JP2000139912A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小角の偏向を行う場合でも、フォールド・
オーバー同様の広い開口での受信が可能で、コストが低
く、かつ性能の優れた超音波診断装置を実現する。 【解決手段】 複数の振動子を配列した超音波プローブ
１００の隣接する複数の振動子を不均等に加算する加算
装置手段１２０Ａを含むクロスポイントスイッッチ１１
０Ａによって、効果的に受信信号を加算して受信信号数
を減らした後、Ａ／Ｄコンバータ１３０でディジタル信
号に変換し、メモリ１４０に記憶し、ビームフォーマ１
５０により整相遅延加算を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の振動子を有
し、超音波ビームを電子的に走査する超音波診断装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、送受信に複数の振動子を用い、ビ
ームの集束や偏向を行う超音波診断装置が広く知られて
いる。ビーム制御の方法としては、送信では複数の振動
子に異なるタイミングで電気パルスを印加する方法が知
られている。また受信では、各振動子で受信した信号に
異なる遅延量を与えてから加算するという方法や、各振
動子で受信した信号をディジタル信号に変換した後、メ
モリに格納し、遅延量に相当する読み出しアドレスを発
生して取り出したデータを加算するという方法が知られ
ている。また、複数の振動子を使用して生体内の断層像
を得る手段としては、送受信で使用する振動子群を順次
ずらしながら選択し、生体内を走査する電子リニア走査
法が広く知られている。

【０００３】図６は電子リニア走査式超音波診断装置の
受信部の構成を示す。図６において、１００はアレイ型
の超音波プローブであり、Ｌ個が配列された振動子１〜
Ｌで構成されている。この例では説明を簡単にするた
め、Ｌ＝３２としている。１１０Ｃはプローブ１００の
３２個の振動子１〜３２からＭｃｈ（チャンネル）の振
動子を選択するクロスポイントスイッチであり、この例
ではＭ＝８とし、プローブ１００の８〜１５の８ｃｈが
接続されている。１３０はＡ／Ｄコンバータであり、超
音波のアナログ受信信号をディジタル信号に変換する。
１４０はメモリであり、Ａ／Ｄコンバータ１３０で変換
されたディジタル信号を記憶する。１５０Ｃはビームフ
ォーマであり、生体内のＦ点に、ビームが集束するよう
な遅延時間に基づき、メモリ１４０の内容をそれぞれ適
切なタイミングで読み出し、加算することで受信信号の
整相処理を行う。上記遅延時間は、各振動子に到達する
音波の時間差を幾何学的に求めることで計算することが
できる。超音波をプローブの正面方向に向かって送受信
する際には、遅延時間の対称性を利用することで、Ａ／
Ｄコンバータ１３０、メモリ１４０、ビームフォーマ１
５０Ｃの回路規模を変えずに、使用する振動子の個数を
倍増することが可能である。これをフォールド・オーバ
ー加算という。

【０００４】図７はこのフォールド・オーバー加算を行
う際の構成を示す。図７において、超音波プローブ１０
０、Ａ／Ｄコンバータ１３０、メモリ１４０は図６と同
様のため、説明を省略する。いま、図７に示すように、
超音波の焦点を振動子１１と１２の中間から垂直な点Ｆ
に結ぶ場合、焦点Ｆからの音波の到達時間は、振動子１
１と１２で同一となる。同様に、１０と１２、９と１
３... というように、音軸に対して対称な位置の振動子
に与えるべき遅延時間は同一量となる。この関係を利用
して、クロスポイントスイッチ１１０Ｄは、音軸と対称
な位置の振動子を加算接続する加算手段１２０Ｄを包含
する構成とする。この例では、超音波プローブ１００に
おける４〜１９の１６ｃｈの振動子を選択し、４〜１１
および１２〜１９の振動子を音軸対称に加算し、８ｃｈ
の信号とした後、Ａ／Ｄコンバータ１３０に接続してい
る。ビームフォーマ１５０Ｄで与える遅延時間（読み出
しアドレス）は、開口中心から開口端までの振動子の遅
延時間差を与えればよい。

【０００５】以上の構成により、超音波をプローブ正面
に送受信する場合は、クロスポイントスイッチ１１０Ｄ
内の加算手段１２０Ｄにより受信信号のチャンネル数を
半減することが可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のフォールド・オーバー構成による受信信号の半減方
法では、焦点からの音波の到達時間が音軸に対して対称
となることを利用しているため、プローブ正面以外の斜
め方向に焦点を結ぶ場合には利用できない。このため、
斜め方向への偏向を行う場合は、図６に示したようなフ
ォールド・オーバーなしの受信構成とせざるを得ず、同
一回路規模のＡ／Ｄコンバータなどを使用した場合に
は、正面方向の像形成と比較して、２分の１の受信チャ
ンネルによるビームフォーミングとなるため、指向性の
鋭いビームを形成することができないばかりでなく、開
口面積が減少するため、受信感度が著しく低下するとい
う問題があった。１つの送信ビームに対し、同時に複数
の受信ビームを形成する同時並列受信においても、フォ
ールド・オーバーなしとなるため、同様の問題が発生す
る。

【０００７】この問題は、走査と同時並列走査を切り替
えて使用する場合には、特に顕著となる。これらの走査
方法を切り替える度に、感度や分解能の異なる画像を表
示することになり、使用者に違和感を覚えさせかねな
い。また、これら斜め方向走査や、同時並列受信はカラ
ードプラモードで使用されることが多く、分解能・感度
低下により、微少な血流情報を逃す恐れが発生する。

【０００８】このように、従来の超音波診断装置の受信
構成では、開口中心から正面方向への走査（以下、通常
走査と呼ぶ）と比較し、それ以外の斜め方向走査や開口
中心に音軸を置かない走査では使用振動子数が半減する
という課題があった。

【０００９】本発明は、このような従来の課題を解決す
るものであり、焦点が開口中心から垂直な位置にない場
合においても、フォールド・オーバー同様のチャンネル
数の開口を実現する性能の優れた超音波診断装置を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明は、複数の振動子を有し、使用する振動子を順
次切替選択することにより超音波ビームを電子的に走査
する超音波診断装置において、隣接する複数の不均等個
数の振動子からの受信信号を加算し、加算した信号に整
相遅延加算を行うことを特徴とするものであり、これに
より、焦点が開口中心から垂直な位置にない場合におい
ても、フォールド・オーバーと同様のチャンネル数での
開口を実現することができるため、回路規模の増加を招
くことなく受信感度の高い優れた超音波診断装置を提供
することができる。また、不均等のチャンネル加算を行
うことにより、振動子の均等配列に基づいて発生するグ
レーティングローブを抑止できるという効果もある。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、複数の振動子を有し、使用する振動子を順次切替選
択することにより超音波ビームを電子的に走査する超音
波診断装置において、隣接する複数の不均等個数の振動
子からの受信信号を加算し、加算した信号に整相遅延加
算を行うことで、微小角の偏向を行うよう構成したもの
である。これにより、微小角の偏向を行う場合において
も、回路規模の増加を招くことなく、フォールド・オー
バー同様のチャンネル数の開口を実現することができ
る。

【００１２】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
記載の超音波診断装置において、隣接して加算する振動
子の個数が、開口の中心に近いほど多く、開口端側に近
いほど少なくなるよう構成したものである。これによ
り、微小角の偏向を行う場合においても、回路規模の増
加を招くことなく、フォールド・オーバー同様のチャン
ネル数の開口を実現することができる。

【００１３】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
または請求項２に記載の超音波診断装置において、クロ
スポイントスイッチにより隣接する振動子を加算し、チ
ャンネル数を減少させたのちＡ／Ｄ変換器に接続し、複
数のビームフォーマで読みだしアドレスを発生できるよ
う構成したものである。これにより、受信の音軸を開口
中心からわずかにずらした位置に同時並列に設定した場
合においても、フォールド・オーバー同様のチャンネル
数の開口を実現することができる。

【００１４】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図５を用いて説明する。 （実施の形態１）図１は実施の形態１における隣接して
加算する振動子の個数が可変であるクロスポイントスイ
ッチ１１０Ａを使った構成で微小角の偏向を行う超音波
診断装置の受信部の校正を示したものである。図１にお
いて、１００はアレイ型の超音波プローブであり、Ｌ個
が配列された振動子１〜Ｌで構成されている。この例で
は、説明を簡単にするためにＬ＝３２としている。１１
０Ａは加算手段１２０Ａを包含したクロスポイントスイ
ッチであり、振動子１〜Ｌの中からＭ個の振動子を選択
する。図１では、簡単のためＭ＝１６とし、振動子４〜
１９が接続されている。加算手段１２０Ａは、隣接する
振動子から任意のチャンネル数の振動子を選択し、電流
加算する。図１においては、３ｃｈ加算、２ｃｈ加算、
１ｃｈ加算（選択）を行う加算手段１２０Ａを示した。
Ａ／Ｄコンバータ１３０に入力される振動子数は、順
に、 ２，２，１，３，３，１，２，２ のようになっている。１３０は超音波の受信アナログ信
号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ、１４
０はＡ／Ｄコンバータ１３０で変換されたディジタル信
号を記憶するメモリ、１５０Ａは複数の入力信号に異な
る遅延を与えたのち、それぞれの入力を加算するビーム
フォーマであり、生体内のＦ１点にビームが集束するよ
うな遅延時間に基づき、適切なアドレスを発生し、メモ
リ１４０からデータを読み出し加算する。上記遅延時間
は、各素子に到達する音波の時間差を幾何学的に求める
ことで計算することができる。

【００１５】ビームフォーマ１５０Ａによる遅延時間計
算の詳細について説明する。まず、本実施の形態１にお
ける代表素子座標の求め方について説明する。図２は使
用中の１６個の振動子を抜き出したもので、図１におけ
る４〜１９の振動子に相当する。遅延時間を計算するた
めの素子座標（以下、代表点）は、束ねられている素子
同士の中間点とする。図２においては、ｘ（１）、ｘ
（２）、ｘ（３）、…、ｘ（８）を代表点とする。い
ま、束ねられている振動子の個数の配列をp[n]とする。
図２においては、n の最大値Ｎは８であり、 p[n]= ｛2,2,1,3,3,1,2,2 ｝ のように配列されている。図２におけるｘ（ｎ）の座標
は、素子ピッチをＥｐとし、原点を開口中心におくと、 x(1)=-7・Ep, x(2)=-5・ Ep, x(3)=-3.5・Ep, x(4)=-1.5・
Ep,x(5)=+1.5・Ep, x(6)=+3.5・ Ep, x(7)=+5・Ep, x(8)=
+7・Ep で表される。

【００１６】一般に、ｘ（ｎ）は、以下の式で、表すこ
とができる。

【数１】 以上のような計算により、代表素子座標を求めることが
できる。

【００１７】これら代表点を用いて遅延時間を計算す
る。束ねた素子に対する代表点を決定した後の遅延時間
の計算法は従来例と同様のため簡単に説明する。図２に
示すように、開口中心から見て、距離ｒの位置にある生
体内の焦点をＦ１とし、Ｆ１から各代表点ｘ（ｎ）まで
の距離をそれぞれ ?(1), ?(2),..., ?(8) とすると、
遅延時間を求めるには、開口中心からの距離ｒとの音波
の到達時間差を求めればよい。すなわち、 dt(n)=r - ?(n)+offset により、遅延時間は求められる。ここで、dt(n) はｎ番
目のビームフォーマに与える遅延時間、offsetは遅延時
間が負数にならないために加算する定数量である。この
ようにして、束ねた振動子に対する遅延時間を算出する
ことができる。

【００１８】以上のように、本実施の形態1 によれば、
加算手段１２０Ａを擁するクロスポイントスイッチ１１
０Ａにより、ビームフォーマに与える入力信号の数を減
らすことができるため、より広い開口での受信が可能で
ある。特に、クロスポイントスイッチ１１０Ａの加算手
段１２０Ａによって不均等のチャンネル加算を行うこと
により、均等配列に基づき発生するグレーティングロー
ブを効果的に抑止できる。

【００１９】なお、上記の説明においては、組にする振
動子の個数を音軸に対して対称としたが、音軸に対し、
非対称であっても実施可能である。また、受信フォーカ
ス位置が動的に移動するダイナミックフォーカスについ
ても同様の構成で実施可能である。

【００２０】（実施の形態２）図３は実施の形態２にお
ける隣接して加算する振動子の個数が開口中心に近いほ
ど多く、開口端側にいくほど少なくなるなるように接続
するクロスポイントスイッチを用いた構成を示してい
る。図３において、１１０Ｂは加算手段１２０Ｂを包含
したクロスポイントスイッチであり、隣接する振動子か
ら任意の個数の振動子を選択し加算する。その際、開口
中心側ほど、多くの振動子を加算接続し、開口端側にい
くほど、加算接続する振動子の個数が少なくなるよう構
成されている。Ａ／Ｄコンバータ１３０に入力される振
動子数は、順に、 １，２，２，３，３，２，２，１ のようになっている。その他の構成は、実施の形態１と
同一であるため、説明を省略する。

【００２１】次に上記実施の形態２の動作について説明
する。図４のグラフは、整相加算を行うために、ビーム
フォーマに与える遅延時間を表した例である。横軸に開
口中心を原点とする素子座標（単位mm）、縦軸に遅延時
間（単位ナノ秒）をとっている。この図では、深さ３０
ｍｍで０．３度の偏向を行った例を示した。図４のグラ
フから分かるように、開口端付近と比較して、開口中心
付近の遅延時間は緩やかなカーブとを描いている。この
ため、隣接する振動子間の遅延時間差は、開口中心に近
いほど小さい。隣接する振動子を加算手段１２０Ｂで電
流加算する場合、この関係を利用して開口中心ほど多
く、開口端ほど少なくすることで、遅延精度をより高め
ることができる。

【００２２】以上のように、本実施の形態２によれば、
加算手段１２０Ｂを有するクロスポイントスイッチ１１
０Ｂにより、ビームフォーマに与える入力信号の数を減
らすことができるため、より広い開口での受信が可能で
ある。特に、開口中心に近いほど多くの振動子を加算す
る構成としているため、均等配列に基づくグレーティン
グローブの発生を抑止できるとともに、精度の高い整相
加算を行えるため、鋭いビームを得ることができる。

【００２３】なお、本実施の形態２では、使用振動子数
を１６ｃｈ・ビームフォーマを８入力としたが、その他
の組み合せ、例えば使用振動子数２４ｃｈ・ビームフォ
ーマ８入力や、使用振動子数６４ｃｈ・ビームフォーマ
３２入力のような組合せでも実施可能である。また、上
記の説明では、組みする振動子の個数を音軸に対して対
称としたが、音軸に対し非対称であっても実施可能であ
る。また、本実施の形態２においても固定フォーカス、
ダイナミックフの両方に対応可能である。

【００２４】（実施の形態３）図５は実施の形態３にお
ける受信の音軸を開口中心からわずかにずらした位置に
同時並列に形成する超音波診断装置の受信部の構成を示
したものである。実施の形態２での適用例と同様、１１
０Ｂのクロスポイントスイッチは、加算手段１２０Ｂを
包含し、隣接する複数の振動子からの受信信号を加算す
ることが可能である。ここでは、開口中心側ほど、多く
の振動子を接続する構成を示した。１５０Ａおよび１５
０Ｂは複数の入力信号に異なる遅延を与えたのち加算し
受信信号の整相を行う２組のビームフォーマである。そ
の他の構成は、実施の形態２と同様である。

【００２５】同時並列受信は１本の送信信号に対して、
複数の受信信号を得、フレームレートの向上を目指す技
術である。図５では、１６０の送信音軸に対し、Ｆ１と
Ｆ２の２点のエコーを同時に受信する様子を示した。そ
れぞれの点からの受信信号は、超音波プローブ１００の
振動子４〜１９で受信され、クロスポイントスイッチ１
１０Ｂに入力される。加算手段１２０Ｂにより加算接続
された受信信号は、Ａ／Ｄコンバータ１３０でディジタ
ル信号に変換され、メモリ１４０に記憶される。実施の
形態２で示したように、遅延時間の特性から開口中心付
近の加算素子数を多く割り振るのが好適である。１５０
Ａ、１５０Ｂの２つのビームフォーマは、それぞれ、焦
点Ｆ１、Ｆ２からのエコーを取り出すような遅延時間
（読み出しアドレス）を発生する。遅延時間の計算方法
は、実施の形態１および２で既に述べたとおりである。
２組のビームフォーマ１５０Ａ、１５０Ｂによって、１
６個の振動子４〜１９により同時に２本のエコーを受信
できる。これら２つのエコーＡ、エコーＢを利用して同
時並列受信を行う。

【００２６】以上のように、本実施の形態３によれば、
クロスポイントスイッチ１１０Ｂによって振動子から入
力される受信信号を効果的に減少させることができるた
め、同時並列受信を行った場合においても、フォールド
オーバーによる通常受信と同様に広い開口による受信が
可能である。これによりグレーティング・ローブの発生
が抑止できるとともに、同時並列受信を、従来に比して
高分解能、高感度に行う超音波診断装置を実現すること
ができる。

【００２７】なお、本実施の形態３では、簡単のため、
ビームフォーマを２組使用し同時に２焦点を結ぶ例を示
したが、３方向以上になっても同様の効果があることは
明らかである。また、本実施の形態３では、クロスポイ
ントスイッチ１１０Ｂの入力および出力信号の数を１６
ｃｈと８ｃｈとしたが、その他の組み合わせ、例えば入
力３２ｃｈと出力１６ｃｈや入力４８ｃｈと出力１６ｃ
ｈのような組み合わせも実施可能である。また、固定フ
ォーカス、ダイナミックフォーカスの両方に対しても対
応可能である。さらに、組にする振動子の個数を音軸に
対し、非対称としても実施可能である。

【００２８】

【発明の効果】上記実施の形態から明らかなように、本
発明は、隣接する複数の不均等個数の振動子からの受信
信号を加算し、ビームフォーマに入力する構成としたた
め、微小角の偏向を行う場合においても、フォールド・
オーバー同様の振動子数での受信を行うことができ、受
信感度が向上するとともに、特にグレーティングローブ
の発生を抑止する効果を有する。

【００２９】本発明はまた、隣接して加算する振動子の
個数を開口中心ほど多く加算し、ビームフォーマに入力
する構成としたため、微小角の偏向を行う場合において
も、フォールド・オーバー同様のチャンネル数の開口で
の受信を行うことができ、受信感度が向上するととも
に、グレーティングローブの発生を抑止し、メインロー
ブの鋭いビームを発生することができるという効果を有
する。

【００３０】本発明はまた、隣接した複数の振動子の信
号を加算し、チャンネル数を減少させてから複数のビー
ムフォーマに入力するよう構成したため、フォールド・
オーバー同様のチャンネル開口の受信を行うことがで
き、グレーティングローブの抑圧された、受信感度が高
くメインローブの鋭い高フレームレートの同時並列受信
を行うことができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における超音波診断
装置の受信部のブロック図

【図２】本発明の第１の実施の形態における遅延時間演
算を説明する模式図

【図３】本発明の第２の実施の形態における超音波診断
装置の受信部のブロック図

【図４】微小角偏向した位置に焦点を結ぶための遅延時
間を示す特性図

【図５】本発明の第３の実施の形態における超音波診断
装置の受信部のブロック図

【図６】従来例における超音波診断装置の受信部のブロ
ック図

【図７】従来例における超音波診断装置フォールド・オ
ーバーを使用した受信部のブロック図

【符号の説明】

１ 〜３２ 振動子 １００ 超音波プローブ １１０Ａ〜１１０Ｄ クロスポイントスイッチ １２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｄ 加算手段 １３０ Ａ／Ｄコンバータ １４０ メモリ １５０、１５０Ａ〜１５０Ｄ ビームフォーマ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西垣 森雄 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内 (72)発明者 鈴木 隆夫 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4C301 BB23 BB24 EE06 EE17 GB03 HH14 HH16 HH38 JB03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の振動子を有し、使用する振動子を
   順次切替選択することにより超音波ビームを電子的に走
   査する超音波診断装置において、隣接する複数の不均等
   個数の振動子からの受信信号を加算し、加算した信号に
   整相遅延加算を行うことで、微小角の偏向を行うことを
   特徴とする超音波診断装置。
2. 【請求項２】 隣接して加算する振動子の個数は、開口
   の中心に近いほど多く、開口端側に近いほど少なくする
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 【請求項３】 受信の音軸を開口中心からわずかにずら
   した位置に同時並列に形成することを特徴とする請求項
   １または２記載の超音波診断装置。