JP2004105257A

JP2004105257A - 超音波送受信装置

Info

Publication number: JP2004105257A
Application number: JP2002268413A
Authority: JP
Inventors: Eiji Ogawa; 小川　英二
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】２次元配置された超音波トランスデューサに接続される回路数を減らしつつ、短時間で効率良く被検体内を走査することができる超音波送受信装置を提供する。
【解決手段】マトリクス状に配列された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１０と、該超音波トランスデューサアレイに含まれる異なる複数の領域に対して、各領域に含まれる複数の超音波トランスデューサを複数の同心のリング状領域ごとに異なる遅延時間で駆動するために用いられる情報を設定する設定手段１２と、該駆動情報設定部によって設定された情報に基づいて、超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサを駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生部１３とを有する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を送信し、エコー信号を受信することにより超音波画像を得るために用いられる超音波送受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波を用いて３次元画像を取得する際には、深度方向の断面について得られる複数の２次元画像を合成していた。この２次元画像は、１次元センサアレイを用い、超音波ビームのフォーカス位置と送受信方向を変化させることによって被検体を１つの断面において走査することにより得られる。さらに、１次元センサアレイを機械的に移動させながら複数の２次元画像を取得し、これらを合成することにより３次元画像が得られる。しかしながら、この手法によれば、１次元センサアレイを移動させる時間がかかるため、異なる時刻における断面像を合成することになり、合成画像がぼけたものとなってしまう。従って、生体のように、動きを伴う被写体のイメージングには適していない。リアルタイムに３次元画像を取得するためには、センサアレイを移動させることなく２次元画像を取得することができる２次元センサアレイが必要である。そのため、２次元センサアレイの開発や、そのようなセンサアレイを用いた超音波送受信方法の研究が行われている。
【０００３】
通常、超音波の送信及び受信に用いられる素子（超音波トランスデューサ）として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ）　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ　ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）に代表される高分子圧電素子を含む圧電素子が用いられている。この圧電素子の両端に電極を形成し、電極を介して圧電素子に電圧を印加すると、圧電効果により圧電素子が伸縮し、超音波が発生する。そこで、多数の圧電素子を配列し、所定の時間差を設けてこれらの圧電素子を駆動すると、それぞれの圧電素子から発生する超音波の合成により、所望の深度に焦点を有する超音波ビームが所望の方向に送信される。
【０００４】
このような方法で超音波ビームを形成するためには、センサアレイに含まれる全ての素子に遅延回路を設けなくてはならない。しかしながら、一般的な２次元センサアレイでは、素子数が、例えば、４０×４０個にも上るため、これらの素子の全てに遅延回路を設けると、装置全体が大型になってしまう。そのため、超音波ビームを１回送信する際に、全ての素子の内、所定数の素子（例えば、２５６個）のみを間引いて用いたり、複数の素子を同心のリング状になるように配列し、同じリング状領域に配置された複数の素子に同一の遅延を与えることによって回路を共通化し、回路数を減少することが提案されている。また、非特許文献１には、２次元センサアレイを用いて超音波ビームをステアリングすることが記載されており、アレイ素子数を少なくすることについても言及されている。
【０００５】
しかしながら、リアルタイムに超音波画像を得るためには、被検体内の所定領域を高速に走査しなければならず、１本の超音波ビームによって順次走査する方式では間に合わない。
【０００６】
【非特許文献１】
ジャンユー　ルー（Ｊｉａｎ−ｙｕ　Ｌｕ），「有限回折ビームのための２次元アレイトランスデューサの研究（Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ａｒｒａｙ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓｆｏｒ　Ｌｉｍｉｔｅｄ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｂｅａｍｓ）」，ＩＥＥＥ　ｔｒａｎｓ．　ｏｎ　Ｕ．　Ｆ．　Ｆ．　Ｃ，　Ｖｏｌ．　４１，　Ｎｏ．　５，　Ｓｅｐ．　１９９４，　ｐ．７２４−７３９
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、２次元配置された超音波トランスデューサに接続される回路数を減らしつつ、短時間で効率良く被検体内を走査することができる超音波送受信装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る超音波送受信装置は、マトリクス状に配列された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、該超音波トランスデューサアレイに含まれる異なる複数の領域に対して、各領域に含まれる複数の超音波トランスデューサを複数の同心のリング状領域ごとに異なる遅延時間で駆動するために用いられる情報を設定する設定手段と、該設定手段によって設定された情報に基づいて、超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサを駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生手段とを具備する。
【０００９】
本発明によれば、異なる複数の領域にそれぞれ含まれる超音波トランスデューサを、複数の同心のリング状領域（輪帯）ごとに異なるタイミングで駆動することにより、複数の超音波ビームを同時に、又は、ほぼ同時に送信できるので、超音波トランスデューサに接続される遅延回路数を減らすことができると共に、被検体内を高速に走査することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。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、本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る超音波送受信装置は、マトリクスアレイトランスデューサ１０と、駆動パターン記憶部１１と、駆動情報設定部１２と、駆動信号発生部１３と、送受信タイミング制御部１４と、検出信号処理部１５と、メモリ１６と、画像処理部１７と、ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）１８と、表示部１９とを有している。
【００１１】
本実施形態に係る超音波送受信装置は、フレネル方式によって形成される超音波ビームを、異なる複数の位置から同時に、或いは、ほぼ同時に送信することにより、被検体に関する情報を得るものである。以下において、複数の超音波ビームを同時に、或いは、ほぼ同時に送信することをマルチビーム送信という。
【００１２】
フレネル方式とは、次のような超音波ビームの形成方法である。即ち、図２の（ａ）に示すように、２次元に配置された複数の超音波トランスデューサＶ１、Ｖ２、…を複数の同心のリング状領域Ｒ１、Ｒ２、…、Ｒ５に分け、それぞれのリング状領域に含まれる超音波トランスデューサを同じタイミングで駆動するように設定する。以下、このような同心のリング状領域Ｒ１、Ｒ２、…、Ｒ５を輪帯と呼ぶ。これらの超音波トランスデューサを、外側の輪帯Ｒ５から所定の時間差で順次駆動する。例えば、図２の（ｂ）に示すように、まず、輪帯Ｒ５に含まれる複数の超音波トランスデューサを、基準時刻（ｔ＝０）から遅延時間ＤＴ５経過後に所定の波形に基づいて駆動し、次いで、輪帯Ｒ４に含まれる複数の超音波トランスデューサを、基準時刻から遅延時間ＤＴ４経過後に同様に駆動する。さらに、輪帯Ｒ３、Ｒ２、Ｒ１にそれぞれ含まれる複数の超音波トランスデューサについても同様に駆動する。これにより、図２の（ａ）に示すように、点Ｆに向けてフォーカスされた超音波ビームが形成される。
【００１３】
再び図１を参照すると、マトリクスアレイトランスデューサ１０は、マトリクス状に配列された複数の超音波トランスデューサを含んでいる。マトリクスアレイトランスデューサ１０は、印加される駆動信号に基づいて超音波ビームを送信すると共に、伝搬する超音波を受信して検出信号を出力する。これらの超音波トランスデューサは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ｌｅａｄ）　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ　ｔｉｔａｎａｔｅ）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）等の高分子圧電素子に代表される圧電性を有する材料等を含む圧電素子の両端に電極を形成した振動子によって構成される。このような振動子の電極に、パルス状の電気信号或いは連続波電気信号を送って電圧を印加すると、圧電素子は伸縮する。これにより、それぞれの振動子からパルス状或いは連続的な超音波が発生し、これらの超音波の合成によって超音波ビームが形成される。また、それぞれの振動子は、伝搬する超音波を受信することによって伸縮し、電気信号を発生する。これらの電気信号は、超音波の検出信号として出力される。
【００１４】
或いは、超音波トランスデューサとして、超音波変換方式の異なる複数種類の素子を用いても良い。例えば、超音波を送信する素子として上記の振動子を用い、超音波を受信する素子として光検出方式の超音波トランスデューサを用いるようにする。光検出方式の超音波トランスデューサとは、超音波信号を光信号に変換して検出するものであり、例えば、ファブリーペロー共振器やファイバブラッググレーティングによって構成される。
【００１５】
本実施形態においては、超音波ビームをマルチビーム送信するために、マトリクスアレイトランスデューサ１０の超音波送受信面を異なる複数の領域に分割し、各々の領域を１つの開口として取り扱う。以下において、各領域に含まれる複数の超音波トランスデューサの集合のことをサブアレイという。図３は、マトリクスアレイトランスデューサ１０に設定されている複数のサブアレイＳＡ１、ＳＡ２、…を示している。マトリクスアレイトランスデューサ１０において、サブアレイＳＡ１、ＳＡ２、…をどのようなパターンで配置しても良いが、例えば、図３に示すように、隣り合う列でサブアレイが交互に並ぶように配置すると（所謂、千鳥配置）、サブアレイの配置密度を高くすることができ、同時に送信される超音波ビームの本数を増やすことができる。
【００１６】
駆動パターン記憶部１１は、フレネル方式によって超音波ビームを形成する際に用いられる複数の駆動情報を、超音波ビームをフォーカスする深さやビーム形状等に応じたパターンとして記憶している。図２の（ｂ）は、そのような駆動情報Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐ５を示している。駆動情報Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐ５には、超音波トランスデューサを駆動する信号の波形に関する情報、即ち、振幅と遅延時間に関する情報とが含まれている。
【００１７】
駆動情報設定部１２は、駆動パターン記憶部１１に記憶されている駆動パターンの中から、超音波ビームをフォーカスする深さやビーム形状等に応じて適当な駆動パターンを選択し、その駆動パターンに含まれる駆動情報Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐ５を、輪帯Ｒ１、Ｒ２、…、Ｒ５に対応付ける。これにより、複数のサブアレイＳＡ１、ＳＡ２、…の間では、対応する輪帯（例えば、Ｒ１）に等しい遅延時間（例えば、ＤＴ１）が設定され、異なるサブアレイの間で遅延回路を共用することができる。
【００１８】
駆動信号発生部１３は、例えば、複数の超音波トランスデューサにそれぞれ対応する複数のパルサ回路を含んでおり、駆動情報設定部１２から出力された情報に基づいて、これらの超音波トランスデューサを駆動する。即ち、駆動信号発生部１３において、駆動情報設定部１２から出力された波形に関する情報は、各サブアレイの輪帯に属する複数のパルサ回路に向けて伝達される。これらのパルサ回路は、伝達された情報に基づいて駆動信号を発生する。これにより、それぞれの超音波トランスデューサから、超音波信号が輪帯ごとに所定のタイミングで発生する。
【００１９】
送受信タイミング制御部１４は、所定のタイミングで駆動信号を発生するように駆動信号発生部１３を制御すると共に、送信時刻から一定時間経過後にマトリクスアレイトランスデューサ１０から出力される検出信号を取り込むように、検出信号処理部１５を制御する。このように、駆動信号及び検出信号をコントロールして信号の読み取り時間帯を限定することにより、被写体の特定の深さから反射されたエコー信号を検出することができる。
【００２０】
検出信号処理部１５は、マトリクスアレイトランスデューサ１０に含まれる複数の超音波トランスデューサがエコー信号を受信することによって出力した検出信号を、送受信タイミング制御部１４の制御に従って所定のタイミングで取り込む。検出信号処理部１５は、これらの信号に対してゲイン調整を行い、遅延加算を行うことにより受信フォーカスを行う。この受信フォーカスにより、受信されたエコー信号の焦点を絞り込むことができる。さらに、検出信号処理部１５は、受信フォーカスされた検出信号に対して、対数増幅、検波、ＳＴＣ（センシティビティタイムコントロール）、Ａ／Ｄ変換等の信号処理を行う。
【００２１】
メモリ１６は、検出信号処理部１５によって処理された検出信号を一時的に記憶する。
画像処理部１７は、メモリ１６に記憶されている検出信号に基づいて、２次元データ又は３次元データを再構成すると共に、補間、レスポンス変調処理、階調処理等の画像処理を施す。また、ＤＳＣ１８は、画像処理された画像データを走査変換する。さらに、表示部１９は、例えば、ＣＲＴやＬＣＤ等のディスプレイ装置であり、走査変換して生成された画像信号に基づいて超音波画像を表示する。
【００２２】
なお、送信される超音波ビームの焦点の深さを変更する場合には、輪帯ごとに設定される遅延時間を変更すれば良い。例えば、焦点を遠ざける場合には、輪帯間の遅延時間の差を小さくし、反対に、焦点を近付ける場合には、輪帯間の遅延時間の差を大きくする。また、超音波ビームの形状を変更する場合には、超音波を発生させる際に用いられる輪帯を変更すれば良い。例えば、焦点におけるビーム半径を絞り、方位分解能を高めたい場合には、半径の大きい輪帯まで（例えば、Ｒ１〜Ｒ５）を用いて開口を大きくする。反対に、焦点深度を長く取りたい場合には、ビーム半径の小さい輪帯まで（例えば、Ｒ１〜Ｒ３）を用いて開口を小さくする。ここで、焦点深度とは、被検体を焦点から前後させても画像のボケが許容範囲に収まる距離を意味する。このような超音波ビームの形状等に応じた駆動パターンを駆動パターン記憶部１１に記憶しておくことにより、所望の形状を有する超音波ビームを、所望の深さにフォーカスするように送信することができる。
【００２３】
本実施形態においては、フレネル方式によって形成された超音波ビームを、複数のサブアレイから並行して送信する。即ち、複数のサブアレイＳＡ１、ＳＡ２、…の間で対応する輪帯（例えば、輪帯Ｒ１）には、等しい遅延時間（例えば、ＤＴ１）が設定される。そのため、駆動信号発生部１３において、対応する輪帯については、異なるサブアレイの間で遅延回路を共用することができる。従って、送信系の構成を簡単にすることができ、装置の小型化及び高速化を図ることが可能になる。また、本実施形態によれば、複数のサブアレイからマルチビーム送信するので、被検体内を高速に走査することができ、超音波撮像におけるリアルタイム性を向上させることができる。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、本実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。図４に示すように、この超音波送受信装置は、アクチュエータ２１を有している。その他の構成については、図１に示す超音波送受信装置と同様である。
【００２５】
アクチュエータ２１は、マトリクスアレイトランスデューサ１０の位置や向きを制御することにより、超音波ビームの送受信位置や送受信方向を変更する。即ち、図５に示すように、アクチュエータ２１の制御により、マトリクスアレイトランスデューサ１０は、往復運動、回転運動、首振り運動等を行う。
【００２６】
このように、マトリクスアレイトランスデューサ１０を機械的に制御することにより、被検体内を広範囲に渡って走査することができる。特に、マトリクスアレイトランスデューサ１０においてサブアレイが千鳥配置になるように設定することにより、マトリクスアレイトランスデューサ１０の機械的移動量を少なくしつつ、被検体内を効率良く走査することができる。
【００２７】
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置について、図６〜図８を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。図６に示すように、この超音波送受信装置は、遅延時間設定部２２を有している。その他の構成については、図１に示す超音波送受信装置と同様である。
遅延時間設定部２２は、ステアリング角や方向に応じて複数の遅延パターン有しており、その中から適当な遅延パターンを選択し、それを各サブアレイに設定する。
【００２８】
ここで、図７を参照しながら、各サブアレイに与えられる情報について説明する。図７の（ａ）の左側は、点Ｆに向けてフォーカスするために用いられる駆動パターンを示している。また、図７の（ａ）の右側は、超音波ビームを矢印方向にステアリングするために用いられる遅延パターンを示している。図７の（ａ）に示すように、ステアリング用遅延パターンは、各サブアレイに含まれる複数の領域Ａ１、Ａ２、…、Ａ８に対応する遅延情報Ｐ１’、Ｐ２’、…、Ｐ８’を含んでいる。フレネル方式によって形成される超音波ビームをステアリングするためには、超音波トランスデューサに与えられる駆動情報Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐ５を、遅延パターンに基づいてさらに遅延させなくてはならない。
【００２９】
例えば、超音波トランスデューサＶｎには、輪帯Ｒ４に対応する駆動情報Ｐ４が与えられている。この駆動情報Ｐ４は、遅延時間設定部２２によって設定された領域Ａ２に対応する遅延情報Ｐ２’に基づいて、遅延時間ＤＴ２’だけさらに遅延される。これにより、超音波トランスデューサＶｎは、基準時刻から遅延時間ＤＴ４＋ＤＴ２’後に駆動される。このように、それぞれの超音波トランスデューサを駆動情報及び遅延情報に基づいて駆動することにより、図７の（ｂ）に示すように、点Ｆ’に向けてフォーカスされた超音波ビームが形成される。これにより、図８に示すように、マトリクスアレイトランスデューサの複数の位置から、ステアリングされた超音波ビームがマルチビーム送信される。
【００３０】
なお、一般に、電子的制御により超音波ビームをステアリングすると、サイドローブが生じたり、音響フロアが上昇したりするので、超音波画像の画質低下が懸念される。しかしながら、本実施形態においては、マルチビーム送信を行うので、サブアレイを密に配置することによりステアリング角を小さく抑えることができる。このため、本実施形態においては、サイドローブ等による影響を最小限に抑えつつ、被検体内を高密度に走査することが可能になる。
【００３１】
また、本実施形態においては、複数のサブアレイに対して１つの遅延パターンを設定することにより、複数の超音波ビームを同一方向に送信しているが、複数のサブアレイに対して複数の遅延パターンをそれぞれ設定することにより、複数の超音波ビームを異なる複数の方向に送信しても良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、フレネル方式によって形成される超音波ビームをマルチビーム送信するので、単位時間当たりに送信されるビームの本数が増え、被検体内の所定領域を高速に走査することができる。従って、超音波撮像におけるリアルタイム性及び画質を向上させることができる。また、マトリクスアレイトランスデューサを機械的に制御することにより、サイドローブや音響フロアの上昇による影響を抑制しながら、被検体内を広い範囲に渡って走査することができる。さらに、回路の構成を簡単にすることができるので、装置を小型化してコスト削減を図ることができ、動作速度を上げることも可能になる。従って、ＳＮ比の高い良質な画像データを短時間で高密度に得ることができ、画質の高い２次元又は３次元超音波画像をリアルタイムに得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２の（ａ）は、フレネル方式による超音波ビームの形成方法を説明するための図であり、図２の（ｂ）は、それぞれの輪帯に与えられる駆動情報を示す図である。
【図３】マトリクスアレイトランスデューサに設定された複数のサブアレイと、サブアレイから送信される超音波ビームを示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図５】機械的に制御されるマトリクスアレイトランスデューサを示す模式図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る超音波送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図７】フレネル方式によって形成される超音波ビームをステアリングする方法を説明するための図である。
【図８】
ステアリングしながらマルチビーム送信される超音波ビームを示す模式図である。
【符号の説明】
１０　マトリクスアレイトランスデューサ
１１　駆動パターン記憶部
１２　駆動情報設定部
１３　駆動信号発生部
１４　送受信タイミング制御部
１５　検出信号処理部
１６　メモリ
１７　画像処理部
１８　ディジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）
１９　表示部
２１　アクチュエータ
２２　遅延時間設定部
ＳＡ１、ＳＡ２、…　サブアレイ

Claims

マトリクス状に配列された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、
前記超音波トランスデューサアレイに含まれる異なる複数の領域に対して、各領域に含まれる複数の超音波トランスデューサを複数の同心のリング状領域ごとに異なる遅延時間で駆動するために用いられる情報を設定する設定手段と、
前記設定手段によって設定された情報に基づいて、前記超音波トランスデューサアレイに含まれる複数の超音波トランスデューサを駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、
を具備する超音波送受信装置。
前記超音波トランスデューサアレイの位置又は向きを制御する制御手段を更に具備する請求項１記載の超音波送受信装置。
前記超音波トランスデューサアレイに含まれる異なる複数の領域からそれぞれ送信される複数の超音波ビームをステアリングするように、前記駆動信号発生手段に超音波信号の遅延時間を設定する遅延時間設定手段を更に具備する請求項１記載の超音波送受信装置。