超声波成像装置制造方法
【专利摘要】用多个元件(401)接收来自被检测体的超声波信号，通过相似度运算部(404)求出接收信号x(n)间的相似度。利用相似度运算部(404)求出的接收信号间的相似度C(n)，通过自适应权重运算部(407)求出相似度所对应的自适应权重w(n)。利用自适应权重w(n)与接收信号x(n)，由定相运算部(408)生成定相输出。图像处理部(108)利用定相输出来生成图像数据。例如，相似度运算部(404)在时间方向上进行相似度的运算。因此，利用自适应信号处理的方法，能够以少的运算量高精度地求出超声波成像装置的接收信号的定相处理所利用的权重值。
【专利说明】超声波成像装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用超声波对被检测体内的图像进行成像的超声波成像技术。
【背景技术】
[0002]所谓超声波成像技术，是利用超声波(不愿听到的声波、一般而言是20kHz以上的高频声波)以非侵袭的方式对以人体为首的被检测体的内部进行图像化的技术。作为一个例子，对医用超声波成像装置简单地进行说明。超声波探针朝向患者的体内发送超声波并接收从患者体内反射的回波信号。接收信号在超声波探针及超声波成像装置主体的一方或双方中被实施信号处理后交接给图像显示部，从而显示超声波图像。若更详细地说明的话，例如，在超声波成像装置主体的发送波束成形器中，生成发送波束的信号，经过了收发分离电路后被传送至超声波探针。超声波探针发射超声波。超声波探针在接收到来自体内的回波信号后，向成像装置主体传递信号。在成像装置主体中，接收信号经过收发分离电路及接收波束成形器后被传递给图像处理部。在图像处理部中，各种滤波器、扫描变换器等执行各种各样的图像处理。最终在图像显示部上显示超声波图像。
[0003]这样，一般的超声波诊断装置通过发送波束成形、接收波束成形及后级的图像处理这3种技术构成。特别是，发送及接收时的波束成形器进行RF(高频)电平下的信号处理，因此波束成形器的算法或安装体系机构决定超声波图像的基本画质。因此，波束成形器是装置的基干部。
[0004]接收波束成形器针对构成超声波探针的多个元件的各接收信号(接收数据)，依据焦点位置与元件位置的关系，提供延迟量分布成凹面型的延迟时间，使焦点(focus)对准空间的虚拟的某一点之后，对接收信号数据进行相加。该方法被称为基于延迟相加方式的定相。在该延迟相加方式中，通过将由超声波诊断装置的多个元件接收到的接收数据和诊断装置所蓄积的固定权重向量相乘这样的处理单元，来实现延迟。不仅是在接收波束成形器中这样实现，在发送波束成形器中也是同样的。
[0005]另一方面，作为超声波成像装置的基本问题，公知方位方向分辨率的制约。因为超声波的收发是利用具备有限的开口径的阵列来进行的，故发生开口部边缘的衍射的影响。如果准备无限长的阵列，则虽然存在与深度方向同样地可无限提高分辨率的可能性，但在现实中，存在收发阵列的长度等装置设计上的物理性制约，因此会妨碍方位方向分辨率的提高。近年来，以下尝试倍受关注:针对时序的收发数据的每一个，使在波束成形器的延迟相加时为了进行延迟而利用的前述的固定权重向量自适应地变化，从而得到更精细的超声波图像。由此，存在可显著提高波束成形技术中的本质性课题之一的方位方向分辨率的可能性。
[0006]特别是，例 如，专利文献I公开了将以近年来在移动体通信领域发展的MVDR法(Minimum Variance Distortionless Response ;Capon 法)为首的自适应信号处理的技术利用于超声波图像处理。通过利用自适应的方法，从而按接收信号在时间方向的每个采样点来求出以往是固定值的权重向量，并将其与接收信号相乘，由此可以进行延迟。[0007]【在先技术文献】
[0008] 【专利文献】
[0009]【专利文献I】美国专利申请公开第10/676777号说明书
【发明内容】
[0010]-发明想要解决的课题-
[0011]在超声波诊断装置中，在将以MVDR法为首的自适应信号处理的技术适用于波束成形器的技术(自适应波束成形器)中，若在时间方向上不进行推测，而是逐次(每个样本?每个通道)计算空间方向的相关矩阵，则难以使在时间方向上分散的能量的误差收敛。因此，图像中的点像在时间方向(深度方向)上模糊，产生针对各种噪音处理的不稳定度，成为图像噪声/误差的原因。
[0012]另一方面，在通过自适应信号处理进行了时间方向的推测和空间方向的推测这两种推测的情况下，造成庞大的处理负荷，安装成本会增大。这些处理能力和推测处理负荷的折衷对于安装来说成为大的障碍。
[0013]本发明的目的在于，利用自适应信号处理的方法且以较少的运算量来高精度地求出超声波成像装置的接收信号的定相处理所利用的权重值。
[0014]-解决课题的手段-
[0015]为了达成上述目的，根据本发明可提供如下的超声波成像装置。即，一种超声波成像装置，具有:多个元件，接收来自被检测体的超声波信号；相似度运算部，求出多个元件的接收信号间的相似度；自适应权重运算部，利用相似度运算部求出的接收信号间的相似度，求出与该相似度对应的自适应权重；定相运算部，利用自适应权重与接收信号来生成定相输出；以及图像处理部，利用定相输出来生成图像数据。
[0016]-发明效果-
[0017]在本发明中，预先对接收信号进行相似度运算处理，利用求出的相似度来运算自适应权重，由此可以降低运算量并进行正确的点像的推测。例如，通过进行时间方向的相似度运算处理，从而可以用较少的运算量来补偿时间方向的偏离，能进行更正确的点像的推测。由此，能修正时间方向(深度方向)上的图像模糊，可获得直径小的点像，并且可以稳定地得到伪像或噪音也被降低的超声波图像。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1(a)是表示本实施方式的超声波成像装置的概略构成的立体图，(b)是框图。
[0019]图2是表示第I实施方式的接收波束成形器的构成的框图。
[0020]图3是表示第I实施方式的接收波束成形器的信号处理的流程图。
[0021]图4是表示第I实施方式的接收波束成形器的动作的说明图。
[0022]图5(a)是表示通过第I实施方式的延迟电路412的处理使波面一致的接收信号208的说明图、(b)是表示通过相似度运算部404求出的相似度函数、和提取变换部413提取的指标值的例子的说明图、(c)是表示使波面一致的接收信号的采样时间η的输出在通道方向上的分布的图表、(d)是表示相似度函数的采样时间η的指标(Φ)在通道方向上的分布的图表。[0023]图6是表示比较例的接收波束成形器的动作的说明图。
[0024]图7是表示第2实施方式的接收波束成形器的构成的框图。
[0025]图8是表示第2实施方式的接收波束成形器的信号处理的流程图。
[0026]图9是表示第3实施方式的接收波束成形器的构成的框图。
[0027]图10是表示第4实施方式的接收波束成形器的构成的框图。
[0028]图11是表示第5实施方式的接收波束成形器的构成的框图。 [0029]图12(a)是表示第6实施方式的接收波束成形器的部分结构的框图、(b)是表示抽取(decimate)运算处理的说明图。
[0030]图13是本实施方式的超声波成像装置的中央控制台的立体图。
[0031]图14(a)是通过第I实施方式的超声波成像装置得到的图像、(b)是通过现有技术型的延迟相加方式(无相似度运算处理与自适应定相引擎405)而得到的比较例的图像、(c)是仅利用自适应定相引擎在时间方向上进行平均化处理而得到的比较例的图像、(d)是仅利用自适应定相引擎且在时间方向上未进行平均化而得到的比较例的图像。
[0032]图15(a)是沿着通道方向描绘图14(a)~⑷的超声波图像的最大亮度点所处的深度的亮度而得到的图表、(b)是沿着深度方向描绘图14(a)~(d)的超声波图像的最大亮度点所处的通道的亮度而得到的图表。
[0033]图16是表示第7实施方式的接收波束成形器的构成的框图。
[0034]图17是表示第7实施方式的接收波束成形器的信号处理的流程图。
【具体实施方式】
[0035]根据本发明的第I形态，可提供以下的超声波成像装置。即，一种超声波成像装置，具有:多个元件，接收来自被检测体的超声波信号；相似度运算部，求出多个元件的接收信号间的相似度；自适应权重运算部，利用相似度运算部求出的接收信号间的相似度，求出与该相似度对应的自适应权重；定相运算部，利用自适应权重与接收信号来生成定相输出；以及图像处理部，利用定相输出来生成图像数据。通过采取这种构成，从而可以利用自适应信号处理的方法，以少的运算量高精度地求出超声波成像装置的接收信号的定相处理所利用的权重值。
[0036]相似度运算部进行相似度运算的方向优选是时间方向。
[0037]自适应权重运算部例如构成为:通过利用相似度运算部求出的相似度来进行自适应信号处理，从而求出自适应权重。
[0038]优选在多个元件与相似度运算部之间还配置延迟部，该延迟部依据超声波信号的焦点位置，分别使多个元件接收到的接收信号延迟，以使波面一致。由此，相似度运算部可以求出该延迟部延迟后的接收信号的相似度。
[0039]再有，例如采取以下构成:在相似度运算部与自适应权重运算部之间配置提取表示相似度的特征的规定的指标值的提取部，自适应权重运算部将提取部提取出的指标值用作相似度。
[0040]自适应权重运算部例如构成为根据接收信号间的相似度来生成空间协方差矩阵，进行自适应信号处理，由此求出自适应权重。
[0041]可以并排配置接收超声波信号的多个元件。该情况下，相似度运算部采用求出多个元件之中仅相隔了规定数量的2个元件的接收信号间的相似度的构成。
[0042]在自适应权重运算部求出的自适应权重的数量比接收信号的数量还少的情况下，定相运算部也可以根据自适应权重的数量进行使多个接收信号衰退的运算，利用衰退后的接收信号与自适应权重来生成定相输出。
[0043]根据本发明的第2形态，可提供如下的超声波成像装置。即，一种超声波成像装置，具有:多个元件，接收来自被检测体的超声波信号；相似度运算部，求出多个元件的接收信号间的相似度；自适应权重运算部，利用相似度运算部求出的接收信号间的相似度，求出自适应权重；定相运算部，利用自适应权重与接收信号来生成定相输出；以及图像处理部，利用定相输出来生成图像数据。这种形态的超声波成像装置可以利用自适应信号处理的方法，以少的运算量高精度地求出超声波成像装置的接收信号的定相处理所利用的权重值。
[0044]上述第2形态中，可以在相似度运算部与所述自适应权重运算部之间配置:提取部，提取表示相似度的特征的规定的指标值；以及延迟部，基于由提取部提取出的指标值，分别使多个元件的接收信号延迟，并使波面一致。该情况下，自适应权重运算部可以利用延迟部延迟后的接收信号来求出自适应权重。
[0045]这样，在本发明中，预先对接收信号进行相似度运算处理，利用求出的相似度、或者根据求出的相似度而进行延迟后的接收信号，运算自适应权重，由此可以降低运算量并进行正确的点像的推测。例如，通过进行时间方向的相似度运算处理，从而能以较少的运算量补偿时间方向的偏离，可以进行更正确的点像的推测。由此，可以修正时间方向(深度方向)的图像模糊，可获得直径小的点像，并且能稳定地得到伪像或噪音也被降低的超声波图像。
[0046]对本发明的一实施方式的具体例进行说明。
[0047](第I实施方式)
[0048]将上述本发明的第I形态的超声波成像装置作为第I实施方式具体地进行说明。
[0049]首先，利用图1 (a)、(b)对超声波成像装置的整体构成进行说明。图1 (a)是装置的立体图，图1(b)是表示内部的概略构成的框图。
[0050]如图1 (a)所示，超声波成像装置具备超声波探针101、装置主体102和图像显示部103。如图1(b)所示，在装置主体102内配置着发送波束成形器104、收发分离电路411、接收波束成形器107和图像处理部108。
[0051]在发送波束成形器104中生成发送波束用的信号，经过收发分离电路411后被交接给超声波探针101。超声波探针101朝向被检测体100的体内发送超声波，且超声波探针101接收体内反射的回波信号。接收信号经过收发分离电路411后，在接收波束成形器107中被实施定相运算处理等。定相运算处理后的接收信号被交接给图像处理部108，在各种滤波器、扫描变换器等中执行各种各样的图像处理，生成超声波图像。超声波图像被交接给图像显示部103而被显示。
[0052]图2是表示接收波束成形器107的构成的框图。该接收波束成形器是将自适应信号处理的技术适用于波束成形器的自适应波束成形器。如图2所示，接收波束成形器107包括延迟电路412、相似度运算部404、采样数量调整部410、提取部变换部413和自适应定相引擎405。这些接收波束成形器107的各部分既能由独立的电路分别构成，也能构成为通过预先保存有程序的存储器和读取该程序并执行的CPU、GPU来实现各部分的动作。
[0053]相似度运算部404通过运算来求出构成超声波探针101的多个元件的接收数据(以下也称为接收数据)彼此在时间方向上的相似度，并将基于运算结果而计算出的信息作为自适应定相引擎405的输入。通过预先进行时间方向上的相似度运算处理，从而在自适应定相引擎405中能够以较少的运算量补偿时间方向的偏离，可以进行更正确的点像推测。另外，作为相似度运算部404的前级而配置延迟电路412，依据元件的位置而向构成超声波探针的多个元件的各接收信号提供延迟时间，进行使焦点(焦点)对准空间的虚拟的某一点的处理。
[0054]超声波探针101具备排列成阵列状的多个元件(超声波振荡器)400。在本实施方式中采用有效通道(active channel)技术，将接收了 I个发送超声波波束所对应的接收回波的超声波探针101之中、元件400中的一部分区域的元件设为有效通道401，利用有效通道401的接收信号，生成超声波传播方向的I个图像数据(I簇)。如图2所示，将元件的位置稍微错开而依次构成多个有效通道402、401、403，针对各个有效通道402、401、403来生成簇，将该结果排列而成的图形就是超声波图像。
[0055]在以下的说明中，通过对I次收发所对应的I个有效通道401的各元件的接收数据进行自适应定相处理，从而对生成I簇之际的各部的动作进行说明。图3是表示此时的接收波束成形器的处理的流程。
[0056]由有效通道401接收到的多个接收数据通过收发分离电路411后，被输入至接收波束成形器107的延迟电路412。
[0057]在步骤31中，如图4所示，延迟电路412依据元件的位置，向构成有效通道401的多个元件400的各接收信号(接收数据)提供以空间内的一点201为中心且延迟量分布成凹面型205的延迟时间，由此假使焦点(focus)对准焦点201 (步骤31)。通过将凹面型205的形状例如改变成凹面型206、207，从而可以使焦点分别对准点202、203。由此，根据所期望的焦点，使各元件400的接收信号204延迟，可以得到波面1000 —致的接收信号(接收数据)208。
[0058]如图5(a)所示，如果构成有效通道401的元件数量(通道数量)为K个，则某一采样时刻η的K个接收数据208可以表示为下述式(I)的向量χ(η)。
[0059]【数式I】
[0060]X(n) = Lx1 (η), X2(η),…，χκ(η)]τ...(I)
[0061]在步骤32中，配置于延迟电路412后级的相似度运算部404从延迟电路412接受由K个接收数据组成的向量X (η)作为输入信号，进行不同通道(元件)的接收信号间的相似度运算。具体地，在相似度运算部404中，计`算有效通道(总数K)的通道间的相似度函数，并输出该结果。作为相似度函数，也可以利用马氏距离(Mahalanobis distance)、皮尔逊相似度函数、互相关函数等输出多个信号向量间的相似度的任何函数。
[0062]在此，作为相似度运算的一例，对利用了互相关函数的运算进行说明。互相关函数是表示某一信号与其他信号的相似度的方法之一，一般而言可用下式(2)的函数Cp(n)来表示。如式(2)所示，利用某一通道P的接收数据Xp (η)、与从通道P相隔了 q通道的通道P+q的接收数据Xp+,(η)在时间方向上仅浮动τ后取得共轭的信号χζ+,(η+τ )的交迭，表示互相关函数Cp(η)。在此，将通道P与通道p+q设定为相隔几个通道是任意的，只要满足式(3)q就可以是任意值。例如，若9=1，则(；(11)成为相邻通道间的互相关函数。在总通道数为K时，如式(4)所表示那样，输出Κ-q个互相关函数。例如，在q=3时取得与相隔了 3个通道的通道之间的相关，在(ch.1, ch.4)、(ch2, ch5)...(ch.K_3, ch.K)全部中输出(K_3)组的互相关函数C1 (η)~CK_q(n)。再有，在式(2)中，积分区间_r~r表示图5 (a)所示的互相关窗1003的区间，针对互相关窗1003内的每个采样时刻的接收数据X(η)进行式(2)的运算。
[0063]【数式2】
【权利要求】
1.一种超声波成像装置，其特征在于，具有: 多个元件，接收来自被检测体的超声波信号； 相似度运算部，求出所述多个元件的接收信号间的相似度； 自适应权重运算部，利用所述相似度运算部求出的所述接收信号间的相似度，求出与所述相似度对应的自适应权重； 定相运算部，利用所述自适应权重与所述接收信号，生成定相输出；和 图像处理部，利用所述定相输出来生成图像数据。
2.根据权利要求1所述的超声波成像装置，其特征在于， 所述相似度运算部在时间方向上进行所述相似度的运算。
3.根据权利要求1所述的超声波成像装置，其特征在于， 所述自适应权重运算部通过利用所述相似度运算部求出的所述相似度来进行自适应信号处理，从而求出所述自适应权重。
4.根据权利要求1所述的超声波成像装置，其特征在于， 在所述多个元件与所述相似度运算部之间还具有延迟部，该延迟部依据所述超声波信号的焦点位置，分别使所述多个元件接收到的接收信号延迟，从而使波面一致， 所述相似度运算部求出由所述延迟部延迟后的所述接收信号的相似度。
5.根据权利要求1`所述的超声波成像装置，其特征在于， 在所述相似度运算部与所述自适应权重运算部之间配置对表示所述相似度的特征的规定的指标值进行提取的提取部， 所述自适应权重运算部将所述提取部提取出的指标值作为所述相似度来加以利用。
6.根据权利要求3所述的超声波成像装置，其特征在于， 所述自适应权重运算部根据所述接收信号间的所述相似度，生成空间协方差矩阵，进行自适应信号处理，由此求出所述自适应权重。
7.根据权利要求1所述的超声波成像装置，其特征在于， 所述多个元件被并排配置， 所述相似度运算部求出所述多个元件之中仅相隔规定数量的2个元件的接收信号间的相似度。
8.根据权利要求1所述的超声波成像装置，其特征在于， 在所述自适应权重运算部求出的所述自适应权重的数量比所述接收信号的数量还少的情况下，所述定相运算部根据所述自适应权重的数量，进行使所述多个接收信号衰退的运算，利用衰退后的接收信号和所述自适应权重来生成所述定相输出。
9.根据权利要求1所述的超声波成像装置，其特征在于， 所述自适应权重运算部具有: 权重存储部，预先保存了相似度的分布和权重值的多种组合；和权重推测部，基于从所述相似度运算部接受的多个相似度的分布，选择在所述权重存储部内保存的所述相似度的分布与权重值的组合，由此选择与从所述相似度运算部接受的多个相似度相对应的权重值。
10.根据权利要求1所述的超声波成像装置，其特征在于， 所述自适应权重运算部具有第I运算部和第2运算部，所述第I运算部利用所述相似度运算部求出的所述相似度，进行自适应信号处理，从而运算出所述自适应权重， 所述第2运算部具备: 权重存储部，预先保存了相似度的分布和权重值的多种组合；和 权重推测部，基于从所述相似度运算部接受的多个相似度的分布，选择在所述权重存储部内保存的所述相似度的分布与权重值的组合，由此选择与从所述相似度运算部接受的多个相似度相对应的权重值。
11.根据权利要求10所述的超声波成像装置，其特征在于， 该超声波成像装置还具有: 差分部，求出所述第I运算部的运算结果与所述第2运算部的运算结果的差分；及 权重变更部，其依据所述差分部求出的差分，变更在所述第2运算部的权重存储部内所保存的权重值。
12.根据权利要求10所述的超声波成像装置，其特征在于， 所述自适应权重运算部具有选择性地驱动所述第I运算部或所述第2运算部的驱动切换部、和选择性地将所述第I运算部及所述第2运算部的输出中的一方交接给所述图像处理部的输出切换部的至少一方。
13.根据权利要求12所述的超声波成像装置，其特征在于，` 该超声波成像装置还具有:定时控制部，对所述驱动切换部及所述输出切换部的切换定时进行控制。
14.根据权利要求2所述的超声波成像装置，其特征在于， 该超声波成像装置还具有:窗长度调整部，在所述接收信号的时间方向上设定任意长度的窗， 所述相似度运算部针对由所述窗长度调整部设定的所述窗内的接收信号，求出所述接收信号间的相似度。
15.根据权利要求5所述的超声波成像装置，其特征在于， 所述相似度是函数， 表示所述相似度的特征的规定的所述指标值是振幅、相位、利用了所述振幅与所述相位的复数、所述复数的实部、及所述复数的虚部中的I个以上的值。
16.根据权利要求5所述的超声波成像装置，其特征在于， 所述提取部具有:指标切换部，作为表示所述相似度的特征的所述指标值，该指标切换部对振幅、相位、利用了所述振幅与所述相位的复数、所述复数的实部、及所述复数的虚部中的I个以上的值进行任意地切换后进行提取。
17.根据权利要求1所述的超声波成像装置，其特征在于， 所述相似度运算部具有在时间方向上对求出的所述相似度进行间隔剔除后输出的抽取运算部。
18.—种超声波成像装置，其特征在于，具有: 多个元件，接收来自被检测体的超声波信号； 相似度运算部，求出所述多个元件的接收信号间的相似度； 自适应权重运算部，利用所述相似度运算部求出的所述接收信号间的相似度，求出自适应权重； 定相运算部，利用所述自适应权重和所述接收信号，生成定相输出；和 图像处理部，利用所述定相输出来生成图像数据。
19.根据权利要求18所述的超声波成像装置，其特征在于， 在所述相似度运算部与所述自适应权重运算部之间配置:提取部，提取表示所述相似度的特征的规定的指标值；和延迟部，基于所述提取部提取出的指标值，分别使所述多个元件的接收信号延迟，以使波面一致， 所述自适应 权重运算部利用由所述延迟部延迟后的所述接收信号，求出所述自适应权重。
【文档编号】A61B8/00GK103796594SQ201280042033
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年8月7日 优先权日:2011年9月15日
【发明者】池田贞一郎, 东隆, 鳟泽裕 申请人:株式会社日立医疗器械