JP4522687B2 - 超音波撮像方法及び超音波撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて生体内臓器の診断や非破壊検査を行うための超音波撮像方法及び超音波撮像装置に関する。

一般的に、超音波診断装置や工業用の探傷装置等を含む超音波撮像装置においては、超音波の送受信機能を有する複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイが用いられる。超音波トランスデューサアレイを備える超音波撮像装置においては、複数の超音波を合波することにより形成された音線によって被検体を走査することにより、被検体に関する画像情報が得られる。そして、この画像情報に基づいて、被検体に関する２次元又は３次元画像が再現される。

このような超音波撮像装置において、超音波トランスデューサアレイを用いて超音波ビームを送受信する方法として、以下（１）、（２）に述べる方式が知られている。また、非特許文献１には、超音波ビームを設計することが記載されている。

（１）１方向超音波ビーム送信−超音波エコー分割受信方式
図１４の（ａ）は、従来の方式による超音波ビームの送信状態の一例を説明するための模式図であり、図１４の（ｂ）は、同様に、超音波ビームの受信状態の一例を説明するための模式図である。この方式においては、送信部に接続された複数のパルサから供給される駆動信号に基づいて、超音波トランスデューサアレイ１００に含まれている複数の超音波トランスデューサ１０１のそれぞれから、超音波パルスが間欠的に送信される。この超音波パルスは、図１４の（ａ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ１００から被検体に向けて送信され、被検体内を伝播して超音波ビーム１０２を形成する。超音波ビーム１０２は、送信位置から近距離の領域においては進行するほど次第に狭くなっていき、焦点Ｆで最も狭くなり、その後は次第に広がっていく。この超音波ビームが被検体内に存在する反射体によって反射されて超音波エコーが発生し、図１４の（ｂ）に示すように、この超音波エコーが超音波トランスデューサアレイ１００によって受信される。超音波トランスデューサアレイ１００に含まれる複数の超音波トランスデューサ１０１から出力される検出信号は、受信部に接続されている複数の位相整合演算手段によって所定の遅延が与えられた後に加算され、受信した超音波ビームごとの検出信号が得られる。この例では、３つの受信超音波ビーム１０３、１０４及び１０５が示されている。

（２）多方向超音波ビーム送信−超音波エコー非分割受信方式
図１５は、従来の方式による超音波ビームの送受信状態の他の例を説明するための模式図である。この方式においては、超音波トランスデューサアレイ１００に複数種類の駆動信号が供給される。これより、複数組のパルサから、超音波トランスデューサアレイ１００に含まれる複数の超音波トランスデューサ１０１に、同時に複数種類の駆動信号が供給される。例えば、図１５に示すように、１組のエレメントにＡ系パルスとＢ系パルスの２組のタイミングパルスを印加して、超音波ビームＡと超音波ビームＢの両方を発生する。なお、Ａ系パルスとＢ系パルスとが重なる場合には、共通パルスとなる。これらの超音波ビームＡ、Ｂは、被検体に向けて同時に複数の方向（例えば、２方向）に送信される。

このような超音波診断方法や超音波診断装置においては、近年、分解能をさらに向上させると共に、より高速に撮像を行うことによりリアルタイム性を向上させることが求められている。そのために、非特許文献２には、所定の期間内に送信される超音波ビームの本数を増やすことが記載されている。

しかしながら、これらの文献においては、マルチビームの送受信におけるクロストークの問題に関しては検討されておらず、クロストークの抑制に必要となる条件や手段についても開示されていない。さらに、送信ビームの数や受信焦点の数をパラメータとしてクロストーク量を定量的に把握するための考え方も述べられていない。
神田浩、他「デジタル超音波技術」，臨床放射線 臨時増刊号，金原出版株式会社，１９９８年，第４３巻，第１１号，ｐｐ．１２４８−１２５２ Ｒ．Ｅ．デビッドセン、他「リアルタイムボルメトリックイメージングに用いられる２次元ランダムアレイ（TWO-DIMENSIONAL RANDOM ARRAYS FOR REAL TIME VOLUMETRIC IMAGING）」，ウルトラソニック イメージング（ULTRASONIC IMAGING）１６，１９９４年，ｐｐ．１４３−１６３

本発明は、上記のような事情を考慮してなされたものである。本発明の第１の目的は、高フレームレート又は高ボリュームレートの画像情報を得ることである。また、本発明の第２の目的は、超音波画像における解像度を向上させることである。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る超音波撮像方法は、被検体内の測定対象に向けて超音波ビームを送信し、該測定対象から反射される超音波エコーを受信して処理することにより、該測定対象に関する画像情報を得る超音波撮像装置において用いられる超音波撮像方法であって、制御手段による制御の下で、送信側信号処理手段が複数の超音波トランスデューサに複数の駆動信号をそれぞれ供給することにより、互いに直交する２つの走査方向の各々について角度θで表される撮像領域に向けてｎｔ ^２ 本の送信ビームを並行して送信するステップ（ａ）と、複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力され、受信側信号処理手段によって処理された複数の検出信号に基づいて、複数の位相整合手段によって、各々の送信ビームに対してｎｒ ^２ 本の受信ビームを形成するように位相整合を行うステップ（ｂ）とを具備し、制御手段によって、ｎｔ及びｎｒが、条件式（ｎｔ×ｎｒ）^２≧（θ／Δθ）^２／Ｔを満たすように設定され、ここで、ｎｔは、送信ビームの角度間隔（θ／ｎｔ）≧２０°を満たす整数であり、Δθは、各々の走査方向における受信ビームの角度間隔を表し、Ｔは、撮像領域について体積データを１回取得する時間内に超音波ビームを往復させる回数を表す。

また、本発明の１つの観点に係る超音波撮像装置は、被検体内の測定対象に向けて超音波ビームを送信し、該測定対象から反射される超音波エコーを受信して処理することにより、該測定対象に関する画像情報を得る超音波撮像装置であって、駆動信号に従って超音波を送信すると共に、超音波を受信して検出信号を出力する複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイと、複数の超音波トランスデューサに複数の駆動信号をそれぞれ供給する送信側信号処理手段と、互いに直交する２つの走査方向の各々について角度θで表される撮像領域に向けてｎｔ ^２ 本の送信ビームを並行して送信するように送信側信号処理手段を制御する制御手段と、複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の検出信号に対して所定の信号処理を施す受信側信号処理手段と、受信側信号処理手段によって処理された検出信号に基づいて、各々の送信ビームに対してｎｒ ^２ 本の受信ビームを形成するように位相整合を行う複数の位相整合手段とを具備し、制御手段が、条件式（ｎｔ×ｎｒ）^２≧（θ／Δθ）^２／Ｔを満たすようにｎｔ及びｎｒを設定し、ここで、ｎｔは、送信ビームの角度間隔（θ／ｎｔ）≧２０°を満たす整数であり、Δθは、各々の走査方向における受信ビームの角度間隔を表し、Ｔは、撮像領域について体積データを１回取得する時間内に超音波ビームを往復させる回数を表す。

本発明によれば、複雑なマルチビームの送受信における基本課題であるクロストーク量をシミュレーションにより定量的に求めることが可能となった。これにより、クロストーク量を抑えながら、単位時間当たりの超音波ビームの送受信回数を増加させて、高フレームレート又は高ボリュームレートの超音波撮像を行うことができる。あるいは、超音波画像における解像度を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。この超音波撮像装置は、例えば、人体等の診察用の超音波診断装置や工業用の探傷装置として用いられる。

図１に示すように、この超音波撮像装置は、被検体に当接させて用いられる超音波トランスデューサアレイ１０を有している。図１に示す超音波トランスデューサアレイ１０は、超音波の送受信機能を有する複数個（Ｎ×Ｎ＝Ｎ^２個）の超音波トランスデューサ１１を含む、いわゆる２次元トランスデューサアレイである。超音波トランスデューサアレイ１０においては、複数の超音波トランスデューサ１１が、例えば、Ｎ行Ｎ列の２次元マトリックスに配列されている。

超音波トランスデューサ１１としては、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やＰＶＤＦ（polyvinyl difluoride）を材料とする圧電素子が用いられる。圧電素子は、電圧を印加されることより伸縮し、超音波を発生する。また、反対に、圧電素子は、超音波を印加されることにより伸縮し、電気信号（検出信号）を発生する。

あるいは、このような圧電素子を超音波の送信素子として用い、微細な光ファイバーの先端にそれぞれ形成されたファブリーペロー共振器（ＦＰＲと略称）又はファイバーブラッググレーティング等を超音波の受信素子として用い、これらを組み合わせて超音波トランスデューサアレイ１０を構成しても良い。

Ｎ^２個の超音波トランスデューサ１１には、Ｎ^２個のパルサ１２、及び、Ｎ^２個のレシーバ１４がそれぞれ接続されている。
各パルサ１２は、後述するシステム制御部２０に内蔵されている発火タイミングコントローラ２５の出力信号に基づいて励振して、超音波トランスデューサアレイ１０の対応する超音波トランスデューサ１１に駆動信号を出力する。各超音波トランスデューサ１１は、パルサ１２から入力された駆動信号に基づいて超音波パルスを被検体に送信し、被検体から反射された超音波パルスを受信して検出信号を出力する。これらのパルサは、高い繰り返し周期（例えば、３ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ）で連続的に駆動信号を出力できる高速パルサである。

各レシーバ１４は、プリアンプ１５、ＴＧＣ（time gain compensation）増幅器１６及びＡ／Ｄ変換器１７を備えている。各超音波トランスデューサ１１から出力された検出信号は、対応するレシーバ１４に含まれるプリアンプ１５及びＴＧＣ増幅器１６においてアナログ処理を施される。このアナログ処理により、これらの検出信号のレベルが、Ａ／Ｄ変換器１７の入力信号レベルに整合される。ＴＧＣ増幅器１６から出力されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器１７によってそれぞれディジタル信号（データ）に変換される。

システム制御部２０は、メモリ２１と、複数の位相整合演算部２２ａ〜２２ｄと、表示画像演算部２３と、発火タイミングコントローラ２５とを含んでおり、超音波撮像装置のシステム全体を制御している。

発火タイミングコントローラ２５には、各パルサ１２が接続されている。発火タイミングコントローラ２５は、各パルサ１２を励振するための信号を出力する。本実施形態においては、発火タイミングコントローラ２５は、電子回路によって構成されているが、パターンジェネレータ等によって構成されても良い。発火タイミングコントローラ２５の制御により、超音波トランスデューサアレイ１０から複数方向に向けて超音波ビームを送信するための送信フォーカス処理が可能となる。

複数のレシーバ１４の出力には、メモリ２１が接続されている。メモリ２１は、各レシーバ１４のＡ／Ｄ変換器１７から出力された検出データを一時的に記憶する。
位相整合演算部２２ａ〜２２ｄは、メモリ２１に記憶されている検出データの位相を整合するために演算処理を行う。位相整合演算部２２ａ〜２２ｄは、超音波トランスデューサアレイ１０から所定の期間内に（同時又はほぼ同時に）並列に送信される超音波ビーム（送信ビーム）の本数に応じて設けられている。ここで、所定の期間とは、具体的には、複数の超音波トランスデューサ１１から送信される超音波によって送信ビームを形成するための送信フォーカス処理において用いられるディレイ時間の数倍程度の期間をいう。

本実施形態においては、超音波ビームを４本並列に送信するので、４つの位相整合演算部２２ａ〜２２ｄを設けているが、並列に送信される超音波ビームの本数に応じて位相整合演算部の数を増減しても良い。位相整合演算部２２ａ〜２２ｄの各系統は、シフトレジスタ遅延線やディジタル微小遅延器、若しくはソフトウエア、又は、これらの組み合わせによって構成されている。なお、位相整合演算部２２ａ〜２２ｄは、図１においては各々の送信ビームについて１個のブロックで示されているが、各々の送信ビームについての受信焦点の数に応じて複数の系統を備えている。

位相整合演算部２２ａによる受信ビームフォーミングは次のようにして行われる。位相整合演算部２２ａの各系統は、各超音波トランスデューサ１１から出力される検出信号に基づいて得られた検出データに所定の遅延を与える。これにより、超音波トランスデューサアレイ１０に含まれる一連の超音波トランスデューサ１１を用いて得られた複数の検出データの位相が整合される。さらに、位相整合演算部２２ａは、これらの検出データをディジタル加算する。このように、複数の系統を有する位相整合演算部２２ａを用いることにより、複数の送信ビームに対する受信フォーカス処理を同時に達成することができる。
位相整合演算部２２ｂ〜２２ｄも、位相整合演算部２２ａと同様に位相整合を行う。

表示画像演算部２３は、位相整合演算部２２ａ〜２２ｄから出力されたデータに対して、検出波形の検波や、画像データへの変換や、所定の画像処理を施し、さらに、走査フォーマットの変換を行う。これにより、音線データ空間の画像データが物理空間の画像データに変換される。さらに、表示画像演算部２３は、複数枚の断層データから、ある体積についてのデータであるボクセルデータ（voxel data）を生成し、３次元画像の表示を行うための演算を行う。

表示画像演算部２３は、モニタ３０に接続されている。モニタ３０は、表示画像演算部２３で走査フォーマットが変換された画像データを、Ｄ／Ａ変換によってアナログ信号に変換し、これらの信号に基づいて画像を表示する。

次に、本実施形態に係る超音波撮像方法について説明する。
図２に示すように、被検体内の撮像領域は、１つの走査方向について角度θ、即ち、θ×θで見込まれる領域として規定される。本実施形態においては、θ＝４５°〜９０°としている。また、図３は、撮像領域に向けて送信及び受信された超音波ビームの焦点における断面（焦点面）ＦＦを示している。

本実施形態においては、被検体内の撮像領域に向けて、複数の超音波ビーム（送信ビーム）ＴＢ１〜ＴＢ４を並行して送信し、送信ビームＴＢ１〜ＴＢ４に対応する超音波エコーをそれぞれ受信する際に受信フォーカス処理を行うことにより、複数の受信ビームＲＢ１〜ＲＢ１６として分割受信している。以下において、複数の超音波ビームを並行して送信することを、マルチビーム送信という。

本実施形態において、このように超音波ビームの送受信を行う理由について、以下に説明する。
例えば、θ＝６０°の場合に、緻密な超音波画像を得るために必要とされる１つの走査方向におけるサンプリングの角度間隔Δθを０．７°とすると、撮像領域全体を走査するために送受信される超音波ビームの本数は、次式により求められる。
（ビームの全本数）＝（θ／Δθ）×（θ／Δθ）
＝（６０／０．７）×（６０／０．７）≒７３４６本 …（１）

また、リアルタイムに超音波画像を得るために、ボリュームレートＶＯＬ＝３０vol/secで画像データを取得する場合には、１ボリュームあたりに要するデータ取得時間は、１／３０≒３３×１０^−３秒となる。例えば、被検体内の深度Ｄ_ＯＢ＝１５ｃｍに位置する臓器等を撮像する場合に、超音波が被検体内を伝搬する距離は往復３０ｃｍとなるので、超音波の音速をＶ_ＵＳ＝１５４０m/secとすると、超音波を送信してから受信するまでの時間は次式のようになる。
０．３／１５４０＝１．９４８×１０^−４秒 …（２）

このとき、超音波ビームを１本ずつ送受信して被検体内を走査するものとすると、１ボリュームあたりのデータ取得時間内に超音波ビームを往復させることができる回数Ｔは、次式により求められる。
Ｔ＝（３３×１０^−３）／（１．９４８×１０^−４）≒１６９回 …（３）

撮像領域全体を走査するために、１６９回で７３４６本の超音波ビームの送受信を行うためには、１回あたりに送受信される超音波ビームの本数は次のようになる。
７３４６／１６９≒４３ …（４）
即ち、被検体内の撮像領域に向けて１回につき４３本の超音波ビームを並行して送受信し、これを１６９回繰り返すことにより、１ボリュームあたりのデータ取得時間内に、撮像領域全体に関する画像データを収集できることになる。

同様にして、θ＝９０°の場合には、撮像領域全体を走査するために送受信される超音波ビームの本数は、（９０／０．７）×（９０／０．７）≒１６５３０本となる。この場合には、超音波ビームを１回につき１６５３０／１６９≒９７本送受信し、これを１６９回繰り返せば良いことになる。

さらに、θ＝４５°の場合には、撮像領域全体を走査するために送受信される超音波ビームの本数は、（４５／０．７）×（４５／０．７）≒４１３３本となる。この場合には、超音波ビームを１回につき４１３３／１６９≒２４本送受信し、これを１６９回繰り返せば良いことになる。

しかしながら、例えば、６０°×６０°程度の撮像領域に向けて４３本の超音波ビームを並行して送信すると、隣接する超音波ビームの間隔が狭くなり、クロストークが生じる原因になってしまう。そこで、本実施形態においては、複数の領域に関する画像データを並行して得るために、複数の超音波ビームをマルチビーム送信すると共に、各々の送信ビームに対応する超音波エコーに対して複数の受信焦点を形成するように受信フォーカス処理を行うことにより、１本の超音波エコーを複数の受信ビームとして分割受信している。そのために、１回のマルチビーム送信によって送信可能な超音波ビームの本数の範囲と、分割受信することができる超音波ビームの本数の範囲について検討を行った。

まず、１回のマルチビーム送信によって送信可能な超音波ビームの本数について検討する。この場合には、隣接する超音波ビームの間隔が狭いとサイドローブの影響が大きくなり、画像データの信頼性が低下することが問題となる。そこで、画質に影響しない程度にサイドローブの影響を抑制するための条件について説明する。なお、「サイドローブの影響」とは、第１の送信ビームに隣接する第２の送信ビームが送信方向の反射体から反射されることにより生じた超音波エコーが、第１の送信ビームによる超音波エコーに加わることをいう。

図４に示すように、θ×θで表される撮像領域に複数の超音波ビームを同時に送信する場合に、隣接する送信ビームの間隔とサイドローブ信号の強度との関係を、シミュレーションによって求めた。図５に、そのシミュレーション結果を示す。なお、「サイドローブ信号の強度」とは、第１の送信ビームに隣接する第２の送信ビームが送信方向の反射体から反射されることにより生じて第１の送信ビームによる超音波エコーに加わる超音波エコーの強度のことをいう。図４及び図５において、Δθ_ＴＢは、隣接する送信ビームの間隔を示し、Ｉ_ＳＬ（Δθ_ＴＢ）は、サイドローブ信号の強度を示している。

また、図５に示す曲線は、シミュレーション結果に基づいて回帰分析を行うことにより求められた近似式を表している。即ち、サイドローブ信号の強度Ｉ_ＳＬ（Δθ_ＴＢ）は、次式によって表される。
Ｉ_ＳＬ（Δθ_ＴＢ）＝０．２／（Δθ_ＴＢ＋１）＋０．８／（Δθ_ＴＢ ^２＋１）
…（５）

図５に示すように、隣接する送信ビームの間隔が２２°より大きくなると、サイドローブ信号の強度は０．０１以下になり、さらに、送信ビームの間隔が３０°以上になると、サイドローブ信号の強度はごく僅かになることがわかる。サイドローブ信号の強度がＩ_ＳＬ（Δθ_ＴＢ）≦０．０１であれば、サイドローブが超音波画像に及ぼす影響を無視することができる。

このようなシミュレーション結果に基づいて、隣接する送信ビームの間隔を２０°以上にするという条件を設定する。また、撮像領域の１方向についてｎｔ個の領域に分割し、各領域に１本ずつ超音波ビームを送信するものとすると、Δθ_ＴＢ＝θ／ｎｔと表される。これらにより、次の条件式が求められる。
θ／ｎｔ≧２０° …（６）
式（６）を変形すると、次式が得られる。
ｎｔ≦θ／２０°＝０．０５・θ …（７）

式（７）に、θ＝４５°、６０°、８５°、９０°をそれぞれ代入すると、撮像領域の１方向について、送信ビーム数の上限は次のようになる。
θ＝４５°の場合、ｎｔ≦２．２５ …（８ａ）
θ＝６０°の場合、ｎｔ≦３．００ …（８ｂ）
θ＝８５°の場合、ｎｔ≦４．２５ …（８ｃ）
θ＝９０°の場合、ｎｔ≦４．５０ …（８ｄ）

図６は、式（６）に基づいて作成された、θ＝４５°、６０°、９０°の場合における送信ビーム数ｎｔとサイドローブ信号の強度Ｉ_ＳＬ（ｎｔ，θ）との関係を示す。式（８ａ）〜（８ｄ）と、図６とにより、送信ビームの本数は、θ＝４５°の場合にはｎｔ＝１〜２本、θ＝６０°の場合にはｎｔ＝２〜３本、θ＝９０°の場合にはｎｔ＝３〜４本とすることが望ましいことがわかる。例えば、θ＝６０°の場合に、ｎｔ＝２本のときサイドローブ信号の強度は、Ｉ_ＳＬ（ｎｔ，θ）＝Ｉ_ＳＬ（２，６０）＝７．３×１０^−３となり、サイドローブの影響をほとんど無視することができる。

従って、θ×θで表される撮像領域全体については、送信ビーム数をｎｔ^２以下にすれば良い。例えば、θ＝６０°の場合には、撮像領域全体をｎｔ^２＝４個の領域に分割し、それぞれの領域に向けて１本ずつ、計ｎｔ^２本の超音波ビームでマルチビーム送信し、隣接する送信ビームの間隔を保ったまま撮像領域を走査すれば良い。

なお、マルチビーム送信される超音波ビームの本数を増やすために、送信ビームの径を細くすることも考えられる。しかしながら、径の細い超音波ビームを形成するためには、超音波を発生する超音波トランスデューサアレイの開口を大きくしなければならない。そのためには、超音波トランスデューサアレイの外形を大きくせざるを得ないので、超音波トランスデューサアレイの操作性が低下すると共に、構造が複雑になるので望ましくない。特に、心臓等を撮像する際に肋骨間に押しつけるようにして用いられる超音波トランスデューサアレイには適していない。

次に、受信した超音波エコーを、位相整合等の演算処理によって複数の受信ビームに分割する方法について検討する。この場合に、分割受信可能な受信ビームの本数は、送信される超音波ビームの時間的送信間隔と、演算処理に要する時間とを考慮して決定しなくてはならない。即ち、先に受信された超音波エコーの演算処理は、次に送信された超音波ビームに対応する超音波エコーが受信されるまでの間に終了されていなくてはならないことが前提とされる。

超音波エコーの処理時間は、次式のように概算することができる。
（処理時間）＝（クロック数）×（ステップ数）×（データ数）…（９）
ここで、ステップ数は、一般的には、読出し、加算、書込みの３ステップである。また、データ数は、（素子数）×（検出タイミング数）で表される。この検出タイミング数とは、単位時間に超音波エコーの検出信号を取り込む回数のことであり、距離分解能を意味する。例えば、検出タイミング数を２倍にすると、検出信号を取り込む時間間隔は１／２になる。即ち、被検体の深さ方向に関する画像データを取得する距離間隔を１／２にすることになり、それは距離分解能を２倍に向上させることを意味する。

式（９）より、それぞれの素子において受信された信号を１００ＭＨｚのクロック信号でシリアル処理する場合に、処理時間は次のようになる。
（１×１０^−８）×３×（３０００×５１２）＝０．０４６秒
一方、それぞれの素子において受信された信号を１００ＭＨｚのクロック信号でパラレル処理する場合には、処理時間は次のようになる。
（１×１０^−８）×３×５１２＝１５．４×１０^−６秒 …（１０）

式（２）及び（１０）より、超音波ビームが被検体の深さ１５ｃｍの領域を１往復する間に、繰り返し演算処理することができる回数は、次のようになる。
（１．９４８×１０^−４）／（１５．４×１０^−６）≒１３回 …（１１）
即ち、受信された超音波エコーの受信焦点を形成するための演算を、１３回行うことができる。

この場合において、検出信号の処理系の並列化をさらに進めることにより、超音波ビームが被検体内を１往復する間に演算処理する回数、即ち、分割受信できる受信ビームの本数を増やすことは可能である。しかしながら、高速に並列演算処理するラインを増やすことは、装置のコスト増加につながるので、リアルタイム性とコストとのバランスを考慮すると、分割受信することができる受信ビームの本数は、１６本程度に留めることが望ましい。

一方、分割受信することができる受信ビームの本数は、送信ビームの径との関係からも制約を受ける。
ここで、図７を参照すると、図７は、１本の送信ビームＴＢに対応する超音波エコーを複数の受信ビームＲＢとして分割受信する場合に、焦点面ＦＦにおける複数の受信焦点の配置を示している。１本の送信ビームに対して、１つの走査方向における受信ビームの本数をｎｒとし、全受信ビームの本数をｎｒ^２で表す。図７の場合には、ｎｒ＝４であり、ｎｒ^２＝１６である。図７においては、受信焦点が正方格子状に配列されているが、図８及び図９に示すように、受信焦点が正方格子状に配列されていなくても良い。図８の場合には、ｎｒ^２＝７であり、図９の場合には、ｎｒ^２＝１４である。

図７に示すように、送信すべき超音波ビームＴＢの径φＴＢは、各受信ビームφＲＢの径及び間隔に基づいて、次のように求められる。
送信ビーム径φＴＢ≒受信ビーム径φＲＢ
＋受信ビーム間隔Ｌ×（１方向における受信ビーム数ｎｒ−１）…（１２）
ここで、本実施形態においては、受信ビーム間のクロストークを軽減するために、受信ビーム径φＲＢを、（音圧のピークの半値）−６ｄＢにおける値に設定している。また、受信ビーム間隔Ｌとは、隣接する２つの受信ビームの中心間の距離のことである。例えば、径３．５°の受信ビームが、ビーム間隔０．９４°ごとに、４×４に配列されているものとして分割受信する場合に、送信ビーム径は、次のようになる。
φＴＢ＝３．５＋０．９４×（４−１）≒６．３°

分割受信する受信ビームの本数を増やすためには、受信ビームの径を一定にして、送信ビームの径を大きくすることが考えられる。しかしながら、送信ビームの径を大きくすると、１本の送信ビームにおいて強度のバラツキが大きくなると共に、ハーモニック測定やドップラー測定のように、原理的に高い音圧を必要とする超音波撮像、又は、細部について詳細な画像情報を得る場合の超音波撮像に用いることが困難になる。また、送信ビームの径を大きくすると、通常の撮像においても受信ビームのレベルが低下するという問題も生じてしまう。これは、次のような理由による。

超音波トランスデューサアレイの径φＳと送信ビームの径φＴＢとは逆比例の関係にある。ここで、Ａは、超音波の波長によって規定される定数である。
φＴＢ ∝ Ａ／φＳ …（１３）
これより、ｎｒ＝４の場合には、次の関係が導かれる。ここで、φＳ（ｎｒ）は、送信ビーム径φＴＢ（ｎｒ）を送信する際に使用される超音波トランスデューサアレイの径を示しており、φＳ（４）は、送信ビーム径φＴＢ（４）を送信する際に使用される超音波トランスデューサアレイの径を示している。
φＴＢ（ｎｒ）／φＴＢ（４）＝φＳ（４）／φＳ（ｎｒ）
従って、送信ビームのエネルギーＩ_ＴＢ（ｎｒ）は、次のように求められる。ここで、Ｉ_０は定数である。
Ｉ_ＴＢ（ｎｒ）＝Ｉ_０×φＳ（ｎｒ）／φＳ（４）
＝Ｉ_０×φＴＢ（４）／φＴＢ（ｎｒ）

これより、送信ビームのエネルギー密度σ_ＴＢ（ｎｒ）は、次のように表される。
σ_ＴＢ（ｎｒ）＝Ｉ_ＴＢ（ｎｒ）／φＴＢ（ｎｒ） …（１４）
図１０は、式（１４）に基づいて作成された受信ビームの本数と送信ビームのエネルギー密度との関係を示している。図１０に示すように、受信ビームの本数を増やすほど、送信ビームのエネルギー密度は低下している。即ち、受信ビームの本数に合わせて送信ビームの径を大きくするためには、超音波ビームを形成する超音波トランスデューサアレイの開口を小さくする必要があるので、使用される超音波トランスデューサの数が減る。従って、送信ビーム全体の出力が低下して、送信ビームのエネルギー密度が低くなるので、分割受信されたそれぞれの受信ビームのレベルも落ちてしまう。以上より、１本の送信ビームに対応する超音波エコーを分割受信する場合には、受信ビームの本数を１６本以下、即ち、ｎｒ＝２〜４とすることが望ましい。

一方、分割受信する受信ビームの本数を増やすために、送信ビームの径を一定にして、受信ビームの径を細くすることも考えられる。しかしながら、受信焦点の径を小さくするためには、より広い開口から得られた検出信号が必要になるので、超音波トランスデューサアレイの外形を大きくしなければならない。すると、超音波トランスデューサアレイの操作性が低下すると共に構造が複雑になってしまうので、適当ではない。

以上検討した結果、本実施形態においては、撮像領域を複数の領域に分割し、それぞれの領域に向けて、隣接した送信ビームの間隔を２０°以上離してマルチビーム送信すると共に、受信した超音波エコーを演算処理により１６本以下の受信ビームとして分割受信している。

次に、１回のマルチビーム送信及び超音波エコーの分割受信によって取得される画像データ数Ｓ_ＬＮ（θ，ｎｒ）を求める。
Ｓ_ＬＮ（θ，ｎｒ）＝｛ｔｒｕｎｃ（ｎｔ（θ））・ｎｒ｝^２ …（１５）
又は、
Ｓ_ＬＮ（θ，ｎｒ）＝｛ｔｒｕｎｃ（ｎｔ（θ））^２｝・ｎｒ^２ …（１６）
ここで、ｔｒｕｎｃ（ｘ）は、ｘの小数点以下を切り捨てて整数化することを意味する。また、ｎｔ（θ）は、式（７）によって求められる値である。

図１１及び図１２は、撮像領域の範囲θと、１回のマルチビーム送信及び超音波エコーの分割受信によって取得される画像データ数との関係を示している。図１１は、式（１５）に基づいて作成されたものであり、図１２は、式（１６）に基づいて作成されたものである。

一方、式（１）〜（４）より、３０vol/secで撮像領域全体に関する画像データを取得するためには、体積データを１回取得する時間内に（θ／Δθ）^２／１６９本の超音波ビームを往復させることが必要であった。ここで、θは、１つの走査方向における撮像領域の角度であり、Δθは、１つの走査方向におけるサンプリングの角度間隔であり、（θ／Δθ）^２は、撮像領域全体を走査するために必要とされる超音波ビーム数を表している。そのため、式（１５）より、１回のマルチビーム送信及び超音波エコーの分割受信によって取得される画像データ数は、次の条件を満たすことが必要になる。
Ｓ_ＬＮ（θ，ｎｒ）≧（θ／Δθ）^２／１６９ …（１７）

図１１及び図１２より明らかなように、ｎｒ＝４の場合には、ほとんどの場合に式（１７）は満たされている。従って、例えば、θ＝６０°の場合には、図３に示すように、撮像領域をｎｔ^２＝４個の領域に向けてマルチビーム送信し、送信ビームに対応する超音波エコーをそれぞれｎｒ^２＝１６本の受信ビームとして分割受信すれば良い。それにより、１回の超音波ビームの送受信によって４×１６＝６４本の超音波ビームを送受信したのと同じ量の画像データを取得することができる。

次に、本実施形態に係る超音波撮像装置の動作について、図１、図３、及び図１３を参照しながら説明する。
まず、図１に示す超音波トランスデューサアレイ１０から異なる方向に向けて複数の超音波ビームを所定の期間内に送信する。即ち、図１に示すシステム制御部２０の発火タイミングコントローラ２５の制御に基づいて、複数のパルサ１２から超音波トランスデューサアレイ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサ１１に、高い繰り返し周期（例えば、３ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ）で連続的に駆動信号が出力される。その際に、Ｎ^２個の超音波トランスデューサ１１の全てから超音波パルスを送信してもよいし、これらＮ^２個のうちのいくつかに限定して超音波パルスを送信してもよい。また、Ｎ^２個の超音波トランスデューサを４領域に分割し、それぞれの領域に含まれる複数の超音波トランスデューサから送信される超音波パルスによって、それぞれの領域から１本ずつ超音波ビームを形成するようにしても良い。いずれにしても、超音波トランスデューサアレイから被検体内の測定対象に向けて、４本のビームが送信される。

このように、超音波トランスデューサアレイから送信された超音波パルスは、図３に示すように、４本の送信ビームＴＢ１〜ＴＢ４を形成する。ここで、図１３の（ａ）は、マルチビーム送信される４本のビームの内の２本の送信ビームＴＢ１及びＴＢ２を示している。送信ビームＴＢ１及びＴＢ２は、送信位置に近い領域においては進行するほど次第に狭くなっていき、焦点面ＦＦで最も狭くなり、その後は次第に広がっていく。そのため、操作者は、超音波ビームの焦点Ｆが被検体内の測定対象に当たるように、超音波トランスデューサアレイ１０を適宜操作することが望ましい。

超音波トランスデューサアレイ１０から同時に、又は、ほぼ同時に４つの方向に送信された超音波ビームＴＢ１〜ＴＢ４は、被検体内の測定対象によって反射され、超音波トランスデューサアレイ１０に超音波エコーが受信される。超音波トランスデューサアレイ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサ１１は、受信された超音波エコーに基づいて、検出信号をそれぞれ出力する。

次に、超音波トランスデューサアレイ１０から出力された検出信号に対して、受信フォーカス処理を行う。即ち、複数の超音波トランスデューサ１１によって出力されたそれぞれの検出信号は、対応するレシーバ１４にそれぞれ入力される。レシーバ１４において、それぞれの検出信号は、プリアンプ１５及びＴＧＣ増幅器１６においてアナログ処理を施され、Ａ／Ｄ変換器１７の入力信号レベルに整合される。次に、ＴＧＣ増幅器１６から出力されたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器１７によってディジタル信号に変換され、メモリ２１で一旦記憶された後、複数の位相整合演算部２２に並列に入力される。

次に、位相整合演算部２２ａ〜２２ｄは、超音波エコーに基づいて得られた一連の検出データに基づいて受信ビームフォーミングを行う。即ち、位相整合演算部２２ａは、メモリ２１に記憶されている一連の検出データをそれぞれ用いて、送信ビームＴＢ１にそれぞれ対応して受信された超音波エコーがそれぞれ１６個の受信焦点を形成するように、一連の検出データに受信焦点の数に対応した複数組の遅延を与える。さらに、位相整合演算部２２ａは、これらの複数組の遅延が与えられたデータを、それぞれディジタル加算する。これにより、図１３の（ｂ）に示すように、送信超音波ビームＴＢ１に対応する超音波エコーから、１つの方向について４本の受信ビームＲＢ１〜ＲＢ４が得られる。同様に、位相整合演算部２２ｂ〜２２ｄは、送信ビームＴＢ２〜ＴＢ４に対応して受信された超音波エコーがそれぞれ１６個の受信焦点を形成するように、受信ビームフォーミングを行う。これにより、図３に示すように、それぞれの超音波エコーから、１６個の受信ビームＲＢ１〜ＲＢ１６が得られる。
さらに、隣接する送信ビームとの間隔を保ちながら４本の送信ビーム用いて各領域内を走査し、マルチビーム送信、及び、超音波エコーの分割受信を繰り返す。

このように位相整合演算部２２ａ〜２２ｄにおいて受信ビームフォーミングを施された検出データは、表示画像演算部２３において検出波形の検波や、画像データへの変換や、所定の画像処理を施され、さらに、画像データの走査フォーマットが変換される。これにより、音線データ空間の画像データが物理空間の画像データに変換される。さらに、表示画像演算部２３は、複数枚の断層データから、ある体積についてのデータであるボクセルデータ（voxel data）を生成し、３次元画像の表示を行う演算も行う。表示画像演算部２３の演算処理結果は、モニタ３０でアナログ信号に変換した後に画像表示される。

本実施形態においては、主に、θ＝６０°で表される撮像領域について超音波撮像する場合について説明したが、より狭い範囲、又は、より広い範囲について同様に超音波撮像することも可能である。例えば、撮像領域が、θ＝４５°〜６０°で表される範囲である場合には撮像領域を２〜４領域に、θ＝６０°〜９０°で表される範囲である場合には撮像領域を４〜９領域に分割し、それぞれの領域に向けて超音波ビームをマルチビーム送信し、受信されたそれぞれの超音波エコーについて、受信フォーカス処理により、１６本以下の受信ビームとして分割受信すれば良い。

また、本実施形態においては、２次元トランスデューサアレイを用いているが、これ以外に、１次元、又は、１．５次元等のトランスデューサアレイを用いても良い。その場合においても、先に説明したものと同様に、撮像領域に応じて分割された複数の領域に向けて超音波ビームをマルチビーム送信し、受信されたそれぞれの超音波エコーを、受信フォーカス処理により、１つの走査方向について４本以下の受信ビームとして分割受信すれば良い。

以上説明したように、本発明によれば、複数の超音波ビームを同時に多方向に送信すると共に、それぞれの超音波ビームに対応して得られる複数の超音波エコーを複数の受信ビームとして分割受信するので、高フレームレート又は高ボリュームレートの超音波撮像を行うことができる。あるいは、超音波画像の解像度を向上させることができる。その際に、異なる方向に送信される複数の超音波ビームの間隔を２０°以上、又は、撮像領域の大きさに応じて設定することにより、複数の超音波ビームの間で生じるクロストークが抑制されるので、良質な画像データを得ることができる。また、本発明によれば、撮像領域を走査する走査密度、フレームレート又はボリュームレート、被検体内において測定対象が存在する深さ、超音波ビームの速度等に応じて、送信される超音波ビームの数及び超音波エコーについて形成される受信焦点の数を設定するので、画質の高い画像データをリアルタイムに効率良く取得することができる。

本発明は、超音波を用いて生体内臓器の診断や非破壊検査を行うための超音波撮像方法及び超音波撮像装置において利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。 被検体内の撮像領域を示す図である。 送受信される超音波ビームの焦点面を示す図である。 θ×θで表される撮像領域において、隣接する複数の送信ビームの間隔Δθ_ＴＢを示す図である。 隣接する送信ビームの間隔とサイドローブ信号の強度との関係をシミュレーションによって求めた図である。 θ＝４５°、６０°、９０°の場合における送信ビームの本数とサイドローブ信号の強度との関係を示す図である。 超音波エコーを分割受信する場合における複数の受信焦点の正方格子状の配置を示す図である。 超音波エコーを分割受信する場合における複数の受信焦点の正方格子状でない配置を示す図である。 超音波エコーを分割受信する場合における複数の受信焦点の正方格子状でない他の配置を示す図である。 受信ビームの本数と送信ビームのエネルギー密度との関係を示す図である。 受信焦点の配置が正方格子状である場合において、撮像領域と１回の超音波ビームの送受信によって取得される画像データ数との関係を示す図である。 受信焦点の配置が正方格子状でない場合において、撮像領域と１回の超音波ビームの送受信によって取得される画像データ数との関係を示す図である。 図１３の（ａ）は、図１に示す超音波トランスデューサから超音波ビームをマルチビーム送信する様子を示す図であり、図１３の（ｂ）は、超音波エコーを複数の受信ビームとして分割受信する方法を説明するための図である。 図１４の（ａ）は、従来の方式による超音波ビームの送信形態の一例を説明するための模式図であり、図１４の（ｂ）は、従来の方式による超音波ビームの受信形態の一例を説明するための模式図である。 従来の方式による超音波ビームの送受信形態の他の例を説明するための模式図である。

符号の説明

１０、１００ 超音波トランスデューサアレイ
１１、１０１ 超音波トランスデューサ
１２ パルサ
１４ レシーバ
１５ プリアンプ
１６ ＴＧＣ増幅器
１７ Ａ／Ｄ変換器
２０ システム制御部
２１ メモリ
２２ａ〜２２ｄ 位相整合演算部
２３ 表示画像演算部
２５ 発火タイミングコントローラ
３０ モニタ
１０２、ＴＢ１〜ＴＢ４ 送信ビーム（超音波ビーム）
１０３〜１０５、ＲＢ１〜ＲＢ１６ 受信ビーム
ＦＦ 焦点面

Claims (8)

1. 被検体内の測定対象に向けて超音波ビームを送信し、該測定対象から反射される超音波エコーを受信して処理することにより、該測定対象に関する画像情報を得る超音波撮像装置において用いられる超音波撮像方法であって、
   制御手段による制御の下で、送信側信号処理手段が複数の超音波トランスデューサに複数の駆動信号をそれぞれ供給することにより、互いに直交する２つの走査方向の各々について角度θで表される撮像領域に向けてｎｔ ^２ 本の送信ビームを並行して送信するステップ（ａ）と、
   前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力され、受信側信号処理手段によって処理された複数の検出信号に基づいて、複数の位相整合手段によって、各々の送信ビームに対してｎｒ ^２ 本の受信ビームを形成するように位相整合を行うステップ（ｂ）と、
   を具備し、前記制御手段によって、ｎｔ及びｎｒが、条件式（ｎｔ×ｎｒ）^２≧（θ／Δθ）^２／Ｔを満たすように設定され、ここで、ｎｔは、送信ビームの角度間隔（θ／ｎｔ）≧２０°を満たす整数であり、Δθは、各々の走査方向における受信ビームの角度間隔を表し、Ｔは、前記撮像領域について体積データを１回取得する時間内に超音波ビームを往復させる回数を表す、超音波撮像方法。
2. ステップ（ｂ）が、各々の送信ビームに対して１６本以下の受信ビームを形成するように複数の検出信号を処理することを含む、請求項１記載の超音波撮像方法。
3. 互いに直交する２つの走査方向の各々における撮像領域の角度が６０°であり、
   ステップ（ａ）が、４つの方向に向けて４つの送信ビームを並行して送信することを含む、
   請求項１記載の超音波撮像方法。
4. θ＝６０°、ｎｔ＝２、ｎｒ＝４である、請求項１記載の超音波撮像方法。
5. 被検体内の測定対象に向けて超音波ビームを送信し、該測定対象から反射される超音波エコーを受信して処理することにより、該測定対象に関する画像情報を得る超音波撮像装置であって、
   駆動信号に従って超音波を送信すると共に、超音波を受信して検出信号を出力する複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイと、
   前記複数の超音波トランスデューサに複数の駆動信号をそれぞれ供給する送信側信号処理手段と、
   互いに直交する２つの走査方向の各々について角度θで表される撮像領域に向けてｎｔ ^２ 本の送信ビームを並行して送信するように前記送信側信号処理手段を制御する制御手段と、
   前記複数の超音波トランスデューサからそれぞれ出力される複数の検出信号に対して所定の信号処理を施す受信側信号処理手段と、
   前記受信側信号処理手段によって処理された検出信号に基づいて、各々の送信ビームに対してｎｒ ^２ 本の受信ビームを形成するように位相整合を行う複数の位相整合手段と、
   を具備し、前記制御手段が、条件式（ｎｔ×ｎｒ）^２≧（θ／Δθ）^２／Ｔを満たすようにｎｔ及びｎｒを設定し、ここで、ｎｔは、送信ビームの角度間隔（θ／ｎｔ）≧２０°を満たす整数であり、Δθは、各々の走査方向における受信ビームの角度間隔を表し、Ｔは、前記撮像領域について体積データを１回取得する時間内に超音波ビームを往復させる回数を表す、超音波撮像装置。
6. 前記位相整合手段が、各々の送信ビームに対して１６本以下の受信ビームを形成するように位相整合を行う、請求項５記載の超音波撮像装置。
7. 互いに直交する２つの走査方向の各々における撮像領域の角度が６０°であり、
   前記制御手段が、４つの方向に向けて４つの送信ビームを並行して送信するように前記送信側信号処理手段を制御する、
   請求項５記載の超音波撮像装置。
8. θ＝６０°、ｎｔ＝２、ｎｒ＝４である、請求項５記載の超音波撮像装置。

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