JPH0216141B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超音波診断装置、特に距離分解能の高
い超音波診断画像を表示することの可能な超音波
診断装置に関する。

背景技術 近年、被検体に向け超音波を送受波し、これに
より得られるエコー信号をCRT上に画像表示す
る装置が周知であり、CRT画面上に表示される
画像から被検体の各種内部情報を得ることができ
るため、各種の診断用として幅広く用いられてい
る。

第１図には、このような超音波診断装置の基本
原理が示されており、この装置は、振動子１０か
ら被検体１２に向け超音波パルスｓ（ｔ）の送波
を行つている。このように送波された超音波パル
スｓ（ｔ）は、被検体１２内部を伝搬して行き、
被検体１２内の音響インピーダンスの異なる各種
境界面ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ…で次々と反射され、
エコー信号ｅ（ｔ）として振動子１０に戻つてく
る。

従つて、このエコー信号ｅ（ｔ）を検出し、こ
れに所定の画像処理を施しCRT上に表示すれば、
被検体内の音響特性分布を画像として表示するこ
とができ、CRT上に表示された画像パターンか
ら被検体１２内部に存在する異常の有無及びその
位置を知ることができる。

このような異常の有無等の判断は画像の距離分
解能が高い程確実に行うことが可能であり、この
ため、従来より、得られる画像の距離分解能を高
めるための各種装置の開発実用化が行われてい
る。

このような装置の１つとして、例えば振動子１
０が受波したエコー信号ｅ（ｔ）からキヤリア周
波数を除去する所定の検波を行つた後、該エコー
信号に所定の微分処理を行いエコー信号の距離分
解能を高めるものが知られている。

しかし、一般に振動子１０から送波される超音
波パルスｓ（ｔ）は、第１図に示すように所定の
振動子のインパルス応答波形を呈する。このよう
な超音波パルスｓ（ｔ）による距離分解能は、超
音波パルスｓ（ｔ）の波形により決定されてしま
うという欠点があつた。従つて、このような従来
の超音波診断装置では、超音波パルスｓ（ｔ）の
パルス幅以下にまで接近した２つの反射体からの
エコー信号は、全く１つにまとまつて観測され、
このエコー信号を微分しても両反射体からの信号
を分離するほどの十分な距離分解能を得ることが
できずその有効な対策が求められていた。

このため、従来の超音波診断装置では、高い分
解能の診断画像を必要とする場合には、振動子１
０に波長の短い高周波数の振動子を用いていた。
このようにすることにより、振動子１０から送波
される超音波パルスｓ（ｔ）はそのパルス幅が短
くなるため、得られるエコー信号ｅ（ｔ）の距離
分解能が相対的に向上し、高い分解能の診断画像
を得ることが可能となる。

しかし、一般に生体内部では高い周波数の超音
波は低い周波数の超音波に比べその減衰率が大き
いため、このような高周波超音波パルスを用いる
と生体深部で十分な感度を得ることができず、得
られるエコー信号ｅ（ｔ）のSN比が低下し、生体
深部の該断層画像を得ることができないという問
題があつた。

発明の目的 本発明は、このような従来の課題に鑑みなされ
ものであり、その目的は、距離分解能及びSN比
の優れた超音波診断画像を得ることが可能な超音
波診断装置を提供することにある。

発明の構成 前記目的を達成するため、本発明の装置は、被
検体に向け超音波を送受波し得られるエコー信号
に基づき被検体の診断画像を表示する超音波診断
装置において、エコー信号を遅延処理しこれを一
定時間間隔で遅延された複数の遅延信号として出
力する遅延回路と、各遅延信号に所定の超音波パ
ルス波形及び窓関数から決定される重みで重み付
け処理を行う重み付け回路と、重み付けされた各
遅延信号を加算出力する加算器と、を含むエコー
信号のデコンボルーシヨン回路を備え、エコー信
号から距離分解能の高い画像信号を得ることを特
徴とする。

実施例 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明
する。

発明の原理 前記第１図において、振動子１０から被検体１
２に向け超音波パルスｓ（ｔ）を送波する。ここ
において、超音波パルスｓ（ｔ）に対する被検体
１２内の各境界面ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，…におけ
る反射系列をｒ（ｔ）とし、被検体１２内で超音
波パルスｓ（ｔ）が変化しないと仮定すると、被
検体１２から得られるエコー信号ｅ（ｔ）は次式
に示すごとく、反射系列ｒ（ｔ）と超音波パルス
ｓ（ｔ）のコンボルーシヨンを以て近似される。

ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ）＊ｓ（ｔ） …(1) ただし、＊はコンボルーシヨンを表わす。

該第(1)式を、フーリエ変換し、対応する各関数
を大文字で表わすと、前記第(1)式は次式 Ｅ(f)＝Ｒ(f)Ｓ(f) …(2) をもつて表わされ、従つて、反射系列Ｒ(f)は次の
ようにして求めることができる。

Ｒ(f)＝Ｅ(f)／Ｓ(f) …(3) このような手法は一般にデコンボルーシヨンと
呼ばれる。

本発明の特徴事項は、このようなデコンボルー
シヨンの手法を超音波診断装置に適用したことに
あり、前記第(3)式により得られるＲ(f)を逆フーリ
エ変換することにより、超音波パルスｓ（ｔ）の
送波に対する被検体１２の反射系列ｒ（ｔ）を得
ることができる。従つて、このようにして得られ
たｒ（ｔ）を画像信号として用い被検体の診断画
像を表示すれば、超音波パルスｓ（ｔ）のパルス
幅に制限されることなく、距離分解能に優れた診
断画像を得ることが可能となる。また、本発明に
よれば、高周波の超音波パルスｓ（ｔ）を使用す
ることなく距離分解能の高い診断画像を得ること
ができるため、超音波の減衰による影響の大きな
被検体深部からもSN比及び距離分解能の高い診
断画像を得ることが可能となる。

ここにおいて、実際の装置では、超音波パルス
ｓ（ｔ）及びエコー信号ｅ（ｔ）がノイズの影響を
受ける。このようなノイズの影響を除去するた
め、第(3)式のＲ(f)から所定の帯域のＲ(f)だけを取
出す窓関数Ｗ(f)を用い、Ｒ(f)を次式 Ｒ(f)＝Ｅ(f)／Ｓ(f)／Ｗ(f) …(4) に基づき求めることが好ましい。

従つて、予めＳ(f)を実測により求めておき、更
にノイズを考慮して窓関数Ｗ(f)を定めておくこと
により、得られるエコー信号Ｅ（ｔ）に基づき被
検体１２の反射系列Ｒ(f)を求めることができる。
そして、このようにして求めたＲ(f)を逆フーリエ
変換すれば、求める反射系列ｒ（ｔ）を得ること
ができ、距離分解能及びSN比の高い良好な診断
画像を得ることが可能となる。

実験データ 次に、前述した本発明の原理を、5MHz、20mm
φの凹面振動子１０を用いて確認した実験データ
を説明する。

第２図には、前記振動子１０から送波される超
音波パルスｓ（ｔ）が示されており、実施例にお
いて、このｓ（ｔ）は、振動子１０を水中におき
その焦点（振動子より13cm）に置かれた平板の完
全反射体に向け超音波を送波し、このとき該完全
反射体から得られたエコーを20nsの周期でサンプ
リングし求めたものである。

第３図は、第２図に示す超音波パルスｓ（ｔ）
をフーリエ変換して得られたＳ(f)の周波数スペク
トラムである。

第４図は、水中において、振動子１０の焦点に
被検体１２として厚さ１cmのアクリル板を置き、
この被検体１２に向け振動子１０から超音波パル
スｓ（ｔ）を送波した場合に被検体１２の前面及
び後面から得られるエコー信号ｅ（ｔ）である。

第５図は、第４図に示すエコー信号ｅ（ｔ）を
フーリエ変換して得られるＥ(f)の周波数スペクト
ラムである。

このようにして求めた第３図及び第５図のＳ(f)
及びＥ(f)の雑音レベルを考慮し、Ｓ(f)及びＥ(f)か
ら所定の帯域の信号を取り出す窓関数Ｗ(f)を決定
する。

第６図には、このような窓関数Ｗ(f)を用いて求
めたＷ(f)／Ｓ(f)の周波数スペクトラムである。

従つて、第５図に示すＥ(f)と第６図に示すＷ
(f)／Ｓ(f)を掛け合わせることにより、前記第(4)式
に示すＲ(f)を求めることができる。

第７図には、このようにして求められたＲ(f)の
周波数スペクトラムが示されており、第８図に
は、第７図に示すＲ(f)を逆フーリエ変換して求め
た反射系列ｒ（ｔ）が示されている。

このようにして求められた反射系列ｒ（ｔ）は、
第８図に示すごとく、小さなパルス幅を有し、第
４図に示す反射エコーｅ（ｔ）より高い分離能を
示している。

従つて、予め第３図に示すＳ(f)及びノイズを考
慮した窓関数Ｗ(f)を求めておき、前記第(4)式に基
づきエコー信号Ｅ(f)をデコンボルーシヨン処理し
てＲ(f)を求め、更にこのＲ(f)を逆フーリエ変換す
ることにより、エコー信号ｅ（ｔ）より高い分解
能をもつた被検体１２の反射系列ｒ（ｔ）を得る
ことが可能となる。

具体的実施例 第９図には、本発明の超音波診断装置の好適な
実施例が示されている。

実施例の装置は、振動子１０のフオーカシング
調整を行うフオーカス回路及び振動子１０の電子
切替走査を行う切替回路を含むスキヤナ１６を有
し、オシレータ回路１８からスキヤナ１６に超音
波パルス信号繰返し周期を定めるトリガーパルス
が入力されると、このスキヤナ１６は該トリガー
パルスの入力に同期して振動子１０を励振制御し
被検体１２に向け超音波パルスｅ（ｔ）の送波を
行う。

このようにして送波された超音波パルスｅ（ｔ）
は、被検体１２の内部を伝搬する途中で音響イン
ピーダンスの異なる各境界面で次々と反射され
る。そして、その反射エコーｅ（ｔ）は振動子１
０で受波され、ここで電気信号に変換され、更に
スキヤナ１６内に設けられたフオーカス回路を介
して本発明の特徴的構成要素であるデコンボルー
シヨン回路２０に入力される。

本発明の装置において、このデコンボルーシヨ
ン回路２０は、エコー信号を遅延処理しこれを一
定の間隔で遅延された複数の遅延信号として出力
する遅延回路と、各遅延信号に所定の重み付け処
理を行う重み付け回路と、重み付けされた各遅延
信号を加算出力する加算器とを含み、これら回路
を用いて入力されたエコー信号ｅ（ｔ）をデコン
ボルーシヨン処理し、これにより得られた信号ｒ
（ｔ）を増幅器２２に向け出力している。

このようにして増幅器２２に入力された信号ｒ
（ｔ）は、ここで所定の増幅率をもつて増幅され
た後、検波回路２４を介してメモリ２６に入力さ
れ、ここでビデオ信号として記憶された後、
CRT２８上に診断画像として表示されることと
なる。

ここにおいて、本発明の特徴事項であるデコン
ボルーシヨン回路２０は非再帰型と再帰型の２種
類に大別して考えることができる。

以下に、このデコンボルーシヨン回路２０の好
適な実施例を説明する。

デコンボルーシヨン回路の第１実施例 第１０図には、非再帰型のデコンボルーシヨン
回路２０の好適な実施例が示されており、実施例
の回路は、スキヤナ１６から出力されるエコー信
号ｅ（ｔ）をそのまま遅延回路３０に入力し、エ
コー信号ｅ（ｔ）の非再帰型デコンボルーシヨン
処理を行つている。

ここにおいて、前記遅延回路３０は、入力され
たエコー信号ｅ（ｔ）に所定の遅延処理を施し、
エコー信号ｅ（ｔ）をそれぞれ一定時間間隔τで
遅延した複数の遅延信号ｅ（ｔ−τ）、ｅ（ｔ−2τ）
…ｅ（ｔ−nτ）として重み付け回路３２に向け出
力している。

重み付け回路３２は、図示しない制御回路から
の信号に基づき各遅延信号に対応した複数の重み
付け信号ａ１，ａ２…anを出力する重み付け器
３４と、これら重み付け信号と遅延回路３０の出
力する各遅延信号とを乗算する複数の乗算機３６
−１，３６−２…３６−ｎとを含み、遅延回路３
０から出力される遅延信号に所定の重み付け処理
を行つている。

そして、このようにして重み付け回路３２から
出力される重み付けされた各遅延信号は加算器３
８にて加算され、デコンボルーシヨンされた画像
信号ｒ（ｔ）として増幅器２２に向け出力される。

従つて、加算器３８から出力される信号ｒ（ｔ）
は次式 ｒ（ｔ）＝_o 〓ⁱ⁼¹ aie（ｔ−iz） …(5) をもつて表わされることになる。

ここにおいて、前記第(5)式の両辺をフーリエ変
換すると、 Ｒ(f)＝∫^∞ _-∞o 〓ⁱ⁼¹ aie（ｔ−iz）e^-j2〓^ftdt ＝Ｅ(f)_o 〓ⁱ⁼¹ aie^-j2〓^fiz …(6) となり、これはＥ(f)と_o 〓ⁱ⁼¹ aie^-j2〓^fizのコンボルーシ
ヨンの形を表わしている。従つて、この第(6)式を
前記第(4)式と比較すれば、 _o 〓ⁱ⁼¹ aie^-j2〓^fiz＝Ｗ(f)／Ｓ(f) …(7) の関係が得られ、この第(7)式で、表わされるＷ
(f)／Ｓ(f)を逆フーリエ変換することによりaiを求
めることができる。

従つて、Ｗ(f)／Ｓ(f)を求めておき、これを逆フ
ーリエ変換することによりデコンボルーシヨンに
必要なaiを予め求めることができ、このようにし
て求めたaiを重み付け器３４から出力することに
より、加算器３８から出力される前記第(5)式の信
号ｒ（ｔ）は、エコー信号ｅ（ｔ）をデコンボルー
シヨン処理したものとすることができる。

従つて、本実施例の装置によれば、予め重み付
け器３４から出力される重み付けａ１，ａ２，ａ
３，…をＷ(f)／Ｓ(f)の逆フーリエ変換により求め
ておくことにより、入力されるエコー信号ｅ（ｔ）
を自動的にデコンボルーシヨン処理し分解能の高
い画像信号ｒ（ｔ）として出力し、CRT２８上に
距離分解能及びSN比に優れた診断画像を表示す
ることが可能となる。

デコンボルーシヨン回路の第２実施例 また、第１１図には再帰型のデコンボルーシヨ
ン回路の好適な実施例が示されている。

実施例の回路は、スキヤナ１６の出力するエコ
ー信号ｅ（ｔ）から加算器３８の出力信号を減算
する減算器４０を含み、該減算器４０から出力さ
れる信号ｒ（ｔ）を遅延回路３０に入力し、エコ
ー信号ｅ（ｔ）の再帰型デコンボルーシヨン処理
を行つている。

ここにおいて、遅延回路３０は、入力された信
号ｒ（ｔ）に対し所定の遅延処理を施し、これを
一定時間間隔τで遅延した複数の遅延信号ｒ（ｔ
−τ）、ｒ（ｔ−2τ）…ｒ（ｔ−nτ）として出力す
る。

このようにして出力された各遅延信号は重み付
け回路３２により所定の重み付け処理が行われ、
重み付けされた各遅延信号は加算器３８から次式 _o 〓ⁱ⁼¹ air（ｔ−iz） …(8) に示す加算信号として出力される。従つて、エコ
ー信号ｅ（ｔ）からこの加算器３８の出力を減算
する減算器４０の出力信号ｒ（ｔ）は、次式 ｒ(f)＝ｅ（ｔ）−｛_o 〓ⁱ⁼¹ air（ｔ−iz）｝ …(9) をもつて表わされ、この第(9)式の両辺をフーリエ
変換すると、 Ｒ(f)＝Ｅ(f)−∫^∞ _-∞o 〓ⁱ⁼¹ air（ｔ−iz）e^-j2〓^ftdt ＝Ｅ(f)−Ｒ(f)_o 〓ⁱ⁼¹ aie^-j2〓^iz (10) となる。

このようにして求められた前記第(10)式をＲ(f)に
ついて整理すると、その値は次式 となり、ここにおいて、該第(11)式を前記第(4)式と
比較すると、両式の間には次式 _o 〓ⁱ⁼¹ aie^-j2〓^iz＝Ｓ(f)／Ｗ(f)−１ …(12) に表わす関係が成立する。

従つて、本実施例のデコンボルーシヨン回路に
おいても、予めＳ(f)／Ｗ(f)を求め、その値に基づ
き前記第(12)式を逆フーリエ変換してaiを求め、こ
のうにして求めたaiを重み付け器３４から重み付
け信号として出力することにより、エコー信号ｅ
（ｔ）を自動的にデコンボルーシヨン処理した分
解能の高い信号ｒ（ｔ）を減算器４０から増幅器
２２へ向け出力し、CRT２８上に距離分解能及
びSN比の優れた診断画像を表示することが可能
となる。

なお、振動子１０から送波される超音波パルス
ｓ（ｔ）は被検体１２内を伝搬する途中で所定の
減衰や振動子の音波のフオーカシングにより波形
が変化する。従つて、本実施例の装置のごとく、
スキヤナ１６内にフオーカス回路を設け超音波パ
ルスｓ（ｔ）のダイナミツクフオーカスを行うよ
うな装置では、その超音波パルスの焦点距離に応
じた重み付けをもつてデコンボルーシヨン処理を
行うことが必要となる。

このため、前記第１０図及び第１１図に示す各
重み付け器３４は、超音波パルスｓ（ｔ）のダイ
ナミツクフオーカスに連動して重み付け定数ａ
１，ａ２，…の値の切替を行い、超音波パルスｓ
（ｔ）の焦点距離と整合した重み付け処理が可能
となるよう形成されている。

従つて、本実施例の装置では、被検体１２内の
浅部から深部にかけて得られる各エコー信号に最
適なデコンボルーシヨン処理を施すことが可能と
なり、その結果CRT２８上に優れた分解能でか
つSN比の良好な診断画像を表示することが可能
となる。

また、本発明の装置では、高分解能の診断画像
を得るために、従来の装置のごとく、高周波の超
音波パルスを用いる必要がないため、被検体１２
内における減衰が少ない通常周波数の超音波パル
スを用い、被検体１２の深部の診断画像をSN比
及び分解能の優れた画像として表示することがで
きる。

発明の効果 以上説明したように、本発明の装置によれば、
超音波ビームの送受波により得られるエコー信号
をデコンボルーシヨン処理することにより、距離
分解能が高い良好な診断画像を得ることができ
る。更に、本発明の装置によれば、減衰の大きな
高周波超音波パルスを用いることなく距離分解能
の高い診断画像を得ることができるため、超音波
の減衰が大きい被検体深部からもSN比及び距離
分解能に優れた診断画像を得ることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波パルスの送受波を示す説明図、
第２図ないし第８図は超音波の送受波により得ら
れる実験データの波形説明図、第９図は本発明の
超音波診断装置の好適な実施例を示すブロツク
図、第１０図及び第１１図は本発明の要部である
デコンボルーシヨン回路の第１実施例及び第２実
施例のブロツク図である。 １２…被検体、２０…デコンボルーシヨン回
路、３２…重み付け回路、３４…重み付け器、３
６…乗算器、３８…加算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被検体に向け超音波を送受波し得られるエコ
   ー信号に基づき被検体の診断画像を表示する超音
   波診断装置において、エコー信号を遅延処理しこ
   れを一定時間間隔で遅延された複数の遅延信号と
   して出力する遅延回路と、各遅延信号に所定の超
   音波パルス波形及び窓関数から決定される重みで
   重み付け処理を行う重み付け回路と、重み付けさ
   れた各遅延信号を加算出力する加算器と、を含む
   エコー信号のデコンボルーシヨン回路を備え、エ
   コー信号から距離分解能の高い画像信号を得るこ
   とを特徴とする超音波診断装置。 ２ 特許請求の範囲１記載の装置において、デコ
   ンボルーシヨン回路は、エコー信号を直接遅延回
   路に入力しエコー信号の非再帰型デコンボルーシ
   ヨン処理を行うことを特徴とする超音波診断装
   置。 ３ 特許請求の範囲１記載の装置において、デコ
   ンボルーシヨン回路は、エコー信号から加算器の
   出力を減算する減算器を含み、減算器から出力さ
   れるエコー信号を遅延回路に入力し、エコー信号
   の再帰型デコンボルーシヨン処理を行うことを特
   徴とする超音波診断装置。 ４ 特許請求の範囲１ないし３のいずれかに記載
   の装置において、重み付け回路は、超音波のダイ
   ナミツクフオーカスに連動して重み付け処理の切
   替制御を行うことを特徴とする超音波診断装置。