JPH0751270A

JPH0751270A - 超音波診断装置

Info

Publication number: JPH0751270A
Application number: JP5220499A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kanda; 浩神田; Mikio Izumi; 美喜雄泉; Toshiro Kondo; 敏郎近藤
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1993-08-13
Filing date: 1993-08-13
Publication date: 1995-02-28

Abstract

(57)【要約】【目的】生体からの超音波反射信号の周波数スペクトラ
ムの形状を反映した画像形成法を提供して、生体内の伝
搬減衰に伴う情報を抽出・描画する手段を提供する。【構成】受信信号を複数個の帯域フィルタ群（２０ａ〜
２０ｃ）により帯域分割し、対数圧縮回路（２１ａ〜２
１ｃ）を介して、検波器（２２ａ〜２２ｃ）により個別
に検波した強度信号を重み付け加算するか、あるいは、
色相加算することにより画像表示する。【効果】受信信号を全帯域で取扱わずに、分割帯域ごと
に圧縮検波して後、重み付け加算することによって、従
来の断層像に、患者の生体内の超音波伝搬にともなう減
衰情報を付加することによって、微少なコントラストの
差の視認性を大幅に向上させることができる。これによ
り、疾患部位とその周りの健常組織との弁別が容易にな
るとともに、波の間の干渉によって生ずるスペックルの
低減にも効果を発揮し、コントラスト分解能を向上させ
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波診断装置におけ
る信号処理、とりわけ受信信号を周波数帯域分割処理す
ることにより、生体内の受信信号の減衰などから生体特
徴量を映像化する技術に係わる。

【０００２】

【従来の技術】超音波診断装置から得られる診断情報
は、主として、断層像から得られる解剖学的情報とドプ
ラ像から得られる血流情報とからなる。また、新しい診
断情報を得る目的で、微細なコントラスト差の抽出や、
生体内の減衰などの物理量の抽出・描画技術の開発がす
すめられている。後者はこの分野では、組織鑑別技術
（Tissue Characterization)と呼ばれ、患者間の固体差
を抽出して、それ自身を診断情報とするか、または、装
置にフィードバックして装置パラメーターを変更するの
に用いることを目的として開発が進められている。しか
しながら、現在は、商用の超音波装置には、これらの研
究成果はいまだ搭載されるに至っていない。それは、ハ
ードウェア・ソフトウェア規模が大きくコスト的に実現
困難な点がおもな理由と考えられる。

【０００３】生体内での超音波の減衰を考慮した技術と
しては従来より、ＴＧＣ(Time GainControl）回路とダ
イナミック・フィルタ(Dynamic Filter）回路が知られ
ている。前者は、エコー信号の発生深度に応じて受信系
の増幅率を漸増することにより、また、後者は、受信系
の帯域フィルタの中心周波数をエコー信号の発生深度に
応じて漸減することにより、何れも生体内の減衰量を補
償して、患者間の固体差を吸収せんとするものである。

【０００４】図６は、代表的な超音波診断装置の主要部
の構成を示す図であり、従来技術のうち、ダイナミック
フィルタを説明するためのものである。すなわちこの装
置では、送波回路１１により配列型探触子１０を駆動
し、生体内に超音波を放射し、生体内からの反射超音波
信号を前置増幅器群１３によって受信した後、受波整相
部１４によって電子集束し、更に、ダイナミックフィル
タ回路１５，対数圧縮回路１６，ＴＧＣ回路１７からな
るアナログ信号処理回路により処理する。ＴＧＣ回路１
７の出力を検波器１８および輪郭強調回路１９を経てＡ
／Ｄ変換器（図示せず）に入力して標本化した後、画像
制御回路５０に送り、所定のフォーマットに従って、デ
ィスプレイ６０に表示する。これらの一連の信号処理
は、制御部１２によって同期管理されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上に述べた従来装置
においては、超音波反射信号の強度情報は、上記のTGC
やダイナミックフィルタ処理はされるものの、基本的に
はそのまま表示・解析されているものといえる。それゆ
え、患者に依存する個体差を描出するには、圧縮回路の
圧縮率を増大させるなどの手段を用いて、微妙な強度信
号の差を画面上の輝度差によって表示している。しかし
ながら、輝度差が微少であればあるほど、その視認は困
難になり、しかも疾病の早期にはその輝度差は微少であ
ると考えられる。従って、疾病の早期診断・発見には微
少な強度信号の差、換言すれば輝度差にかわる情報量を
描画することが望ましいのである。

【０００６】まず、従来のダイナミックフィルタ処理に
ついてその問題点を説明する。ダイナミックフィルタ
は、中心周波数の可変な帯域フィルタから構成されてお
り、図７に示すように、中心周波数（図中ｍ）および帯
域幅（図中ｍ＋，ｍ−）を深さ方向に応じて、変化させ
ている。通常、この変化率は、臓器別に標準的な減衰特
性を基準に設定されており、受信信号の生体内減衰に伴
う中心周波数の漸減に対処しているのである。しかしな
がら、この変化率は対象部位や個体差，探触子と生体表
面の接触状態などによって、様々な曲線に変化するた
め、しばしば設定された曲線と一致しないことがあり、
描画されるべき情報が受信信号の欠落により表示されな
いなどの不具合が生じていたのである。

【０００７】本発明の目的は、第一に、従来のダイナミ
ックフィルタに替わる帯域選択処理手法を提供すること
を目的とする。第二に、比較的簡単な構成により、受信
信号の上記減衰量に依存した微細な変化を画像化する手
段を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では上記目的を達
成するために、受信超音波信号を、その中心周波数が異
なるように設定した複数の帯域フィルタに信号分配し、
各フィルタ出力に個別に対数圧縮・検波などの強度変換
処理を行い、各処理出力を重み付け加算し、加算結果を
輝度情報として表示する。

【０００９】また、本発明の他の構成では、各処理出力
に色コードを付加し、重み付け加算結果をカラー表示す
るのである（各処理出力の加算において、各出力に色相
を配設し、該加算が色相における加算となる方法を以下
では色相加算と略記する）。

【００１０】

【作用】周波数帯域毎に強度出力を求め、これを加算し
て輝度情報とすることは、単一帯域のまま強度出力を求
め、これを強度信号とするのと結果はまったく異なる。
なぜならば、複数の信号の加算において、加算後検波す
るのと、個別に検波した後で加算するのでは、位相差に
よる波の間の干渉の仕方が異なるからである。この差異
は、主として二つの効果を発揮する。

【００１１】第一に、波の間の干渉は、診断装置の画像
においていわゆるスペックルという現象を生成し、高分
解能画像および高コントラスト画像を得る際の障害とな
っているが、受信帯域を複数の周波数帯域に分割し、個
別に検波処理を行うなら、スペックルの生成を大幅に低
減することができる。なぜなら、分割された各周波数帯
域は、原帯域より狭帯域になるので、波の間の位相干渉
は生じにくくなるからである。

【００１２】第二に、超音波信号が、生体内を伝搬する
際に被る減衰は、受信信号の中心周波数やスペクトラム
の形状を変化せしめ、その変化の様子がまた診断情報と
して用いることができる。減衰は、生体内の深さ方向に
よっても異なるし、また、患者間の個体差によっても変
化するからである。

【００１３】本発明においては、重み付け加算におい
て、重みを変えることにより、高域情報を強調した画像
とすることも、低域情報を強調して画像表示することも
でき、これにより微細なコントラストの上記の個体差や
疾患による差異を描出することができる。また、色相加
算をすることにより、同様の差異をカラー情報として識
別しやすく表示することが可能である。たとえば、色コ
ードを低域成分には青色を、高域成分には赤色を配設す
るならば、画面内の周波数分布は一目瞭然となる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて具体的
に説明する。尚、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰返
し説明は省略する。

【００１５】図１は、本発明の第一の実施例を示す。こ
こで、図６と異なる部分を説明すると、整相部１４の出
力は、中心周波数の異なる帯域フィルタ２０ａ，２０
ｂ，２０ｃを介して、対数圧縮回路２１ａ，２１ｂ，２
１ｃに供給される。各対数圧縮回路の出力は、上記の各
帯域フィルタ２０ａ，２０ｂ，２０ｃによって各周波数
帯域内の信号に選別されているが、検波器２２ａ，２２
ｂ，２２ｃにより強度信号に変換され、可変入力抵抗２
３ａ，２３ｂ，２３ｃと可変フィードバック抵抗２５を
有した増幅器２４で重み付け加算される。

【００１６】加算信号は、Ａ／Ｄ変換器２６によってデ
ィジタル化されて、画像制御部５０により所定のフォー
マットに変換され、ディスプレイ６０に表示される。
３.５ＭＨｚの超音波探触子を用いた場合、その周波数
成分は、深度方向に応じて２ＭＨｚから４.５ＭＨｚの
範囲にわたる。本実施例では、前記帯域フィルタはそれ
ぞれ所定の範囲を分担するようにしている。一例とし
て、３.５ＭＨｚの超音波探触子を用い、帯域フィルタ
を上記の如く３個で対応する場合には、２ＭＨｚ〜２.
７５ＭＨｚを２０ａで分担し、２.７５ＭＨｚ〜３.５
ＭＨｚを20ｂで分担し、３.５ＭＨｚ〜４.２５ＭＨｚを
２０ｃで分担する(図２参照)。なお、実験によれば肝臓
等においては、各帯域フィルタの範囲が互いに一部重畳
しても好都合であった。ここで、本実施例では、可変入
力抵抗２３ａ，２３ｂ，２３ｃの大きさで重み付けが決
定されるので、その中には、入力抵抗ゼロ、即ち、非選
択も含まれていること、したがって、複数の処理回路出
力から単一の処理出力を選択して描画することも可能で
ある。また、フィードバック可変抵抗を深度方向に対応
してその大きさを変化せしめれば、従来装置で言うとこ
ろのＴＧＣ機能も付加することが出来る。なお、本実施
例において、図示はしないが、受信信号の全帯域を包含
する帯域フィルタによるダイナミックフィルタ回路を本
実施例のフィルタ処理群に並列に配設してもよいことは
言うまでもない。また、周波数帯域の選択は、図２のよ
うに連続的に選択する必要はなく、例えば、その一つが
他の２，３倍高調波の中心周波数を持っていても良い。
この場合には、いわゆる非線形現象を検出することが出
来る。

【００１７】図３は、本発明の第２の実施例を示してい
る。ここで、図６と異なる部分を説明すると、整相部１
４の出力は、中心周波数の異なる帯域フィルタ２０ａ，
20ｂ，２０ｃを介して、対数圧縮回路２１ａ，２１ｂ，
２１ｃに供給される。各対数圧縮回路の出力は、検波器
２２ａ，２２ｂ，２２ｃにより強度信号に変換される。
各強度信号は、可変増幅器２７ａ，２７ｂ，２７ｃによ
り重み付けされた後、Ａ／Ｄ変換器３０ａ，３０ｂ，３
０ｃによって、ディジタル化される。各々の出力信号
は、それぞれ、色相付与回路３１にてＲ(Red），Ｇ(Gre
en），Ｂ(Blue）の色相を代表するものとし、その強度
を明度する色相加算が行われた後、画像制御部５０に供
給され、カラーディスプレイ６０ａに表示される。かか
る場合には、減衰による周波数スペクトラムの変化が、
深さ方向に対応して色相と明度により画像表示されるこ
とになるのである。ここで、色相はどの帯域フィルタの
出力であるかによって、従って、該信号の周波数帯域に
よって定まり、明度は各信号出力の強度、従って各周波
数帯域内で積分して得られた信号のパワーを表すことに
なる。例えば、深度の浅い部分では、赤系統の色相を付
与して、高周波成分が主体であることを示し、深度では
青系統の色相を付与して低周波成分が主体であることを
示すことができる。また、通常の断層像において、微細
なコントラスト差のみ呈するような疾患部位と周りの組
織との弁別も、本発明の周波数分割による色相映像化に
よってより容易に可能とできる。構造や反射強度は異な
っていても、その周波数スペクトラムの形状は異なるこ
とが多いからである。

【００１８】上記実施例においては、周波数帯域を分割
する手法としての中心周波数の異なる帯域フィルタを採
用することをはじめ、アナログ処理を念頭に説明してき
たが、整相部１４の出力を直接Ａ／Ｄ変換してメモリに
格納し、公知のＤＳＰ（Digital Signal Processor）に
より、ＦＦＴなどのソフトウェア的手法によって周波数
解析などの上記処理を代替しても本発明の趣旨は本質的
に変化しない。また、３.５ＭＨｚの超音波探触子を用
いた場合の実験の一例として、帯域フィルタは次のよう
なそれぞれ括弧内の帯域と色相をになうものとした場合
（図２参照)好結果が得られた。すなわち、２０ａ(２Ｍ
Ｈｚから２.７５ＭＨｚ：Red）,２０ｂ（２.７５ＭＨｚ
から３.５ＭＨｚ：Green），２０ｃ（３.５ＭＨｚから
４.２５ＭＨｚ：Blue）とした場合好適な色相が得られ
た。

【００１９】なお、以上の実施例においては、説明のた
めに、３個の帯域フィルタの例を示したが、言うまでも
なく、フィルタの個数および色相の配設方法は、これに
限るものではない。また、本実施例では、個別検波した
後重み付け加算しているが、検波前に重み付けした後、
検波してもよい。但し、この場合、各帯域フィルタや対
数圧縮器，重み付け回路の時間遅れ等を検討する必要が
ある。

【００２０】図４は、本発明の今一つの実施例を示す図
であって、下記の説明に関する要部を示すものである。
すなわち、各周波数帯数を代表する出力信号（例えば、
増幅器出力２１ａ）を、図４に示すように、比較器２２
１ａで所定の設定値２２２ａと比較し、その比較出力を
コンデンサ２２３ａで所定時間積算し、その積分値を乗
算器２２０ａにフィードバックするのである。かかる構
成は、等価的に、周波数分割処理出力に対するＡＧＣ
（Automatic Gain Control）を程すことになる。つま
り、その成分が少ないフィルタ系では、前記重み付け回
路の重みを増加させ、また、その成分が多すぎるとき
は、ある重み付け回路の重みを個別に低減するのであ
る。なお、この実施例における検波器は、乗算器後に配
設しても良いが、乗算前に配設する方が、フィードバッ
ク系の安定度の観点から望ましいことを付記しておきた
い。

【００２１】図５は、本発明の今一つの実施例を示す図
である。上記実施例では超音波診断装置で扱われている
情報のうち、振幅情報に関するもののみを扱うものであ
ったが、血流信号を扱うドプラ計測およびカラードプラ
装置においても本発明は適用できる。即ち、ドプラ計測
では、整相回路１４の出力に対し、参照信号を複素乗算
してドプラ検波出力を抽出し、これをＦＦＴなどの周波
数分析回路にて周波数分析した結果を表示している。図
５の系統ａで説明すると、入力信号は参照信号４０ａを
入力とする位相シフタ４１ａから発生するゼロ度成分と
９０度成分とそれぞれ乗算器４２ａ，５２ａで乗算さ
れ、複素ドプラ信号を形成する。複素ドプラ信号は、乗
算に伴う高調波成分を抑圧する低域フィルタ４３ａ，５
３ａ、および体壁などの固定成分を取り除く高域フィル
タ44ａ，５４ａを介して、ＦＦＴ５５ａにて周波数分析
されて、ドプラ画像・波形として表示される。従来、参
照信号の周波数は、ダイナミックフィルタと同様に、全
深度において共通の値を持たせるか(たとえば２.５ＭＨ
ｚ）、あるいは浅い部分においては、３.５ＭＨｚ、深
い部分においては２.５ＭＨｚと切換えて設定してい
る。

【００２２】これに対して、本実施例では、参照波の周
波数が異なる複数の複素乗算部を配設し、各複素乗算出
力を個別に対応したＦＦＴ回路群によって個別に周波数
分析を行い、その結果を重み付け加算して最終ドプラ波
形として表示するのである。図５においては、系統ａ，
ｂ，ｃに対応して、周波数の異なる参照波４０ａ，４０
ｂ，４０ｃを用いている。かくすることによって、従来
削除していたドプラ成分が、表示されることによって、
より詳細なスペクトラムの差異を検討・分析することが
可能となり、疾患の弁別に寄与するものである。表示に
あたっては、５５ａ，５５ｂ，５５ｃのＦＦＴによる周
波数分析結果は加算器５６にて、重み付け加算されてグ
レースケールで表示されるか、あるいは、各周波数分析
結果の重み付け加算において、それぞれの色相を配設し
て、色相加算を行い、色相の上で微妙なスペクトラムの
差異を判定してもよい。

【００２３】この場合、単一の参照波による周波数分析
結果に対して、そのパワーの大きさに対応して単純に疑
似カラーを配色する従来の方法とは、本発明は、本質的
に異なるものである。

【００２４】尚、周波数分析結果の加算においては、各
系列の処理が異なる参照周波数を使用しているため、得
られた分析結果は、下記の公式にしたがって補正した
後、加算する構成としている。即ち、ドプラ周波数Δｆ
は、血流の速度をｖ，体内の超音波伝播速度をｃ，超音
波ビームと血流の向きのなす角をθ，超音波周波数をｆ
₀とすると、式（１）で表わされるから、式（２）の補
正が必要となるのである。

【００２５】 Δｆ＝(２ｆ₀・ｖ／ｃ)・cosθ …（１）

【００２６】 Δｆ＝(２(ｆ₀₁／ｆ₀₂＋１＋ｆ₀₃／ｆ₀₂)ｆ₀₂ｖ／ｃ)・cosθ …（２）

【００２７】ところで、上記の各実施例を深く検討して
みると、着目領域からの反射超音波信号の周波数スペク
トラムは、対表からその深度に到達するまでに経てきた
組織や構造による減衰効果の影響を受けていることにな
る。また、同一深さの着目部位に対しても、その入射超
音波の伝播履歴が異なると、色相も又異なることにな
る。無論、関心部までの履歴が共通とみなせる肝臓など
の比較的大きな臓器では、この問題は二義的ではある。

【００２８】これに関し、本発明では、着目深度付近
で、帯域分割された検波信号の空間的な差分を取ること
によって、この課題を解決することができる。図１にお
いて、検波器群２２ａ，２２ｂ，２２ｃと入力可変抵抗
２３ａ，２３ｂ，２３ｃとの間に、微分器や差分器を配
設するのである。あるいは、Ａ／Ｄ変換器とメモリバッ
ファを持ち、ラインまたはフレーム間で、高速差分を遂
行するのである。以上、本発明を実施例にもとづき具体
的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変
更可能なことは言うまでもない。

【００２９】

【発明の効果】周波数帯域分割された受信信号を個別に
検波した後、重み付け加算または色相加算することによ
って、超音波信号の位相干渉によるスペックルの発生を
低減すると共に、生体の伝搬中に被る減衰効果を可視化
し、患者間の個体差や疾患部位と良性部位との間の微小
なコントラスト差を強調して弁別可能ならしむることが
可能となり、超音波診断装置の情報量を大きく拡大する
ことができ、診断能力を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す図。

【図２】本発明の原理を説明する図。

【図３】本発明の第２の実施例を示す図。

【図４】本発明の第３の実施例を示す図。

【図５】本発明の第４の実施例を示す図。

【図６】従来回路構成を示す図。

【図７】生体内の減衰とそれによる受信信号の中心周波
数の深度依存性を示す図。

【符号の説明】

１０配列型超音波探触子１１超音波送波回路１２システム制御部１３前置増幅器群１４整相部１５ダイナミックフィルタ回路１６対数圧縮回路１７ＴＧＣ回路１８検波器１９輪郭強調回路２０ａ，２０ｂ，２０ｃ帯域フィルタ回路群２１ａ，２１ｂ，２１ｃ対数圧縮回路群２２ａ，２２ｂ，２２ｃ検波回路群２３ａ，２３ｂ，２３ｃ入力可変抵抗群２４増幅器２５フィードバック可変抵抗器２６Ａ／Ｄ変換器３０ａ，３０ｂ，３０ｃＡ／Ｄ変換器群３１色相付与回路４０ａ，４０ｂ，４０ｃ参照信号具群４１ａ，４１ｂ，４１ｃ位相シフタ群４２ａ，４２ｂ，４２ｃ乗算器群４３ａ，４３ｂ，４３ｃ高域フィルタ群４４ａ，４４ｂ，４４ｃ検波器群５０画像制御部５５ａ，５５ｂ，５５ｃ周波数解析器５６色相加算器６０ディスプレイ２２０ａマルチプライングＤ／Ａ変換器２２１ａ比較器２２２ａ設定値２２３ａコンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生体内からの超音波信号を処理して、体内
の断層像または血流情報を描画する超音波診断装置にお
いて、受信信号の周波数帯域を分割する手段と、各周波
数帯域毎に個別の信号処理を実施する手段と、並列処理
された各処理出力を重み付け加算する手段とを具備する
ことを特徴とする超音波診断装置。
【請求項２】受信信号の周波数帯域を分割する手段と、
各周波数帯域ごとに対数圧縮・検波処理を行う手段と、
各出力に重み付けを施す手段と、色相加算手段と、該加
算出力を標本化・表示する手段とを具備することを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の超音波診断装置。
【請求項３】受信信号を複数個の周波数帯域フィルタに
分配する手段と、該複数個のフィルタ出力をそれぞれ独
立に対数圧縮・検波処理する手段と、各出力に重み付け
を施す手段と、色相加算手段とを具備することを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の超音波診断装置。
【請求項４】並列処理された各出力より、深度方向に応
じて１または数個の出力を選択して、重み付け加算する
手段とを具備することを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の超音波診断装置。
【請求項５】受信信号を複数個の帯域フィルタに分配す
る手段と、該複数個のフィルタ出力をそれぞれ独立に圧
縮・検波する手段と、該出力を色相加算する手段とを具
備し、該色出力の時間平均値を計測する手段を有し、該
計測値にもとづき、色相加算の各色相の重みを制御する
手段を具備することを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の超音波診断装置。
【請求項６】受信信号を複数個の帯域フィルタに分配す
る手段と、該複数個のフィルタ出力をそれぞれ独立に圧
縮・検波する手段と、該出力を重み付け加算する手段
と、該出力の時間平均値を計測する手段を有し、該計測
値にもとづき、重み付け回路の重みを制御する手段を具
備することを特徴とする特許請求の範囲第１記載の超音
波診断装置。
【請求項７】受信信号を複数個の周波数帯域フィルタに
分配する手段と、該複数個のフィルタ出力をそれぞれ独
立に対数圧縮・検波処理する手段と、各出力の深度方向
差分値を求める手段と、この差分値に対して重み付けを
施す手段または色相加算手段とを具備することを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の超音波診断装置。
【請求項８】受信信号を複数個の帯域フィルタに分配す
る手段として、入力信号と参照信号とを乗算する複数の
手段を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の超音波診断装置。