| 【発明の名称】 |
３次元映像化のための配列形トランスデューサの変換素子配列構造及びこれを採用した超音波３次元映像化装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】ベ，ム ホ
|
| 【要約】 |
【課題】対象体の表面形状を３次元に映像化できる配列形トランスデシューサーの変換素子配列構造及びこれを用いた超音波映像装置。
【解決手段】変換素子のそれぞれの位置に相異なる中心周波数を有する多数個の副変換素子を高さ方向と走査方向とにより決定される面上で各副変換素子の超音波発射方向が可変可能な形態に配列する。相異なる中心周波数を有する副変換素子より構成された変換素子を備えた配列形トランスデューサと、対象体から受信される超音波エコー信号を予め設定された時間遅延を通して受信集束してディジタル信号に変換する超音波信号処理手段と、前記超音波信号処理手段から印加される超音波データの周波数スペクトルを分析して１つの空間上の映像情報を収集し、収集された映像情報をディスプレイするために信号処理する周波数分析手段を含む。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 超音波３次元映像化のための配列形トランスデューサ変換素子の配列構造において、前記変換素子のそれぞれの位置に相異なる中心周波数を有する多数個の副変換素子を高さ方向と走査線方向とにより決定される面上で各副変換素子の超音波発射方向が可変される形態に配列することを特徴とする３次元映像化のための配列形トランスデューサの変換素子配列構造。
【請求項２】 前記副変換素子は電気的に並列連結され１つの変換素子として動作することを特徴とする請求項１に記載の３次元映像化のための配列形トランスデューサの変換素子配列構造。
【請求項３】 前記副変換素子は中心周波数の大きさが連続的にまたは次第に変換するように配列されることを特徴とする請求項１に記載の３次元映像化のための配列形トランスデューサの変換素子配列構造。
【請求項４】 超音波３次元映像化のための装置において、相異なる中心周波数を有する副変換素子より構成された変換素子を備えた配列形トランスデューサと、対象体から受信される超音波エコー信号を予め設定された時間遅延手段を通して受信集束してディジタル信号に変換する超音波信号処理手段と、前記超音波信号処理手段から印加される超音波データの周波数スペクトルを分析して１つの空間上の映像情報を収集し、収集された映像情報を表示するために信号処理する周波数分析手段を含むことを特徴とする超音波３次元映像化装置。
【請求項５】 前記周波数分析手段は前記超音波信号処理手段から時間別に入力される超音波データを時間に応じて分割して走査線をなす各線分の周波数スペクトルの推定を繰り返して１つの空間上の映像情報を出力するスペクトル分析部と、前記スペクトル分析部から１つの空間上の映像情報を入力され所望のフォーマットで表示するために所定の演算を行う３−Ｄ再演算部を含むことを特徴とする請求項４に記載の超音波３次元映像化装置。
【請求項６】 前記スペクトル分析部は隣接した二つの線分データの半分が重畳するよう前記超音波データを時間に応じて分割することを特徴とする請求項４に記載の超音波３次元映像化装置。
【請求項７】 前記スペクトル分析部は目標物の存するスキャン面上の１つのアークに沿って得た映像に当たる周波数スペクトルを出力することを特徴とする請求項４に記載の超音波３次元映像化装置。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は超音波３次元映像化に係り、特に高さ方向に鑑みて対象体、対象物の形状を３次元に映像化できる配列形トランスデューサの変換素子配列構造及びこれを用いた超音波３次元映像化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超音波映像装置は超音波を用いて人体内部の断面構造を示すもので、内科、小児科、産婦人科などの全ての医学分野に幅広く使用されている。特に、人体内部の断面構造を観察できるＢモード映像装置と、動く物体から反射される際起こる超音波ドップラー現象を用いて人体内の血流情報を映像に供する映像装置が最も広く使われている。最近、かかる超音波情報を３次元映像に供する超音波３次元映像化装置の開発が図られている。
【０００３】図１は一般の超音波２次元映像装置のトランスデューサで超音波ビームが集束される方法を説明するための図である。
【０００４】図１に示したように、一般の超音波２次元映像化装置は、一列に配列された変換素子を備えた配列形トランスデューサを通して超音波ビームを１本の走査線上に集束し、この超音波ビームを走査線を基準とする平面上で移動させることによりその平面と出会う対象体の断面を映像化する。この際、配列形トランスデューサに入射される超音波パルスの到達時間は変換素子のそれぞれの位置により相違になる。すなわち、配列形トランスデューサの中心から遠く離れている変換素子は、中心近くにある変換素子よりも超音波エコー信号を受信するために長時間かかる。したがって、超音波映像装置はトランスデューサの変換素子を通して受信された超音波エコー信号が同位相となるように超音波集束を行う。この集束は送信時にも可能であるが、動的集束のためには受信時に集束するのが望ましい。この動的集束は超音波ビームのスキャニングによる遅延時間を動的に変換して超音波エコー信号が戻ってくる位置を追跡しうる。一般の超音波映像装置は高さ方向に超音波信号を集束する場合、音響学的レンズを使用したり変換素子の幾何学的配列を適宜に調節して固定焦点を保つ。この方法は、側面方向（横方向）及び高さ方向（縦方向）へは弁別力を持たせられる。そして、軸方向（奥行き方向）の弁別力を得るためにトランスデューサ１０は、連続波でなくパルス波形態の超音波信号を発射する。
【０００５】図２は図１のトランスデューサ１０を備えた一般の超音波２次元映像化装置を示す。トランスミッタ５から発生したパルス電圧はトランスデューサ１０の変換素子にそれぞれ印加される。この変換素子は、パルス電圧により超音波ビームを発生する、例えば圧電素子によって形成される。この際、パルス電圧は相異なる箇所に位置した変換素子によりそれぞれ相異なる時間遅延を持つよう形成され、側面方向の発信集束となるようにする。超音波パルスは対象体の中に伝播され、この対象体の目標点から反射され再びトランスデューサ１０の変換素子に入射される。変換素子は戻ってきた超音波エコー信号を電気的な信号に変換する。アンプ２０はトランスデューサ１０から受信される超音波エコー信号を増幅する。時間利得補償部（ＴＧＣ）３０はアンプ２０から印加される信号の利得を時間に応じて可変して超音波受信距離による減衰を補償する。ビームフォーマ４０は入力される信号を相互に時間遅延させてから全て加えて側面方向の受信集束を行う。この際、ビームフォーマ４０は時間遅延量を瞬間毎に変化させて受信集束を行う。包絡線検波部５０はビームフォーマ４０を経た信号を入力され包絡線検波し、関数変換部６０はその結果を所定関数に圧縮する。Ａ／Ｄ変換及びＤＳＣ部７０は入力された信号をディジタル信号に変換し、ＤＳＣ(Digital Scan Converter)処理してディスプレイ部８０に表示する。
【０００６】アメリカ特許番号5,305,756 号はトランスデューサの改善のみで２次元超音波映像装置に含まれる殆どの装置をほぼそのまま使用できる３次元映像化方法を開示する。従って、実時間に映像を具現する際も有利であり、安価に超音波映像診断装置を具現できる。
【０００７】図３に基づき前述したアメリカ特許5,305,756 号に開示された３次元映像化方法について簡単に説明する。
【０００８】ビームフォーミングのための側面及び軸方向の集束方法は図１に示された一般の２次元映像化方法と同様である。しかし、高さ方法の集束方法は異なる。高さ方向の集束方法は図１と異なり、ビームを広げて結局対象体の１面に集束する（アメリカ特許5,417,219 号参照）。そして、その面に垂直方向に集束された面を移動させ３次元空間をスキャンする。この際、集束が理想的になされて超音波ビームが１つの平面上でのみ位置する場合、対象体を３次元映像化する方法を図４の（Ａ）及び（Ｂ）に基づき説明する。
【０００９】図４の（Ａ）において、超音波ビームはＰＱＲＳ平面上でのみ存するとする。Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤはＰＲ線分上の任意の点であり、ＰＱの中点からＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとそれぞれ等距離にありながら、対象体の表面にある点をそれぞれＡ′、Ｂ′、Ｃ′、Ｄ′とする。対象体表面の全ての点において超音波反射の程度は同一であると仮定する。Ｄ′点から戻る超音波エコー信号はＡ′、Ｂ′、Ｃ′点から戻る超音波エコー信号より時間的に先立ち、その大きさもさらに大きい。その理由はＤ′点が他の点よりトランスデューサ１０に相対的に近く、Ｄ′点付近の対象体の表面が超音波進行方向と垂直に近いので、トランスデューサに戻る超音波エコー信号がさらに多いためである。時間的にはＤ′、Ａ′、Ｂ′、Ｃ′点の順の通り超音波エコー信号が戻る。しかし、図４の（Ｂ）に示したように、Ａ′点で受信される超音波エコー信号がＤ′点の超音波エコー信号より微弱なことは、Ａ′点付近の対象体の面が超音波進行方向と水平に近いので超音波ビームが散乱されトランスデューサ側へは信号がほぼ戻らないためである。すなわち、トランスデューサ１０に戻る超音波エコー信号はＡ′点で最も微弱であり、Ｄ′点で最も強い。トランスデューサと対象体の距離が遠ざかるほど超音波ビームが広がるので超音波エコー信号は小さいが、超音波エコー信号が小さくなる程度は予め分かるので、時間による補償が可能である。
【００１０】前述したような超音波３次元映像化装置は、一平面をスキャンしたときに一直線の映像を求め、この直線上の点の明るさを超音波エコー信号の強さにマッピングする。超音波エコー信号の強さは対象体の超音波反射率、対象体面における超音波進行方向に対する傾きなどで決定される。一平面をスキャンした後は平面を側面方向にやや移動した後、再び前述したような動作を繰り返して行う。このように得られた多数個の直線映像を集めて対象体表面の形状を示す３次元映像を得る。
【００１１】しかし、前述したような映像化方法は極めて簡単に対象体の表面形状を３次元に映像化できるが、図５の（Ａ）、（Ｂ）及び図６に示したような状況では実際の形状と異なる映像が得られる。図５の（Ａ）、（Ｂ）及び図６は従来の超音波３次元映像化装置の問題点を説明するための図である。
【００１２】図５の（Ａ）は同一形状からなる二つの対象体が並行に置かれた場合であり、図５の（Ｂ）はそのうちの一つが上下ひっくり返された場合である。ここで、トランスデューサの中心を通り過ぎる側面−軸方向（横方向−奥行き方向）の平面を基準として対象体をひっくり返せば並行に置かれた場合とひっくり返した場合の両方の同一な形状が得られる。再び説明すれば、従来の超音波３次元映像化装置は、トランスデューサから対象体のスキャン面までの距離を測定できるだけで、実際の対象体から反射される点がどこかに対する情報がないので、図５の（Ａ）及び（Ｂ）に示されたような二つの場合については同一の３次元映像が得られる。
【００１３】もう１つの問題点を図６に基づき説明する。スキャン面と対象体が出会う線がただ１つの場合（図４の（Ａ）及び（Ｂ）参照）には問題ないが、図６に示したように対象体がスキャン面上に全部含まれ対象体とスキャン面が出会う線が多数本の場合は映像線の和に当たる明るさを得る。すなわち、Ａに当たる点にはＡ′とＡ′′から戻るエコー信号の和に当たる明るさが割り当てられる。これはＢ、Ｃ点についても同様である。すなわち、図６では対象体の上面と下面とは、画面上で全然区別できない。結局、実際の対象体の形状と異なる形状が画面上にディスプレイ（表示）されることがある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、その目的は等距離に存する多数個の目標点を区別可能にするために、相異なる中心周波数を有する副変換素子を高さ方向角度の関数で表示されるようにした配列形トランスデューサ変換素子の配列構造提供することである。
【００１５】また、本発明の他の目的は相異なる中心周波数を有する副変換素子より構成された配列形トランスデューサで受信された超音波エコー信号の周波数スペクトルを分析して多数個の目標点を区別し、目標点の高さ方向位置を先頭値周波数と決定して超音波３次元映像化を行える超音波３次元映像化装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】前述した本発明の目的は、変換素子のそれぞれの位置に相異なる中心周波数を有する多数個の副変換素子を高さ方向と走査線方向とにより決定される面上で各副変換素子の超音波発射方向が可変される形態に配列する変換素子配列構造により達成される。
【００１７】また、本発明の他の目的を達成するために、超音波３次元映像化のための装置は、相異なる中心周波数を有する副変換素子より構成された変換素子を備えた配列形トランスデューサと、対象体で反射して受信される超音波エコー信号を、予め設定された時間遅延手段を通して受信集束してディジタル信号に変換する超音波信号処理手段と、前記超音波信号処理手段から印加される超音波データの周波数スペクトルを分析して１つの空間上の映像情報を収集し、収集した映像情報をディスプレイ（表示）するために信号処理する周波数分析手段を含む。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づき本発明の望ましい一実施例を詳述する。図７及び図８は、本発明の望ましい一実施例であって、高さ方向に相異なる中心周波数を有する副変換素子が１つの変換素子に周波数の大きさ順に配列された配列形トランスデューサを示す図である。配列形トランスデューサを構成する１つの変換素子は多数個の副変換素子より構成される。この副変換素子は電気的に並列連結され１つの変換素子として動作する。本発明の配列形トランスデューサは、相異なる中心周波数を有する副変換素子を多く備えることにより高さ方向に連続してまたは次第（段階的）に中心周波数が変化するビームを形成する。
【００１９】図９は図７に示した本発明の配列形トランスデューサを用いた超音波３次元映像化装置を示す。本発明の装置は、前述したように相異なる中心周波数を有する副変換素子が１つの変換素子をなす配列形トランスデューサ２００を含む。また、本発明の装置は図２に示した超音波２次元映像化装置の構成を一部含み（２０〜５０）、周波数分析手段１００をさらに含む。この周波数分析手段１００はＡ／Ｄ変換部５０から印加される超音波ビームの周波数スペクトルを推定するスペクトル分析部１１０及び３次元映像情報をユーザーの所望の形態にディスプレイできるように演算する３−Ｄ再演算部（三次元再構成部）１３０を備える。
【００２０】本発明の超音波３次元映像化装置は前述したような副変換素子を備えた配列形トランスデューサを用いて１つのスキャン面上に多数個の目標点が存する対象体を映像化する場合、それぞれの目標点に達する距離は、従来の超音波映像診断装置と同様に超音波エコー信号が達する時間の測定によって分かる。そして、目標点からトランスデューサの中心を連結した線が側面−軸方向平面となす角度はエコー信号の周波数スペクトルを介して分かる。
【００２１】図１０の（Ａ）〜（Ｃ）は図９に示された超音波３次元映像化装置において、本発明の望ましい一実施例による３次元映像化を具現する方法を示す図である。図１０の（Ａ）は等距離に存する三つの目標点Ａ、Ｂ、Ｃが存する対象体を映像化することを示す。図１０の（Ａ）に示したように、三つの目標点が存する対象体を映像化すれば、同一の時間範囲における超音波エコー信号は三つの目標点に区分されない（図１０の（Ｂ）参照）。しかし、超音波エコー信号の周波数スペクトルでは三つの目標点Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれ区別できる（図１０の（Ｃ）参照）。この際、スペクトルの先頭値毎に１つの目標物が存することがわかり、その目標物の高さ方向の位置は先頭値の周波数と決定しうる。このような情報を得れば、３次元空間座標上から反射された超音波エコー信号を実時間に得られる。
【００２２】従って、前述したような周波数スペクトルの先頭値を用いた本発明の超音波３次元映像化装置の動作を図９、図１０の（Ａ）及び（Ｃ）に基づき説明する。トランスデューサ２００の副変換素子はそれぞれ相異なる中心周波数ｆ０を有する超音波ビームを発生し、対象体から戻る超音波エコー信号を電気的な信号に変換する。アンプ２０はトランスデューサ２００から戻って来た超音波エコー信号を増幅する。ＴＧＣ部３０は時間に応じてアンプ２０から印加される信号の利得をそれぞれ可変して超音波受信距離に対する減衰を補償し、ビームフォーマ４０は受信集束を行う。Ａ／Ｄ変換部５０はビームフォーマ４０から印加される超音波エコー信号をディジタルデータに変換する。スペクトル分析部１１０はＡ／Ｄ変換部５０から印加されるディジタルデータを時間に応じて分割して各線分のスペクトルを判断する。この際、時間に応ずるディジタルデータの分割は隣接した二つの線分のデータの半分がオーバラップされるよう分割する。線分が長いほどスペクトルを判断し易い。従って、高さ方向へは解像度が良好な反面、軸方向へは解像度が劣化する。そのため、適切な解像度調節が必要である。結局、スペクトル分析部１１０はトランスミッタ５すなわちビームフォーマ４０が決定するスキャン面上の１つのアーク（図９に示した目標物Ａ、Ｂ、Ｃが置かれたアーク）に沿って映像を出力する。かかるアーク上の映像は１回の送受信で１つの平面について十分な個数、すなわち、スペクトル分析部１１０で得られた線分の個数ほど得られる。スペクトル分析部１１０はスキャン面を移動して前述したような映像を得る過程を繰り返して集まった１つの空間上の情報を３−Ｄ再演算部１３０に出力する。３−Ｄ再演算部１３０は得られたデータを処理してスキャン容量内の対象体の表面形状を抽出し、これを指定された角度で照明が入射されると仮定して定められた位置から見たときに見える形状を表示する。
【００２３】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、高さ方向に相異なる中心周波数を有する配列形トランスデューサを構成し、配列形トランスデューサで受信した超音波エコー信号の周波数スペクトルを分析して多数個の目標点を区別し、目標点の高さ方向の位置を先頭値周波数と決定して超音波３次元映像化を行える。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】５９７０９６９０９
【氏名又は名称】株式会社 メディソン
【氏名又は名称原語表記】株式会社 Ｍｅｄｉｓｏｎ
|
| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）７月８日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】三浦 邦夫
|
| 【公開番号】 |
特開平１１−４２２２６ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）２月１６日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−１８２８６９ |
|