量が増大するという問題が発生する。
【００３３】
本発明の第３の実施の形態の超音波診断装置を構成する３次元画像処理手段１１は、各音響走査線に付加された超音波振動子体１の実際の揺動角度θ１、θ２、θ３・・・をスムージングする機能を有し、図７で破線で示すような揺動角度スムージング結果８１を用いて３次元画像を構築する。なおスムージングの方法については線形内挿法、スプライン補間法、ニュートン補間法などを適宜用いることができる。以上のように３次元画像処理手段１１は得られた揺動角度スムージング結果８１を各超音波エコーの揺動角度として改めて参照した上で３次元画像を構築できるので、図８に破線で示すようなスムージング後の主断面走査面９２が構成でき、より自然な３次元画像が構築できる。
【００３４】
＜第４の実施の形態＞
図９は本発明に係る超音波診断装置の第４の実施の形態の構成を示すブロック図である。図９においては、第１の実施の形態を示す図１では図示を省略した送受信制御手段７を付加し、図１中の超音波受信手段４をその機能にしたがって超音波受信手段４ａと受信信号処理手段４ｂとに分離して表し、さらに図１の３次元画像処理手段１１に対応する３次元画像処理手段１１Ａの詳細を示したものである。３次元画像処理手段１１Ａは走査変換手段１１１、フレームメモリ１１２、遅延手段１１３及び３次元画像処理手段１１５を含んで構成されている。
【００３５】
次に、第４の実施の形態の動作について説明する。図示省略の超音波プローブ内の超音波振動子体１は、送受信制御手段７の制御により超音波送信手段３から超音波信号を送信し、その反射信号を超音波受信手段４ａが受信する。超音波受信手段４ａは送受信制御手段７の制御により音響走査線に沿う超音波エコーデータを生成して受信信号処理手段４ｂに加える。受信信号処理手段４ｂは超音波エコーデータを可視化するために検波処理を施して画像データを出力する。この受信信号処理手段４ｂから出力された画像データは３次元画像処理手段１１Ａに送られる。
【００３６】
３次元画像処理手段１１Ａに送られた画像データは走査変換手段（ＤＳＣ）１１１に入力される。走査変換手段１１１は１フレームごとにエコーデータをフレームメモリ１１２に記録してＸ−Ｙ面の２次元画像を生成し、それを読み出して３次元画像処理手段１１５に加える。なお、このエコーデータはデジタル信号であり、超音波振動子体１が出力するアナログ信号をＡ/Ｄ変換するＡ/Ｄコンバータ（図示省略）により生成される。このＡ/Ｄコンバータは超音波振動子体１と走査変換手段１１１との間の任意の場所に設けることができる。
【００３７】
また、超音波振動子体１を収納する図示省略の超音波プローブ内には超音波振動子体１をＺ方向に揺動するために、図１に示した振動子体駆動モータ１０２、揺動角度検出手段１０４が設けられており、これらが揺動制御手段５を構成している。揺動角度検出手段１０４は上述したように、ロータリエンコーダ６５、６６（図２参照）及そのパルスをカウントするエンコーダパルスカウンタ６７を備え、現在の超音波振動子体１の揺動走査角度を示す揺動角度情報が遅延手段１１３に送られる。遅延手段１１３は送受信制御手段７の超音波送受信タイミングを基準として走査変換手段１１１の処理分だけ揺動角度情報を遅延させて３次元画像処理手段１１５に送る。３次元画像処理手段１１５は走査変換手段１１１からの複数フレームのＸ−Ｙ面の２次元画像を、遅延手段１１３により遅延された揺動角度情報に基づいて３次元画像を生成して画像表示手段１２に送る。
【００３８】
上記の構成により、３次元画像処理手段１１５に入力される２次元画像のタイミングと、超音波振動子体１のＺ方向の揺動角度が同期しているので、揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる。
【００３９】
＜第５の実施の形態＞
図１０は本発明に係る超音波診断装置の第５の実施の形態の構成を示すブロック図であり、図１１は図１０のフレームメモリ内の記録領域の書き込み情報を示す説明図である。図１０に示した構成要素のうち、第４の実施の形態を示す図９と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施の形態は図９中の３次元画像処理手段１１Ａの代わりに３次元画像処理手段１１Ｂを備えている点が異なっている。この３次元画像処理手段１１Ｂは第２の実施の形態を示す図５中の揺動角度情報付加手段６と同一に構成された揺動角度情報付加手段１１４と、図９を用いて説明した走査変換手段（ＤＳＣ）１１１と、フレームメモリ１１２と、３次元画像処理手段１１５とで構成されている。
【００４０】
次に、第５の実施の形態の動作について、第４の実施の形態と構成を異にする部分について説明する。揺動角度情報付加手段１１４は、第２の実施の形態で詳しく説明したように、受信信号処理手段４ｂからの画像データと、揺動制御手段５を構成する揺動角度検出手段１０４（図５参照）からの揺動角度情報とを受け取り、画像データのブランキング時間に揺動角度情報を付加したものを走査変換手段（ＤＳＣ）１１１の入力とする。走査変換手段（ＤＳＣ）１１１は図１１に示すように、１フレームごとに受信データをフレームメモリ１１２内の記録領域１１２ａに記録してＸ−Ｙ面の２次元画像を生成するとともに、揺動角度検出手段１０４からの揺動角度情報として超音波振動子体１の各超音波振動子２の音響線の位置に対応する揺動角度情報を記録し、これを読み出して３次元画像処理手段１１５に出力する。
【００４１】
なお、揺動角度情報は図１１のように超音波振動子体１の各超音波振動素子の音響線ごとに書き込んでもよいし、１フレームを代表する揺動角度だけを書き込んでもよい。例えば１フレーム内の先頭だけ、中央だけ、後端だけなどの角度のみでもよい。さらには、その代表値を同じフレーム内の角度情報の記録領域に同じ値として記録してもよい。
【００４２】
３次元画像処理手段１１５は走査変換手段１１１からの複数フレームのＸ−Ｙ面の２次元画像を揺動角度情報に基づいて３次元画像に展開し、３次元画像データを画像表示手段１２に送る。この構成により、揺動方向の幾何学精度がより高い３次元画像を生成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように本発明に係る超音波診断装置は、超音波振動子体が完全には等角速度で揺動走査されていなくとも取得された各超音波エコーに対応する実際の揺動走査角度を３次元画像処理手段に与えることができ、空間的により正しい位置に３次元画像を構築することができ、また、最小揺動角度分解能以上の揺動角度情報を基に３次元画像処理を行うことができる効果を有し、生体内のエコーデータを３次元的に取得して仮想視点からの画像データに変換して表示する超音波診断装置などに対して有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る超音波診断装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図
【図２】図１中の揺動角度検出手段の一例を示す説明図
【図３Ａ】機械走査方式の超音波振動子の実際の揺動角速度プロファイルを示す説明図
【図３Ｂ】機械走査方式の超音波振動子の実際の揺動角度プロファイルを示す説明図
【図４】本発明における補正前の主断面走査面の形状を示す説明図
【図５】本発明に係る超音波診断装置の第２の実施の形態の構成を示すブロック図
【図６】図５における揺動角度情報付加手段の構成例及び角度情報付き画像データを示す説明図
【図７】本発明に係る超音波診断装置の第３の実施の形態における角度情報のスムージング処理を示す説明図
【図８】本発明に係る超音波診断装置の第３の実施の形態における画像のスムージング処理を示す説明図
【図９】本発明に係る超音波診断装置の第４の実施の形態の構成を示すブロック図
【図１０】本発明に係る超音波診断装置の第５の実施の形態の構成を示すブロック図
【図１１】図１０のフレームメモリ内の記録領域の書き込み情報を示す説明図
【図１２】一般的な超音波振動子体の揺動状態を示した説明図
【図１３Ａ】超音波振動子体の時間に対する理想的な揺動角速度プロファイルを示す説明図
【図１３Ｂ】超音波振動子体の時間に対する理想的な揺動角度プロファイルを示す説明図
【図１４】従来の主断面走査面の形状を示す説明図
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005096948.tif 000018
【図２】
2005096948.tif 000019
【図３Ａ】
2005096948.tif 000020
【図３Ｂ】
2005096948.tif 000021
【図４】
2005096948.tif 000022
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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