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技術 高フレームレート超音波診断装置

出願人 フクダ電子株式会社
発明者 重岡宏行
出願日 1994年12月12日 (26年2ヶ月経過) 出願番号 1994-307220
公開日 1996年6月25日 (24年8ヶ月経過) 公開番号 1996-164137
状態 未査定
技術分野 超音波による材料の調査、分析 超音波診断装置 超音波診断装置
主要キーワード デイバイス 変形運動 アドレス要素 画素位置座標 運動画像 ダイナミックRAM 一行おき 容量当り
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1996年6月25日)のものです。
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図面 (6)

目的

診断画像フレームメモリの書替速度が早い心臓等の短周期変形運動する臓器リアルタイム観測可能な超音波診断装置を実現する。

構成

デジタルスキャンコンバータ方式の超音波診断装置を、音場走査制御部4の管理のもとに診断画像フレームメモリ7の書換え画素範囲を選択するフィールド切換え回路と、選択された書換え対象範囲の画素データを求める演算に用いるサンプリングデータをエコーデータバッファ5から選択抽出するアドレス抽出部43と、演算によって求めた画素データを格納する診断画像フレームメモリのアドレスをフィールド切換え回路の指令のもとに生成する書込みアドレス発生部44と、によって構成し、音場走査に対応して表示画面上の画素配列から均等に分布するように選択した1/2の画素を交互に書き換える。

概要

背景

音波人体内を音場走査し、音響密度の異なる臓器部分で反射されたエコー超音波をサンプリングして、人体の断装映像得る超音波診断装置の従来技術による構成例を図4に示し、図4によって従来技術を説明する。図4に例示の構成の超音波診断装置は、方位を変えて超音波を放射できる超音波プローブ1で患者検査対象部位を音場走査して得られるエコー超音波信号を2のフロントエンドで増し、一定距離相当毎にサンプリングしてA/D変換部3でデジタルデータに変換し、一旦メモリであるエコーデータバッファ5に格納する。この過程において、走査制御部4はフロントエンド2を通じて超音波プローブ1からの超音波放射方向と、超音波振動子励振およびエコー超音波の受信増巾の機能の切替えを制御する。

ところで、超音波の放射方向を替える音場走査によって得られる超音波エコーのサンプリングデータは、音場走査の音線の方向にそって一定の距離毎に得られ、サンプリングデータをそのまま記録するエコーデータバッファ5には、音線にそって一定間隔分布するデータの集まりとして格納される。一方、図4に例示の超音波診断装置の表示部は、表示デイバイス10の表示画面を描かれる画像の分解能を維持するに必要な縦横の小領域としての画素区分し、区分された画面に描かれる画像の画面各位置に対応する画素の輝度情報一画面分を随時書込み形のメモリであるフレームメモリ7に記録しておき、表示制御部8がフレームメモリ7の記録データを順次読出してD/A変換部9でビデオ信号に変換し、このビデオ信号によって表示デイバイス10に画像を描くラスタ走査リフレッシュ方式となっている。

上記のラスタ走査リフレッシュ方式の表示装置の表示画面における画素は、画面左上隅から水平に右下隅に向けて折返し配列されているものとしているので、診断画像フレームメモリ7に格納の画素データは画面走査の順に配列されている必要がある。図5に、超音波プローブ1にセクタコンベックス形プローブを使用した時に得られるエコー超音波のサンプリングデータと表示画面上の画素の関係を模式図的に示す。図5において格子状に並んでいるのはフレームメモリの画素であり、扇状に広がる線が超音波の音線を表し、音線上の●印はサンプリングされたエコー超音波データを表す。

上記のような音場走査によって得られた順序でエコーデータバッファ5に格納されたエコー超音波データもとに、診断画像フレームメモリ7に書込む画素データを生成するとき、診断画像フレームメモリの二次元空間内に音線上のエコー源位置を模擬するように演算処理が行われる。走査制御部4は、エコーデータバッファに格納データのフレームメモリ画素データへの上記の変換書替え処理を書込アドレス発生部41を通じて実行している。

上記の変換書替え処理は、エコーデータバッファ5に格納の複数の音線上にある複数のデータを用いる補間演算によって行われる。これは、図5の模式図に示されているように極座標的な走査を行う音場走査によって得られるデータ面密度か場所の関数となっているエコーデータバッファ5に格納のデータを、フレームメモリの均等データ面密度の直交座標系に向けて補間または間引を伴う表現形式の変換を行わなければならないからである。

図5の例では、隣合う二本の音線上のサンプリングデータから相互に最も近い位置にある4点のサンプリングデータを抽出し、この4点に囲まれる範囲内の画素データを、抽出したデータをもとに4点からの距離によって補間演算して定めている。たとえば画素位置座標(i,j)のA点の画素のデータは、A点を囲む音線2と音線3上の最近隣の4点のサンプリングデータb22,d22,a32,c32をもととする補間演算によって定められる。

以上に説明の構成の超音波診断装置における画面変化速度は、診断画像フレームメモリ7の書替え速度であるフレームレートに依存するので、短い周期変形運動する心臓などの臓器の観測を目的とする超音波診断装置では、心臓の変形運動に追随可能な1秒間に30ないし60の高いフレームレートが必要とされる。ところで、診断画像表示画面を横 600ドット,縦 400ドットの画素で構成する場合、1画面を構成する1フレーム全画素数は 600×400 の24万画素となり、上記に説明の2音線上の4点のデータをもとにする補間演算によって1点の画素データを定める表示装置では、1フレームの書替えに1フレームの全画素数の4倍の96万データをエコーデータバッファ5から読出して補間演算部6に転送する処理を必要とする。したがって、1秒間に60のフレームレートで診断画像フレームメモリの書替えを行うには、1秒間に6千万データ(60×96万)の桁の大量のデータ読出転送の能力が求められることとなる。

概要

診断画像フレームメモリの書替速度が早い心臓等の短周期で変形運動する臓器のリアルタイム観測可能な超音波診断装置を実現する。

デジタルスキャンコンバータ方式の超音波診断装置を、音場の走査制御部4の管理のもとに診断画像フレームメモリ7の書換え画素範囲を選択するフィールド切換え回路と、選択された書換え対象範囲の画素データを求める演算に用いるサンプリングデータをエコーデータバッファ5から選択抽出するアドレス抽出部43と、演算によって求めた画素データを格納する診断画像フレームメモリのアドレスをフィールド切換え回路の指令のもとに生成する書込みアドレス発生部44と、によって構成し、音場走査に対応して表示画面上の画素配列から均等に分布するように選択した1/2の画素を交互に書き換える。

目的

本発明は、上記従来技術による超音波診断装置における診断画像フレームメモリ書替えにかかわる問題点に鑑みなされたものであり、診断画像フレームメモリの書替速度の早い回路を提供して短周期で変形運動する臓器のリアルタイム観測可能な超音波診断装置を実現することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

音場走査によって得られた超音波エコーサンプリングデータをエコーデータバッファ一時記憶し、診断画像を構成する画素データをエコーデータバッファに記憶のサンプリングデータをもとに演算によって求めて診断画像フレームメモリ書込み、診断画像フレームメモリに格納の画素データを飛び越し走査によって繰返して読み出して表示デイバイスに診断画像を描画するデジタルスキャンコンバータ方式の超音波診断装置であって、診断画像フレームメモリの画素データ格納全領域のうち、飛び越し走査各回の対象範囲に対応する1/2づつの領域を、交互に書換え画素範囲として表示デイバイス画面画素配列上で均等に分布するようにエコーデータバッファから選択抽出して診断画像フレームメモリに書き込む手段を備えたことを特徴とする高フレームレート超音波診断装置。

技術分野

0001

本発明は超音波診断装置、なかんづく短い周期変形運動する心臓などの臓器観測を目的とする診断画像画面更新を早くした超音波診断装置に関する。

背景技術

0002

音波人体内を音場走査し、音響密度の異なる臓器部分で反射されたエコー超音波をサンプリングして、人体の断装映像得る超音波診断装置の従来技術による構成例を図4に示し、図4によって従来技術を説明する。図4に例示の構成の超音波診断装置は、方位を変えて超音波を放射できる超音波プローブ1で患者検査対象部位を音場走査して得られるエコー超音波信号を2のフロントエンドで増し、一定距離相当毎にサンプリングしてA/D変換部3でデジタルデータに変換し、一旦メモリであるエコーデータバッファ5に格納する。この過程において、走査制御部4はフロントエンド2を通じて超音波プローブ1からの超音波放射方向と、超音波振動子励振およびエコー超音波の受信増巾の機能の切替えを制御する。

0003

ところで、超音波の放射方向を替える音場走査によって得られる超音波エコーのサンプリングデータは、音場走査の音線の方向にそって一定の距離毎に得られ、サンプリングデータをそのまま記録するエコーデータバッファ5には、音線にそって一定間隔分布するデータの集まりとして格納される。一方、図4に例示の超音波診断装置の表示部は、表示デイバイス10の表示画面を描かれる画像の分解能を維持するに必要な縦横の小領域としての画素区分し、区分された画面に描かれる画像の画面各位置に対応する画素の輝度情報一画面分を随時書込み形のメモリであるフレームメモリ7に記録しておき、表示制御部8がフレームメモリ7の記録データを順次読出してD/A変換部9でビデオ信号に変換し、このビデオ信号によって表示デイバイス10に画像を描くラスタ走査リフレッシュ方式となっている。

0004

上記のラスタ走査リフレッシュ方式の表示装置の表示画面における画素は、画面左上隅から水平に右下隅に向けて折返し配列されているものとしているので、診断画像フレームメモリ7に格納の画素データは画面走査の順に配列されている必要がある。図5に、超音波プローブ1にセクタコンベックス形プローブを使用した時に得られるエコー超音波のサンプリングデータと表示画面上の画素の関係を模式図的に示す。図5において格子状に並んでいるのはフレームメモリの画素であり、扇状に広がる線が超音波の音線を表し、音線上の●印はサンプリングされたエコー超音波データを表す。

0005

上記のような音場走査によって得られた順序でエコーデータバッファ5に格納されたエコー超音波データもとに、診断画像フレームメモリ7に書込む画素データを生成するとき、診断画像フレームメモリの二次元空間内に音線上のエコー源位置を模擬するように演算処理が行われる。走査制御部4は、エコーデータバッファに格納データのフレームメモリ画素データへの上記の変換書替え処理を書込アドレス発生部41を通じて実行している。

0006

上記の変換書替え処理は、エコーデータバッファ5に格納の複数の音線上にある複数のデータを用いる補間演算によって行われる。これは、図5の模式図に示されているように極座標的な走査を行う音場走査によって得られるデータ面密度か場所の関数となっているエコーデータバッファ5に格納のデータを、フレームメモリの均等データ面密度の直交座標系に向けて補間または間引を伴う表現形式の変換を行わなければならないからである。

0007

図5の例では、隣合う二本の音線上のサンプリングデータから相互に最も近い位置にある4点のサンプリングデータを抽出し、この4点に囲まれる範囲内の画素データを、抽出したデータをもとに4点からの距離によって補間演算して定めている。たとえば画素位置座標(i,j)のA点の画素のデータは、A点を囲む音線2と音線3上の最近隣の4点のサンプリングデータb22,d22,a32,c32をもととする補間演算によって定められる。

0008

以上に説明の構成の超音波診断装置における画面変化速度は、診断画像フレームメモリ7の書替え速度であるフレームレートに依存するので、短い周期で変形運動する心臓などの臓器の観測を目的とする超音波診断装置では、心臓の変形運動に追随可能な1秒間に30ないし60の高いフレームレートが必要とされる。ところで、診断画像表示画面を横 600ドット,縦 400ドットの画素で構成する場合、1画面を構成する1フレーム全画素数は 600×400 の24万画素となり、上記に説明の2音線上の4点のデータをもとにする補間演算によって1点の画素データを定める表示装置では、1フレームの書替えに1フレームの全画素数の4倍の96万データをエコーデータバッファ5から読出して補間演算部6に転送する処理を必要とする。したがって、1秒間に60のフレームレートで診断画像フレームメモリの書替えを行うには、1秒間に6千万データ(60×96万)の桁の大量のデータ読出転送の能力が求められることとなる。

発明が解決しようとする課題

0009

一般に、大容量の記憶容量を要する診断画像フレームメモリなどに利用される記憶容量当り単価が比較的安価なMOS形ダイナミックRAMなどのメモリに対するデータ書込読出しのアクセス時間は、演算処理部における単位処理時間に比べ2桁以上遅い。このため、フレームメモリラスタ走査方式の従来技術による表示装置における画像変化速度は、画像データにかかわるメモリへのアクセス時間によって律速されることとなる。特に、フレームメモリ7の1画素のデータを生成する演算に必要な複数データをエコーデータバッファから読出して補間演算部に転送するステップ最大量データアクセスを必要とすることから、この過程がフレームメモリの更新周期制約し、心臓などの運動リアルタイム観測が可能な超音波診断装置の実現を困難にしている。

0010

本発明は、上記従来技術による超音波診断装置における診断画像フレームメモリ書替えにかかわる問題点に鑑みなされたものであり、診断画像フレームメモリの書替速度の早い回路を提供して短周期で変形運動する臓器のリアルタイム観測可能な超音波診断装置を実現することを目的とする。

課題を解決するための手段

0011

上記の目的達成のため、本発明では診断画像を表示する診断画像フレームメモリの各画素データ時間変化率が小さいことに着目し、音場走査に対応して診断画像フレームメモリを書換えるとき、全ての画素データを一斉に書き換えるのではなく、画素データ格納全領域のうち、飛び越し走査で交互に走査対象となる範囲に対応する1/2づつの領域を、書換え画素範囲として表示デイバイス画面の画素配列上で均等に分布するようにエコーデータバッファから選択抽出して診断画像フレームメモリに書き込む手段を設けてデジタルスキャンコンバータ方式の超音波診断装置を構成する。

0012

診断画像フレームメモリの1回の書換え処理対象画素範囲として、表示画面上の画素配列から均等に分布するように1/2の画素の範囲を選択し、引き続く書換え処理においては残りの1/2の画素の範囲を選択し、選択された範囲に格納の画素データが飛び越し走査に対応して交互に書き換える。

0013

図1に、本発明による超音波診断装置の1実施例のブロック構成図を示し、図2に、フィールド切り換回路が表示デイバイス画面上の画素配列を一行おきに交互に選択するものである場合の診断画像フレームメモリの書換えの様子を例示し、これらの図によって本発明を説明する。

0014

図2は、本発明による超音波診断装置において、超音波プローブ1にセクタ・コンベックス形のプローブを用いて音場走査したときに得られるエコー超音波のサンプリングデータと、表示画面上の画素の関係を示す図であり、同図の(a)と(b)とに、引き続く2回の音場走査に対応して書換えられる画素の配列が○印によって示されている。

0015

この図に示されているように本発明による超音波診断装置においては、診断画像フレームメモリの書換えは、表示画面を構成する画素配列を1行おきに1/2づつを交互に書き換えることとしており、図1は、この書換えを実行する超音波診断装置の診断画像フレームメモリデータ書換え部を中心とするブロック構成図である。なお、図1において、従来技術の説明に用いた図4におけると同等に機能する構成要素には同一の符号を付してあるので、その説明は省略する。

0016

図1において、42は音場の走査制御部4の管理のもとに診断画像フレームメモリ7の書換え画素範囲を選択するフィールド切換え回路であり、43は選択された書換え対象範囲の画素データを求める演算に用いるサンプリングデータをエコーデータバッファ5から選択抽出するアドレス抽出部である。そして、44は補間演算部6における演算によって求めた画素データを格納する診断画像フレームメモリのアドレスをフィールド切換え回路42の指令のもとに生成する書込みアドレス発生部である。

0017

以上のように超音波診断装置を構成すると、音場走査の各回毎に表示画面上の画素配列の1行おきの画素の行が交互に書き換えられるので、1回に書き換えられえる画素の数は、表示画面を構成する全画素の1/2となり全画素を書換える場合に比べ1/2の時間で書換え処理が可能になる。一方、フレームメモリの書換え周期に対比し比較的短周期で変形運動する臓器といえども運動に伴う変位は連続的であるから、この臓器の診断画像を表示する診断画像フレームメモリの各画素データの時間変化率も僅少な値となる。それゆえ、音場走査によって捉えた臓器の像を、補間演算によって二次元空間に配列された診断画像フレームメモリの各画素への書換え変換を実行するとき、画素配列の一行おきの画素データを音場走査毎に書き換えるようにしても、これによって得られる診断画像フレームメモリは忠実に音場走査をフォローして画素データを書換えた場合と実質的に同等な時間的に連続した内容となって、表示デバイスの画面上には診断画像フレームメモリの全画素の同時書換えを行う場合と同等の運動画像が表示されることとなる。

0018

つづいて図3に本発明の他の実施例を示してこれを説明する。この図3においても、従来技術の説明に用いた図4および上記の実施例の説明に用いた図1におけると同等に機能する構成要素には同一の符号を付してあるので、その説明は省略する。図3において、フィールド切換え回路42が走査制御部4の指令にもとづいて表示デイバイス画面上の画素配列のアドレス要素を一行おきに交互に選択指定し、指定の画素の値の計算に必要なエコー超音波データをアドレス抽出部43を通じてエコーデータバッファ5から抽出して補間演算部6に引き渡すので、補間演算部6からは、フィールド切換え回路42の画面走査順序に対応して画素デ─タが出力される。そこで、診断画像フレームメモリ7を、それぞれ分離された一連系列をなすアドレスが付与された2群のRAMからなるAフレームメモリとBフレームメモリとによって構成し、フィールド切換え回路42の交互のアドレス要素選択指定に対応して2群のRAMの一方を活性とする書込切換え回路45を介して診断画像フレームメモリ7を接続すると、フレームメモリA及びBのそれぞれには、表示デイバイス画面上の画素配列の一行おきに対応の1群をなす画素データが連続して格納される。

0019

一方、表示側を制御する表示制御部8は、互いに補間関係にある2フィールドを画像要素を重ねて構成される1フレムの画像を表示デバイス10の画面に飛越し走査によって描くものとし、読出切換え回路83を通じて診断画像フレームメモリ7のA及びBフレームメモリのそれぞれに格納の画素データを画面の飛越し走査に同期するように読みだしてD/A変換部9に向けて転送し、D/A変換部9でアナログビデオ信号に変換され、この飛越し走査ビデオ信号によって表示デイバイス10に診断画像が描かれる。

発明の効果

0020

本発明による超音波診断装置の表示部では、音場走査に対応して診断画像フレームメモリを書換えるとき、表示画面上の画素配列から均等に分布するように選択した1/2の画素が交互に書き換えられるが、連続変形運動する診断画像を表示する診断画像フレームメモリの各画素データの時間変化率は小さいので、音場走査毎に診断画像フレームメモリの全ての画素データを一斉に書き換えた場合と実質的に同等な運動画像が1/2の画素書き換え時間によって表示されることとなり、短周期で変形運動する臓器のリアルタイム観測可能な高フレームレートの超音波診断装置の実現が可能になるという効果が得られる。

0021

また、フィールド切り換え回路が表示デイバイス画面上の画素配列を一行おきに交互に選択するものであり、診断画像フレームメモリがフィールド切換え回路の交互の選択に対応して2区分された個別のフレームメモリからなる超音波診断装置では、それぞれのフレームメモリへの画素データの書き換えは、フィールド切換え回路の選択に対応して連続する順配列で行えばよいのでアドレス生成部と各フレームメモリとを簡素に構成することができ、一方、表示制御部は、互いに補間関係にある画像要素を診断画像フレームメモリの2区分されたそれぞれのフレームメモリから交互に連続して読みだして飛越し走査によって表示デバイスの画面上に重ねて描くので、読みだしアドレス生成部を簡素に構成することができる。

図面の簡単な説明

0022

図1本発明による超音波診断装置のブロック図
図2本発明における音場走査とフィールド選択の作用の説明図
図3本発明の他の実施例の超音波診断装置のブロック図
図4従来技術によるDSC方式超音波診断装置のブロック図
図5デジタルスキャンコンバータの作用の説明図

--

0023

1超音波プローブ
2フロントエンド
3 A/D変換部
4走査制御部 42フィールド切換え回路
43アドレス抽出部 44書込みアドレス発生部
45書込切換え回路
5エコーデータバッファ
6補間演算部
7診断画像フレームメモリ
71 Aフレーム72 Bフレーム
8表示制御部
82ドットクロック
9 D/A変換部
10 表示デバイス

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