JPH0975347A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 画像処理による断層面間の相互位置関係の検
出を、わずかな計算量で行えるようにした三次元超音波
診断装置を提供する。 【解決手段】 互いに断層面が交差するように配置され
た超音波探触子１４，１５および角速度センサ２３を用
い、超音波探触子１５による時間的に異なる断層情報と
角速度センサ２３による超音波探触子１５の傾き情報を
変位検出手段３０により処理し、超音波探触子１４の空
間的位置を確定することで超音波探触子１４による断層
面間の相互位置関係を少ない演算利用で検出する。三次
元フレームメモリ１９，輪郭抽出回路２０，三次元ＤＳ
Ｃ２１を利用することでモニタ２２上に被検体のエコー
情報を三次元画像として表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元画像構成を
行うことのできる超音波診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、３次元走査を行う超音波診断装置
で、互いに断層面が交差する２つ以上の超音波探触子を
利用し、画像処理により断層面の空間的移動を検知する
技術が知られている。

【０００３】このような超音波診断装置の例として、本
件発明者らが既に出願済みの特願平６−１８５４１号が
ある。その動作原理を図８と図９に基づいて説明する。
図８は断層面が互いに交差する超音波探触子Ｓの一例を
示したものである。独立した超音波探触子１と超音波探
触子２とを結合器具３を用い、それぞれの振動子１ａ，
２ａの走査する断層面が交差するように配置すること
で、三次元走査を行う。超音波探触子１はｘ−ｙ平面の
走査を、超音波探触子２はｚ−ｘ平面の走査を行う。

【０００４】例えば、図９（ａ）に示すように生体内に
三角柱状の物体４があり、探触子Ｓを矢印Ａ〜Ｃのよう
に走査した場合、超音波探触子１がスキャンするイメー
ジは図９（ｂ）に５，６，７で示すように変化し、超音
波探触子２がスキャンするイメージは図９（ｃ）に８，
９，１０で示すように変化する。

【０００５】このイメージの変化をとらえ、探触子の空
間的移動量に置き換えることで超音波探触子の空間的移
動を検出することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図５に
示すようなイメージが回転する場合も含めて、画像情報
のみで位置関係を検出しているため、パターンマッチン
グの際に画像の平行移動処理に加えて回転処理を行う必
要があり、計算量が多くなるという問題点がある。

【０００７】本発明は上記の回転処理を必要とせず、僅
かな計算量で空間的移動を検出することと、３次元画像
構成を行える超音波診断装置を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の超音波診
断装置は、互いに断層面が交差する少なくとも二断層面
を有する超音波探触子と、超音波探触子の傾きの変化を
検出する１つ以上の角速度センサと、角速度センサの情
報および超音波探触子の一方の断層面から得られた情報
をもとに他方の断層面の空間的移動を検出する変位検出
手段とを設けたことを特徴とする。

【０００９】したがって、２つの断層面を有する超音波
探触子と超音波探触子の傾きの変化を検出する角速度セ
ンサを利用して被検体に対する超音波探触子の位置を検
出する僅かな計算量で断層面間の空間的位置関係を検出
する。

【００１０】請求項２記載の超音波診断装置は、請求項
１において、空間的移動の情報と断層面から得られた複
数の断層像をもとに三次元像を構成したことを特徴とす
る。２つの断層面を有する超音波探触子と超音波探触子
の傾きの変化を検出する角速度センサを利用して被検体
に対する超音波探触子の位置を検出するので、わずかな
計算量で断層面間の空間的位置関係を検出でき、３次元
画像表示が可能な超音波診断装置を実現する。

【００１１】請求項３記載の超音波診断装置は、請求項
１，請求項２において、超音波探触子および角速度セン
サを、２つ以上の超音波探触子と１つ以上の角速度セン
サとを着脱可能に結合して構成したことを特徴とし、２
つ以上の超音波探触子を結合して３次元画像を得る場合
と、２つ以上の超音波探触子を分離してそのうちの一つ
を使用して２次元画像を得る場合とに使い分けができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図７に基づいて説明する。図１は本発明の超音波診断
装置を示す。

【００１３】送信回路１１は切替器１２を介して２つの
超音波探触子１４，１５にケーブルにより接続されてい
る。切替器１２は三次元表示コントロール部１３によっ
て制御されている。

【００１４】２つの超音波探触子１４，１５と角速度セ
ンサ２３は図２に示す超音波探触子２８で構成されてい
る。超音波探触子２８は、独立した超音波探触子１４，
１５を結合器具２６を用い、それぞれの振動子１４ａと
１５ａの走査する断層面が交差するように配置されてお
り、超音波探触子１５には角速度センサ２３が備えられ
ている。結合器具２６を取り外すことによって超音波探
触子１４，１５を分離して使用できる。超音波探触子１
４の振動子１４ａはｘ−ｙ平面の走査を行い、超音波探
触子１５の振動子１５ａはｚ−ｘ平面の走査を行う。

【００１５】超音波探触子１４，１５からの信号は、切
替器１２と超音波探触子１４，１５をつなぐ前記ケーブ
ルにより受信回路１６に入り、その出力はＡ／Ｄコンバ
ータ１７に入る。Ａ／Ｄコンバータ１７の出力はメモリ
選択器１８に入る。

【００１６】メモリ選択器１８は三次元表示コントロー
ル部１３によって制御されており、このメモリ選択器１
８の出力は、三次元フレームメモリ１９，変位検出ブロ
ック３０の移動検出フレームメモリ３１，３２に入力さ
れる。

【００１７】三次元フレームメモリ１９には、メモリ選
択器１８の出力だけでなく三次元表示コントロール部１
３の制御信号が入力されており、三次元フレームメモリ
１９の出力は輪郭抽出回路２０を介して三次元ディジタ
ルスキャンコンバータ〔以下、三次元ＤＳＣと称す〕２
１に入力される。

【００１８】三次元ＤＳＣ２１には、輪郭抽出回路２０
の出力だけでなく三次元表示コントロール部１３の制御
信号が入力されており、三次元ＤＳＣ２１の出力はモニ
タ２２に接続される。

【００１９】変位検出ブロック３０は、移動検出フレー
ムメモリ３１，３２と角度演算器３３，３４と相関演算
器３５、および変位演算回路３６により構成されてい
る。角度演算器３３の出力は移動検出フレームメモリ３
１に接続され、角度演算器３４の出力は移動検出フレー
ムメモリ３２に接続されている。

【００２０】移動検出フレームメモリ３１，３２の出力
は、それぞれ相関演算器３５に接続されている。相関演
算器３５の出力は変位演算回路３６に入力され、変位演
算回路３６の出力は三次元表示コントロール部１３に入
力されている。

【００２１】一方、角速度センサ２３により検出された
角速度の情報は、角度検出回路２４を介して切替器２５
に入力され、切替器２５の出力は角度演算器３３，３４
に入力される。

【００２２】以上の構成について、その動作とともにさ
らに詳細に説明する。送信回路１１は送信パルスの発生
と送信ビームのフォーカシングを行うもので、切替器１
２は三次元表示コントロール部１３の信号により送信回
路１１からの送信パルスを超音波探触子１４に出力する
か、または超音波探触子１５に出力するかを選択してい
る。

【００２３】超音波探触子１４は電気信号と超音波の変
換を行う装置であり、切替器１２からの電気的なパルス
波を超音波に変換して被検体内に送信し、体内情報であ
るエコーを受信し、電気的な信号に変換して受信回路１
６に送る。

【００２４】超音波探触子１５もまた超音波探触子１４
と同様に、切替器１２を経由した送信回路１１の電気的
なパルス波を超音波に変換して被検体内に送信し、受信
エコーを受信回路１６に送る装置であるが、超音波探触
子１５は超音波探触子１４に対し互いに断層面が交差す
るよう配置されているため、超音波探触子１４とは交差
する断層面を常にスキャンする。

【００２５】なお、超音波探触子１４，１５と角速度セ
ンサ２３としては図２に示す超音波探触子２８を使用し
ているが、図３に示す超音波探触子２９を使用すること
もできる。超音波探触子２９は超音波探触子１４，１５
のそれぞれの振動子１４ｂ，１５ｂが直交するように組
み合わせ、角速度センサ２３を超音波探触子１５に設け
られている。振動子１４ｂはｘ−ｙ平面の走査を行い、
振動子１５ｂはｚ−ｘ平面の走査を行う。

【００２６】超音波探触子１５に設けられた角速度セン
サ２３は、ｚ−ｘ平面内における超音波探触子１５の角
度変化を検出するためのものであり、例えば圧電振動子
を利用した音片型または音叉型圧電振動ジャイロが考え
られる。

【００２７】図４は音片型圧電振動ジャイロの例を示し
たものである。駆動用圧電磁器４１によって圧電振動子
４１をｘ軸方向に振動させ、その振動子の中心軸（ｙ
軸）に回転角速度Ωが加わると、もとの振動に対し直角
方向（ｚ軸）にコリオリ力が生じる。このコリオリ力を
駆動用圧電磁器４１とは直角方向に設けられた検出用圧
電磁器４２により回転角速度Ωに対応した出力電圧とし
て取り出すことができる。

【００２８】角度検出回路２４では、角速度センサ２３
の出力電圧を時間に対して積分し回転角に変換する回路
であり、超音波探触子１５が走査する断層面（ｚ−ｘ
面）の回転角を計測することができる。

【００２９】受信回路１６は入力を遅延合成して位相を
揃え、包絡線検波を行い出力する装置で、超音波探触子
１４または超音波探触子１５からの受信エコー信号を遅
延合成、包絡線検波し、Ａ／Ｄコンバータ１７に送出す
る。

【００３０】Ａ／Ｄコンバータ１７は、受信回路１６の
アナログ出力をディジタル信号に変換してメモリ選択器
１８に送る。メモリ選択器１８は入力された信号をどの
メモリに格納するかが三次元表示コントロール部１３の
制御信号に基づいてコントロールされており、Ａ／Ｄコ
ンバータ１７からの信号を三次元フレームメモリ１９、
または変位検出ブロック３０内の移動検出フレームメモ
リ３１、または移動検出フレームメモリ３２のいずれか
に送出する。

【００３１】三次元フレームメモリ１９は、超音波探触
子１４，１５を手動操作により被検体表面を平行移動あ
るいは断層面をあおるような動作を行う場合、時間的に
異なる各断層面を記録するためにあり、三次元画像を構
成するもとになる被検体の断層像（以下、主断層像と呼
ぶ）を順次に格納する。このため三次元フレームメモリ
１９のサイズは複数の断層面を記憶できるよう十分に大
きい。

【００３２】移動検出フレームメモリ３１，移動検出フ
レームメモリ３２は、それぞれ三次元フレームメモリ１
９に記録される断層面とは交差する探触子からの情報
（以下、副断層像と呼ぶ）を格納するもので、これら移
動検出フレームメモリ３１，３２のサイズはそれぞれ１
フレームを格納できるサイズを持ち、これらは常に上書
きされていく。

【００３３】一例として図２で示した超音波探触子２８
を用い、超音波探触子１４を画像構成を行う主断層像用
として使い、超音波探触子１５を位置検出を行う副断層
像用として使う場合について説明する。

【００３４】この場合、主断層（ｘ−ｙ平面）を走査す
る超音波探触子１４の画像は、三次元フレームメモリ１
９に順次格納・蓄積され、副断層（ｚ−ｘ平面）を走査
する超音波探触子１５の画像は移動検出フレームメモリ
３１，３２に交互に格納される。また、超音波探触子１
５に設けられた角速度センサ２３の出力は角度検出回路
２４により角速度から角度情報に変換され、切替器２５
に接続される。切替器２５は角度検出回路２４の出力を
変位検出ブロック３０内の角度演算器３３，３４どちら
に接続するかを切り替えるものであり、そのコントロー
ルは三次元表示コントロール部１３により行われる。

【００３５】図５の（ａ）に示すように、生体内に三角
柱状の物体４３があると想定し、超音波探触子２８を
Ａ，Ｂ，Ｃの３段階に上方から斜め下方に手動走査によ
り移動させて物体４３をエコーを画像化する場合、超音
波探触子１５はｚ−ｘ平面内を移動するものとする。図
５の（ｂ）に示す画面４４，４５，４６はＡ〜Ｃ段階に
おける主断層像のイメージ、図５の（ｃ）に示す画面４
７，４８，は同じくＡ〜Ｃ段階における副断層像のイメ
ージであって、副断層像の三角形状のエコーが相対的に
移動していくのが分かる。

【００３６】このＡ〜Ｃ段階の走査における切替器１
２、メモリ選択器１８、切替器２５の接続状態を図６と
下記の表１に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】このように切替器１２，メモリ選択器１
８，切替器２５を切り替えると、三次元フレームメモリ
１９には、時間的に異なる主断層像４４，４５，４６が
格納され、移動検出フレームメモリ３１，３２には互い
に１フレーム時間的に異なる副断層像が順次、格納され
る。

【００３９】すなわち、時刻ｔ４においては移動検出フ
レームメモリ３１，３２にはそれぞれ画面４７，４８が
格納され、時刻ｔ５においてはそれぞれ画面４９，４８
が格納される。

【００４０】一方、角速度センサ２３からの出力は時刻
ｔ０〜ｔ２の間、角度検出回路２４により積分される。
積分された結果は時刻ｔ２において角度演算器３３に取
り込まれる。時刻ｔ４においてはｔ２〜ｔ４の間に積分
された結果が角度演算器３４に取り込まれ、時刻ｔ６に
おいてはｔ４〜ｔ６の間に積分された結果が角度演算器
３３に取り込まれる。

【００４１】次に、変位検出ブロック３０が超音波探触
子２８の空間的変位を検出する方法について詳細に説明
する。時刻ｔ６において、移動検出フレームメモリ３１
には画面４９が、移動検出フレームメモリ３２には画面
４８が、角度演算器３３には時刻ｔ６における画面４９
の傾き情報が、角度演算器３４には時刻ｔ４における画
面４８の傾き情報が、格納されている。

【００４２】角度演算器３３は、角度検出回路２４によ
り時間積分された角度情報を記憶するとともに移動検出
フレームメモリ３１に対するアドレス制御を司る装置
で、メモリ選択器１８のデータの書き込みアドレスの発
生、および読み出しアドレスの発生を行う。書き込みア
ドレスに対して斜めにスキャンするように読み出しアド
レスを発生させる回路で、例えば、角度検出回路２４の
出力が時刻ｔ６でθならば、図７の（ａ）（ｂ）に示す
ように書き込みのアドレス方向に対して、θだけ傾斜し
た読み出しアドレスを発生させる。

【００４３】角度演算器３４は移動検出フレームメモリ
３２に対して同様の動作を行う。相関演算器３５には角
度演算器３３，３４により角度補正された１フレーム時
間的に異なる２枚の画像が送られる。相関演算器３５
は、２枚の画像間の幾何学的変換関係を求める装置で、
パターンマッチング処理により画像間の平行移動量を求
めるものである。

【００４４】変位演算回路３６は、角度演算器３３，３
４から画面の回転量を得、相関演算器３５より画面の平
行移動量を得る。そしてこれら２つの情報から２フレー
ム間の相対的空間移動量を求める。

【００４５】三次元表示コントロール部１３は変位検出
ブロック３０で求められた超音波探触子２８の空間的移
動量を記憶し、三次元フレームメモリ１９に格納される
主断層像と対応付けていく。

【００４６】このようにして三次元フレームメモリ１９
に複数枚の断層情報が格納された後、この三次元情報を
モニタ２２に表示するように三次元表示コントロール部
１３が適当な読み出しアドレスを発生する。また、三次
元表示コントロール部１３は切替器１２、メモリ選択器
１８、切替器２５を前述した方法でコントロールする。

【００４７】三次元フレームメモリ１９に記録されてい
る主断層像の情報は三次元表示コントロール部１３が発
生する読み出しアドレスに従い、輪郭抽出回路２０に送
られる。輪郭抽出回路２０は主断層像の画像から輪郭情
報を抽出する回路で、このような三次元表示を目的とし
た輪郭抽出法としては、例えば日本超音波医学会講演論
文集（１９９２．１１）第５３９頁〜５４０頁に発表さ
れている。

【００４８】三次元ＤＳＣ２３は三次元表示コントロー
ル部１３からの三次元座標に基づいて、輪郭抽出回路２
０からの画像情報にレンダリングを行い、スキャンコン
バート後、これを再びアナログ信号に変換して標準テレ
ビのタイミングでモニタ２２に出力する。モニタ２２は
ＮＴＳＣ信号を表示する一般のモニタである。

【００４９】なお、この実施の形態では、超音波探触子
１５を主断層像用、超音波探触子１４を副断層像用に使
うこともできる。また、この実施の形態では、リニア型
の超音波探触子を組み合わせたが、フエーズドアレイ型
やコンベックス型、機械操作型、単板振動子型の各種探
触子など、同じ型を組み合わせる場合、あるいは異なる
型を組み合わせる場合にも適用できる。

【００５０】この実施の形態では、２つの探触子を直交
するように組み合わせたが、直角に交わらないような配
置を行った場合にも適用できる。この実施の形態では、
角速度センサ１つ利用した場合について説明したが２つ
以上の角速度センサを利用した場合にも適用できる。

【００５１】この実施の形態では、被検体内の反射エコ
ー強度に応じて臓器あるいは胎児の形状を表示する場合
について述べたが、反射エコーのドプラ偏移周波数に対
応して血流の速さを計測、色相で表示するカラードプラ
型の断層像を観測したい場合についても適用できる。

【００５２】この実施の形態では、三次元像を構成する
方法について説明したが、単に断層面間の空間的移動量
を明らかにすることだけでも被検体に関する三次元的な
情報を得ることができる。

【００５３】以上のように、交差する二断層面の体内情
報を取得できるよう超音波探触子を配置し、断層面の傾
きを検出する角速度センサと変位検出ブロックを設けた
のでわずかな計算量で断層面間の空間的位置を検出で
き、三次元画像表示を行うことができる。

【００５４】

【発明の効果】請求項１の構成によると、互いに断層面
が交差する少なくとも二断層面を有する超音波探触子
と、超音波探触子の傾きの変化を検出する１つ以上の角
速度センサと、角速度センサの情報および超音波探触子
の一方の断層面から得られた情報をもとに他方の断層面
の空間的移動を検出する変位検出手段とを設けたので、
わずかな計算量で断層面間の空間的位置を検出できる超
音波診断装置を実現できる。

【００５５】請求項２の構成によると、交差する二断層
面の体内情報を取得できるよう超音波探触子を配置し、
断層面の傾きを検出する角速度センサと変位検出ブロッ
クを設けたたのでわずかな計算量で、高精度の位置検出
を行い三次元画像表示を行う超音波診断装置を実現する
ことができる。

【００５６】請求項３の発明によれば超音波探触子およ
び角速度センサが着脱可能な機械的手段により２つ以上
の超音波探触子と１つ以上の角速度センサから構成され
るので、２つ以上の超音波探触子を結合して３次元画像
を得る場合と、２つ以上の超音波探触子を分離してその
うちの一つを使用して２次元画像を得る場合とに使い分
けができ、断層面間の相互位置関係を高精度に検出でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波診断装置のブロック図であ
る。

【図２】同装置における超音波探触子の斜視図である。

【図３】超音波探触子の別の構成例を示す斜視図であ
る。

【図４】同装置における角速度センサの斜視図である。

【図５】同装置における動作を示す模式図である。

【図６】同装置における切替器１２、メモリ選択器１
８、切替器２５の接続状態を示す状態図である。

【図７】同装置における移動検出フレームメモリ３１、
３２に発生させるアドレス発生方向の説明図である。

【図８】従来例における超音波探触子の構造図である。

【図９】従来例における超音波診断装置の動作を示す模
式図である。

【符号の説明】

１１ 送信回路 １２ 切替器 １３ 三次元表示コントロール部 １４，１５ 超音波探触子 １６ 受信回路 １７ Ａ／Ｄコンバータ １８ メモリ選択器 １９ 三次元フレームメモリ ２０ 輪郭抽出回路 ２１ 三次元ＤＳＣ ２２ モニタ ２３ 角速度センサ ２４ 角度検出回路 ２５ 切替器 ２６ 結合器具 ２８，２９ 超音波探触子 ３０ 変位検出ブロック〔変位検出手段〕 ３１，３２ 移動検出フレームメモリ ３３，３４ 角度演算器 ３５ 相関演算器 ３６ 変位演算回路 ４０ 圧電振動子 ４１ 駆動用圧電磁器 ４２ 検出用圧電磁器 ４３ 生体内に想定した三角柱状物体 ４４〜４９ 画面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西垣 森雄 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに断層面が交差する少なくとも二断層
   面を有する超音波探触子と、 超音波探触子の傾きの変化を検出する１つ以上の角速度
   センサと、 角速度センサの情報および超音波探触子の一方の断層面
   から得られた情報をもとに他方の断層面の空間的移動を
   検出する変位検出手段とを設けた超音波診断装置。
2. 【請求項２】 空間的移動の情報と断層面から得られた
   複数の断層像をもとに三次元像を構成することを特徴と
   する請求項１記載の超音波診断装置。
3. 【請求項３】 超音波探触子および角速度センサを、２
   つ以上の超音波探触子と１つ以上の角速度センサとを着
   脱可能に結合して構成した請求項１，請求項２記載の超
   音波診断装置。