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JP2009082330A - 超音波診断装置、及び超音波画像処理装置 - Google Patents

超音波診断装置、及び超音波画像処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】所望のドプラ速度レンジでドプラスペクトラム画像を表示する超音波診断装置を提供する。
【解決手段】超音波プローブ2と送受信部3とによって、所定のパルス繰り返し周波数で被検体に超音波を送受信し、第1メモリ8にドプラ信号を記憶させる。FFT演算部11は、ドプラ信号に対して周波数解析を行なってドプラスペクトラム画像を生成し、表示制御部15は、ドプラスペクトラム画像を表示部17に表示させる。入力部18にて所望のドプラ速度レンジが入力されると、処理部9は、第1メモリ8からドプラ信号を読み出して、そのドプラ速度レンジに応じたサンプリング周波数に従ってリサンプリング処理を行い、FFT演算部11は、そのドプラ速度レンジに応じた周波数解析を行なって新たなドプラスペクトラム画像を生成し、表示制御部15は、そのドプラスペクトラム画像を表示部17に表示させる。
【選択図】図1

Description

この発明は、ドプラスペクトラム画像を取得して、ドプラスペクトラム画像の速度レンジを調整する超音波診断装置、及び超音波画像処理装置に関する。
超音波ドプラ法を用いることで、診断部位の血流情報を得る超音波診断装置が知られている。超音波ドプラ法は、超音波ドプラ法の原理に基づいて被検体内の血流の情報を得る技術である。被検体内の血流などの流れのある診断部位に向けて超音波を送信すると、ドプラ効果により、送信周波数に対して受信周波数が僅かに偏移する。この偏移周波数(ドプラ偏移周波数)は血流速度に比例し、偏移周波数(ドプラ偏移周波数)の周波数解析を行なうことにより血流情報が得られる。
超音波診断装置は、得られたドプラ信号に対して高速フーリエ変換(FFT)を行い、その周波数分析の結果を、縦軸に周波数f(速度v)、横軸に時間tとしてスペクトラム表示を行い、そのスペクトラム画像を対象として診断で用いる各種項目(パラメータ)の計測が行われる。
ところで、パルスドプラ(PW)法では、周波数解析のためのサンプリング周波数fsがドプラ偏移周波数よりも低い場合には、エイリアシング現象(折り返り)が起きてしまう。そこで、これを防ぐために、サンプリング周波数に相当するパルス繰り返し周波数(PRF:Pulse Repetition Frequency)を上げ、毎回の観測時間間隔を短くする必要がある。この場合、測定したい位置を指定すると、必然的に最大のPRFが決定され、PRFが決まると、測定できる最高血流速度も決定されてしまう。この計測できる最高血流速度をドプラ速度レンジと称する。
ドプラスペクトラム表示を行ったところ、ドプラ速度レンジが小さすぎると、ドプラ波形の折り返し部分が発生する。このような場合、操作者が手動でドプラ速度レンジを大きく設定することで、折り返し部分がナイキスト周波数(PRFの半分)内に収まり、表示上、繋がりの良いドプラスペクトラムが得られる。一方、ドプラ速度レンジが大きすぎるとスケールが大きくなるため、ドプラ波形が小さくなってしまい、観測が困難になる。このような場合、操作者が手動でドプラ速度レンジを小さく設定することで、表示画面の上下いっぱいを有効に使ったドプラスペクトラムが得られる。また、速度オフセット(BLS:Baseline Shift)を調整することで、ドプラ波形を速度レンジ(縦軸)の所望の位置に表示させることができる。
患者や診断部位によって血流速度が異なり、患者や診断部位によって取得されるドプラ波形が異なるため、そのドプラ波形に応じたドプラ速度レンジを設定する必要がある。そのため、操作者は、患者や診断部位が変わるたびに、ドプラ速度レンジに対応するPRFと速度オフセット(BLS)を調整する必要があった。しかしながら、患者や診断部位が変わるたびに、ドプラ速度レンジ(PRF)や速度オフセット(BLS)を調整することは煩雑である。
そこで、ドプラ速度レンジ(PRF)と速度オフセット(BLS)を自動的に決定する手法が提案されている(例えば特許文献1)。
従来においては、血流状態を判別して、その判別結果をフィードバックすることでドプラ速度レンジ(PRF)と速度オフセット(BLS)を求めていた。そして、リアルタイムに血流状態を判別することで、ドプラ速度レンジと速度オフセットをリアルタイムに追跡していた。
しかしながら、過去の血流状態を判別して、ドプラ速度レンジ(PRF)と速度オフセット(BLS)を推定するため、タイムラグが発生する問題があった。また、過去の血流状態と現在以降の血流状態とが一致するとは限らないため、現在以降に取得されるドプラ波形に適したドプラ速度レンジと速度オフセットを求めることは困難であった。
また、従来においては、血流状態が安定した時点で操作者がトリガーを与えて、それ以降、ドプラ速度レンジ(PRF)と速度オフセット(BLS)を推定することが行われていた。しかしながら、操作者がトリガーを与えた後に、被検体の呼吸や超音波プローブの位置ずれなどの変動が発生した場合、ドプラ波形に適したドプラ速度レンジと速度オフセットが求められず、再度、推定処理を行う必要があった。
特開2005−185731号公報
この発明は上記の問題を解決するものであり、所望のドプラ速度レンジにてドプラスペクトラム画像を表示することが可能な超音波診断装置、及び超音波画像処理装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、被検体内の運動流体を含む診断部位に向けて、所定のパルス繰り返し周波数(PRF)で超音波を送受信するスキャン手段と、前記スキャン手段によって取得された受信信号を記憶する記憶手段と、前記受信信号に対して周波数解析を行なってドプラスペクトラム画像を生成する演算手段と、前記ドプラスペクトラム画像を表示手段に表示させる表示制御手段と、前記表示手段に表示されたドプラスペクトラム画像に対する所望のドプラ速度レンジを指定するための入力手段と、前記入力手段によって入力された前記所望のドプラ速度レンジを受け付けて、前記記憶手段から前記受信信号を読み出し、前記読み出した前記受信信号に対して、前記所望のドプラ速度レンジに応じたサンプリング周波数に従ってリサンプリング処理を行う処理手段と、を有し、前記演算手段は、前記処理手段によってリサンプリング処理が行われた前記受信信号に対して、前記所望のドプラ速度レンジに応じた周波数解析を行なうことで新たなドプラスペクトラム画像を生成し、前記表示制御手段は、前記新たなドプラスペクトラム画像を前記表示手段に表示させることを特徴とする超音波診断装置である。
また、請求項6に記載の発明は、被検体内の運動流体を含む診断部位に向けて、所定のパルス繰り返し周波数(PRF)で超音波を送受信することで取得された受信信号を記憶する記憶手段と、前記受信信号に対して周波数解析を行なってドプラスペクトラム画像を生成する演算手段と、前記ドプラスペクトラム画像を表示手段に表示させる表示制御手段と、前記表示手段に表示されたドプラスペクトラム画像に対する所望のドプラ速度レンジを指定するための入力手段と、前記入力手段によって入力された前記所望のドプラ速度レンジを受け付けて、前記記憶手段から前記受信信号を読み出し、前記読み出した前記受信信号に対して、前記所望のドプラ速度レンジに応じたサンプリング周波数に従ってリサンプリング処理を行う処理手段と、を有し、前記演算手段は、前記処理手段によってリサンプリング処理が行われた前記受信信号に対して、前記所望のドプラ測度レンジに応じた周波数解析を行なうことで新たなドプラスペクトラム画像を生成し、前記表示制御手段は、前記新たなドプラスペクトラム画像を前記表示手段に表示させることを特徴とする超音波画像処理装置である。
この発明によると、表示手段に表示されたドプラスペクトラム画像に対して所望のドプラ速度レンジを指定し、その指定されたドプラ速度レンジに応じたサンプリング周波数に従って、記憶手段に記憶されている受信信号に対してリサンプリング処理と周波数解析を行なうことで、時間分解能と周波数分解を劣化させずに、所望のドプラ速度レンジにてドプラスペクトラム画像を表示することが可能となる。
この発明の実施形態に係る超音波診断装置について図1及び図2を参照して説明する。図1は、この発明の実施形態に係る超音波診断装置を示すブロック図である。図2は、この発明の実施形態に係る超音波診断装置に設置された処理部を示すブロック図である。
この実施形態に係る超音波診断装置1は、超音波プローブ2、送受信部3、ドプラ処理部4、Bモード処理部13、DSC14、表示制御部15、及びユーザインターフェース(UI)16を備えている。
超音波プローブ2には、複数の超音波振動子が所定方向(走査方向)に1例に配置された1次元アレイプローブ、又は、複数の超音波振動子が2次元的に配置された2次元アレイプローブが用いられる。
送受信部3は、超音波プローブ2に電気信号を供給して超音波を発生させる送信部(図示しない)と、超音波プローブ2からの信号を受信する受信部(図示しない)とを備えている。
送受信部3の送信部は、図示しないクロック発生回路、送信遅延回路、及びパルサ回路を備えている。クロック発生回路は、超音波信号の送信タイミングや送信周波数を決めるクロック信号を発生する回路である。送信遅延回路は、超音波の送信時に遅延を掛けて送信フォーカスを実施する回路である。パルサ回路は、各超音波振動子に対応した個別経路(チャンネル)の数分のパルサを内蔵し、遅延が掛けられた送信タイミングで駆動パルスを発生し、超音波プローブ2の各超音波振動子に供給するようになっている。送受信部3の送信部は、所定のパルス繰り返し周波数(PRF)に従って、超音波プローブ2に超音波を送信させる。
また、送受信部3の受信部は、図示しないプリアンプ回路、A/D変換回路、及び受信遅延・加算回路を備えている。プリアンプ回路は、超音波プローブ2の各超音波振動子から出力されるエコー信号を受信チャンネルごとに増幅する。A/D変換回路は、増幅されたエコー信号をA/D変換する。受信遅延・加算回路は、A/D変換後のエコー信号に対して受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与え、加算する。その加算により、受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調される。なお、この送受信部3によって加算処理された信号を「RF信号」と称する。送受信部3から出力されたRF信号は、ドプラ処理部4又はBモード処理部13に出力される。
Bモード処理部13は、エコーの振幅情報の映像化を行い、エコー信号からBモード超音波ラスタデータを生成する。具体的には、Bモード処理部13は、RF信号に対してバンドパスフィルタ処理を行い、その後、出力信号の包絡線を検波し、検波されたデータに対して対数変換による圧縮処理を施す。Bモード処理部13により生成されたBモード超音波ラスタデータはDSC14に出力される。
DSC14(Digital Scan Converter:デジタルスキャンコンバータ)は、直交座標系で表される画像を得るために、超音波ラスタデータを直交座標で表される画像データに変換する(スキャンコンバージョン処理)。DSC14から表示制御部15に画像データが出力され、表示制御部15は画像データに基づく画像を表示部17に表示させる。例えば、DSC14は、Bモード超音波ラスタデータに基づいて2次元情報としての断層像データを生成し、その断層像データを表示制御部15に出力する。表示制御部15はその断層像データに基づく断層像を表示部17に表示させる。
ドプラ処理部4は、直交位相検波部5、レンジゲート(RG)処理部6、ウォールフィルタ7、第1メモリ8、処理部9、第2メモリ10、FFT演算部11、及びドプラ波形メモリ12を備えている。
直交位相検波部5は、実部成分及び虚部成分にそれぞれ対応してデジタル方式のミキサ及びローパスフィルタを備え、RF信号を直交位相検波する。そして、直交位相検波部5は、直交位相検波されたデジタル量のIQ信号を出力する。この検波によりRF信号から、ベースバンドのドプラ信号(実部成分及び虚部成分:IQ信号)が抽出される。
レンジゲート(RG)処理部6は、直交位相検波部5から出力されたIQ信号を受けて、そのIQ信号の高周波成分を除去してドプラ偏移周波数成分のみからなるドプラ信号を得て、そのうち、被検体内の所望の深さのドプラ信号を抽出する。
ウォールフィルタ7は、レンジゲート処理部6からのレンジゲートで指定された被検体内の所定位置のドプラ信号(IQ信号)から、比較的動きの遅い血管壁、心臓壁などの不要低周波ドプラ信号を除去して、検出すべき血流のドプラ信号(IQ信号)を抽出する。そして、ウォールフィルタ7から出力されたIQ信号は、第1メモリ8に記憶される。
FFT演算部11は、ウォールフィルタ7で抽出されたドプラ信号(IQ信号)に対して周波数解析を行なって、その解析結果であるドプラスペクトラム信号を得る。具体的には、FFT演算部11は、短時間フーリエ変換(STFT)により、時間軸のドプラ信号(IQ信号)に窓関数を掛けて、周波数軸の信号(ドプラスペクトラム信号)に変換する。FFT演算部11から出力されたドプラスペクトラム信号はドプラ波形メモリ12に記憶される。
表示制御部15は、FFT演算部11によって求められたドプラスペクトラム画像を表示部17に表示させる。具体的には、表示制御部15は、縦軸に周波数f(速度v)、横軸に時間tが表されたドプラスペクトラム画像を表示部17に表示させる。
また、操作者が入力部18を用いてフリーズ(静止表示)の指示を与えると、表示制御部15は、ユーザインターフェース(UI)16からそのフリーズ指示を受けて、そのフリーズ指示が与えられたタイミングで表示部17に表示されているドプラスペクトラム画像を静止させて表示部17に表示させる。すなわち、表示制御部15は、ある時間の間に取得されたドプラスペクトラム画像を表示部17に表示させる。その状態で、表示制御部15は、一定の範囲を囲むことで、所望のドプラ速度レンジと所望の時間とを指定するためのROIマーカをドプラスペクトラム画像に重ねて表示部17に表示させる。操作者は、このROIマーカによって、観察を所望するドプラ速度レンジと時間を指定することができる。
ここで、表示部17に表示されるドプラスペクトラム画像について、図3を参照して説明する。図3は、ドプラ速度レンジを縮小する場合におけるドプラスペクトラム画像を示す図である。
図3(a)に示すように、表示制御部15は、縦軸が速度v(周波数)で横軸が時間tで表されるドプラスペクトラム画像100を表示部17に表示させる。さらに、表示制御部15は、一定の範囲を囲むROIマーカ200をドプラスペクトラム画像100に重ねて表示部17に表示させる。この実施形態では、表示制御部15は、矩形状の範囲を囲むROIマーカ200を生成して、ドプラスペクトラム画像100に重ねて表示部17に表示させる。
操作者は表示部17に表示されたドプラスペクトラム画像100を観察しながら、入力部18を用いて、ROIマーカ200をドプラスペクトラム画像100上で移動させて、所望のドプラ速度レンジと時間とを指定する。表示制御部15は、入力部18にて入力された移動指示に従って、ROIマーカ200をドプラスペクトラム画像100上で移動させて表示部17に表示させる。例えば、操作者は入力部18を用いて、ROIマーカ200の縦軸方向(速度レンジ方向)の幅を変えたり、横軸方向(時間軸方向)の幅を変えたり、ドプラスペクトラム画像100上での位置を変えたりして、所望のドプラ速度レンジと所望の時間とを指定する。また、操作者は入力部18を用いて所望の速度オフセット(BLS)を指定する。
操作者によって指定された所望のドプラ速度レンジと所望の時間は、ユーザインターフェース16から表示制御部15に出力される。表示制御部15は、指定された時間に取得されたドプラスペクトラム画像をドプラ波形メモリ12から読み込み、指定されたドプラ速度レンジに従って拡大又は縮小したドプラスペクトラム画像を表示部17に表示させる。例えば、ドプラ速度レンジを小さくすることで、ドプラスペクトラム画像を拡大表示することができ、ドプラ速度レンジを大きくすることで、ドプラスペクトラム画像を縮小表示することができる。
例えば図3(a)に示すように、ドプラ速度レンジが大きすぎるとスケールが大きくなるため、ドプラスペクトラム画像が小さくなってしまう。この場合、図3(a)に示すように、ROIマーカ200によってドプラスペクトラム画像100の一部分を指定すると、図3(b)に示すように、表示制御部15は、ROIマーカ200によって指定された範囲に含まれるドプラスペクトラム画像110をドプラ波形メモリ12から読み出して表示部17に表示させる。これにより、ドプラスペクトラム画像100の一部分が拡大表示されることになる。つまり、ROIマーカ200によってより小さいドプラ速度レンジを指定することで、そのドプラ速度レンジに納まるドプラスペクトラム画像が表示されることになる。なお、この段階においては、ドプラスペクトラム画像110は、ドプラスペクトラム画像110を単純に拡大させた画像(デジタルズームの画像)であるため、画面上における画素あたりの画質が劣化している。また、操作者が入力部18を用いて速度オフセット(BLS)を調整することで、表示制御部15は、その速度オフセット(BLS)に従って、ドプラスペクトラム画像をドプラ速度レンジ(縦軸)の所望の位置に表示させる。
ドプラスペクトラム画像の別の例について図4を参照して説明する。図4は、ドプラ速度レンジを拡大する場合におけるドプラスペクトラム画像を示す図である。例えばドプラ速度レンジが小さすぎると、図4(a)に示すように、ドプラスペクトラム画像300にエイリアシング現象(折り返り)が発生して表示部17に表示される。この場合、図4(b)に示すように、表示制御部15は、ドプラ速度レンジを大きくして、ドプラスペクトラム画像310を表示部17に表示させる。これにより、ドプラスペクトラム画像300が縮小表示されることになる。さらに、表示制御部15は、ドプラスペクトラム画像310にROIマーカ400を重ねて表示部17に表示させる。そして、ROIマーカ400によってドプラスペクトラム画像310の一部分を指定すると、表示制御部15は、ROIマーカ400によって指定された範囲に含まれるドプラスペクトラム画像をドプラ波形メモリ12から読み出して表示部17に表示させる。これにより、ドプラスペクトラム画像310の一部分が拡大表示されることになる。なお、この段階においては、拡大されたドプラスペクトラム画像は、単純に拡大された画像(デジタルズームの画像)であるため、画面上における画素あたりの画質が劣化している。また、操作者が入力部18を用いて速度オフセット(BLS)を調整することで、表示制御部15は、その速度オフセット(BLS)に従って、ドプラスペクトラム画像をドプラ速度レンジ(縦軸)の所望の位置に表示させる。
そして、所望の時相間に取得されたドプラスペクトラム画像が所望のドプラ速度レンジ内に納まって表示部17に表示されるように、操作者は入力部18を用いて、時間、ドプラ速度レンジ、及び速度オフセット(BLS)を調整する。入力部18を用いて指定された時間、ドプラ速度レンジ、及び速度オフセット(BLS)は、ユーザインターフェース(UI)16からドプラ処理部4に出力される。
処理部9は、操作者によって指定されたドプラ速度レンジに応じたサンプリング周波数に従って、第1メモリ8から指定された時間に取得されたIQ信号を読み出してリサンプリング処理を行う。このとき、指定されたドプラ速度レンジに応じて、パルス繰り返し周波数(PRF)に相当するサンプリング周波数を有理数倍に変更したサンプリング周波数でリサンプリング処理を行う。具体的には、インターポレータとデシメータを用いることで、パルス繰り返し周波数(PRF)に相当するサンプリング周波数を有理数倍に変更したサンプリング周波数でリサンプリング処理を行う。
ここで、処理部9の構成を図2に示す。図2に示すように、処理部9は、アップサンプリング部91、複素バンドパスフィルタ(Complex BPF:CBPF)92、93、設定部94、合成部95、及びダウンサンプリング部96を備えている。アップサンプリング部91は、複素数信号であるドプラ信号(IQ信号)を入力する実部成分用及び虚部成分用の2チャンネル分の回路で構成されている。また、一方のCBPF92は、ドプラ信号(IQ信号)の正側周波数成分(Forward成分)側に割り当てられている。他方のCBPF93は、ドプラ信号(IQ信号)の負側周波数成分(Reverse成分)側に割り当てられている。
例えば、操作者によって指定されたドプラ速度レンジに対応するサンプリング周波数fs’でリサンプリングする場合、以下の式(1)に従って、サンプリング周波数fs’を規定する。
fs’=(N2/N1)×fs・・・式(1)
ここで、fsはサンプリング周波数(パルス繰り返し周波数PRFに相当する)である。
N1、N2は整数である。
すなわち、サンプリング周波数fsを有理数倍に変更することで、サンプリング周波数fs’を規定する。
アップサンプリング部91は、入力されたドプラ信号(IQ信号)の信号値の相互間にゼロ(0)値を挿入することで、出力値のサンプリング周波数を増加させる。これは、ゼロ挿入によって、ドプラ信号の時系列方向の長さが整数N2倍(N2=2、3、・・・)になるように、実部チャンネル及び虚部チャンネルごとになされる。具体的には、ドプラ信号の信号値の相互間に(N2−1)個のゼロ(0)値を挿入することで、出力値のサンプリング周波数をN2倍に増加させる。しかしながら、ナイキスト周波数がN2倍になるため、アップサンプリングにより新たに生じたスペクトル成分を除去するために、アップサンプリング後の信号に対してデジタルローパスフィルタ処理を施す。このデジタルローパスフィルタ処理は、CBPF92、93によって行われる。
ゼロ挿入されたドプラ信号はCBPF92、93にそれぞれ送られ、バンドパスフィルタリングの処理が施される。このバンドパスフィルタリングを行う場合、CBPF92、93それぞれの係数がベースラインのシフト量(BLS)に応じて制御される。このシフト量(BLS)の情報は、ユーザインターフェース(UI)16から処理部9に出力される。
この係数制御されたCBPF92、93は、ドプラ信号(IQ信号)をフィルタリングする。まず、ドプラスペクトラム画像を表示部17に表示させた状態で、操作者が入力部18を操作することで、ドプラスペクトラム画像のベースラインBLをシフトさせる。このシフト量(BLS)の情報は、ユーザインターフェース(UI)16から処理部9に出力される。そして、設定部94は、ユーザインターフェース(UI)16から出力されたベースラインのシフト量(BLS)に応じて、例えば特開2002−325767号公報に記載の方法によって、CBPF92、93のバンド幅及び中心周波数を設定する。この設定は、アップサンプリング部91によるゼロ挿入の倍数N2と、ダウンサンプリング部96による倍数(1/N1)に対応して行われる。
ここで、ドプラ信号(IQ信号)の正側周波数成分(Forward成分)側に割り当てられたCBPF92におけるフィルタリング係数Z’とカットオフ周波数fc(fwd)は、以下の式(2)、(3)で与えられる。
フィルタリング係数Z’=exp(−jπ*(BLS/2))・・・式(2)
カットオフ周波数fc(fwd)=(N2/N1)*fs*(0.5+BLS)・・式(3)
また、ドプラ信号(IQ信号)の負側周波数成分(Reverse成分)側に割り当てられたCBPF93におけるフィルタリング係数Z’’とカットオフ周波数fc(rev)は、以下の式(4)、(5)で与えられる。
フィルタリング係数Z’’=exp(−jπ*(0.5−BLS)/2)・・・式(4)
カットオフ周波数fc(rev)=(N2/N1)*fs*(BLS−0.5)・・式(5)
CBPF92、93は、上記のフィルタリング係数とカットオフ周波数に従って、ドプラ信号(IQ信号)をフィルタリングする。
合成部95は、CBPF92から出力されたドプラ信号の正側周波数成分と、CBPF93から出力されたドプラ信号の負側周波数成分とを合成してダウンサンプリング部96に出力する。
ダウンサンプリング部96は、入力されたドプラ信号(IQ信号)のサンプリング周波数を(1/N1)倍にする。ダウンサンプリング部96は、入力されたドプラ信号をN1個間隔でピックアップすることにより、出力信号のサンプリング周波数を減少させる。しかしながら、ダウンサンプル後はナイキスト周波数が半分になるため、折り返しのエイリアシング成分がドプラ信号成分に重なる可能性がある。そのため、ダウンサンプルする前にデジタルローパスフィルタ処理を施して、ナイキスト周波数以上の高周波成分を除去しておく。このデジタルローパスフィルタ処理は、CBPF92、93によって行われる。そして、処理部9から出力されたサンプリング処理後のIQ信号は第2メモリ10に記憶される。
例えば、フリーズ状態のドプラスペクトラム画像において、ドプラスペクトラム画像を拡大表示する場合は、ドプラ速度レンジを縮小する。1例として、ドプラ速度レンジを2/3に縮小する場合、アップサンプリング部91は、N2=2としてアップサンプリングを行い、ダウンサンプリング部96は、N1=3としてダウンサンプリングを行う。一方、ドプラスペクトラム画像を縮小表示する場合は、ドプラ速度レンジを拡大する。1例として、ドプラ速度レンジを3/2に拡大する場合、アップサンプリング部91は、N2=3としてアップサンプリングを行い、ダウンサンプリング部96は、N1=2としてダウンサンプリングを行う。このように、処理部9は、パルス繰り返し周波数PRFを有理数倍に変更したサンプリング周波数でリサンプリング処理を行う。
なお、ドプラ速度レンジを拡大する場合であって、2*fs≦fs’<4*fsとなる場合、処理部9は準同形処理を行う。例えば、処理部9による処理について、antialies(f)という関数を定義し、fs’’=antiaies(fs’)として処理を行う。
FFT演算部11は、第2メモリ10からリサンプリング後のIQ信号を読み出して、短時間フーリエ変換(STFT)により、時間軸のドプラ信号(IQ信号)に窓関数を掛けて、周波数軸の信号(ドプラスペクトラム信号)に変換する。このとき、FFT演算部11は、操作者によって指定されたドプラ速度レンジ(サンプリング周波数)の変更に応じて、例えば特開平11−285495号公報に記載の方法によって、周波数分解能と時間分解能とを調整してドプラスペクトラム信号を生成する。ここで、この処理について簡単に説明する。
時間分解能ΔXと周波数分解能ΔYは、以下の式(6)、(7)で求められる。
ΔX=(Dx×N×K×M)/(PRF×S)・・・式(6)
ΔY=Dy/(N×Ww)・・・式(7)
Dx:ドプラスペクトラム画像の表示範囲の横軸(時間軸)方向の画素数
Dy:ドプラスペクトラム画像の表示範囲の縦軸(周波数軸)方向の画素数
N:FFTのデータ数
K:交互段数
M:間引き率
PRF:パルス繰り返し周波数(ドプラ速度レンジに相当する)
S:スクロール速度
Ww:窓重み
なお、FFTのデータ数Nは、2のべき乗という制約があるが、目的の周波数分解能を実現するための計算上のデータ数は2のべき乗にならない場合が多い。そこで、FFTのデータ数Nには、計算上のデータ数以上でそれに最も近い2のべき乗を選び、その選んだFFTのデータ数Nと、計算上のデータ数との不一致を、FFTの窓関数を掛けることで埋めるようにしている。この窓の大きさ(窓幅)を決めるパラメータが、窓重みWwである。例えば計算上のデータ数が320である場合に、FFTのデータ数Nとしては512が選択され、この場合、窓重みWwは5/8に設定される。例えば、時間分解能に対する周波数分解能の比を一定に維持する場合、FFT演算部11は、パルス繰り返し周波数PRF(ドプラ速度レンジ)、スクロール速度S、交互段数K、間引き率M、Dyが与えられると、操作者の所望の比に維持するためのFFTのデータ数Nと窓重みWw(窓幅)を計算するようになっている。つまり、パルス繰り返し周波数PRF(ドプラ速度レンジ)が変わった場合(時間分解能が変わった場合)、それに応じてFFTのデータ数A4を調整して周波数分解能を変えて、時間分解能に対する周波数分解能の比を一定にすることになる。
このデータ数A4は、上述したようにFFTで扱える2のべき乗には必ずしもならない。そこで、計算上のデータ数A4以上でそれに最も近い2のべき乗を選択し、その選択したFFTのデータ数Nと、両者間の不一致を埋めるための窓重みWwとを選択する。このような処理によって、ドプラ速度レンジが変わっても、時間分解能ΔXに対する周波数分解能ΔYの比を一定に保つことができる。
また、周波数分解能が変動しても、時間分解能を操作者が所望する一定値に固定するような処理を行っても良い。例えば、データ数Nが変わったとき、FFT演算部11は、上記式(6)において、データ数N以外のパラメータのうち少なくとも1つを変えて、時間分解能を一定値に維持する。また、時間分解能が変動しても、周波数分解能を操作者が所望する一定値に固定するような処理を行っても良い。
ドプラ速度レンジと速度オフセットとが変更されたドプラスペクトラム信号は、FFT演算部11からドプラ波形メモリ12に出力されて、ドプラ波形メモリ12に記憶される。そして、表示制御部15は、ドプラ速度レンジなどが変更されたドプラスペクトラム画像をドプラ波形メモリ12から読み出して、表示部17に表示させる。
ここで、新たに生成されたドプラスペクトラム画像の1例を図3(c)と図4(c)にそれぞれ示す。例えば図3(c)に示すドプラスペクトラム画像120は、ドプラ速度レンジと速度オフセットとが変更されて、処理部9にてリサンプリング処理が施され、さらに、FFT演算部11にてSTFT処理が施されて得られた画像である。一方、図3(b)に示すドプラスペクトラム画像110は、ドプラスペクトラム画像110を単純に拡大して表示した画像である。ドプラスペクトラム画像110は、単純なデジタルズームの画像であるため、画面上における画素あたりの画質が劣化している。一方、再度サンプリング処理とSTFT処理が施されて得られたドプラスペクトラム画像120は、時間分解能と周波数分解能が劣化していない。このように、この実施形態に係る超音波診断装置1によると、時間分解能と周波数分解能を劣化させずに、所望のドプラ速度レンジと速度オフセットで表されるドプラスペクトラム画像120を生成することが可能となる。
また、図4(c)に示すドプラスペクトラム画像320も同様に、ドプラ測度レンジと速度オフセットとが変更されて、処理部9にてリサンプリング処理が施され、さらに、FFT演算部11にてSTFT処理が施されて得られた画像である。このドプラスペクトラム画像320も、時間分解能と周波数分解能が劣化せずに生成されている。
また、操作者によって所望のドプラ速度レンジ(PRF)と速度オフセット(BLS)が決定されると、ドプラ速度レンジ(PRF)がユーザインターフェース(UI)16から送受信部3に出力され、速度オフセット(BLS)がユーザインターフェース(UI)16からFFT演算部11に出力される。送受信部3は、ユーザインターフェース(UI)16から出力されたドプラ速度レンジ(PRF)を受けると、そのドプラ速度レンジ(PRF)に従って超音波プローブ2に超音波を送受信させる。また、FFT演算部11は、ユーザインターフェース(UI)16から速度オフセット(BLS)を受けると、そのシフト量だけFFT処理の読み出しアドレスを変化させて速度のオフセットを調整する。このように、ドプラ速度レンジと速度オフセットが変更されると、変更されたドプラ速度レンジに従ってスキャンを行ない、変更された速度オフセットによってFFT処理を行う。
なお、ユーザインターフェース(UI)16は、表示部17と入力部18とを備えている。表示部17は、CRTや液晶ディスプレイなどのモニタで構成されており、画面上に断層像、3次元画像又はドプラスペクトラム画像などが表示される。入力部18は、キーボード、マウス、トラックボール、又はTCS(Touch Command Screen)などで構成されている。操作者は、入力部18を用いることで、表示部17の画面上でROIマーカを所望の位置に移動させることができる。
また、入力部18に、ROIマーカの大きさと位置を変えるスイッチを設けても良い。例えば、ROIマーカの縦方向(ドプラ速度レンジ)の拡大又は縮小を指示するためのスイッチAや、ROIマーカの横方向(時間軸)の拡大又は縮小を指示するためのスイッチBを入力部18に設けても良い。また、入力部18に設置されたトラックボールによって、ROIマーカの位置を変えて、観察対象となる時相を選択するようにしても良い。そして、ドプラスペクトラム画像を静止させた状態で、操作者がスイッチA、スイッチB、及びトラックボールを用いることで、ROIマーカを所望の位置に移動させ、また、ROIマーカの大きさを所望の大きさに変える。これにより、所望のドプラ速度レンジと所望の時間を指定することができる。
また、超音波診断装置1には、図示しない制御部が設置されている。制御部は、送受信部3、ドプラ処理部4、Bモード処理部13、DSC14、表示制御部15、及びユーザインターフェース(UI)16に接続され、各部の動作を制御する。
(超音波画像処理装置)
また、超音波の送受信によって取得された受信信号に基づいてドプラスペクトラム画像を生成する超音波画像処理装置を、超音波診断装置の外部に設けても良い。この超音波画像処理装置は、上述したドプラ処理部4、表示制御部15、及びユーザインターフェース(UI)16を備えている。そして、超音波画像処理装置は、操作者によって指定された所望のドプラ速度レンジに応じたサンプリング周波数に従って、受信信号に対してリサンプリング処理を行い、更に、STFT処理を行うことで、そのドプラ速度レンジで表されたドプラスペクトラム画像を生成する。
(動作)
次に、この発明の実施形態に係る超音波診断装置による一連の動作について図5を参照して説明する。図5は、この発明の実施形態に係る超音波診断装置による一連の動作を示すフローチャートである。
(ステップS01)
まず、超音波プローブ2と送受信部3とによって、初期設定された所定のパルス繰り返し周波数(PRF)に従って、被検体に対して超音波を送信し、被検体からの反射波を受信する。送受信部3によって受信された受信信号は、直交位相検波部5、レンジゲート処理部6、及びウォールフィルタ7によって処理が施される。そして、ドプラ信号(IQ信号)が第1メモリ8に順次、記憶されていく。FFT演算部11は、ドプラ信号に対して周波数解析を行なうことでドプラスペクトラム画像を順次、生成していく。FFT演算部11によって生成されたドプラスペクトラム画像は、ドプラ波形メモリ12に順次、記憶される。
(ステップS02)
表示制御部15は、ドプラ波形メモリ12からドプラスペクトラム画像を読み出して、縦軸に周波数f(速度v)、横軸に時間tが表されたドプラスペクトラム画像を表示部17に表示させる。
(ステップS03)
そして、操作者は表示部17に表示されたドプラスペクトラム画像を観察しながら、入力部18を用いて、所望のタイミングでフリーズ(静止表示)の指示を与える。
(ステップS04)
表示制御部15は、ユーザインターフェース(UI)16からそのフリーズ指示を受けて、そのフリーズ指示が与えられたタイミングで表示部17に表示されているドプラスペクトラム画像を静止させて表示部17に表示させる。
(ステップS05)
さらに、表示制御部15は、一定の範囲を囲むROIマーカをドプラスペクトラム画像に重ねて表示部17に表示させる。例えば図3(a)に示すように、表示制御部15は、ドプラスペクトラム画像100を固定させて表示部17に表示させ、そのドプラスペクトラム画像100上にROIマーカ200を重ねて表示させる。そして、操作者は表示部17に表示されているドプラスペクトラム画像100を観察しながら、入力部18を用いて、ROIマーカ200の縦軸方向(速度レンジ方向)の幅を変えたり、横軸方向(時間軸方向)の幅を変えたり、位置を変えたりして、所望のドプラ速度レンジと所望の時間とを指定する。また、操作者は入力部18を用いて所望の速度オフセット(BLS)を指定する。このように、操作者はROIマーカを用いて、観察を所望するドプラ速度レンジと時間とを指定する。
(ステップS06)
表示制御部15は、ROIマーカ200によって指定された時間に取得されたドプラスペクトラム画像をドプラ波形メモリ12から読み込み、指定されたドプラ速度レンジに従って拡大又は縮小したドプラスペクトラム画像を表示部17に表示させる。例えば図3(a)に示すように、ROIマーカ200によってドプラスペクトラム画像100の一部分を指定すると、図3(b)に示すように、表示制御部15は、ROIマーカ200によって指定された範囲に含まれるドプラスペクトラム画像110をドプラ波形メモリ12から読み出して表示部17に表示させる。これにより、ドプラスペクトラム画像100の一部分が拡大表示されることになる。なお、この段階においては、ドプラスペクトラム画像110は、ドプラスペクトラム画像100を単純に拡大させた画像(デジタルズームの画像)であるため、画面上における画素あたりの画質が劣化している。
(ステップS07)
そして、操作者は拡大表示又は縮小表示されたドプラスペクトラム画像を観察し、そのドプラスペクトラム画像がドプラ速度レンジに収まって表示されているか確認する。また、表示されているドプラスペクトラム画像の速度オフセットが適した値になっているか確認する。すなわち、観察を所望するドプラスペクトラム画像に対して、ドプラ測度レンジが小さすぎたり大きすぎたりしないか確認する。拡大表示又は縮小表示されたドプラスペクトラム画像がドプラ速度レンジに納まって表示されていない場合や、速度オフセットが適した値になっていない場合は(ステップS07、No)、操作者はROIマーカによって範囲を指定し、その範囲内のドプラスペクトラム画像を観察することで、ドプラスペクトラム画像を適したドプラ速度レンジ内に表示させる(ステップS05、S06)。すなわち、観察を所望するドプラスペクトラム画像に対してドプラ速度レンジが小さすぎたり大きすぎたりする場合は、再度、ROIマーカによって所望の範囲を指定する。
一方、拡大表示又は縮小表示されたドプラスペクトラム画像がドプラ速度レンジに納まって表示され、また、速度オフセットが適した値になっている場合(ステップS07、Yes)、操作者は入力部18を用いて再処理の指示を与える。これにより、操作者によって与えられた所望のドプラ速度レンジと速度オフセットとが、ユーザインターフェース(UI)16から処理部9に出力される。
(ステップS08)
処理部9は、第1メモリ8からドプラ信号(IQ信号)を読み出し、指定されたドプラ速度レンジに応じて、パルス繰り返し周波数(PRF)に相当するサンプリング周波数を整数倍に変えたサンプリング周波数で、そのドプラ信号に対してアップサンプリングと、複素バンドパスフィルタによるフィルタリングと、ダウンサンプリングとを行うことで、リサンプリング処理を行う。
(ステップS09)
FFT演算部11は、新たなサンプリング周波数に従ってリサンプリング処理が施されたドプラ信号に対してSTFT処理を施すことで、新たなドプラスペクトラム信号を生成する。このドプラスペクトラム信号はドプラ波形メモリ12に記憶される。
(ステップS10)
そして、表示制御部15は、ドプラ波形メモリ12から新たなドプラスペクトラム画像を読み込んで、表示部17に表示させる。これにより、例えば図3(c)に示すように、新たなドプラスペクトラム画像120は、時間分解能と周波数分解能が劣化せずに生成されて表示されることになる。
以上のように、この実施形態に係る超音波診断装置1によると、フリーズ状態のドプラスペクトラム画像を参照しながらドプラ速度レンジと速度オフセットを変更することで、ドプラスペクトラム画像に適したドプラ速度レンジと速度オフセットを簡便に設定することができる。すなわち、静止しているドプラスペクトラム画像を拡大表示又は縮小表示することで、所望のドプラ速度レンジと速度オフセットを確認することができるため、所望の値を簡便に設定することが可能となる。
そして、設定されたドプラ速度レンジと速度オフセットに基づいて、FFT処理前のドプラ信号(IQ信号)に対してリサンプリング処理を行い、更に、STFT処理を施すことで、時間分解能と周波数分解能とを劣化させずに、所望のドプラ速度レンジで表されたドプラスペクトラム画像を生成して表示することが可能となる。すなわち、単純にドプラスペクトラム画像をドプラ速度レンジに応じて拡大又は縮小させるだけでなく、設定されたドプラ速度レンジに基づいて再度、リサンプリング処理とSTFT処理を行うことで、時間分解能と周波数分解能を劣化させずに、所望のドプラ速度レンジで表されたドプラスペクトラム画像が得られる。このように、画質を劣化させずに、所望のドプラ測度レンジで表されたドプラスペクトラム画像が得られるため、そのドプラスペクトラム画像に基づいて所望の計測を行うことが可能となる。
また、計測したい時間に取得されたドプラスペクトラム画像を、所望のドプラ速度レンジと速度オフセットに基づいて再度処理して新たなドプラスペクトラム画像を生成しているため、計測したい時間の新たなドプラスペクトラム画像に基づいて所望の計測を行うことができる。一方、従来技術においては、過去に取得されたドプラスペクトラム画像に基づいて現在以降のドプラ速度レンジを推定するため、推定した後に変動が発生した場合、再度、推定処理を行う必要があるため、安定して計測を行うことが困難であった。これに対して、この実施形態に係る超音波診断装置1によると、過去のドプラスペクトラム画像に基づく推定処理を行う必要がないため、安定してドプラスペクトラム画像による計測を行うことが可能となる。
また、所望のドプラ速度レンジと速度オフセットが決定されると、送受信部3は、そのドプラ速度レンジ(PRF)に従って超音波プローブ2に超音波を送受信させる。また、FFT演算部11は、その速度オフセット(BLS)に従い、シフト量だけFFT処理の読み出しアドレスを変化させて速度のオフセットを調整する。これにより、ドプラ速度レンジ(PRF)と速度オフセット(BLS)が更新される。
この発明の実施形態に係る超音波診断装置を示すブロック図である。 この発明の実施形態に係る超音波診断装置に設置された処理部を示すブロック図である。 ドプラ速度レンジを縮小する場合におけるドプラスペクトラム画像を示す図である。 ドプラ速度レンジを拡大する場合におけるドプラスペクトラム画像を示す図である。 この発明の実施形態に係る超音波診断装置による一連の動作を説明するためのフローチャートである。
符号の説明
1 超音波診断装置
2 超音波プローブ
3 送受信部
4 ドプラ処理部
5 直交位相検波部
6 レンジゲート処理部
7 ウォールフィルタ
8 第1メモリ
9 処理部
10 第2メモリ
11 FFT演算部
12 ドプラ波形メモリ
15 表示制御部
16 ユーザインターフェース(UI)
17 表示部
18 入力部
91 アップサンプリング部
92、93 CBPF(Complex BPF)
94 設定部
95 合成部
96 ダウンサンプリング部

Claims (6)

  1. 被検体内の運動流体を含む診断部位に向けて、所定のパルス繰り返し周波数(PRF)で超音波を送受信するスキャン手段と、
    前記スキャン手段によって取得された受信信号を記憶する記憶手段と、
    前記受信信号に対して周波数解析を行なってドプラスペクトラム画像を生成する演算手段と、
    前記ドプラスペクトラム画像を表示手段に表示させる表示制御手段と、
    前記表示手段に表示されたドプラスペクトラム画像に対する所望のドプラ速度レンジを指定するための入力手段と、
    前記入力手段によって入力された前記所望のドプラ速度レンジを受け付けて、前記記憶手段から前記受信信号を読み出し、前記読み出した前記受信信号に対して、前記所望のドプラ速度レンジに応じたサンプリング周波数に従ってリサンプリング処理を行う処理手段と、
    を有し、
    前記演算手段は、前記処理手段によってリサンプリング処理が行われた前記受信信号に対して、前記所望のドプラ速度レンジに応じた周波数解析を行なうことで新たなドプラスペクトラム画像を生成し、
    前記表示制御手段は、前記新たなドプラスペクトラム画像を前記表示手段に表示させることを特徴とする超音波診断装置。
  2. 前記表示制御手段は、前記入力手段を介して前記ドプラスペクトラム画像の静止指示を受け付けて、前記ドプラスペクトラム画像を静止させた状態で前記表示手段に表示させ、前記静止させられたドプラスペクトラム画像上に、所望の範囲を囲むことで前記所望のドプラ速度レンジと所望の時間幅とを指定するためのROIマーカを重ねて前記表示手段に表示させ、
    前記処理手段は、前記記憶手段から前記所望の時間幅に取得された受信信号を読み出し、前記読み出した前記受信信号に対して、前記ROIマーカによって指定された前記所望のドプラ速度レンジに応じたサンプリング周波数に従ってリサンプリング処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の超音波診断装置。
  3. 前記処理手段は、前記所望のドプラ速度レンジに応じて、前記所定のパルス繰り返し周波数を有理数倍に変えたサンプリング周波数に従ってリサンプリング処理を行うことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の超音波診断装置。
  4. 前記処理手段は、前記所望のドプラ速度レンジに応じて、前記所定のパルス繰り返し周波数を整数倍に変えたサンプリング周波数でアップサンプリングし、その後、前記所定のパルス繰り返し周波数を整数倍に変えたサンプリング周波数でダウンサンプリングすることで、前記リサンプリング処理を行うことを特徴とする請求項3に記載の超音波診断装置。
  5. 前記演算手段は、前記処理手段によってリサンプリング処理が行われた前記受信信号に対して、前記所望のドプラ速度レンジに応じて、データ数と窓関数の幅とを変えて前記周波数解析を行なうことで新たなドプラスペクトラム画像を生成することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の超音波診断装置。
  6. 被検体内の運動流体を含む診断部位に向けて、所定のパルス繰り返し周波数(PRF)で超音波を送受信することで取得された受信信号を記憶する記憶手段と、
    前記受信信号に対して周波数解析を行なってドプラスペクトラム画像を生成する演算手段と、
    前記ドプラスペクトラム画像を表示手段に表示させる表示制御手段と、
    前記表示手段に表示されたドプラスペクトラム画像に対する所望のドプラ速度レンジを指定するための入力手段と、
    前記入力手段によって入力された前記所望のドプラ速度レンジを受け付けて、前記記憶手段から前記受信信号を読み出し、前記読み出した前記受信信号に対して、前記所望のドプラ速度レンジに応じたサンプリング周波数に従ってリサンプリング処理を行う処理手段と、
    を有し、
    前記演算手段は、前記処理手段によってリサンプリング処理が行われた前記受信信号に対して、前記所望のドプラ測度レンジに応じた周波数解析を行なうことで新たなドプラスペクトラム画像を生成し、
    前記表示制御手段は、前記新たなドプラスペクトラム画像を前記表示手段に表示させることを特徴とする超音波画像処理装置。
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