JP2011106949A - 超音波画像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 位置決めロボットで位置決めすることのできる位置決め分解能は、軸制御部から軸移動用パルス信号が通常１パルスだけ送信された場合に移動する距離であって、前記距離以下での細かい位置決めは不可能であった。
【解決手段】 記憶装置にデジタルデータとして連続的に記録された超音波エコー信号のそれぞれの同期時間に対して、位置決めロボットの速度と同期信号の時間間隔から測定範囲内での位置決めロボットによって走査された超音波トランスデューサの位置を再計算して、対応する位置の超音波エコー信号を画素データに変換し、対応する位置情報から画像の位置にプロットし、表示装置に表示する超音波画像装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波を用いて非破壊で被検体の調査または分析をおこなう超音波画像装置に関する。

超音波信号を送受信する超音波トランスデューサから得られる超音波エコー信号と、前記超音波トランスデューサを位置決めロボットを用いて走査して得られる位置情報から、画像を生成して表示装置に表示する超音波画像装置において、
従来は、図３に示す様に、被検体１３の内部または表面を伝搬する超音波によって、被検体の損傷などを画像化し、非破壊で検査をおこなう超音波画像装置が広く用いられている。

前記超音波画像装置により測定が開始されると、あらかじめ入力装置１１によって入力されたＸ軸、Ｙ軸の２次元の測定範囲内を測定条件に基づいて、位置決めロボット２に具備された超音波トランスデューサ１が走査される。

該走査は、計算機９によって軸制御部４に対して設定された条件に基づいて、軸移動用パルス信号を軸制御部４が軸駆動信号に変換して、位置決めロボット２に出力することによっておこなわれる。

また、位置監視部５は軸制御部４を介して監視している位置決めロボット２の位置が、あらかじめ入力装置１１によって入力された条件に一致するごとに、パルサーレシーバ６に対し同期信号を出力する。

該パルサーレシーバ６は超音波トランスデューサ１に超音波駆動信号を出力し、該超音波駆動信号が超音波トランスデューサ１によって超音波パルス信号に変換され、水槽１２に入れられた水などの超音波媒体を介して被検体１３に送信される。

該被検体１３から反射された超音波エコー信号は、パルサーレシーバ６で受信され、Ａ／Ｄ変換部７によってデジタルデータに変換され、さらに、計算機９によって画素データに変換され、あらかじめ設定された条件によって計算された位置に対応する画像上の表示位置にプロットされる。

以上の動作が予め設定された条件によって定められた走査範囲の中で繰り返しおこなわれて、画像として表示装置８に表示される。あるいは、画像として記憶装置１０に格納される。

以上説明した事例として、引用文献１には、位置監視部を用いた超音波深傷装置及び超音波深傷方法が記載されている。また、引用文献２には、受光素子クロックとモータ駆動クロックが同一クロックに基づいて生成される画像読み取り装置及び画像形成装置が記載されている。

これら、従来例では、位置信号と受光タイミングが同期している方式であり、画像の分解能は、モータで駆動される位置決め装置の位置分解能の範囲以内という制限を受けていた。

特開平11-023539号 特開2007-243315号 特開2001-178726号

超音波信号を送受信する超音波トランスデューサから得られる超音波エコー信号と、前記超音波トランスデューサを位置決めロボットを用いて走査して得られる位置情報から、画像を生成して表示装置に表示する超音波画像装置において、位置決めロボットで位置決めすることのできる位置決めの分解能は、軸制御部から軸移動用パルス信号が通常１パルスだけ送信された場合に移動する距離であって、前記移動距離以下での細かい画像分解能を得ることは不可能であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、位置決めロボットに於いて機械的に設計された軸分解能よりも細かな測定ピッチで測定することができることによって、測定範囲が広くなった場合にも測定時間に対し影響が少ない超音波画像装置を提供する。

前記課題を達成するため、第１の手段は、
「超音波信号を送受信する超音波トランスデューサから得られる超音波エコー信号と、前記超音波トランスデューサを位置決めロボットを用いて走査して得られる位置情報から、画像を生成して表示装置に表示する超音波画像装置において、
位置決めロボットの動作条件に基づいて走査範囲を計算する走査範囲計算部と、
クロック信号を発生するクロック発生部とからなり、
前記超音波トランスデューサが前記走査範囲の開始点へ移動した後、前記走査範囲上で直線移動を開始し、
前記走査範囲の内の測定範囲の開始点に到達した後、計算機の制御信号に基づいて、A／D変換部がデータ取得を開始し、
前記A／D変換部は前記クロック発生部からのクロック信号に同期して送受信回路から超音波エコー信号を受信し、デジタルデータに変換し、一時記憶装置に前記クロック信号に同期して受信した複数の超音波エコー信号を記録し、
軸制御部および前記計算機によって前記測定範囲の終了点に達した時または前記A／D変換部への前記クロック信号の入力回数によって前記測定範囲の終了位置であると判定された時に前記超音波エコー信号の受信を終了し、
前記一時記憶装置に記録された複数の超音波エコー信号が、前記計算機に抽出され記憶装置に記録され、
前記記憶装置にデジタルデータとして連続的に記録された前記超音波エコー信号のそれぞれの同期時間に対して、前記位置決めロボットの速度と前記クロック信号の時間間隔から測定範囲内での前記位置決めロボットによって走査された前記超音波トランスデューサの位置を再計算して、対応する位置の前記超音波エコー信号を画素データに変換し、対応する位置情報から画像の位置にプロットし、表示装置に表示する」ことを特徴とする。

（作用・効果）
本発明の第１の手段によって、位置決めロボットの位置決め分解能よりも細かなタイミングでの超音波波形データが取得でき、画像を細かいタイミングごとに取得することができる。

次に具体的に説明をおこなうにあたり、説明を簡素化するために、位置決めロボットの動作を平面上のＸ軸１軸の動作について記載する。

すなわち、位置決めロボットの動作速度をＶ、クロック信号の周期をｄｔとすれば、画像分解能ｒは、
ｒ＝Ｖ×ｄｔ 〔数１〕

で表され、位置決めロボットの位置決め分解能の影響を受けず、クロック信号の周期を短くすることによって画素の元データである超音波波形データの取得タイミングを細かくすることができる。

また、測定範囲の開始点を軸制御部から取得して後Ａ／Ｄ変換部が取り込み開始するまでの時間をｄｔとすれば、画素ズレの範囲は１画素以内となる。

さらに、測定範囲Ｗから画像データ数ｎは、
ｎ＝Ｗ／ｒ 〔数２〕

となり、測定範囲Ｗ内での全データの取得時間Ｔは、

Ｔ＝ｎ×ｄｔ＝Ｗ／Ｖ 〔数３〕
であるから、広い測定範囲でも動作速度Ｖを上げることによって時間を短縮することができる。

各時間の軸位置Ｘは、測定範囲の開始位置をＸ０とした場合に、
Ｘ＝Ｘ０＋∫Ｖｄｔ 〔数４〕

にて求められる。

ところで、動作速度Ｖを上げた場合には、画像分解能ｒは自ずから粗くなるが、クロック信号周期ｄｔを小さくすることで、位置決めロボットの位置決め分解能には影響を受けず分解能を細かくすることができる。

これらによって、位置決めロボットの分解能が粗いままでも、細かい画像を取得するために改めて細かい位置決め分解能の手段を用いることなく、その分解能よりも細かいタイミングでの画像が取得できる。

さらには、被検体の寸法が大きいため広範囲に測定したい場合でも、通常の分解能で、高速度で動作させることができるために測定時間を大きく損なうことは無い。従い、本発明では、被検体の寸法に左右されることなく高分解に超音波画像を得ることができる。

また、位置決め情報と超音波エコー波形の取得に際し、取得タイミングを得るために電気的信号を介して同期するにはおよばない。

すなわち、動作条件から、走査範囲計算部で事前に計算された測定範囲の開始点においてＡ／Ｄ変換部の取り込み開始をおこなえば良く、その後、Ａ／Ｄ変換部は、位置決め信号とは無関係にクロック発生部から発生したクロック信号によって直接に接続され、記憶装置で順次波形を記録するため、位置監視による超音波エコー波形の取り込みタイミングの制御は不要となり、従って係る回路も不要となる。

前記課題を達成するための、第２の手段は、「前記クロック信号が一定時間間隔で発信され、かつ前記測定範囲内での前記位置決めロボットが一定速度で動作するように前記動作条件から前記走査範囲を計算し、前記位置決めロボットの駆動条件と前記クロック信号の時間間隔とを用いて位置を計算する」ことを特徴とする。

（作用・効果）
本発明の第２の手段によって、クロック信号の周期ｄｔが測定範囲内において一定であることにより、結果的に、隣接する取得画素間のの距離ｒは、〔数１〕から、
ｒ∝Ｖ
となり、個々の時間ｄｔを用いてその都度再計算された画像分解能ｒを用いなくても良い。このため、画像上のプロット位置が、動作条件から測定以前に求めることができるため、プロットごとの計算の簡素化が図れる。

また、動作速度Ｖが測定範囲内において一定であることにより、隣接する画素間距離は、〔数１〕の関係から、ｒ∝ｄｔとなり、個々の時間における動作速度Ｖを用いて再計算された画像分解能ｒを用いる必要が無くなる。従い、画像上のプロット位置は、動作条件から測定前に求めることができるため、プロット毎の計算が容易になる。

さらに、本発明の第２の手段を用いれば、画像分解能ｒが一定となるため、画像上への画素データを等間隔にプロットすれば良いことになるので、画像上の位置をデータ毎に計算をする必要が無くなる。

前記課題を達成するための、第３の手段は、「前記位置決めロボットの速度と前記同期信号の時間間隔から再計算された位置が近傍となる複数の画素値から補間処理によって画素値を再計算して画像を生成する」ことを特徴とする。

（作用・効果）
ここでも、前記同様、具体的に説明をおこなうにあたり、説明を簡素化するために、位置決めロボットの動作を平面上のＸ軸１軸の動作について記載する。
すなわち、本発明の第３の手段によって、各時間の軸位置Ｘは、前記数式〔数４〕で計算され、該計算された各位置が、等間隔で離散的に分割された画像上の位置に完全に一致しない場合でも、近傍の複数の画素値から、それぞれの画素値のプロットすべき画像上の位置への重みを計算した上で、それらの重みを考慮して近傍の複数の画素値を足し合わせた画素値を画像上の対応する位置にプロットすることにより、隣接する画素間の距離が等間隔で無い場合でも、精細な画像を構築することができる。

本発明は、超音波画像を取得するにあたり、位置決めロボットにおいて、機械的に設定された軸分解能よりも細かい測定ピッチで測定することができることによって、測定範囲が広がった場合でも測定時間にさほど影響されない超音波画像の生成方法およびその装置を提供する。

本発明の実施形態に係る超音波画像装置の構成を示す図である。 本発明の画像取得時のクロック信号発信タイミングを示す図である。 従来の超音波画像装置の構成の一例を示す図である。

以下図面を参照し、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１に本発明の実施形態に係る超音波画像装置１１０の主要な構成を示す。

図１の超音波画像装置１１０の位置決めロボット２は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなる門型に構成され、超音波を送受信する超音波トランスデューサー１と接続され、下部には超音波を被検体１３に送受信する際に超音波媒体となる水などの液体を入れるための水槽１２が配置されている。

超音波画像装置１１０の位置決めロボット２は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３軸の位置決めが可能であるが、目的によっては、１軸だけの位置決めロボットでも目的を達することができる。また、回転軸θを加えることも可能である。

水槽１２の中には、被検体１３が配置され、超音波トランスデューサー１は水槽１２に満たされた水などの超音波媒体を介して超音波を被検体１３に送信し、被検体から反射された超音波エコーを受信する。

送受信回路１０２はセンサ制御部１０４から出力される超音波送信タイミングに同期して、超音波を超音波トランスデューサー１から発信させるように動作する。

被検体１３から反射した超音波エコー信号は、送受信回路１０２を介してＡ／Ｄ変換部７に出力され、Ａ／Ｄ変換部７はセンサ制御部１０４またはクロック発生部１０３からのブロック信号に同期して超音波エコー信号をデジタルデータに変換して一時記憶装置１０８に記録する。

また、Ａ／Ｄ変換部７がクロック信号に同期して連続的に記録する動作を開始するのは、計算機９からのＡ／Ｄ変換動作開始記号による。

クロック発生部１０３は設定されたクロック信号出力タイミングでクロック信号を出力する。一方、軸制御部４は入力装置１１によって入力された動作条件によって、軸駆動部３に軸動作用パルス信号を出力する。

該軸動作用パルス信号は、位置決めロボット２がなめらかに加減速されたり、測定範囲内では、等速度で移動する様に、算出され、設定される。

該軸動作用パルス用信号を解析すれば、軸の動作開始から終了までの軸の位置が各時間を基に算出できる。

または、位置決めロボット２にリニアスケールなどの位置検出器を取り付けて、軸制御部４に現在位置情報をフィードバックし、軸の動作開始から終了までの軸の位置を各時間ごとに計測して求めることもできる。

走査範囲計算部１０９は、入力装置１１によって入力された動作条件に基づいて、測定範囲内での動作速度が、一定となる様に、加減速部分の領域を算出し、走査範囲を求めることができる。

続けてさらに、具体的に説明をおこなうにあたり、ここでも説明を簡素化するために、位置決めロボットの動作を平面上のＸ軸１軸の動作について記載する。図２に示す様に、X軸を移動開始させると、位置決めロボット２が測定範囲の開始位置を通過させる瞬間に、計算機９は、あらかじめ設定された条件又は軸制御部４からの位置情報に基づいてＡ／Ｄ変換部７にＡ／Ｄ変換動作開始信号を出力する。

その後、Ａ／Ｄ変換部７は、クロック信号に基づいてＡ／Ｄ変換動作を行う。Ａ／Ｄ変換部７は計算機９からのＡ／Ｄ変換動作終了信号によってＡ／Ｄ変換動作を終了する。

終了後に、Ａ／Ｄ変換部７がデジタルデータに変換して一時記憶装置１０８に記録した連続した超音波エコー信号が、計算機９によって読み取られて、記憶装置１０に記録され、画像データとしてプロットされ、表示装置８に表示される。

測定範囲の開始位置から各時間の軸位置は、あらかじめ設定された動作条件に基づいて計算されるか、あるいは、軸制御部４によって計算される。
すなわち、各時間における軸の位置Ｘは、〔数４〕で示した様に、
Ｘ＝Ｘ０＋∫Ｖ・ｄｔであって、あらかじめ設定された動作条件や計測された位置情報に基づいて求めることができる。

一方、Ａ／Ｄ変換部７の同期信号は、クロック信号であり、クロック発生時間が別途設定されることによって、既知であることから、一時記憶装置１０８にデジタルデータとして記録されている超音波エコー信号がどの時間に相当するものであるかが確定できる。
これらの時間と〔数４〕で得られた超音波エコー信号がどの時間のものに相当するものであるかを算出し、係る画像上の位置にプロットする。
また、クロック信号の時間間隔を一定にしているので、 〔数４〕からＸ軸方向の位置Ｘを容易に算出することができる。
さらに測定範囲内で一定速度となる様に動作条件を設定することにより、 〔数４〕における速度Ｖが一定となるため、係る軸の位置Ｘを容易に求めることができる。
また、 〔数４〕で計算された軸の位置Ｘが、離散的に配置された画像上での位置に完全に一致しない場合においても、隣接する複数の画素値から、補間処理によって画像上での画素値として再計算しプロットすることができる。

図１の超音波画像装置１１０の位置決めロボット２の位置決め分解能が０．１ｍｍであるとき、クロック信号が０．１ｍｍを移動する間に１００回発生するように軸速度Ｖを決定すれば、画像の分解機能は、１．０ミクロンメートルとなる。尚、ここで用いる画像の位置分解能は、超音波トランスデューサーによって決められる画像分解能とは異なり、機械的な位置の分解能を指す。

また、画素ズレは、開始位置の精度によってのみ問題視されるが、別途設定したりあるいは校正することができる。

記憶装置にデジタルデータとして連続的に記録された超音波エコー信号のそれぞれの同期時間に対して、位置決めロボットの速度と同期信号の時間間隔から測定範囲内での位置決めロボットによって走査された超音波トランスデューサの位置を再計算して、対応する位置の前記超音波エコー信号を画素データに変換して対応する画像の位置にプロットすることにより、位置決めロボットにおいて機械的に設計された軸分解能よりも細かい測定ピッチで測定することができので、測定範囲が広くなった場合にも測定時間にさほど影響しない超音波画像装置法が提供できる。

１ 超音波トランスデューサ
２ 位置決めロボット
３ 軸駆動部
４ 軸制御部
５ 位置監視部
６ パルサ・レシーバ
７ Ａ／Ｄ変換部
８ 表示装置
９ 計算機
１０ 記憶装置
１１ 入力装置
１２ 水槽
１３ 被検体
１０２ 送受信回路
１０３ クロック発生部
１０４ センサ制御部
１０８ 一時記憶装置
１０９ 走査範囲計算部
１１０ 超音波画像装置

Claims (3)

1. 超音波信号を送受信する超音波トランスデューサ（１）から得られる超音波エコー信号と、前記超音波トランスデューサ（１）を位置決めロボット（２）を用いて走査して得られる位置情報から、画像を生成して表示装置（８）に表示する超音波画像装置において、
   位置決めロボット（２）の動作条件に基づいて走査範囲を計算する走査範囲計算部（１０９）と、
   クロック信号を発生するクロック発生部（１０３）とからなり、
   前記超音波トランスデューサ（１）が前記走査範囲の開始点へ移動した後、前記走査範囲上で直線移動を開始し、
   前記走査範囲の内の測定範囲（Ｗ）の開始点に到達した後、計算機（９）の制御信号に基づいて、A／D変換部（７）がデータ取得を開始し、
   前記A／D変換部（７）が前記クロック発生部（１０３）からのクロック信号に同期して送受信回路から超音波エコー信号を受信し、デジタルデータに変換し、一時記憶装置（１０８）に前記クロック信号に同期して受信した複数の超音波エコー信号を記録し、
   軸制御部（４）および前記計算機（９）によって前記測定範囲（Ｗ）の終了点に達した時または前記A／D変換部（７）への前記クロック信号の入力回数によって前記測定範囲（Ｗ）の終了位置であると判定された時に前記超音波エコー信号の受信を終了し、
   前記一時記憶装置（１０８）に記録された複数の超音波エコー信号が、前記計算機（９）に抽出され記憶装置（１０）に記録され、
   前記記憶装置（１０）にデジタルデータとして連続的に記録された前記超音波エコー信号のそれぞれの同期時間に対して、前記位置決めロボット（２）の速度と前記クロック信号の時間間隔から測定範囲（Ｗ）内での前記位置決めロボット（２）によって走査された前記超音波トランスデューサ（１）の位置を再計算して、対応する位置の前記超音波エコー信号を画素データに変換するとともに、対応する位置情報から画像の位置にプロットし、表示装置（８）に表示することを特徴とする超音波画像装置。
2. 前記クロック信号が一定時間間隔で発信され、かつ前記測定範囲（Ｗ）内での前記位置決めロボット（２）が一定速度で動作するように前記動作条件から前記走査範囲を計算し、前記位置決めロボット（２）の駆動条件と前記クロック信号の時間間隔とを用いて位置を計算することを特徴とする請求項１に記載の超音波画像装置。
3. 前記位置決めロボット（２）の速度と前記同期信号の時間間隔から再計算された位置が近傍となる複数の画素値から補間処理によって画素値を再計算して画像を生成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波画像装置。

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