JP2009247511A - Ultrasonic imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flexible ultrasonic array probe capable of achieving a highly accurate beam formation with a small number of signal lines and having flexibility in bending or shape deformation. <P>SOLUTION: This ultrasonic imaging apparatus has: a probe including a plurality of elements for transmitting/receiving ultrasonic signals with a subject, and a connection section for relatively movably connecting the plurality of elements; a computing section computing relative positional information of the plurality of elements based on the receiving signals of the plurality of elements; and an image data generation section generating image data from the receiving signal and the relative positional information. This ultrasonic imaging apparatus optimizes a delay time between the receiving signals for minimizing the width of a receiving point response function so as to estimate the shape of a probe itself, transmit/receive based on the estimated shape and take a tomographic image. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、被検体内部の音響インピーダンスの空間変化に起因するエコー信号を用いて画像を撮像する超音波撮像技術に関する。   The present invention relates to an ultrasonic imaging technique for imaging an image using an echo signal resulting from a spatial change in acoustic impedance inside a subject.

超音波像を撮像する超音波診断装置は、超音波探触子から被検体に超音波を送波し、被検体から発生した反射エコーを超音波探触子で受波し、超音波探触子から出力される受信信号に基づき超音波像を再構成して表示する。超音波像とは、受信したエコー信号の位置と強度を画像化したものである。対象物の音速を均一と仮定すると、送波してから受波するまでの時間によって、着目するエコーの伝搬方向の距離がわかる。   An ultrasonic diagnostic apparatus that captures an ultrasonic image transmits ultrasonic waves from an ultrasonic probe to a subject, receives reflected echoes generated from the subject with the ultrasonic probe, and performs ultrasonic probe. An ultrasonic image is reconstructed and displayed based on the received signal output from the child. An ultrasonic image is an image of the position and intensity of a received echo signal. Assuming that the sound speed of the object is uniform, the distance in the propagation direction of the echo of interest can be determined by the time from transmission to reception.

一方、二次元もしくは三次元の超音波像を得る場合には、方位方向(伝搬方向に直交する方向)の位置を制御して、エコー信号を取得する必要がある。この方位方向の走査方式としては、探触子内の振動子を方位方向に動かす機械走査方式と、探触子内に振動子を複数個形成し、各振動子からの信号に遅延時間を与えて信号所得位置を制御する電子走査方式がある。   On the other hand, when obtaining a two-dimensional or three-dimensional ultrasonic image, it is necessary to control the position in the azimuth direction (direction orthogonal to the propagation direction) to acquire an echo signal. This azimuth scanning method includes a mechanical scanning method in which the transducer in the probe is moved in the azimuth direction, and a plurality of transducers are formed in the probe, and a delay time is given to the signal from each transducer. There is an electronic scanning method for controlling the signal income position.

ここで、探触子については、例えば特許文献1に記載されているように、体腔内で用いる形態のものがある。   Here, as a probe, there exists a thing of the form used in a body cavity, for example, as described in patent document 1. FIG.

特開2004-167092号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-167092

機械走査方式の場合は、1.撮像速度の上限が電子走査より低い、2.複数の断層像を撮像する場合に位置の再現性に課題がある、3.対象物の動きをドップラ法で推定する場合に、振動子の動きの影響が出てしまう、4.振動子を動かすことで、対象物に変形を与えてしまう可能性がある。以下、電子走査式に関して記述を行うことにする。   In the case of the mechanical scanning method, 1. 1. Upper limit of imaging speed is lower than electronic scanning. 2. There is a problem in position reproducibility when capturing multiple tomographic images. 3. When the movement of the object is estimated by the Doppler method, the influence of the movement of the vibrator is generated. There is a possibility that the object is deformed by moving the vibrator. Hereinafter, the electronic scanning method will be described.

電子走査においては、図1に示すように、各振動子から着目部位までの距離の差を時間差に置き換えて、送信及び/もしくは受信を行うことにより空間上の任意の場所にフォーカスして送信することや、任意の場所のエコー信号の受信感度を高めることが出来る。このとき、フォーカスの精度は「振動子から着目部位までの距離」の推定精度によるので、従来の探触子においては、極力剛性の高い探触子を用い、測定条件によって探触子の形状が変形することを極力抑えてきた。このため、探触子は剛性の高いものが一般的であった。しかし、アプリケーションの多様性を考えると、探触子の剛性が低い方が有利な場合もある。例えば体腔内で用いる探触子の場合、体腔に導入するときには極力小さい断面積であり、体腔内では送受信ビームのフォーカスを鋭くするために開口を大きく展開したい場合、探触子が折りたたみ可能であることが望ましい。また、被検体に長時間密着させて、モニタリングを行う場合、特に関節など可動部分のモニタリングを行う場合には、被検体の形状変化にあわせて探触子も形状が変化できる方が望ましい。   In electronic scanning, as shown in FIG. 1, the difference in distance from each transducer to the target site is replaced with a time difference, and transmission and / or reception is performed to focus and transmit to an arbitrary place in space. In addition, it is possible to increase the reception sensitivity of an echo signal at an arbitrary place. At this time, since the accuracy of the focus depends on the estimation accuracy of the “distance from the transducer to the target site”, the conventional probe uses a highly rigid probe, and the shape of the probe depends on the measurement conditions. We have suppressed deformation as much as possible. For this reason, a probe having a high rigidity is generally used. However, considering the variety of applications, it may be advantageous for the probe to have low rigidity. For example, in the case of a probe used in a body cavity, the cross-sectional area is as small as possible when it is introduced into the body cavity, and the probe can be folded in the body cavity when it is desired to expand the aperture greatly in order to sharpen the focus of the transmission / reception beam It is desirable. Further, when monitoring is performed with the object kept in close contact with the subject for a long time, particularly when monitoring a movable part such as a joint, it is desirable that the shape of the probe can be changed in accordance with the change of the shape of the subject.

しかし、探触子が関節のような連結部を供えて折りたたみ可能である場合、探触子の複数の素子を接続する各関節の相対的な位置についての情報が必要となる。これには例えば回転角度検出センサを用いることができる。被検体との密着性を高めたい場合や、折りたたみにおける断面積の縮小率を稼ぎたい場合には、角度検出センサの数が増大し、その分だけ、信号線の本数が増大してしまう。密着性を高めるためには関節の数が多ければ多いほど良い。振動子は分割することが出来ないため、関節の数が最大の場合とは、関節の数と振動子の数が等しい場合である。しかし、最も密着性が良い時には、信号線の本数が、関節が無い場合に比べて2倍になってしまう。電子走査型の超音波撮像装置においては、信号線の数が通常200本程度と、元々多く、これが更に二倍になってしまうことは実用性を大きく損ねてしまう。以上の観点から本発明においては、形状の変化が容易であり、かつ探触子の形状推定のための信号線の数を低減できる装置構成を実現することを目的とする。   However, when the probe is foldable with a joint such as a joint, information on the relative positions of the joints connecting a plurality of elements of the probe is required. For example, a rotation angle detection sensor can be used. When it is desired to increase the adhesion to the subject or to increase the reduction ratio of the cross-sectional area in folding, the number of angle detection sensors increases, and the number of signal lines increases accordingly. In order to improve the adhesion, the larger the number of joints, the better. Since the vibrator cannot be divided, the case where the number of joints is the maximum is the case where the number of joints is equal to the number of vibrators. However, when the adhesion is the best, the number of signal lines is doubled compared to when there is no joint. In an electronic scanning type ultrasonic imaging apparatus, the number of signal lines is usually large, usually about 200, and further doubling the number greatly impairs practicality. In view of the above, an object of the present invention is to realize an apparatus configuration that can easily change the shape and can reduce the number of signal lines for estimating the shape of a probe.

本発明は一例として、被検体と超音波信号を送受信する複数の素子と、複数の素子を相対的に可動に連結する連結部とを備える探触子と、前記複数の素子の受信信号に基づいて、前記複数の素子の相対的位置情報を演算する演算部と、前記受信信号と前記相対的位置情報とから、画像データを生成する画像データ生成部とを有する。   As an example, the present invention is based on a probe including a plurality of elements that transmit and receive an ultrasonic signal to and from a subject, and a connecting portion that relatively movably connects the plurality of elements, and reception signals of the plurality of elements. And a calculation unit that calculates relative position information of the plurality of elements, and an image data generation unit that generates image data from the received signal and the relative position information.

受信点応答関数の幅が最小となるように、受信信号間の遅延時間を最適化することにより、探触子自身の形状を推定し、推定された形状に基づいて送受信を行い、断層像撮像を行うよう構成されてもよい。   By optimizing the delay time between received signals so that the width of the reception point response function is minimized, the shape of the probe itself is estimated, and transmission / reception is performed based on the estimated shape, and tomographic imaging is performed. May be configured to perform.

形状の変化が容易であり、かつ探触子の形状推定のための信号線の数が低減された装置構成を実現することが出来る。   It is possible to realize an apparatus configuration in which the shape can be easily changed and the number of signal lines for estimating the shape of the probe is reduced.

以下、本発明の実施形態の例を説明する。   Hereinafter, examples of embodiments of the present invention will be described.

まず装置全体構成について図10を用いて説明する。形状がフレキシブルに変形できる探触子1に、送受切替スイッチ2を介して送波ビームフォーマ3と受波ビームフォーマ6が接続されている。送波ビームフォーマ3は、送波波形メモリ5に格納してある波形を用い、素子毎の送波信号に遅延時間や重みを与えて、所望の位置に超音波ビームがフォーカスするように、制御系4によって制御されている。送波ビームフォーマ3からの電気信号は、探触子1において超音波信号に変換され、ここには図示しない被検体に向かって、超音波ビームが照射される。被検体内で反射して探触子に戻ってきたエコー信号は、探触子1において電気信号に変換され、受波ビームフォーマ6に送られる。受波ビームフォーマ6で受信された信号は、まず素子位置推定部7によって、素子位置を推定するのに用いられる。この素子位置の推定結果は、受波ビームフォーマの遅延時間、重みを計算するのに用いられ、被検体の所望の位置からのエコー信号を選択的に増強するのに用いられる。ビームフォーマ6の出力は検波部8によって、包絡線検波やLog圧縮やバンドパスフィルタ、ゲインコントロールなどを経て、スキャンコンバータ9において画像信号に変換され、表示部10において、断層像として表示される。以上の説明は、まず1フレーム目の撮像に関するものであり、フレーム間での被検体の動きが小さい場合には素子位置推定部7の推定結果を反映して、2フレーム目からは、制御系を介して送波ビームフォーマで計算する遅延時間も素子位置に対応した形に計算しなおすことも出来る。素子位置推定部7は、受波データメモリ、評価関数格納部、評価演算部と形状推定部の4つから構成され、後で説明する評価関数に基づいて、受波データから評価関数の出力が最も確からしい素子形状を求め、この推定された素子形状を出力とする。   First, the overall configuration of the apparatus will be described with reference to FIG. A probe beam former 3 and a receive beam former 6 are connected to a probe 1 whose shape can be flexibly deformed via a send / receive switch 2. The transmission beamformer 3 uses a waveform stored in the transmission waveform memory 5 and gives a delay time and a weight to a transmission signal for each element so that the ultrasonic beam is focused at a desired position. It is controlled by the system 4. The electrical signal from the transmission beamformer 3 is converted into an ultrasonic signal by the probe 1, and an ultrasonic beam is irradiated to a subject not shown here. The echo signal reflected in the subject and returned to the probe is converted into an electric signal by the probe 1 and sent to the receiving beam former 6. The signal received by the receiving beam former 6 is first used by the element position estimating unit 7 to estimate the element position. This element position estimation result is used to calculate the delay time and weight of the receiving beam former, and is used to selectively enhance the echo signal from the desired position of the subject. The output of the beamformer 6 is converted into an image signal by the scan converter 9 through envelope detection, log compression, band pass filter, gain control, and the like by the detection unit 8 and displayed as a tomographic image on the display unit 10. The above description relates to the imaging of the first frame. When the movement of the subject between the frames is small, the estimation result of the element position estimation unit 7 is reflected and the control system starts from the second frame. The delay time calculated by the transmission beamformer can also be recalculated in a form corresponding to the element position. The element position estimation unit 7 is composed of a received data memory, an evaluation function storage unit, an evaluation calculation unit, and a shape estimation unit, and outputs an evaluation function from the received data based on an evaluation function described later. The most probable element shape is obtained, and this estimated element shape is used as an output.

1フレーム目で受波ビームフォーマにしか素子位置推定の結果が反映する必要がないのは、以下の理由による。超音波撮像において、空間分解能や感度の観点からは撮像する視野中の各点毎に、送波も受波もフォーカスを合わせて撮像することが考えられる江。例えば走査線の本数がN本、深さ方向の撮像範囲/深さ方向のビーム幅=Mの場合には、NxM回の送受信を繰り返して、一フレームの撮像を行うことになる。1フレーム取得するのに要する時間はNxMに比例する。この撮像時間を短縮するためには、ダイナミックフォーカスや開口合成と呼ばれる方法が採用されることが多い。これは、一回の送波に対して複数の受波フォーカス点を設定することにより、高精度の受波フォーカスで空間分解能を維持したまま、送波の回数を減らすことでフレームレートを向上する方法である。受波は各chで受信した信号の遅延時間をどのようにずらして加算するかで空間上の任意の場所にフォーカスを合わせることで出来るので、超音波の生体内での伝搬時間に依存せずに、複数のフォーカス点の切り替えをすることができる。より具体的には、一回の受波信号を使って、複数の別々の点にフォーカスを合わせる(開口合成)ことや、受波信号の反射源の深さに応じて時間的に連続にフォーカス位置をずらしていく(受波ダイナミックフォーカス)ことが出来る。このような手法を用いる場合、送波ビームに比べ受波ビームを空間的に絞って撮像を行っている。結果として受波の方が送波に比べてビームを絞る必要があるので、受波において、より正確な素子位置を把握することが重要となる。   The reason that the element position estimation result needs to be reflected only in the receiving beamformer in the first frame is as follows. In ultrasound imaging, from the viewpoint of spatial resolution and sensitivity, it is conceivable that both transmission and reception are focused at each point in the field of view. For example, when the number of scanning lines is N and the imaging range in the depth direction / the beam width in the depth direction = M, NxM transmission / reception is repeated to perform imaging for one frame. The time required to acquire one frame is proportional to NxM. In order to shorten the imaging time, methods called dynamic focus and aperture synthesis are often employed. This improves the frame rate by reducing the number of transmissions while maintaining the spatial resolution with high-accuracy reception focus by setting multiple reception focus points for one transmission. Is the method. Since reception can be performed by focusing on an arbitrary place in space by shifting and adding the delay time of the signal received at each channel, it does not depend on the propagation time of the ultrasonic wave in the living body. In addition, a plurality of focus points can be switched. More specifically, a single received signal is used to focus on a plurality of separate points (aperture synthesis), or continuous in time according to the depth of the reflected source of the received signal. The position can be shifted (received dynamic focus). When such a method is used, imaging is performed with the received beam spatially narrowed compared to the transmitted beam. As a result, it is necessary for the received wave to focus the beam compared to the transmitted wave, so it is important to grasp the more accurate element position in the received wave.

ここでは、(1)評価関数(I.方位方向の点応答関数、II.深さ方向の点応答関数、III.2次元の点応答関数、IV.隣接信号間の相互相関を演算する関数)、(2)評価方式(I.アレイ端から順次拡大、II.口径全体を二分割、順次分割数を増大、III.0次関数から高次関数fit)、(3)フレキシビリティ(拘束条件)(I.回転のみ(伸縮を伴わない)、II.回転及び伸縮)、(4)トランスデューサ(I.PZT、II.PVDF、III.cMUT)の4つの項目に関して、検討する。以下そのいくつかの典型的な例に関して実施例を分けて説明を行う。以下、フレキシビリティがある条件とは、複数の素子について、相対的位置が可動となるように連結する条件をさすものとする。   Here, (1) evaluation function (I. Point response function in azimuth direction, II. Point response function in depth direction, III. Two-dimensional point response function, IV. Function to calculate cross-correlation between adjacent signals) , (2) Evaluation method (I. Sequential expansion from the end of the array, II. Divide the whole aperture into two parts, sequentially increase the number of divisions, III. (I. Rotation only (without expansion / contraction), II. Rotation and expansion / contraction), (4) Transducers (I. PZT, II. PVDF, III. CMUT) are examined. Hereinafter, embodiments will be described separately with respect to some typical examples. Hereinafter, the condition having flexibility refers to a condition in which a plurality of elements are coupled so that their relative positions are movable.

本実施例では、図2に示す、フレキシビリティが伸縮を伴わないアレイを用いた場合に関して説明を行う。評価関数は、I.方位方向の点応答関数、II.深さ方向の点応答関数、III.2次元の点応答関数を検討し、評価方式は、I.アレイ端から順次拡大を検討し、フレキシビリティ(拘束条件)は、I.回転のみ(伸縮を伴わない)を検討する。図2(a)は回転自由度を関節によって実現しており、図2(b)は回転自由度をフィルムの曲げによって実現している。なお、ここでフィルムの伸縮が無視出来ない場合や、素子の間隙部が長くフィルムのたわみが無視出来ない場合には、この図2(b)の構成においても伸縮を伴う場合も実現出来るが、この実施例では伸縮やたわみなどは十分に小さい場合を例にとって説明を行う。   In this embodiment, the case where the array shown in FIG. 2 that does not expand and contract with flexibility will be described. The evaluation functions are I. Point response function in the azimuth direction, II. Point response function in the depth direction, and III. Two-dimensional point response function. For flexibility (constraint conditions), I. Consider only rotation (no expansion / contraction). In FIG. 2A, the degree of freedom of rotation is realized by a joint, and in FIG. 2B, the degree of freedom of rotation is realized by bending a film. In addition, when the expansion and contraction of the film cannot be ignored or when the gap of the element is long and the deflection of the film cannot be ignored, the configuration of FIG. In this embodiment, an explanation will be given by taking as an example a case where expansion and contraction and deflection are sufficiently small.

被検体への固定は図3に示すように、いくつかの固定バンド101で、被検体に固定する。探触子アレイの連結部がフレキシブルであるため、被検体の関節などをまたいで固定した長時間モニタリングや、関節が動いている最中の断層像を得ることが出来る。これまで、生体中の動きの超音波撮像による観察は心臓が主であったが、本実施例の構成の適用により、整形外科的な観察に対しても、超音波撮像が有効となる。また、生体は常に変形を伴うものであるから、探触子がフレキシブルなものとなることで、被検者の感じる、探触子の接触による違和感を低減したり、接触が悪くなるのを防ぐことが出来る。   As shown in FIG. 3, the fixation to the subject is fixed to the subject with several fixing bands 101. Since the connecting portion of the probe array is flexible, it is possible to obtain a long-term monitoring that is fixed across the joint of the subject and a tomographic image while the joint is moving. Until now, the heart has been mainly used for the observation of the movement in the living body by the ultrasonic imaging. However, the application of the configuration of this embodiment makes the ultrasonic imaging effective for the orthopedic observation. In addition, since the living body is always accompanied by deformation, making the probe flexible reduces the sense of discomfort caused by the contact of the probe and the contact of the probe, and prevents the contact from becoming worse. I can do it.

トランスデューサに関しては図4(a)に示すようにPZT(チタンジルコン酸鉛)素子を用いる場合や、(b)に示すようにPVDF(ポリフッ化ビニリデン)素子や(c)に示すcMUT(capacitive micro-machined ultrasound transducer)素子を用いることが出来る。ここではまず図2(b)に対応したフィルム型の場合を例にして、以下順に説明を行う。まず(a)PZTを用いる場合PZTは音響インピーダンスが30MRayl程度と生体の1.5MRaylと大きく異なるため、その中間的な音響インピーダンスを持った(通常、金属粒子もしくは金属酸化物粒子やセラミック粉末と高分子樹脂の混合物を用いることで、音速と密度を調整する)音響整合層8を1ないし2層、PZTの送波面側に形成し、その上に、電子フォーカスと直交する方向のフォーカスを行う音響レンズ1を形成する。音響レンズは、生体より音速の遅いシリコーンゴム、もしくはシリコーンゴムと粒子の混合物を用いるので、きわめて柔軟性に富んだ材料である。この音響レンズ1が図2(b)のフレキシブルシートの役割を果たしている。PZT圧電素子の裏面にはダンピング材としてやはり金属もしくは金属酸化物と、ゴムなどの減衰係数の大きい高分子材料の混合物からなるバッキング材が形成されている。これは裏面から放射された超音波パルスが、反射によって戻ってくることによって生じる不要応答を抑圧し、また負荷として適切な音響インピーダンスを選ぶことで、超音波パルスが余韻を引いて、時間分解能が劣化することを防いでいる。これらの圧電素子、整合層、バッキング材から形成される素子がシート部材(フレキシブルシート)を介して接続することで、アレイ全体としてフレキシブルに変形することができる。圧電素子としては、PZTを使う以外にも、(b)に示すように、ポリフッ化ビニリデンのような高分子圧電フィルムを用いることも出来る。この場合は圧電フィルム10を音響レンズ1とバッキング材4ではさみ、片面の電極にアレイのパターン化した電極を用いることでフレキシブルな探触子アレイが実現できる。この場合は他の方法に比べ、製造が容易であるという長所がある。また、cMUTを電気音響変換素子として活用する方法もある。この場合は(c)に示すように、シリコン基板上に形成されたcMUT素子12をやはりバッキング材4と音響レンズ1ではさみ、あとは上述の方法と同様にして、実現できる。
図2(a)に示すように、圧電素子、整合層、バッキング材から形成される素子どうしは、関節(連結部)を介して接続しても、同様の効果が得られる。この素子の拡大図を図11に示す。ここでは、キャタピラのような構造の場合を例に説明する。主に音響レンズ1、整合層8、圧電素子7、バッキング材4からなる音響素子2と、これに隣接する音響素子2の間に関節3(ここではシャフトが関節3の穴に差し込まれることで、このシャフトを軸にした回転が可能になる。)、圧電素子の上下の電極に接続された上部配線6b、下部配線6aから構成される。素子と素子の間には、音響的なアイソレーションを実現し、かつ可動性を妨げないために、シリコーンゴムなどの音響インビーダンスの小さい樹脂に気体を混入した材料を流し込んでおくとよい。気体を混入するには、ガスを内包したシェル構造を持つマイクロバルーンや、発泡ウレタンのような材料などを用いることが出来る。例えば、商品名EXPANCELとして知られるような熱可塑性樹脂を外殻とする有機系マイクロバルーンで粒径が10から100ミクロン程度のものなどが利用できる。この充填剤は、探触子アレイの強度を保つのにも貢献する。圧電素子7は前述のPZT圧電体でも、高分子圧電フィルムでも、cMUTでも良い。配線6は、関節3の可動性に影響を与えないようにするために、関節の回転軸と平行な方向に取り出し、同軸ケーブルやGNDパターンつきのフレキシブルプリント基板などに接続し、ケーブ全体で束ね、装置に接続する。
次に、これまで説明を行ったフレキシブルトランスデューサを使って、トランスデューサ自身の形状を推定し、断層像の撮像を行う方法に関して、説明を行う。
(1)まず、被検体形状のわからない状態で、超音波を対象物に送波し、各受信チャンネル毎に信号の取得を行なう。
(2)次に仮定した初期形状に基づいて、受信のビームフォーミングを行い、初期点応答関数をもとめる。これをPSFとする。
(3)PSFが最適となるように、イテレーティブに探触子形状を推定する探索を行う。
(4)探触子形状の推定が終わったら、送信ビームを形成し、対象物に超音波の送信を行い、受信エコーに対しても、形状推定結果に基づいた受信ビームフォーミングを行う。
(5)通常の包絡線検波、フィルタリング処理、Log圧縮、スキャンコンバージョン処理を経て、断層像を生成、ディスプレイに表示する。
(6)探触子の形状変化の起きやすさに応じた頻度で、2,3の処理を適宜行い、形状推定結果の更新を行いながら、撮像を行う。
次に、特に本実施例が剛体を仮定した探触子による撮像と異なる、PSFの最適化プロセスに関して説明を行う。超音波のビームフォーミングは図1に示すように、焦点と各素子位置の間の距離が求め、素子間での距離差を対象物の音速で割ることにより算出される遅延時間を素子毎に与えチャンネル間での加算を行うことにより実現している。このようにして求まる点応答関数は、遅延時間が最も正しいときに、最小(方位方向および伝搬方向ともに)となることが知られているので、遅延時間パターンを変えてみて、点応答関数が最小になる遅延時間パターンを求めればよい。ここで点応答関数が最少とは、点応答関数の幅が最少の意味であり、状況によって、深さ方向の幅を最小にしたり、方位方向の幅を最小にしたり、両者の相加平均や相乗平均などを最小とすることがふさわしい。端から順に計算する場合を図5を用いて、説明する。一番端の素子を原点として、素子間隔をP、i番目の素子の角度をΘ、i−1番目の関節の回転角度をθi-1とすると、i番目の素子位置(Xi,Yi)はi-1番目の素子位置を(Xi-1、Yi-1)及び回転角度Θi−1を用いて、(Xi-1+P/2cosΘi-1+P/2cos(Θi-1+θi-1)、Yi-1+P/2sinΘi-1+P/2sin(Θi-1+θi-1))と算出できる。
つまり、まず一つの方法として、まず一番端の受信ビームに、自由度をΘ1とθ1の二つのパラメータとして、二番目の素子の受信信号に推定遅延時間を与え、加算を行い、ch1とch2の信号加算において、点応答関数が最少となるΘ1とθ1を求める。後は数学的帰納法を使って、順次素子位置を求めていくことで素子全体のΘとθが求めることが出来る。
As for the transducer, a PZT (lead titanium zirconate) element is used as shown in FIG. 4A, a PVDF (polyvinylidene fluoride) element as shown in FIG. 4B, or a cMUT (capacitive micro- machined ultrasound transducer) elements can be used. Here, the case of a film type corresponding to FIG. 2B will be described as an example in the following order. First, (a) When PZT is used PZT has an acoustic impedance of about 30 MRayl, which is significantly different from 1.5 MRayl of a living body, and therefore has an intermediate acoustic impedance (usually higher than that of metal particles or metal oxide particles or ceramic powder). The acoustic matching layer 8 (which adjusts the sound speed and density by using a mixture of molecular resins) is formed on one or two layers of the PZT on the transmission surface side, and on that, the acoustic for focusing in the direction orthogonal to the electronic focus is performed. The lens 1 is formed. The acoustic lens uses a silicone rubber or a mixture of silicone rubber and particles whose sound speed is slower than that of a living body, and thus is an extremely flexible material. This acoustic lens 1 plays the role of the flexible sheet of FIG. On the back surface of the PZT piezoelectric element, a backing material made of a mixture of a metal or metal oxide and a polymer material having a large damping coefficient such as rubber is formed as a damping material. This suppresses unnecessary responses caused by the return of the ultrasonic pulse radiated from the back surface, and by selecting an appropriate acoustic impedance as a load, the ultrasonic pulse has a reverberation and the time resolution is reduced. Prevents deterioration. By connecting these piezoelectric elements, matching layers, and elements formed from the backing material via a sheet member (flexible sheet), the entire array can be flexibly deformed. As the piezoelectric element, in addition to using PZT, as shown in (b), a polymer piezoelectric film such as polyvinylidene fluoride can also be used. In this case, a flexible probe array can be realized by sandwiching the piezoelectric film 10 between the acoustic lens 1 and the backing material 4 and using a patterned electrode on one side of the electrode. In this case, there is an advantage that manufacture is easier than other methods. There is also a method of utilizing cMUT as an electroacoustic transducer. In this case, as shown in (c), the cMUT element 12 formed on the silicon substrate is also sandwiched between the backing material 4 and the acoustic lens 1, and the rest can be realized in the same manner as described above.
As shown in FIG. 2A, the same effect can be obtained even if elements formed of a piezoelectric element, a matching layer, and a backing material are connected via a joint (connecting portion). An enlarged view of this element is shown in FIG. Here, a case of a structure like a caterpillar will be described as an example. The joint 3 (here, the shaft is inserted into the hole of the joint 3) between the acoustic element 2 mainly composed of the acoustic lens 1, the matching layer 8, the piezoelectric element 7, and the backing material 4, and the acoustic element 2 adjacent thereto. , Rotation about this shaft becomes possible.), And is composed of an upper wiring 6b and a lower wiring 6a connected to the upper and lower electrodes of the piezoelectric element. In order to achieve acoustic isolation and not hinder mobility between elements, a material in which a gas is mixed into a resin having a small acoustic impedance such as silicone rubber may be poured. In order to mix the gas, a micro balloon having a shell structure enclosing gas or a material such as urethane foam can be used. For example, an organic microballoon having a thermoplastic resin outer shell known as the trade name EXPANCEL and having a particle size of about 10 to 100 microns can be used. This filler also contributes to maintaining the strength of the probe array. The piezoelectric element 7 may be the aforementioned PZT piezoelectric material, a polymer piezoelectric film, or a cMUT. In order not to affect the mobility of the joint 3, the wiring 6 is taken out in a direction parallel to the rotation axis of the joint, connected to a coaxial cable or a flexible printed circuit board with a GND pattern, and bundled in the entire cable. Connect to the device.
Next, a method for estimating the shape of the transducer itself and taking a tomographic image using the flexible transducer described so far will be described.
(1) First, an ultrasonic wave is transmitted to an object without knowing the shape of the subject, and a signal is acquired for each reception channel.
(2) Next, receive beamforming is performed based on the assumed initial shape, and an initial point response function is obtained. This is PSF 0 .
(3) A search for iteratively estimating the probe shape is performed so that PSF 0 is optimal.
(4) When the estimation of the probe shape is completed, a transmission beam is formed, ultrasonic waves are transmitted to the object, and reception beam forming based on the shape estimation result is performed on the reception echo.
(5) A tomogram is generated and displayed on a display through normal envelope detection, filtering processing, log compression, and scan conversion processing.
(6) Perform a few processes as appropriate at a frequency according to the likelihood of a change in the shape of the probe, and perform imaging while updating the shape estimation result.
Next, the PSF 0 optimization process, which is different from the imaging by the probe in which the present embodiment is assumed to be a rigid body, will be described. As shown in FIG. 1, ultrasonic beam forming provides the delay time calculated for each element by determining the distance between the focal point and each element position and dividing the distance difference between the elements by the sound velocity of the object. This is realized by performing addition between channels. It is known that the point response function obtained in this way is the minimum (both azimuth and propagation directions) when the delay time is most correct. Therefore, try changing the delay time pattern to minimize the point response function. What is necessary is just to obtain the delay time pattern. Here, the minimum point response function means the minimum width of the point response function. Depending on the situation, the width in the depth direction is minimized, the width in the azimuth direction is minimized, the arithmetic average of both It is appropriate to minimize the geometric mean. The case of calculating sequentially from the end will be described with reference to FIG. With the element at the end as the origin, the element interval is P, the angle of the i-th element is Θ i , and the rotation angle of the i-1th joint is θ i-1 , the i-th element position (X i , Y i) are i-1 th element position with (X i-1, Y i-1) and the rotation angle Θ i-1, (X i -1 + P / 2cosΘ i-1 + P / 2cos (Θ i-1 + θ i-1 ), Y i-1 + P / 2sinΘ it-1 + P / 2sin (Θ i-1 + θ i-1)) and can be calculated.
That is, as one method, first, an estimated delay time is given to the received signal of the second element with the degree of freedom as the two parameters of Θ 1 and θ 1 for the receiving beam at the extreme end, addition is performed, and ch1 And Θ 1 and θ 1 are obtained so that the point response function is minimized. After that, it is possible to obtain Θ and θ of the entire element by sequentially obtaining the element position using a mathematical induction method.

しかし、特に最初の数素子で遅延時間を推定するときに、ビーム形成難しく、Θとθの推定精度低くなる。   However, especially when the delay time is estimated with the first few elements, it is difficult to form a beam, and the estimation accuracy of Θ and θ is lowered.

そこで、端から順に推定していくのではなく、分割数を段々増やしていく方法をとることができる。これは図6を用いて説明を行う。例えば口径内のch数が128の場合、まず左半分と右半分で、それぞれ初期推定形状に基づいた遅延加算を行う。次にこの左半分の加算信号と右半分の加算信号の間の関節の角度を点応答関数が最少になるように推定する。この推定が終わると、次に、左右それぞれの口径を半分に分割、1/4と2/4の間の遅延時間推定、3/4と4/4の間の遅延時間推定を行う。このように、順次分割数を増やして行きながら推定の精度を向上していく方法である。ここでいう口径を分割するとは、別の言い方をすると、空間的に位置が近い素子を束ねるということになる。例えば口径内に128chある場合に、まず口径を二分割するとは、1から63chを一つに束ね、64から128chをもうひとつに束ねる。次に口径を4分割する場合は、1から31,32から63,64から95、96から128chと4つに束ねる。これを逐次細かくしていく操作である。   Therefore, instead of estimating sequentially from the end, a method of increasing the number of divisions gradually can be taken. This will be described with reference to FIG. For example, when the number of channels in the aperture is 128, first, delay addition based on the initial estimated shape is performed in the left half and the right half, respectively. Next, the joint angle between the left half addition signal and the right half addition signal is estimated so that the point response function is minimized. After this estimation is completed, the left and right apertures are divided in half, and the delay time between 1/4 and 2/4 is estimated, and the delay time between 3/4 and 4/4 is estimated. In this way, the estimation accuracy is improved while sequentially increasing the number of divisions. In other words, to divide the aperture here means to bundle elements having spatially close positions. For example, when there are 128 channels in the aperture, first dividing the aperture into two means that 1 to 63 channels are bundled together and 64 to 128 channels are bundled together. Next, when the aperture is divided into four, it is bundled into four from 1 to 31, 32 to 63, 64 to 95, and 96 to 128 ch. This is an operation of making this successively finer.

この方法と同じような効果を持つ方法としては、遅延時間関数をF(x)=Σanxnとxの多項式で表現できると仮定し、まずnが0と仮定してF(x)を推定、つまりaを。次に、この推定結果をベースにaとaを推定、以下nを増やしていく方法である。これらの方法は、アレイ形状の空間周波数成分中に、高い空間周波数成分をあまり含まない場合に有効である。 As a method having the same effect as this method, it is assumed that the delay time function can be expressed by a polynomial of F (x) = Σa n x n and x, and F (x) is first assumed that n is 0. estimation, that is, the a 0. Next, a 1 and a 0 are estimated based on this estimation result, and n is increased thereafter. These methods are effective when the high spatial frequency component is not included in the spatial frequency component of the array shape.

なお生体の音速不均一により焦点がぼけてしまう現象を補正するために、隣接素子間で受信信号の位相ずれを検出し、これを補正した遅延時間に置き換える、適応像再生といわれるビームフォーミング方式がある。本実施例では、受信信号をベースに探触子形状を推定し、形状変形を推定しているが、その時に同時に生体音速不均一補正も行っていることになる。   In addition, in order to correct the phenomenon that the focus is blurred due to non-uniform sound speed of the living body, there is a beam forming method called adaptive image reproduction that detects the phase shift of the received signal between adjacent elements and replaces it with the corrected delay time. is there. In this embodiment, the probe shape is estimated based on the received signal, and the shape deformation is estimated, but at the same time, the biological sound speed non-uniformity correction is also performed.

本実施例では、評価関数は、IV.隣接信号間の相互相関演算する関数を検討し、評価方式は、前記のIからIIIの全てに対応し、フレキシビリティ(拘束条件)は、I.回転のみを検討する。   In this embodiment, the evaluation function is IV. A function for calculating cross-correlation between adjacent signals is considered, the evaluation method corresponds to all of the above I to III, and the flexibility (constraint condition) is I.I. Consider only rotation.

実施例1においては、点応答関数を評価関数として、評価関数が最適になるところの遅延時間分布が、探触子形状を反映した遅延時間分布であると考えた。これは結果が最適になるように求める方法といえる。一方、実施例1のような評価関数を用いずに、遅延時間分布を求める方法もある。これは、各chの受信信号毎に複素相互相関を求めその位相差から遅延時間分布を求める方法である。1chの受信信号のみでは信号対雑音比が十分でない場合には隣接複数素子毎に信号の加算を行い、信号対雑音比の改善してから、相互相関を取る方法も有効である。相互相関を行う前に、受信信号に時間窓関数を加えてから、相互相関を行い、この窓関数の中心位置をずらしていくことで、深さ毎に異なる遅延時間分布を求め、明らかに精度の低い推定結果を除いてから、平均を求める方法で、遅延時間の推定精度の向上を図ることが出来る。素子毎に束ねるときに、束ねる素子数をNとするとNが大きいほどノイズの影響は小さくなるが、素子位置推定の空間分解能は低下するというトレードオフがあるので、実施の信号対雑音比を基に、最適な束ね数を最適化する必要がある。また、純粋に相互相関だけで位置を推定してもよいし、予め定まっていない複数のパラメータをもつ素子形状関数を仮定し、この関数で相互相関関数から求められた素子位置に対してい最小自乗フィッティングによって素子形状を決定するという方法もある。本実施例の場合多様な素子形状に対応できる点が前述の方法に比べて有利であるが、計算処理コストが大きいことやノイズの影響を受けやすいことなどがデメリットである。なお、相互相関演算は、コンボリューションをとっても良いが、複素の関数の場合、位相差を出す場合にはその割り算を行っても良いし、実数部と虚数部でarctanを求め、その位相差として良く、いくつかの方法がとりうる。   In Example 1, using the point response function as an evaluation function, the delay time distribution at which the evaluation function is optimal was considered to be a delay time distribution reflecting the probe shape. This can be said to be a method for obtaining the optimum result. On the other hand, there is also a method for obtaining the delay time distribution without using the evaluation function as in the first embodiment. This is a method of obtaining a complex cross-correlation for each received signal of each channel and obtaining a delay time distribution from the phase difference. If the signal-to-noise ratio is not sufficient with only the received signal of 1ch, a method of obtaining a cross-correlation after adding the signals for each of a plurality of adjacent elements and improving the signal-to-noise ratio is also effective. Before performing cross-correlation, a time window function is added to the received signal, then cross-correlation is performed, and the center position of this window function is shifted to obtain a different delay time distribution for each depth. It is possible to improve the estimation accuracy of the delay time by the method of obtaining the average after removing the low estimation result. When bundling elements, if N is the number of elements to be bundled, the effect of noise decreases as N increases, but the spatial resolution of element position estimation decreases. In addition, it is necessary to optimize the optimum number of bundles. Alternatively, the position may be estimated purely by cross-correlation, or an element shape function having a plurality of parameters that are not determined in advance is assumed, and this function is used to calculate the least square with respect to the element position obtained from the cross-correlation function. There is also a method of determining the element shape by fitting. In the case of the present embodiment, the point that it can cope with various element shapes is advantageous as compared with the above-described method, but there are disadvantages such as high calculation processing cost and being easily affected by noise. The cross-correlation calculation may take convolution, but in the case of a complex function, the division may be performed when the phase difference is to be obtained, or the arctan is obtained by the real part and the imaginary part, and the phase difference is obtained. Well, there are several possible ways.

本実施例では、フレキシビリティ(拘束条件)としては、II.回転及び伸縮を検討する。   In this embodiment, as the flexibility (constraint condition), II. Rotation and expansion / contraction are examined.

これまでの実施例においては、関節として角度のみが変わるものであったが、対象部位が生体の関節などの場合、常にこれに密着しているには、ただ回転するのみでなく伸縮も伴う必要がある。この場合には、関節3を図11に示したような回転するものではなく、例えばバネを用いることで、伸縮と回転が可能な関節を構成することが出来る。図12に例を示す。隣接する音響素子2の間をバネ15で接続する。バネをむき出しにしてしまうと、隙間に異物が入る可能性があるなど、衛生上好ましくないので、表面と裏面を柔軟性のなる高分子のシート16ではさみ、バネ15がむき出しにならないようにする。この場合一番端の素子を原点として、i-1とi番目の素子の間隔がPi−1、i番目の素子の角度をΘ、i−1番目の関節の回転角度をθi-1とすると、i番目の素子位置(Xi,Yi)はi-1番目の素子位置を(Xi-1、Yi-1)及び回転角度Θi−1を用いて、(Xi-1+P i-1/2cosΘi-1+P i-1/2cos(Θi-1+θi-1)、Yi-1+P i-1/2sinΘi-1+P i-1/2sin(Θi-1+θi-1))と算出できる。この最適値は数学的には求まるものではないが、探索範囲内で最小値を求めることは可能である。
また、前の実施例で説明を行ったように、各chの受信信号間で相互相関を求め、遅延時間差を推定すれば、素子位置のモデルが上記のようになっても、求めることが出来るため、本実施例の場合は相互相関によって、形状を推定する方式が適している。
In the embodiments so far, only the angle is changed as a joint, but when the target part is a living body joint or the like, it is necessary not only to rotate but also to expand and contract to always be in close contact with the joint. There is. In this case, the joint 3 does not rotate as shown in FIG. 11, but a joint that can be expanded and contracted and rotated can be configured by using, for example, a spring. An example is shown in FIG. Adjacent acoustic elements 2 are connected by a spring 15. If the spring is exposed, foreign matter may enter the gap, which is undesirable for hygiene purposes. Therefore, the front and back surfaces are sandwiched between flexible polymer sheets 16 so that the spring 15 is not exposed. . In this case, with the endmost element as the origin, the interval between i-1 and the i-th element is P i-1 , the angle of the i-th element is Θ i , and the rotation angle of the i-1th joint is θ i- When 1, i-th element position (X i, Y i) by using i-1 th element position (X i-1, Y i-1) and the rotation angle Θ i-1, (X i -1 + P i-1 / 2 cos Θ i-1 + P i-1 / 2 cos (Θ i-1 + θ i-1 ), Y i-1 + P i-1 / 2sin Θ i-1 + P i-1 / 2sin (Θ i -1 + θ i-1 )). This optimum value is not mathematically obtained, but it is possible to obtain the minimum value within the search range.
Further, as described in the previous embodiment, if the cross-correlation is obtained between the received signals of each channel and the delay time difference is estimated, it can be obtained even if the element position model is as described above. Therefore, in the present embodiment, a method for estimating the shape by cross-correlation is suitable.

本実施例では、素子幅や素子間の間隔の幅を少なくとも一部の部位で異なるよう設定する。   In this embodiment, the element width and the width of the interval between the elements are set to be different at least in a part.

実施例1に記載の構成においては、素子間に関節などを設けるため、通常のアレイに比べて素子間隔が広がってしまう。アレイにおいてはよく知られているように素子間隔Pが波長λに対して、P<λ/2においては、グレーティングローブは発生しないが、P>λ/2においてはグレーティングローブが発生する。P〜λ/2においては、グレーティングローブが発生しても、その角度は探触子送波面の法線ベクトル方向からの角度が大きく、断層像の撮像においてはあまり問題とはならない。しかしP〜3/4λからλに近づいてくるとグレーティングローブが画像上のアーチファクトの原因となってしまう可能性がある。例えばアレイを5MHzで駆動する場合、生体の音速を1540m/sとすると波長は0.308mmである。そのため素子幅が0.2mmでも関節の形成により、素子間の素子が形成できない隙間が0.1mm程度あると、グレーティングローブが発生する。これを避ける為に図7に示すように、素子幅や素子間の間接の幅を少なくとも一部の場所毎に異なるように設定することで、グレーティングローブの位置を分散させ、アーチファクトの強度を低減することが出来る。素子間隔を変えるには図7(a)のように素子幅をランダムに変えても良い。また図7(b)のように隙間の幅をランダムに変えても良い。さらに図7(c)にように関節の間の素子数をランダムに変えても良い。図7(a)の場合、PZTなど厚み振動を使う場合、厚さと素子幅の比率が振動モードに影響を与えるため、素子幅が個々に異なると、音響的な特性のばらつきを生むため好ましくないが、cMUTのように厚み振動を用いない場合には、素子幅を変えることは比較的容易である。また、cMUTやサブダイスした振動子のように、複数の音響的な素子から一つの電気的な素子が形成されている場合には、音響的な素子を束ねる数を変えることで、音響的な特性を保ったまま電気的な素子の素子幅を変えることが出来る。(b)や(c)の場合には素子間隔をランダムに変えても、素子の音響的な振る舞いに影響を与える可能性は少ない。   In the configuration described in the first embodiment, since a joint or the like is provided between the elements, the element spacing is increased as compared with a normal array. As is well known in the array, no grating lobe is generated when the element spacing P is a wavelength λ and P <λ / 2, but a grating lobe is generated when P> λ / 2. In P to λ / 2, even if a grating lobe occurs, the angle is large from the normal vector direction of the probe transmission surface, and this is not a problem in tomographic imaging. However, the grating lobes can cause artifacts on the image as P-3 / 4λ approaches λ. For example, when the array is driven at 5 MHz, the wavelength is 0.308 mm when the sound speed of the living body is 1540 m / s. For this reason, even if the element width is 0.2 mm, a grating lobe is generated when there is a gap of about 0.1 mm between the elements due to the formation of a joint. In order to avoid this, as shown in FIG. 7, by setting the element width and the indirect width between the elements to be different at least in some places, the positions of the grating lobes are dispersed, and the artifact strength is reduced. I can do it. In order to change the element spacing, the element width may be changed randomly as shown in FIG. Further, the width of the gap may be changed randomly as shown in FIG. Further, the number of elements between the joints may be changed randomly as shown in FIG. In the case of FIG. 7A, when thickness vibration such as PZT is used, the ratio between the thickness and the element width affects the vibration mode. However, when thickness vibration is not used like cMUT, it is relatively easy to change the element width. In addition, when one electrical element is formed from a plurality of acoustic elements such as a cMUT or a sub-die vibrator, the acoustic characteristics can be changed by changing the number of acoustic elements bundled together. The element width of the electric element can be changed while maintaining the above. In the cases of (b) and (c), even if the element spacing is changed randomly, there is little possibility of affecting the acoustic behavior of the element.

これまでの実施例においては、生体への接触性の良さを特徴とするフレキシブルなトランスデューサに関する説明を行ってきた。しかし、体内で用いる探触子においても、形状がフレキシブルであることの効果は大きい。体内に探触子をいれて撮像する場合の長所として、観察対象により近いところから撮像をすることが出来るので、以下のメリットがある。
(1)伝搬距離が短いことや、皮膚を介さなくて良いことのために、減衰の影響をより受けやすい高い周波数を選択することができる。このため、空間分解能を向上することが出来る。
(2)焦点距離/口径幅が小さいほどビームを絞ることが出来るので、焦点距離をみじかくすることで、ビームの分解能を向上することが出来る。
(3)伝搬にともなう減衰が低減することによって、血球からの信号など、もともと感度が低い信号を、信号対雑音比が比較的良い状態で取得することができる。
(4)間の介在組織が減ることで、対象部位と探触子の相対的な動きを低減することができる。よって、被検体硬さを計測するエラストグラフィーの撮像が容易になったり、ドップラ撮像におけるクラッタ除去が容易になる。
しかし(2)であげたように、口径幅を確保する必要がある。一方生体内に導入する場合は、口腔を介したり、体表に穴をあけて経腹腔鏡的にアプローチしたり、血管からアプローチする必要があるが、いずれにせよ、極力、進行方向への長さを縮め、また進行方向に垂直な面における断面積を小さくする必要がある。導入部分と、撮像場所での周囲のスペースの大きさがあまり変わらない場合には、口径幅を大きくすることが物理的に困難であるために、問題にはならない。しかし経口で導入し、胃の中から周囲の膵臓、肝臓などを撮像する場合や、血管を経由して体内に導入し心臓の心室や心房内から周囲を撮像する場合などにおいては、導入部分より撮像場所において、周囲に空間的な余裕がある。このような場合には、折りたたんで、体内に導入し、体内で探触子を展開、口径を広げることのメリットが大きい。また、体内においては、自由に超音波ゼリーをつけることが困難なために、対象物に形状がフィットすることも望ましいため、形状が変形できることのメリットが大きい。
In the embodiments so far, explanation has been given regarding a flexible transducer characterized by good contact with a living body. However, even in a probe used in the body, the effect of having a flexible shape is great. As an advantage of imaging with a probe in the body, imaging can be performed from a position closer to the observation target, and thus has the following advantages.
(1) Since the propagation distance is short and it is not necessary to go through the skin, a high frequency that is more susceptible to the influence of attenuation can be selected. For this reason, spatial resolution can be improved.
(2) Since the beam can be narrowed as the focal length / aperture width is smaller, the resolution of the beam can be improved by making the focal length fine.
(3) Since attenuation due to propagation is reduced, a signal with originally low sensitivity, such as a signal from a blood cell, can be acquired with a relatively good signal-to-noise ratio.
Since the intervening tissue between (4) is reduced, the relative movement of the target region and the probe can be reduced. Accordingly, elastography imaging for measuring the hardness of the subject is facilitated, and clutter removal in Doppler imaging is facilitated.
However, as mentioned in (2), it is necessary to secure the aperture width. On the other hand, when it is introduced into the living body, it is necessary to approach through the oral cavity, make a hole in the body surface, translaparoscopically approach, or approach from the blood vessel. It is necessary to reduce the width and to reduce the cross-sectional area in a plane perpendicular to the traveling direction. If the size of the space around the introduction portion and the imaging location does not change much, it is not a problem because it is physically difficult to increase the aperture width. However, when introduced orally and imaging the surrounding pancreas, liver, etc. from the stomach, or when introducing into the body via blood vessels and imaging the surroundings from the heart's ventricle or atria, the introduction part There is a spatial margin around the imaging location. In such a case, the merit of folding and introducing into the body, expanding the probe within the body, and widening the aperture is great. In addition, since it is difficult to freely apply ultrasonic jelly in the body, it is also desirable that the shape fits the object, so that the merit of deforming the shape is great.

以下図8を用いて、本実施例の説明を行う。本実施例においては、複数素子の相対的な位置を制御するアクチュエータを内蔵し、能動的な変形を行う。図8(a)は空間的に離散的なアクチュエータを用いた場合であり、図8(b)は空間的に連続的なアクチュエータを用いた場合である。まず空間的に離散的なアクチュエータに関してであるが、これは図11のキャタピラ型の素子に対応し、3のシャフトの位置に、電圧を印加すると回転するようなアクチュエータをくみこむ。アクチュエータは圧電式、電磁式などが用いることが出来る。一方離散型の場合はポリフッ化ビニリデンなどの高分子圧電フィルムの電圧印加方向と歪方向が垂直なモードを使って、実現することが出来る。いずれにせよ折りたたんだ状態で、体内に導入し、目的部位で、対象物に適度に接触するまでアクチュエータの力によって展開する。このとき適度に接触するとは、アクチュエータに係る対象物からの反力、もしくはアクチュエータの稼働量のいずれかが、先に閾値に達した場合のことをさす。アクチュエータの稼働量を全てモニタすれば、先の実施例で述べるような受信ビームから形状を推定する必要がなくすことができる。信号線の本数が膨大になるのを防ぐため、アクチュエータの稼働量をモニタするのは、数か所に留め、その間の関節の変形は受信ビームから推定を行うこともできる。   Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, an actuator for controlling the relative positions of a plurality of elements is built in and active deformation is performed. FIG. 8A shows a case where a spatially discrete actuator is used, and FIG. 8B shows a case where a spatially continuous actuator is used. First, regarding a spatially discrete actuator, this corresponds to the caterpillar type element of FIG. 11 and includes an actuator that rotates at the position of the shaft 3 when a voltage is applied. As the actuator, a piezoelectric type, an electromagnetic type or the like can be used. On the other hand, the discrete type can be realized by using a mode in which a voltage application direction and a strain direction of a polymer piezoelectric film such as polyvinylidene fluoride are perpendicular to each other. In any case, it is introduced into the body in a folded state, and is deployed by the force of the actuator until it appropriately contacts the object at the target site. In this case, “appropriate contact” means that either the reaction force from the object related to the actuator or the operating amount of the actuator has reached the threshold first. If all the operating amounts of the actuator are monitored, it is not necessary to estimate the shape from the received beam as described in the previous embodiment. In order to prevent the number of signal lines from becoming enormous, it is possible to monitor the operation amount of the actuator at several places, and the joint deformation between them can be estimated from the received beam.

これまでの実施例においては一方向に素子が配列した1次元アレイに関する説明を行ってきた。しかし本手法は二次元アレイにおいても有効である。特に、実施例7にあるように体内で使うおりたたみ型アレイの実用上の価値は、おりたたみによって、断面積を小さくできる効果の大きい二次元アレイの場合により顕著である。図9に関節を設けた二次元アレイの一例を示す。二次元アレイの場合、関節を設ける効果は図中の方向1の方向に曲がることで体内に入れる場合の、進行方向に垂直な断面積が小さくする効果と、方向1及び2に同様に屈曲可能なことによる接触性の改善の効果がある。方向1のみに変形する場合は、関節は回転のみ可能なものであれば良いが、方向1にも2にも変形する場合、回転の自由度しかないと送波面に皺がよってしまうことになり、実用的ではない。そのため実施例4に記載したように、回転及び伸縮の自由度を持った関節を少なくとも一方向には用いることが望ましい。また、実施例冒頭でのべた評価方式に関して、二次元になるとより選択の範囲が広がることは言うまでもない。例えば、一方向の変形を想定せずに(形状変形が少ないと思われる方向がある場合は、その方向をまず固定することが望ましい)これと直交方向の変形をまず推定し、次にこの結果を用いつつ、当初変形を考慮しなかった方向に関して変形の推定を行う。必要であれば、この手続きを複数回繰り返すことで、形状推定精度を上げることもできる。   In the embodiments so far, the description has been made on the one-dimensional array in which the elements are arranged in one direction. However, this method is also effective for two-dimensional arrays. In particular, the practical value of the folding type array used in the body as in Example 7 is more remarkable in the case of a two-dimensional array that has a large effect of reducing the cross-sectional area by folding. FIG. 9 shows an example of a two-dimensional array provided with joints. In the case of a two-dimensional array, the effect of providing a joint is the effect of reducing the cross-sectional area perpendicular to the direction of travel when bending into the body by bending in the direction 1 in the figure, and bendable in the same directions 1 and 2 This has the effect of improving contactability. In the case of deformation only in the direction 1, it is sufficient that the joint can only rotate. However, in the case of deformation in both the direction 1 and 2, if there is only a degree of freedom of rotation, the transmission surface will be wrinkled. Not practical. Therefore, as described in the fourth embodiment, it is desirable to use a joint having a degree of freedom of rotation and expansion / contraction in at least one direction. Moreover, it goes without saying that the range of selection is further expanded in two dimensions with respect to the evaluation method described at the beginning of the example. For example, without assuming a deformation in one direction (if there is a direction where shape deformation seems to be small, it is desirable to fix the direction first), firstly estimate the deformation in the orthogonal direction, and then The deformation is estimated with respect to the direction in which the initial deformation is not considered. If necessary, the shape estimation accuracy can be increased by repeating this procedure a plurality of times.

もしくは二次元の形状推定を行うために、二次元のブロックに束ねて形状変形を推定したり、二次元の形状推定関数を用いて、これの自由度を段々増大させていく方法を選択することもできる。例えば、形状関数S(x,y)をSn(x、y)=x+xn-1y+…yとn次項毎に分解し、S=ΣSnと表現する。この形式で、n=0から順次次数を上げて形状を推定することができる。この方式に類似した方法としては、Sをx、yの関数ではなくて、r、θの関数とすることも可能であり、想定される変形によって、より最適な関数を選択すればよい。 Or, to perform two-dimensional shape estimation, select a method that increases the degree of freedom by using a two-dimensional shape estimation function to estimate shape deformation by bundling in a two-dimensional block. You can also. For example, the shape function S (x, y) is decomposed into Sn (x, y) = x n + x n-1 y +... N and every n- th order term and expressed as S = ΣSn. In this format, the shape can be estimated by sequentially increasing the order from n = 0. As a method similar to this method, S may be a function of r and θ instead of a function of x and y, and a more optimal function may be selected according to an assumed deformation.

また、二次元であっても、アクチュエータに拘束条件を課することで、実質的に一次元に変形と等価なように設定し、変形推定においてはこれまでの実施例で述べた方法を行うこともできる。   In addition, even if it is two-dimensional, by imposing a constraint condition on the actuator, it is set to be substantially equivalent to one-dimensional deformation, and the method described in the previous examples is used for deformation estimation. You can also.

上述のとおり、本発明を適用した-実施形態の超音波診断装置を説明したが、本発明を適用した超音波診断装置は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形態で実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈されるものではない。   As described above, the ultrasonic diagnostic apparatus according to the embodiment to which the present invention is applied has been described. However, the ultrasonic diagnostic apparatus to which the present invention is applied has various other forms without departing from the spirit or main features thereof. Can be implemented. Therefore, the above-mentioned embodiment is only a mere illustration in all points, and is not interpreted limitedly.

電子フォーカスの原理説明図。FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of electronic focus. 実施例における探触子アレイの図。The figure of the probe array in an Example. 実施例における探触子アレイの固定方法、使用方法の模式図。The schematic diagram of the fixing method of the probe array in an Example, and the usage method. 実施例における様々な圧電素子を用いた場合の模式図。The schematic diagram at the time of using the various piezoelectric elements in an Example. 実施例1における探触子形状を与える関数の説明図。Explanatory drawing of the function which gives the probe shape in Example 1. FIG. 実施例1における逐次遅延時間推定方法の説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram of a sequential delay time estimation method according to the first embodiment. 実施例4におけるランダム素子間隔の探触子アレイの図。The figure of the probe array of the random element spacing in Example 4. 実施例5におけるアクチュエータを混載した探触子アレイの図。The figure of the probe array which mixedly mounted the actuator in Example 5. FIG. 実施例6における二次元アレイ探触子の図。The figure of the two-dimensional array probe in Example 6. 実施例におけるシステム構成図。The system block diagram in an Example. 実施例における探触子アレイの図。The figure of the probe array in an Example. 実施例3における探触子アレイの図。The figure of the probe array in Example 3. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…音響レンズ、2…音響素子、3…関節、4…バッキング材、5…フレキシブルシート、6…配線、7…圧電素子、8…整合層、9…充填剤、10…圧電フィルム、11…パターン電極
12…シリコン基板上に形成されたcMUT素子、13…シート型アクチュエータ、14…アクチュエータおよびセンサ、15…バネ、16…高分子フィルム、100…フレキシブルトランスデューサ、101…固定バンド、102…素子、103…可動関節、104…不動関節、201…探触子、202…送受切替スイッチ、203…送波ビームフォーマ、204…制御系、205…送波波形メモリ、206…受波ビームフォーマ、207…素子位置推定部、208…検波部、209…スキャンコンバータ、210…表示部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Acoustic lens, 2 ... Acoustic element, 3 ... Joint, 4 ... Backing material, 5 ... Flexible sheet, 6 ... Wiring, 7 ... Piezoelectric element, 8 ... Matching layer, 9 ... Filler, 10 ... Piezoelectric film, 11 ... Pattern electrode 12 ... cMUT element formed on a silicon substrate, 13 ... Sheet type actuator, 14 ... Actuator and sensor, 15 ... Spring, 16 ... Polymer film, 100 ... Flexible transducer, 101 ... Fixed band, 102 ... Element, DESCRIPTION OF SYMBOLS 103 ... Movable joint, 104 ... Immovable joint, 201 ... Probe, 202 ... Transmission / reception changeover switch, 203 ... Transmission wave former, 204 ... Control system, 205 ... Transmission waveform memory, 206 ... Reception beam former, 207 ... Element position estimation unit, 208 ... detection unit, 209 ... scan converter, 210 ... display unit

Claims (17)

被検体と超音波信号を送受信する複数の素子と、前記複数の素子を相対的に可動に連結する連結部とを備える探触子と、
前記複数の素子の受信信号に基づいて、前記複数の素子の相対的位置情報を演算する演算部と、
前記受信信号と前記相対的位置情報とから、画像データを生成する画像データ生成部とを有する超音波撮像装置。
A probe comprising a plurality of elements that transmit and receive an ultrasonic signal to and from the subject, and a connecting part that relatively movably connects the plurality of elements;
An arithmetic unit that calculates relative position information of the plurality of elements based on reception signals of the plurality of elements;
An ultrasonic imaging apparatus comprising: an image data generation unit configured to generate image data from the received signal and the relative position information.
前記演算部は、前記相対的位置情報として、前記複数の素子の回転角度を演算することを特徴とする請求項1に記載の超音波撮像装置。   The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the calculation unit calculates a rotation angle of the plurality of elements as the relative position information. 前記演算部は、前記相対的位置情報として、前記探触子の形状情報を演算することを特徴とする請求項1に記載の超音波撮像装置。   The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the calculation unit calculates shape information of the probe as the relative position information. 前記演算部は、評価関数を格納する格納部、前記格納部から読み出した評価関数を用いて演算する評価演算部とを有することを特徴とする請求項1に記載の超音波撮像装置。   The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the calculation unit includes a storage unit that stores an evaluation function, and an evaluation calculation unit that calculates using the evaluation function read from the storage unit. 前記格納部は、前記評価関数として点応答関数を格納することを特徴とする請求項1に記載の超音波撮像装置。 The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the storage unit stores a point response function as the evaluation function. 前記格納部は、前記評価関数として前記複数の素子の受信信号の相互相関を演算する関数を格納することを特徴とする請求項1に記載の超音波撮像装置。   The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the storage unit stores a function for calculating a cross-correlation of reception signals of the plurality of elements as the evaluation function. 前記評価演算部は、前記複数の素子について、素子ごとに束ねて前記受信信号の遅延時間を演算することを特徴とする請求項1に記載の超音波撮像装置。   The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the evaluation calculation unit calculates the delay time of the reception signal by bundling the plurality of elements for each element. 前記評価演算部は、受信信号の前記評価関数として点応答関数を読み出し、前記点応答関数の幅が最小になるように前記受信信号の遅延時間を制御することを特徴とする請求項1に記載の超音波撮像装置。   The said evaluation calculating part reads a point response function as the said evaluation function of a received signal, and controls the delay time of the said received signal so that the width | variety of the said point response function may become the minimum. Ultrasonic imaging device. 前記複数の素子は、素子幅、間隔幅が少なくとも一部の部位で異なることを特徴とする請求項1に記載の超音波撮像装置。   2. The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the plurality of elements have different element widths and interval widths at least in a part thereof. 前記複数の素子の相対的な位置を制御するアクチュエータをさらに有することを特徴とする請求項1に記載の超音波撮像装置。   The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, further comprising an actuator that controls a relative position of the plurality of elements. 前記複数の素子は2次元アレイであることを特徴とする請求項1に記載の超音波撮像装置。   The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the plurality of elements are two-dimensional arrays. 被検体と超音波信号を送受信するための複数の素子と、
前記複数の素子を相対的に可動に連結する連結部とを備える探触子。
A plurality of elements for transmitting and receiving ultrasonic signals to and from the subject;
A probe comprising: a connecting portion that relatively movably connects the plurality of elements.
前記複数の素子は、素子幅、間隔幅が少なくとも一部の部位で異なる請求項12に記載の探触子。   The probe according to claim 12, wherein the plurality of elements have different element widths and interval widths at least in a part thereof. 前記連結部はシート部材であり、前記複数の素子は前記シート部材を介して接続されることを特徴とする請求項12に記載の探触子。   The probe according to claim 12, wherein the connecting portion is a sheet member, and the plurality of elements are connected via the sheet member. 前記複数の素子の相対的な位置を制御するアクチュエータをさらに有することを特徴とする請求項12に記載の探触子。   The probe according to claim 12, further comprising an actuator that controls a relative position of the plurality of elements. 前記複数の素子の間に配置される充填剤をさらに有することを特徴とする請求項12に記載の探触子。   The probe according to claim 12, further comprising a filler disposed between the plurality of elements. 前記複数の素子は、チタンジルコン酸鉛素子、ポリフッ化ビニリデン素子、cMUT素子のいずれかであることを特徴とする請求項12に記載の探触子。   13. The probe according to claim 12, wherein the plurality of elements are any one of a titanium zirconate element, a polyvinylidene fluoride element, and a cMUT element.
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