JP4083872B2 - 超音波撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波撮像方法および装置並びにスペーサに関し、特に、被検体内での超音波伝播の非線形効果を利用して撮像を行なう超音波撮像方法および装置、並びに、超音波伝播の非線形効果を利用して撮像を行なうためのスペーサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
被検体内での超音波伝播の非線形効果を利用して撮像を行なう超音波撮像装置は、パラメトリックソーナー(parametric sonar)として知られている。この装置では、被検体内に超音波を送波したときに、体内での超音波伝播の非線形性により発生する２次や３次の高調波エコーを利用して撮像を行なう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
非線形効果は、超音波ビームの瞬時音圧が上昇するいわゆる焦点以降の領域で発現するので、一般に焦点よりも手前になる被検体の体表およりそれに近い浅部については高調波エコーによる撮像ができないという問題があった。
【０００４】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、被検体の浅部についても高調波エコーによる撮像が可能な超音波撮像方法および装置並びにスペーサを実現することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）上記の課題を解決する第１の発明は、被検体に超音波を送波し前記被検体内での非線形効果による高調波エコーに基づいて画像を生成する超音波撮像方法であって、前記被検体への超音波の送波を音響伝播媒体からなるスペーサを介して行なう、ことを特徴とする超音波撮像方法である。
【０００６】
（２）上記の課題を解決する第２の発明は、被検体に超音波を送波し前記被検体内での非線形効果による高調波エコーに基づいて画像を生成する超音波撮像装置であって、前記被検体への超音波の送波経路に設けられた音響伝播媒体からなるスペーサ、を具備することを特徴とする超音波撮像装置である。
【０００７】
第１の発明または第２の発明において、前記音響伝播媒体はＢ／Ａ値が水より大きいものであることが、非線形効果の発現が容易な点で好ましい。
この場合、前記音響伝播媒体は油であることが、適切なＢ／Ａ値を得る点で好ましい。
【０００８】
また、第１の発明または第２の発明において、前記超音波は長距離集束ビームであることが、非線形効果の発現距離が長い点で好ましい。
この場合、長距離集束ビームはベッセルビームであることが、ビームの長距離集束性が良い点で好ましい。
【０００９】
（３）上記の課題を解決する第３の発明は、中空の筒部材と、前記筒部材の両端の開口部を封止する音響学的に実質的に透明な膜部材と、前記筒部材および前記膜部材で囲まれた空間を満たすＢ／Ａ値が水のＢ／Ａ値より大きい音響伝播媒体と、を具備することを特徴とするスペーサである。
【００１０】
第３の発明において、前記音響伝播媒体は油であることが、適切なＢ／Ａ値を得る点で好ましい。
（作用）
本発明では、音響伝播媒体からなるスペーサにより被検体の体表までの送波超音波の伝播距離を長くし、非線形効果を被検体の浅部で発現可能にする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置のブロック(block) 図を示す。本装置は、本発明の実施の形態の一例である。本装置の構成によって、本発明の装置に関する実施の形態の一例が示される。本装置の動作によって、本発明の方法に関する実施の形態の一例が示される。
【００１２】
本装置の構成を説明する。図１に示すように、本装置は、超音波プローブ(probe) ２を有する。超音波プローブ２は、スタンドオフ(stand-off) ３０を介して被検体４に当接されて超音波の送受波に使用される。スタンドオフ３０は、本発明におけるスペーサの実施の形態の一例である。
【００１３】
超音波プローブ２は、図示しない超音波トランスデューサアレイ(transducer array)を有する。超音波トランスデューサアレイは、複数の超音波トランスデューサをアレイ状に配列して構成される。個々の超音波トランスデューサは、例えばＰＺＴ（チタン(Ti)酸ジルコン(Zr)酸鉛）セラミックス(ceramics)等の圧電材料で構成される
スタンドオフ３０は、例えば、プラスチック(plastics)等の音響学的に実質的に透明な物質からなる容器に、油等の音響伝播媒体を満たして構成される。これによって、スタンドオフ３０は、超音波プローブ２を被検体４の表面に所定の距離を隔てて対面させるとともに、両者を音響伝播媒体により音響的に結合するものとなる。
【００１４】
具体的には、スタンドオフ３０は、例えば図２に示すように、断面形状が概ね長方形の中空の筒体３０２と、その両端の開口部を封止する音響学的に実質的に透明で伸縮可能な膜３０４，３０６とからなる容器に、油を充満させたものとして構成される。筒体３０２の内壁に吸音材を設けることが、内壁からの超音波の反射を無くす点で好ましい。
【００１５】
筒体３０２は、本発明における筒部材の実施の形態の一例である。膜３０４，３０６は、本発明における膜部材の実施の形態の一例である。油は本発明における音響伝播媒体の実施の形態の一例である。
【００１６】
このようなスタンドオフ３０を、膜３０４，３０６のうちの一方を被検体４に当接し、他方に超音波プローブ２を当接して使用する。膜３０４，３０６が伸縮可能でかつ内側が油で満ちていることにより、スタンドオフ３０の両当接部は被検体４および超音波プローブ２の表面にそれぞれよく馴染むものとなる。
【００１７】
音響伝播媒体として油を用いることは、音響伝播の非線形性を表すいわゆるＢ／Ａ(B over A)の値が油は水の２倍以上であり、非線形効果が発現し易い点で好ましい。勿論、非線形効果がやや弱いことを許容するなら、油の代わりに水を用いることも可能である。
【００１８】
超音波プローブ２は送受信部６に接続されている。送受信部６は、超音波プローブ２に駆動信号を与えて、超音波を送波させるようになっている。送受信部６は、また、超音波プローブ２が受波したエコーを受信するようになっている。
【００１９】
送受信部６のブロック図を図３に示す。同図において、送波タイミング(timing)発生回路６０２は、送波タイミング信号を周期的に発生して送波ビームフォーマ(beamformer)６０４に入力するようになっている。
【００２０】
送波ビームフォーマ６０４は、送波タイミング信号に基づいて、送波ビームフォーミング(beamforming) 信号、すなわち、超音波トランスデューサアレイ中の送波アパーチャ(aperture)を構成する複数の超音波トランスデューサを時間差をもって駆動する複数の駆動信号を発生し、送受切換回路６０６に入力するようになっている。
【００２１】
送受切換回路６０６は、複数の駆動信号を超音波トランスデューサアレイに入力するようになっている。アレイ中の送波アパーチャを構成する複数の超音波トランスデューサは、複数の駆動信号の時間差に対応した位相差を持つ複数の超音波をぞれぞれ発生する。それら超音波の波面合成により超音波ビームが形成される。
【００２２】
超音波ビームの送波は、送波タイミング発生回路６０２が発生する送波タイミング信号により、所定の時間間隔で繰り返し行われる。超音波ビームの方位は送波ビームフォーマ６０４によって順次変更される。それによって、被検体４の内部が、超音波ビームが形成する音線によって走査される。すなわち被検体４の内部が音線順次で走査される。
【００２３】
送受切換回路６０６は、超音波トランスデューサアレイ中の受波アパーチャが受波した複数のエコー信号を受波ビームフォーマ６１０に入力するようになっている。受波ビームフォーマ６１０は、複数の受波エコーに時間差を付与して位相を調整し次いでそれら加算して、音線に沿ったエコー受信信号の形成、すなわち、受波のビームフォーミングを行なうようになっている。受波ビームフォーマ６１０により、受波の音線も送波に合わせて走査される。以上の、送波タイミング発生回路６０２乃至受波ビームフォーマ６１０は、後述の制御部１８によって制御されるようになっている。
【００２４】
このような構成の送受信部６は、例えば図４に示すような走査を行なう。すなわち、放射点２００からｚ方向に延びる超音波ビーム（音線）２０２が扇状の２次元領域２０６をθ方向に走査し、いわゆるセクタスキャン(sector scan) を行なう。
【００２５】
送波および受波のアパーチャを超音波トランスデューサアレイの一部を用いて形成するときは、このアパーチャをアレイに沿って順次移動させることにより、例えば図５に示すような走査を行なうことができる。すなわち、放射点２００からｚ方向に発する音線２０２を直線状の軌跡２０４に沿って平行移動させることにより、矩形状の２次元領域２０６がｘ方向に走査され、いわゆるリニアスキャン(linear scan) が行なわれる。
【００２６】
なお、超音波トランスデューサアレイが、超音波送波方向に張り出した円弧に沿って形成されたいわゆるコンベックスアレイ(convex array)である場合は、リニアスキャンと同様な音線操作により、例えば図６に示すように、音線２０２の放射点２００を円弧状の軌跡２０４に沿って移動させ、扇面状の２次元領域２０６をθ方向に走査して、いわゆるコンベクススキャンが行なえるのは言うまでもない。
【００２７】
送受信部６はＢモード(mode)処理部１０に接続され、各音線毎のエコー受信信号をＢモード処理部１０に入力するようになっている。Ｂモード処理部１０はＢモード画像データ(data)を形成するものである。Ｂモード処理部１０は、例えば図７に示すように基本波処理部１１０および高調波処理部１３０を備えている。基本波処理部１１０および高調波処理部１３０には、受波ビームフォーマ６１０の出力信号が共通に入力される。
【００２８】
基本波処理部１１０は、基本波エコーすなわち送波超音波の中心周波数と同じ周波数を持つエコー受信信号を通過させる図示しないフィルタ(filter)を有する。高調波処理部１３０は、高調波エコーすなわち送波超音波の中心周波数の例えば２次の高調波（第２高調波）と同じ周波数を持つエコー受信信号を通過させる図示しないフィルタを有する。なお、このフィルタは、必要に応じて３次またはそれ以上の高次の高調波に対応するものとしても良いのは勿論である。
【００２９】
基本波処理部１１０は、入力信号につき、基本波エコーを対数増幅および包絡線検波することにより、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号すなわちＡスコープ(scope) 信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっている。すなわち基本波処理部１１０は基本波エコーに基づくＢモード画像データを生成する。
【００３０】
高調波処理部１３０は、入力信号につき、第２高調波エコーを対数増幅および包絡線検波することにより、音線上の個々の反射点でのエコーの強度を表す信号すなわちＡスコープ信号を得て、このＡスコープ信号の各瞬時の振幅をそれぞれ輝度値として、Ｂモード画像データを形成するようになっている。すなわち高調波処理部１３０は、第２高調波エコーに基づくＢモード画像データをそれぞれ生成する。
【００３１】
Ｂモード処理部１０は画像処理部１４に接続されている。画像処理部１４は、Ｂモード処理部１０から入力される複数系統のＢモード画像データに基づいて複数のＢモード画像をそれぞれ生成するものである。
【００３２】
画像処理部１４は、図８に示すように、バス(bus) １４０によって接続された音線データメモリ(data memory) １４２、ディジタル・スキャンコンバータ(digital scan converter)１４４、画像メモリ１４６および画像処理プロセッサ(processor) １４８を備えている。
【００３３】
Ｂモード処理部１０から音線毎に入力された基本波エコーおよび第２高調波エコーによるＢモード画像データは、音線データメモリ１４２にそれぞれ記憶される。音線データメモリ１４２内にはそれぞれの音線データ空間が形成される。
【００３４】
ディジタル・スキャンコンバータ１４４は、走査変換により音線データ空間のデータを物理空間のデータに変換するものである。ディジタル・スキャンコンバータ１４４によって変換された画像データは、画像メモリ１４６に記憶される。すなわち、画像メモリ１４６は物理空間の画像データを記憶する。画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２および画像メモリ１４６のデータについてそれぞれ所定のデータ処理を施す。
【００３５】
画像処理部１４には表示部１６が接続されている。表示部１６は、画像処理部１４から画像信号が与えられ、それに基づいて画像を表示するようになっている。表示部１６は、例えばカラー（color)画像が表示可能なグラフィックディスプレー(graphic display) 等によって構成される。
【００３６】
以上の送受信部６、Ｂモード処理部１０、画像処理部１４および表示部１６は制御部１８に接続されている。制御部１８は、それら各部に制御信号を与えてその動作を制御するようになっている。また、制御部１８には、被制御の各部から各種の報知信号が入力されるようになっている。制御部１８による制御の下で、超音波撮像が遂行される。
【００３７】
制御部１８には操作部２０が接続されている。操作部２０は操作者によって操作され、制御部１８に所望の指令や情報を入力するようになっている。操作部２０は、例えばキーボード(keyboard)やその他の操作具を備えた操作パネル(panel) で構成される。
【００３８】
本装置の動作を説明する。操作者は、超音波プローブ２をスタンドオフ３０を介して被検体４の所望の個所に当接し、操作部２０を操作して撮像を行う。撮像は、制御部１８による制御の下で遂行される。
【００３９】
撮像は、例えば図４に示したようなセクタスキャンにより、各音線ごとに超音波ビームを送波し、そのエコーを受信し、エコー受信信号に基づいてＢモード画像を生成する。勿論、図５および図６に示したリニアスキャンおよびコンベックススキャンを行なうようにしても良い。
【００４０】
このようなスキャンが行なわれる音場において、被検体４の体表は、スタンドオフ３０を介在させた分だけ超音波プローブ２の超音波放射面から遠い距離にある。これにより、被検体４の体表に到る非線形性を有する超音波伝播距離が長くなり、超音波ビームの焦点領域、すなわち、非線形効果が発現する領域を体表付近から始まるようにすることができ、被検体４の極く浅部からも高調波エコーを得ることができる。
【００４１】
各音線のエコー受信信号に基づき、Ｂモード処理部１０でＢモード画像データが形成される。Ｂモード画像データは、基本波エコーに基づくものと第２高調波エコーに基づくものとがそれぞれ形成され、画像処理部１４の音線データメモリ１４２に記憶される。
【００４２】
画像処理プロセッサ１４８は、音線データメモリ１４２の複数系統のＢモード画像データを、ディジタル・スキャンコンバータ１４４で走査変換してそれぞれ画像メモリ１４６に書き込む。
【００４３】
操作者は、操作部２０を操作して、これらのＢモード画像を表示部１６に表示させる。そして、表示された基本波エコー像と第２高調波エコー像とを観察し、両画像の比較対照等により診断を行なう。第２高調波エコー像は、被検体の体表から始まる画像を含むので、基本波エコー像との比較対照を行なうのに都合が良い。
【００４４】
このようにスペーサ３０を用いるとき、撮像対象のレンジ(range) が遠くなるので、送波の超音波ビームとしては、長距離集束ビームを利用するのが好ましい。長距離集束ビームの典型例はベッセルビーム(Bessel beam) である。
【００４５】
ベッセルビームについては、例えば文献：山田，多勢，中村，「コニカル形の放射面を用いたベッセルビームトランスジューサ」日本音響学会誌４８巻１２号，ｐｐ．８７１−８７５，１９９２に記載されている。
【００４６】
それによれば、回折の全く生じない波動ビームが理論的に存在し、この波動ビームは、０次の第１種ベッセル関数Ｊ０（Ｊ０関数）で与えられる断面内分布を持ち、中心軸上のどの位置においても同じ分布を保ったまま伝搬する。このような無回折ビームは、本来開口が無限の場合にのみ存在するものであるが、有限の開口面から放射された場合でも、ある程度長い距離範囲にわたり広がらずに伝搬する。
【００４７】
ベッセル形の超音波ビームを放射するトランスデューサ(transducer)としては、圧電セラミック(ceramic) 振動子をＪ０関数の形に対応させて分極した後、これを一様な電圧で駆動するようにしたものや、一様に分極された振動子に設けた電極を同心リング状に分割し、各電極への印加電圧をＪ０関数の形に応じて変えるようにしたものがある。
【００４８】
ベッセル形の超音波ビームは、中心軸上ある程度長い距離範囲にわたってビームが集束したものすなわち長距離集束ビームとなり、かつその範囲において瞬時音圧の変化が小さくなる。
【００４９】
図９に、ベッセルビーム送波用の超音波トランスデューサアレイの模式的構成を示す。同図に示すように、超音波トランスデューサアレイ２０は、複数の超音波トランスデューサ２２の２次元アレイによって構成される。
【００５０】
送受信部６による超音波トランスデューサアレイ２０の駆動は、ベッセル形の超音波ビーム（超音波ベッセルビーム）を形成するように行われる。具体的には、例えば図１０に示すように、超音波トランスデューサアレイ２０の開口における相対的な振動速度分布が０次の第１種ベッセル関数Ｊ０（Ｊ０関数）の形になるように、個々の超音波トランスデューサ２２を駆動することによって行われる。なお、図１０のグラフの横軸は、開口半径によって正規化された距離を表す。
【００５１】
これによって、図１１に示すように、ビームの中心軸に垂直な断面内の瞬時音圧分布がＪ０関数で与えられる超音波ビーム、すなわち超音波ベッセルビームが得られる。超音波ベッセルビームは、本発明における長距離集束ビームの実施の形態の一例である。このビームは、同図に示すように、半値幅が開口の１０分の１程度の集束ビームとなる。なお、図１１の音圧と距離はいずれも正規化された値である。
【００５２】
このような瞬時音圧分布が、ビームの中心軸上ある程度長い距離範囲にわたって保たれる。すなわち、ビームの集束状態が長い距離範囲にわたって維持され、長距離集束ビームが形成される。また、このとき、ビームの中心軸上の瞬時音圧は、図１２に示すように、長い距離範囲にわたって変化量の少ないものとなる。なお、図１２における音圧と距離はいずれも正規化値によって表す。
【００５３】
超音波の送波が、ベッセルビームすなわち長距離集束ビームによって行われることにより、被検音場の深さ方向の広い範囲で瞬時音圧がほぼ同じになり、スペーサ３０の介在により遠くなった被検体４でも適切に撮像することができる。また、ビームの集束が超音波トランスデューサアレイ２０の直近から始まるので、被検体４の浅部から非線形効果を発現させることができる。したがって、撮像の深度によってはスペーサ３０を省略することも可能となる。
【００５４】
長距離集束ビームの送波部としては、上記のような２次元アレイが、超音波トランスデューサの駆動条件を個々に調節でき、精度の良いベッセルビームを得る点で好ましいが、それに限るものではなく、他の送波手段を利用するようにしても良い。
【００５５】
図１３に、長距離集束ビームの送波部の他の形態例を示す。図１３の（ａ）は、リング(ring)状の超音波トランスデューサ２２１を用いた例である。同図では、超音波トランスデューサ２２１を断面図によって示す。これを駆動したとき、超音波トランスデューサ２２１から、同図に同心円ないし円弧で示すように、ドーナッツ状の波面を成す超音波が送波され、それら波面の合成により、中心軸２３０に沿って、瞬時音圧の変化が少ない集束ビームすなわち長距離集束ビームが形成される。
【００５６】
図１３の（ｂ）は、回転双曲線型の放射面を有する超音波トランスデューサ２２２を用いたものである。超音波トランスデューサ２２２は断面図で示す。これを駆動したとき、放射面の各部からそれぞれ法線方向に放射される超音波の波面合成によって、瞬時音圧の変化が少ない集束ビームが中心軸２３０に沿って形成される。
【００５７】
図１３の（ｃ）は、上記の構成を簡略化したものであり、コーン(corn)状凹面を有する超音波トランスデューサ２２３を用いている。超音波トランスデューサ２２３は断面図によって示す。この場合も、（ｂ）に示したものと同様に長距離集束ビームが送波される。ただし、超音波送波面の形状を簡略化した分だけビームの性状は劣るが、用途によってはこれで十分である。
【００５８】
以上、Ｂモード撮像の例について説明したが、超音波撮像はそれに限るものではなく、エコーのドップラシフト(Doppler shift) を利用して動態画像を撮像するものであっても良いのはいうまでもない。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、被検体の浅部についても高調波エコーによる撮像が可能な超音波撮像方法および装置並びにスペーサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図である。
【図２】 本発明の実施の形態の一例の装置におけるスタンドオフの模式的構成を示す図である。
【図３】 本発明の実施の形態の一例の装置における送受信部のブロック図である。
【図４】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図５】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図６】 本発明の実施の形態の一例の装置による音線走査の概念図である。
【図７】 本発明の実施の形態の一例の装置におけるＢモード処理部のブロック図である。
【図８】 本発明の実施の形態の一例の装置における画像処理部のブロック図である。
【図９】 本発明の実施の形態の一例の装置における超音波トランスデューサアレイの模式的構成を示す図である。
【図１０】 本発明の実施の形態の一例の装置における超音波トランスデューサアレイの動作状態を示す波形図である。
【図１１】 本発明の実施の形態の一例の装置が利用するベッセルビームの中心軸に垂直な方向の音圧分布を示すグラフである。
【図１２】 本発明の実施の形態の一例の装置が利用するベッセルビームの中心軸方向の音圧分布を示すグラフである。
【図１３】 本発明の実施の形態の一例の装置における超音波トランスデューサの模式的構成を示す図である。
【符号の説明】
２ 超音波プローブ
３０ スタンドオフ
４ 被検体
６ 送受信部
１０ Ｂモード処理部
１４ 画像処理部
１６ 表示部
１８ 制御部
２０ 操作部
６０２ 送波タイミング発生回路
６０４ 送波ビームフォーマ
６０６ 送受切換回路
６１０ 受波ビームフォーマ
１１０ 基本波処理部
１３０ 高調波処理部

Claims (3)

1. 被検体に超音波を送波し前記被検体内での非線形効果による高調波エコーに基づいて画像を生成する超音波撮像装置であって、
   前記被検体への超音波の送波経路に設けられた前記非線形効果を有する音響伝播媒体からなるスペーサと、
   通常の画像生成用の超音波ビームよりも、超音波ビームの中心軸上の長い距離範囲にわたってビームの集束状態が維持された画像生成用の超音波を前記被検体に送波する送波手段とを具備することを特徴とする超音波撮像装置。
2. 請求項１に記載の超音波撮像装置において、
   前記送波手段は、ベッセルビームである画像生成用の超音波を送波することを特徴とする超音波撮像装置。
3. 請求項１に記載の超音波撮像装置において、
   前記送波手段は、超音波送波面側にコーン状凹面を有する超音波トランスデューサを用いて前記ビームの集束状態が維持された画像生成用の超音波を送波することを特徴とする超音波撮像装置。

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