JP3584328B2

JP3584328B2 - 超音波診断装置

Info

Publication number: JP3584328B2
Application number: JP16864795A
Authority: JP
Inventors: 隆一篠村; 裕鱒沢
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1995-07-04
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2015-07-04
Also published as: JPH0919429A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アナログ受波信号をディジタル化するアナログディジタル変換器を用いたディジタル整相において、受波周波数に基づいた遅延、または位相処理を有する整相方式により良好な超音波ビームを得るのに好適な超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置は、複数の超音波振動子により超音波を被検体に送波し、被検体内からの反射波を前記超音波振動子により受波し、増幅して、各振動子からの受波信号を電気的にフォーカスするため焦点からの波面により遅延処理（整相）をして加算し超音波ビームを形成している。また、この受波フォーカス点は多段あるいはダイナミックに時間とともに変えている。ここで反射波は、媒体を通過することにより媒体の音響的な影響を受ける。特に減衰は、通過距離、周波数に依存しており、その値は、人体腹部で０．５−１ｄＢ／ｃｍ／ＭＨｚ程度である。また、受波信号は、帯域を有しており、深いところからの受波信号ほど高周波側の減衰が激しく中心周波数が低周波にずれていく。アナログ整相方式でもこの中心周波数のずれが問題となる方式もあるが、特に受波信号をアナログディジタル変換して整相する場合、整相精度を実現するためにはアナログディジタル変換器のｂｉｔ数が深くかつ高速なものが必要であるため、低速なアナログディジタル変換器により高精度を実現するためディジタル処理を行っており、これらは受波信号の中心周波数に依存するものが多い。
従来の受波周波数に基づいた遅延処理を有するディジタル整相方式は、受波信号に基づいた周波数により遅延データを作成していた。例えば特開平３−２９１５８０号公報に記載されている、９０度サンプルし時間遅延と位相回転により遅延する方法が知られている。また、時間とともに中心周波数を変えて処理する例として、特開昭５８−１６３３４５号公報に記載されている、整相加算後にダイナミックフィルタを実現する構成において畳み込み処理の相手関数を変更する例がある。また、特開昭５８−７３３４３号公報には、９０度サンプルにおいて、サンプリング間隔を、長い伝播距離を有するほど大きくする記載がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、受波信号の減衰による時間的な周波数の低下については考慮しておらず、設定した中心周波数と、実際の中心周波数とのずれにより、深度方向で音響雑音が増加し、良好なビームが得られていなかった。また、ダイナミックフィルタは、電気的に信号対雑音比を向上するものであり、超音波ビーム形成の精度を上げ、音響雑音を低減するものではない。また、９０度サンプルの例では、サンプリング間隔についての記載があるが、位相回転には触れていない。
本発明の目的は、受波信号の時間的（深さに対応する）な中心周波数のずれを考慮し良好なビームを形成することにある。また、他の目的は、受波信号の時間的（深さに対応する）な中心周波数のずれ及び中心周波数が異なっても一定の時間精度を得ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、複数の配列された超音波振動子より被検体に超音波を放射し、該被検体からの反射波を前記超音波振動子により受波し、複数の受波信号を得、該受波信号を複数のアナログディジタル変換器によりそれぞれディジタル信号に変換し、該ディジタル信号に変換された受波信号に複素ミキシング処理をし、差周波成分を遅延処理し位相回転により位相補正をし、得られた各出力を加算し超音波ビームを形成する、超音波診断装置において、前記ディジタル信号に変換された受波信号の中心周波数を求める手段と、前記受波信号の前記中心周波数に基づいてミキシングの周波数を変更する手段と、前記受波信号の前記中心周波数に基づいて位相補正値を変更する手段とを具備し、前記受波信号の前記中心周波数に基づき、前記ミキシングの周波数及び前記位相補正値を変更し、複数用意されている周波数から選択して前記ミキシングの周波数を変更することに特徴がある（第２の実施例、図２参照）。
また、請求項２記載の発明は、複数の配列された超音波振動子より被検体に超音波を放射し、該被検体からの反射波を前記超音波振動子により受波し、複数の受波信号を得、該受波信号を複数のアナログディジタル変換器によりそれぞれディジタル信号に変換し、該ディジタル信号を遅延処理し微小遅延の補間をサンプリング関数と畳み込み処理によって行い超音波ビームを形成する、超音波診断装置において、前記ディジタル信号に変換された受波信号の中心周波数を求める手段を有し、前記アナログディジタル変換器のサンプリング周波数を、前記受波信号の前記中心周波数の整数倍に設定し、前記アナログディジタル変換器のサンプリング周期をＴ、前記微小遅延の遅延精度をΔτとするとき、前記微小遅延の補間に用いる点数がＮ＝Ｔ／Δτであることに特徴がある（第４の実施例、図４，図５参照）。
【０００５】
【作用】
本発明においては、複数の配列超音波振動子により、フォーカス点からの波面到達時間差をもって受波された受波信号は、増幅器により増幅された後アナログディジタル変換器によりディジタル化される。さらに各受波信号は遅延部にて遅延され加算器にて加算され超音波ビームを形成する。特に、受波信号の中心周波数を求める手段を有し、受波信号の中心周波数に基づいた遅延または位相処理を、随時または受波フォーカス段毎に検知した前記中心周波数により制御する。そして、深さにより時間とともに変化する中心周波数にて整相処理を行い、中心周波数ずれによる影響を解消し、サンプリング周波数を変更して、中心周波数の変動に柔軟に対応し、一定の時間精度が得られるように構成する。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に沿って説明する。
図１に第１の実施例を示す。配列超音波振動子１２は、ｎ個からなり目的とする焦点からの波面到達時間差をもって受波された受波信号は増幅器１３により増幅された後アナログディジタル変換器１（以後ＡＤＣと略す）によりディジタル化される。前記受波信号は遅延部１０により波面を合わせて加算器１１により加算され超音波ビームを形成する。この整相方式には種々あるが、中心周波数に基づいた処理をするものとする。この構成において、受波信号の中心周波数ｆｏを求める手段１５をアナログ信号の時点、例えば（ａ）で行っても良い。または、ディジタルに変換された（ｂ）でもよい。両者共全チャンネルに設けても良いし，あるいは常時使用するチャンネル一つにのみ設けても良い。また、整相加算後の（ｃ）でもできる。ただし、包絡線が出力される方式では、（ａ）か（ｂ）によりなされる。その周波数に基づいて制御部１６よりＡＤＣのサンプリングクロックや、遅延部１０の中心周波数に基づくデータを変更するものである。中心周波数ｆｏをもとめる手段１５は、ゼロクロスによりその周期を求め周波数を求める。または、フーリエ変換等の方法により求めるものである。なお、受波フォーカス点の時間的変動に伴って中心周波数も変化するため、前記手段１５によって受波フォーカス段毎に（あるいは随時）検知した中心周波数を、制御部１６に送り、ここで作成されたフォーカスデータを遅延部１０あるいはＡＤＣ１に送って、遅延／位相処理を行う。
【０００７】
図２に第２の実施例を示す。この方式は、入力受波信号Ｓ（ｔ）をＡＤＣ１のサンプリングクロックｆｓ（ｆｓ≧２ｆｏ：ナイキスト定理）によりディジタル化し、遅延部１０にてミキシング部２によりｃｏｓ（ωｏｔ）（ωｏ：２πｆｏ）ｓｉｎ（ωｏｔ）を乗算し複素信号で周波数移動を行う。その後、累加処理部３（あるいは、低域通過フィルタ、実部、虚部それぞれに有する実部累加処理回路６、虚部累加処理回路８）により和周波を削除し、差周波成分を時間遅延部４（実部、虚部それぞれに有する実部メモリ７、虚部メモリ９）で遅延し、位相回転部５により位相回転して実部信号Ｒ（ｍＴ）、虚部信号Ｉｍ（ｍＴ）を出力するものである。ｋ番目の超音波振動子において、基準素子からの時間差をτｋとすると、受波信号ｆ（ｔ）は、
【数１】

で表される。これに、ωｘの複素信号
【数２】

を乗算し、差周波成分を抽出すると、
【数３】

となる。ここでθ_ｋ＝ωｏτ_ｋである。さらに基準チャネル１との位相差を補正するため、
【数４】

を乗算し、ω_Ｏ−ω_ｘ＝ω_ｍとすると、
【数５】

となる。さらに時間遅延τ_ｋ−τ_１により、ｔ−（τ_ｋ−τ_１）を行い、
【数６】

を得る。ここで、θ_１＝ω_Ｏτ_１である。ここで深さとともに減衰効果で中心周波数がずれてくると、θ_ｍ、ω_Ｘ（τ_ｋ−τ_１）＝φ_ｋがずれる。例えば△ωずれると、ωｍ’＝ωｏ−△ω）＋ω_Ｘとなり、ω_Ｘを修正する必要が生じる。そこで、図１に示した中心周波数をもとめる手段１５（ａ）か１５（ｂ）により求めた中心周波数により、制御部１６−１でミキシングデータ部１８−１，１８−２を変更し、ωｘ’＝△ωとするものである。さらに、制御部１６−２で位相データ部１７−１、１７−２を変更しφ_ｋ’とする。この操作により、常に良好な遅延処理が可能となる。ここで、ミキシングデータ部は、複数周波数用意しておき、選択する。または、あらかじめ、周波数ずれを考慮して時間とともに周波数が低くなるデータとしておく。位相データ部１７−１、１７−２は、２πを必要な精度で分割したデータを有しているので値を選択するだけで良い。これらのデータ部がＲＡＭ等のメモリからなるときはアドレスを変更するものである。
【０００８】
次に、第３の実施例について図３により説明する。本実施例は、ｋ番目の超音波振動子で受波した受波信号ｓ（ｔ）をＡＤＣ１により受波信号の中心周波数の４倍のサンプリング周波数ｆｓディジタル化し、その信号を時間遅延部４によりサンプリング周期Ｔの整数倍の範囲で時間遅延し、読みだし部１９により９０度位相ずれで実部信号、虚部信号として出力し、サンプリング周期以下の遅延を位相回転部５により実現する方法であり、受波信号ｆ（ｔ）は、（１）式で同様に与えられる。ここで９０度サンプルすることにより等価的に
【数７】

となる。サンプリング間隔で量子化された時間遅延τｘ＝ｍ／４ｆｏをし、位相回転ψを行うと、
【数８】

となる。指数部のみ考えると、ψは、
【数９】

となり、中心周波数ｆｏによりずれることがわかる。
従って、９０度サンプルするためのサンプリングクロックを図１に示した中心周波数を求める手段１５（ａ）、１５（ｂ）いずれかにより求め、その値によって、図３における制御部１６−３により変えていく。さらに、位相回転部５において位相データ部１７のデータを前記周波数に基づき制御部１６−４で（９）式のｆｏをｆｏ’にした値を用いることで精度を向上でき良好な超音波ビームが得られる。
【０００９】
次に、第４の実施例について図４により説明する。これは、ｋ番目の超音波振動子で受波した受波信号ｓ（ｔ）をＡＤＣ１によりサンプリング周波数ｆｓでディジタル化し、その信号を時間遅延部４によりサンプリング周期Ｔの整数倍の範囲で時間遅延し、サンプリング周期Ｔより小さい遅延を補間部１４（図中Ｚ￣１は、サンプリング周期での遅延素子を表す）によりサンプリング関数
【数１０】

と畳み込み処理を行うことで補間するものである。図５に基づいて説明を加えると、横軸に時間、縦軸に振幅をとったサンプルされた受波信号を示している。白抜きの丸は、サンプリング周期Ｔでサンプルされたデータ点を示し、黒丸はその間を３点で補間（補間点数Ｎ＝４）できることを示している。例えばサンプリング周期Ｔに対し遅延精度Δτとすると補間点数Ｎ（Ｎ：整数）は、
【数１１】

となる。これに対し、求めたい信号をＳ（ｔｎ）とすると、（１０）式において、Ｎとｎより求めることができる。ここで、ｊが補間部の段数に相当する。この時超音波ビームの性能を決める時間精度は、受波信号の中心周波数に比例して決まり、例えば、中心周波数ｆｏの受波信号が図５の実線であり、サンプリング周波数が４ｆｏであり、Ｎ＝４、段数２としていたとする。つまり、１／１６波長精度である。この受波信号の中心周波数ｆｏを破線のように変化させ、それをｆｏ’とした場合、サンプリング周波数４ｆｏを変化後の４ｆｏ’にすることで相似となり、係数（ｎ／Ｎ）を変えずに同じ時間精度を実現できる。従って、図１に示した中心周波数を求める手段１５（ａ）〜（ｃ）いずれかにより求めた中心周波数により、制御部１６−５によって、サンプリング周波数ｆｓを４ｆｏ’にするものである。
【００１０】
また、サンプリング周波数を固定のまま処理する場合は、図６のように補間点数Ｎを変えることで同じ精度を実現できる。（１０）式より明らかなように、係数（ｎ／Ｎ）が異なってくる。従って図７に示すように、図１に示した中心周波数をもとめる手段１５（ａ）〜（ｃ）いずれかにより求めた中心周波数により、制御部１６−６によりあらかじめ用意した係数値を選択し、時間とともに、あるいは超音波振動子の受波信号の中心周波数の変動による影響をなくすものである。
なお、上記実施例では、受波信号をディジタル化した例について述べたが、アナログサンプルする場合、アナログ信号のまま処理する場合、及び、アナログ処理後にディジタル処理する場合でも同様である。また、受波信号をアナログミキシングしてからアナログ処理、あるいはディジタル処理する場合も同様である。
【００１１】
【発明の効果】
本発明は、受波信号の中心周波数を求める手段を有し、前記受波信号の中心周波数に基づいた遅延または位相処理を随時、または受波フォーカス段毎に検知した前記中心周波数により制御することにより、深さにより時間とともに変化する中心周波数で整相処理することができ、中心周波数ずれによる超音波ビームへの影響が解消され、良好なビームが全深度で得られる。また、サンプリング周波数を変えることにより中心周波数の変動に対し、一定の時間精度となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における超音波診断装置の要部を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施例における超音波診断装置の要部を示す構成図である。
【図３】本発明の第３の実施例における超音波診断装置の要部を示す構成図である。
【図４】本発明の第４の実施例における超音波診断装置の要部を示す構成図である。
【図５】本発明の第４の実施例における中心周波数の設定方法を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施例における中心周波数の設定方法を示す図である。
【図７】本発明の第５の実施例における超音波診断装置の要部を示す構成図である。
【符号の説明】
１…ＡＤＣ（アナログディジタル変換器）、２…ミキシング部、３…累加処理部、４…時間遅延部、５…位相回転部、６…実部累加処理回路、７…実部メモリ、８…虚部累加処理回路、９…虚部メモリ、１０…遅延部、１１…加算部、１２…配列超音波振動子、１３…増幅器、１４…補間部、１５（ａ）〜１５（ｃ）…中心周波数を求める手段、１６，１６−１〜１６−６…制御部、１７，１７−１，１７−２…位相データ部、１８−１，１８−２…ミキシングデータ部、１９…読み出し部。

Claims

複数の配列された超音波振動子より被検体に超音波を放射し、該被検体からの反射波を前記超音波振動子により受波し、複数の受波信号を得、該受波信号を複数のアナログディジタル変換器によりそれぞれディジタル信号に変換し、該ディジタル信号に変換された受波信号に複素ミキシング処理をし、差周波成分を遅延処理し位相回転により位相補正をし、得られた各出力を加算し超音波ビームを形成する、超音波診断装置において、
前記ディジタル信号に変換された受波信号の中心周波数を求める手段と、前記受波信号の前記中心周波数に基づいてミキシングの周波数を変更する手段と、前記受波信号の前記中心周波数に基づいて位相補正値を変更する手段とを具備し、前記受波信号の前記中心周波数に基づき、前記ミキシングの周波数及び前記位相補正値を変更し、複数用意されている周波数から選択して前記ミキシングの周波数を変更することを特徴とする超音波診断装置。
複数の配列された超音波振動子より被検体に超音波を放射し、該被検体からの反射波を前記超音波振動子により受波し、複数の受波信号を得、該受波信号を複数のアナログディジタル変換器によりそれぞれディジタル信号に変換し、該ディジタル信号を遅延処理し微小遅延の補間をサンプリング関数と畳み込み処理によって行い超音波ビームを形成する、超音波診断装置において、
前記ディジタル信号に変換された受波信号の中心周波数を求める手段を有し、前記アナログディジタル変換器のサンプリング周波数を、前記受波信号の前記中心周波数の整数倍に設定し、前記アナログディジタル変換器のサンプリング周期をＴ、前記微小遅延の遅延精度をΔτとするとき、前記微小遅延の補間に用いる点数がＮ＝Ｔ／Δτであることを特徴とする超音波診断装置。