超声波诊断装置及超声波诊断方法 【技术领域】
本发明涉及一种超声波诊断装置，根据通过发送接收超声波而得到的回波信号，进行超声波断层像的显示。
背景技术
超声波诊断装置能够以非侵入方式获得生物体软组织的二维断层像，对生物体的安全性高，所以作为医疗领域的必备设备正在广泛普及。
近年，这些超声波诊断装置的必不可缺的功能是定量算出病变部位等的大小及其断面积等，根据该变化推测病变的进行程度及治疗过程。因此，提取用于算出上述病变部位等的大小及其断面积等的轮廓及边界也是非常重要的功能。
为了提取轮廓及边界，图像越鲜明越容易提取，并且精度也高。超声波诊断装置捕捉从边界面反射的超声波回波，生成断层像。因此，在散射体的边界面有倾斜时，在发送过超声波的场所接收地超声波回波的强度减小，不能再现本来的信号强度分布，不能生成合适的断层像。所以，以往通过合成从多个方向摄影的超声波断层像，来克服该问题。
图1是表示以往合成从多个方向摄影的断层像的超声波诊断装置500的功能结构的方框图(例如，参照特开平5-115479号公报)。
该超声波诊断装置500通过排列了多个振子的振子组1来接收超声波回波，将其变换为电信号，经由延迟单元3进行延迟后，对多个系统(在图1中表示3系统的示例)利用各自的加权单元2a、2b、2c进行加权。另外，通过各自的加法单元4a、4b、4c对实施加权后的电信号进行相加，在外观上进行根据3个接收波束5a、5b、5c生成断层像的处理。之后，利用各自的检波单元19a、19b、19c对各个相加后的电信号进行检波，检波后的电信号经由2次加法单元23进行合成。显示单元20根据所合成的电信号，生成断层像并进行显示。
图2是表示以往的超声波诊断装置500的处理概要的方框图。首先，通过振子组1接收反射信号，延迟单元3对所接收的反射信号进行延迟处理。延迟处理后的反射信号501具有右侧强的强度。加权单元2a、2b、2c根据预先登录的加权模式502(左方向加权模式5021、中央方向加权模式5022、右方向加权图像5023)进行加权。这些加权相当于上述图1中的接收波束5a、5b、5c的接收。利用各个加权模式对反射信号进行加权，即可得到加权后的电信号503。
如图2所示，利用左方向加权模式5021进行加权后的信号象信号5031那样，信号成分消失，利用中央方向加权模式5022进行加权后的信号象信号5032那样，信号变弱，利用右方向加权模式5023进行加权后的信号象信号5033那样，信号被强调。利用加法单元4a、4b、4c对其进行相加，如相加结果504所示，右方向的信号成分变强。对所相加的信号利用检波单元19a～19c进行检波，可以得到右方向的信号成分强的信号。利用2次加法单元23对检波结果506进行相加，如2次相加结果507所示，可以得到右方向更强的信号。
如上所述，即使在超声波回波的大部分倾向右方向强烈反射时，也能可靠地捕捉该所反射的超声波，生成断层像。
但是，为了根据多方向的超声波回波生成断层像，需要一面改变接收方向一面合成所摄影的多个图像，或同时从多个方向进行摄影并合成多个图像。前者由于摄影次数增加，具有产生帧速率降低的问题，后者为了可以同时从多个方向进行接收，产生硬件增加的问题。
上述以往的超声波诊断装置500虽然具有可以避免帧速率降低的效果，但仍遗留有硬件增加的问题。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种超声波诊断装置，可以避免硬件增加和帧速率降低，同时能得到同等于从多方向摄影时的断层像。
为了达到上述目的，本发明的超声波诊断装置，具有：超声波发送接收单元，其排列有多个振子，用于向被检测体内发送超声波，接收由所述被检测体内反射的超声波，并变换为电信号；特征检测单元，根据所述变换后的电信号，检测所述反射的超声波的特征；加权单元，根据所检测的所述特征，对所述电信号实施特定的加权；和图像生成单元，根据所述加权后的电信号，生成断层像。
另外，为了达到上述目的，本发明涉及的超声波诊断装置的所述特征检测单元的特征在于，比较所述多个振子的所述电信号的信号强度，根据通过该比较而确定的振子位置和规定的接收焦点位置，算出作为所述超声波的特征的反射角。
这样，根据超声波回波的反射强度，可以通过1系统的硬件进行反射信号的加权，所以与以往的超声波诊断装置比，用于进行加权的硬件结构变简单，同时可以避免帧速率降低。
另外，为了达到上述目的，本发明可以实现以上述超声波诊断装置的特征性结构单元为步骤的超声波诊断方法，也可以实现包括所有这些步骤的程序。该程序不仅可以存储于超声波诊断装置具有的ROM等中，也可以通过CD-ROM等记录介质和通信网络等传送介质而流通。
如上所述，本发明涉及的超声波诊断装置通过根据超声波回波的反射角对反射信号实施合适的加权，即使在向倾斜方向强烈反射的情况下，也不需要图像合成，可以简化用于进行以往的多个加权和2次相加的硬件结构。特别是对三维配置的振子，根据本发明的硬件的削减效果更大。另外，作为有关被检测体组织的边界面方向的信息，可以做到反射角的视觉化。
此外，不必象以往那样，从通过同一点的多个接收波束合成断层像，就可以从单一接收波束得到强度与反射强度相适应的图像，所以能够避免因多次接收造成的帧速率的降低和因多方向接收造成的硬件增加。
专利文献 特开平5-115479号公报
【附图说明】
图1是表示以往合成从多方向摄影的断层像的超声波诊断装置的功能结构的方框图。
图2是表示以往的超声波诊断装置的处理概要的方框图。
图3是表示本实施方式的超声波诊断装置的功能结构的方框图。
图4是表示反射到散射体上的超声波的反射强度分布的一个示例图。
图5(a)是表示在加权单元特定的加权模式的一个示例图，
(b)是表示在加权单元特定的加权模式的一个示例图，(c)是表示在加权单元特定的加权模式的一个示例图。
图6是表示反射角检测单元的反射角检测方法的一个示例图。
图7是表示超声波诊断装置的处理概要的方框图。
图8是表示超声波诊断装置的整体处理流程的流程图。
图9是表示上述图8的反射角检测处理的详细处理内容的一个示例的流程图。
图10是表示上述图8的加权相加处理的详细处理内容的一个示例的流程图。
【具体实施方式】
以下，参照附图说明本发明的实施方式。
图3是表示本实施方式的超声波诊断装置100的功能结构的方框图。如图3所示，超声波诊断装置100是考虑由被检测体内的组织(以下也称为“散射体”)等反射的超声波回波的角度(以下称为“反射角”)来生成断层像的装置，具有控制单元11、脉冲发生器12、放大器13、振子组1、延迟单元14、A/D变换器16、缓冲器17、加权加法单元15、反射角检测单元18、检波单元19和显示单元20。
控制单元11用于进行超声波诊断装置100的整体控制，特别控制各部分的处理时间(例如同步)，具有CPU、ROM及RAM等。控制单元11输出用于控制由脉冲发生器12生成的脉冲信号的输出时间的触发信号。另外，控制单元11还接收由反射角检测单元18检测的反射角，并通知显示单元20。此外，控制单元11还向延迟单元14输出用于进行聚焦处理的延迟控制信号。
脉冲发生器12根据从控制单元11输出的触发信号，生成脉冲信号并输出给放大器13。此时，控制单元11考虑振子为T个(T为任意自然数，一般T＝32、64、128等)，为了使超声波的焦点对准被检测体内的规定深度的发送焦点，向延迟单元14输出延迟控制信号，决定触发信号的输出时间，输出给脉冲发生器12。
放大器13将由脉冲发生器12生成的脉冲信号放大后施加给振子组1。振子组1的振子1～T发送超声波，以使焦点对准规定的发送焦点(例如p1～p4的位置)。此处，在相对振子组1的排列方向而垂直延伸的扫描线2 1和水平方向上形成发送波束。
被发送到被检测体内的超声波在被检测体内的深度m(m＝1、2、…)位置pm被依次反射。振子组1接收该反射的超声波回波，并变换为电信号。所变换的电信号(以下称为“反射信号”)被输入到对应于振子组1的各个振子而设置的延迟单元14。
延迟单元14根据控制单元11的指示，进行反射信号的延迟(所谓动态聚焦)并发送给A/D变换器16，以便随着时间的经过，按照位置p1→p2→…→p4依次变化接收焦点。
A/D变换器16对从延迟单元14接收的反射信号进行A/D变换，逐次输出给缓冲器17和反射角检测单元18。此处，缓冲器17例如是用于存储表示对应显示单元20的所有象素的反射信号的数据的存储装置，由RAM等构成。
加权加法单元15用于根据反射角检测单元18的指示，对存储在缓冲器17中的反射信号进行加权并相加，由加权单元151和加法单元152构成。
下面，参照图4说明上述加权加法单元15的加权概念。
图4是表示反射到散射体上的超声波强度(以下称为“反射强度”)分布的一个示例图。一般，超声波在散射体203(即被检测体内的组织)的边界面204被反射，但在该边界面204有倾斜θ、并与所发送的超声波的方向不垂直的情况下，向与所发送的方向不同的方向(在图4示例中是沿逆时针倾斜-2θ的方向)强烈反射。因此，在向与超声波发送方向不同的方向强烈反射的情况下，根据所反射的超声波的强度进行规定的加权。通过进行该加权，可以生成更加鲜明的断层像。
加权单元151具有从缓冲器17读出表示反射信号的数据，根据反射角检测单元18的指示对所读出的数据进行加权的功能。例如，根据在后述的反射角检测单元18所确定的反射信号的信号强度模式，从预先登录的加权模式中选择一个加权模式，按照所选择的加权模式进行加权。该加权单元151由多个放大器(未图示)构成。该多个放大器根据来自反射角检测单元18和控制单元11的指令，进行各个增益的调整。
针对上述反射信号的加权方法不限定于上述方法，也可按照公式进行加权。
作为使用公式进行加权的方法一例，把来自输入到反射角检测单元18的振子t(t：1 t T、T：总振子数)的信号强度设为h(t)，相对加权单元151的振子t的加权w(t)可以用下述公式(1)表示。
w(t)=s(t)Σk=1Ts(k)where,s(t)=h(t)-min1≤j≤T(h(j))max1≤i≤T(h(i))-mini≤j≤T(h(j))]]>
在上述公式(1)中，各振子的加权系数w(t)是通过求出相对反射强度偏差(即反射强度的最大值和最小值之差)的振子t的反射强度与反射强度最小值之差的比例(s(t))，并表示为将各s(t)正规化后的值。其中，在上述公式(1)中，“max”、“min”是表示i、j或k分别(1i、j或kT)变化时的反射强度的最大值、最小值的函数。
该加权单元151可以动态改变加权，由此即使在扫描线上的各位置的超声波回波被反射到各个方向时，也能进行与其方向相适应的加权。加法单元152对从加权单元151输出的被加权后的各反射信号，以显示单元20的各象素单位进行相加。
图5是表示在加权单元151所确定的加权模式的一个示例图。图5(a)是振子组1的左侧位置出现强信号强度组时的加权模式(pattern)31。图5(b)是振子组1的中央位置出现强信号强度组时的加权模式32。图5(c)是振子组1的右侧位置出现强信号强度组时的加权模式33。
如图5(a)～(c)中虚线所示，也可以在各种情况下使用更单纯的加权模式41～43。
反射角检测单元18根据从A/D变换器16输出的、从各振子1～T得到的反射信号的值，算出超声波回波的反射角，同时确定反射信号的信号强度模式，并发送给加权单元151。例如，从通过振子组1得到的反射信号中寻找信号强度强的振子的组，并确定这些信号强度模式。根据与这些反射信号中具有最强信号强度的反射信号对应的振子的位置，决定反射角(关于该“反射角”的检测方法将在后面详细叙述)。
关于确定加权模式的方法，除上述之外，还可考虑使用了神经元网络的模式匹配、单纯限定加权区间的方法等，没有限定。
检波单元19对在加权加法单元15所得到的反射信号进行检波，输出给显示单元20。显示单元20根据从检波单元19所输出的反射信号，生成断层像，显示在CRT上等。显示单元20还显示从控制单元11接收的反射角的值本身、或把反射角作为边界面的倾斜进行显示。这样，使用者可以知道对象物的倾斜。另外，关于显示方法和提示方法，可以考虑变换为颜色信息进行显示的方法或变换为数值进行提示的方法等，对该方法没有限定。
在实际的超声波诊断装置中，有必要考虑噪声对策和因传送距离造成的信号衰减等，但这些内容和本发明的特征没有直接关系，所以省略其说明。
图6是表示上述反射角检测单元18的反射角检测方法的一个示例图。如图6所示，随着接收焦点按照位置p1→p2→…→p4依次移动，扫描线上的接收强度的最大超声波回波的方向按照方向221→方向222→方向223→方向224而变化。
下面，着重于接收焦点p1，说明根据从位置p1反射的超声波回波检测反射角的方法。一般，可以预先得知超声波被送出的时间、超声波回波被接收的时间及被检测体内的超声波的传送速度(即、由控制单元11进行控制)，所以根据这些值，可以算出从振子组1的端部到位置p1的垂直距离11、和从扫描线21到接收了最大反射强度的超声波回波的振子的距离L1，根据该11和L1算出θ1。同样，也可以算出其他的p2～p4的θ2～θ4。
下面，参照图7～图10说明如上构成的超声波诊断装置100的动作。
图7是表示超声波诊断装置100的处理概要的方框图。
首先，被A/D变换后的反射信号被存储在缓冲器17中(501)，反射角检测单元18根据该反射信号检测到振子组1的右侧部分的反射强度大，并检测出反射角，通知给加权加法单元15。此时，把反射强度强的范围设为关注范围5012。加权加法单元15对关注范围5012选择进行特定加权的加权模式6021，按照该加权模式6021进行加权(603)，并进行反射信号的相加(604)。结果，关注范围5012的反射信号的信号相加结果及检波单元19的检波结果被进一步强调(在图7中表示为“极强”)。
图8是表示超声波诊断装置100的整体处理流程的流程图。
首先，脉冲发生器12接收从控制单元11发送的触发信号，根据该触发信号生成用于产生超声波的脉冲信号，通过放大器13输出给振子组1(S501)。此时，延迟单元14根据从控制单元11接收的延迟控制信号生成脉冲信号，以使超声波脉冲的焦点对准被检测体内的规定深度的发送焦点。
然后，振子组1接收从散射体反射的超声波回波(S502：Yes)，通过延迟单元14及A/D变换器16，反射信号被存储在缓冲器17中(S503)。
反射角检测单元18确定反射角及反射信号的信号强度模式(pattern)(S504)，加权加法单元15执行加权处理及相加处理(S505)。
之后，检波单元19进行检波(S506)，显示单元20进行断层像及反射角的显示(S507)。反复进行以上处理，直到完成诊断为止(S501～S508)。
图9是表示上述图8的反射角检测处理(S503)的详细处理内容的一个示例的流程图。
首先，反射角检测单元18根据控制单元11的指示，确定接收焦点pm的反射信号(S601)，从缓冲器17读出必要的数据(S602)。
然后，反射角检测单元18比较每个振子的反射信号的大小(S603)，根据反射信号的信号强度的模式来确定加权模式(S604)。并且，反射角检测单元18确定接收了最大反射信号的振子Tx(S605)。
之后，反射角检测单元18根据接收焦点pm和振子Tx的位置算出反射角(S606)。反射角检测单元18把所算出的反射角发送给控制单元11及加权加法单元15(S607)。
图10是表示上述图8的加权相加处理(S504)的详细处理内容的一个示例的流程图。
首先，加权单元151从反射角检测单元18接收反射强度模式及反射角(S701)，根据反射角的值(S702)，选择加权模式(例如加权模式31～33中的一个)(S703～S705)。
然后，加法单元152根据所选择的加权模式，进行反射信号的加权(S706)，并对它们进行相加(S707)。
之后，加法单元152向检波单元19输出所相加的反射信号(S708)。
如上所述，本实施方式的超声波诊断装置根据超声波回波的强度来确定反射角，根据该反射角进行反射信号的加权，所以能够用更简单的硬件结构生成和以往相同的断层像。
在上述实施方式中，表示了在加权单元151确定加权模式的结构示例，但也可以是在反射角检测单元18确定加权模式的结构。
另外，在上述实施方式中，作为决定加权的方法，表示了根据反射角选择加权模式的方法和使用公式(1)的方法，但不受这些方法限定，也可以在神经元网络中通过基于利用学习算法的模式匹配的加权模式选择等来决定加权。
此外，在上述实施方式中，采用一维排列的振子组对振子进行了说明，但本发明不限定于一维排列，也可适用于二维或三维排列的振子组。
另外，还可以利用模拟电路、数字电路、软件中的一个来实现上述超声波诊断装置。