JP2005034634A - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波診断装置においてチャンネルリダクション及びサイドローブ低減を図る。
【解決手段】２Ｄアレイ振動子１６上に、複数の２Ｄサブアレイ１８が設定される。各サブアレイ１８ごとに複数のグループが設定される。具体的にはサブアレイを構成する複数（例えば１６個）の振動素子が複数（例えば４つ）のグループに分けられる。マルチプレクサにおいて、各グループごとに、複数の振動素子から出力された複数の受信信号が加算され、これによりグループ受信信号が生成される。複数のグループ受信信号はサブ整相加算処理され、これによりサブ整相加算信号１００が生成される。複数のサブアレイ１８に対応した複数のサブ整相加算信号１００がメイン整相加算処理される。サブ整相加算部は、プローブヘッド内、ケーブルコネクタ内あるいは装置本体内に設けられる。マルチプレクサは、送信時に、送信信号をグループを構成する複数の振動素子に並列的に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、医療の分野で用いられる超音波診断装置に関し、特に、チャンネルリダクション技術に関する。

超音波診断装置は、医療の分野において、生体（患者）の疾病を診断するために用いられる。詳しくは、超音波診断装置は、生体に対して超音波パルスを送波し、生体からの反射波を受波し、その受波によって得られた受信信号に基づいて超音波画像を形成する。超音波診断装置は、装置本体（メインユニット）と、それに接続されるプローブ（プローブユニット）と、を有する。プローブは、一般に、プローブヘッド、ケーブル、及び、コネクタを有する。

プローブヘッド内に設けられたアレイ振動子は、複数の振動素子によって構成される。近時、アレイ振動子については多素子化の傾向がみられる。超音波ビームを二次元走査して三次元空間を形成するための２Ｄアレイ振動子として、様々な２Ｄアレイ振動子が実用化されている。その中には、数千個の振動素子を有している２Ｄアレイ振動子がある。

アレイ振動子を構成する各振動素子ごとに独立して信号線を設けると、アレイ振動子それ全体に対して、多数の信号線を接続しなければならない。そのような場合、プローブヘッドから引き出されるプローブケーブル（複数の信号線を収容するケーブル）の直径が非常に大きくなり、また、プローブケーブルの端部に設けられるコネクタにおける端子（ピン）数も多数となる。更に、各振動素子ごとに送信器及び受信器を設ける必要があるので、送信部及び受信部の回路規模が増大する。そこで、多素子化の進展に伴って、プローブケーブルの細径化、及び、チャンネル数（送信器数、受信器数）削減ということが要望されている。

特開２００１−２７６０６４号公報には、複数の振動素子を共通の１つの信号線に固定的に接続した構成が開示されている（同公報の図２，図４など）。特開２００１−１０４３０３号公報には、段階的に２つの整相加算回路を設けた構成が開示されている。特開平９−３２２８９６号公報の図６には、２Ｄアレイ振動子に複数のグループを固定的に設定すること、複数のグループに対して複数の第１ビームフォーマーを接続すること、及び、複数の第１ビームフォーマーの後段に複数の第２ビームフォーマーを設けること、が示されている。しかしながら、それらの文献には、２Ｄアレイ振動子上に設定される各サブアレイ上に複数のグループを動的に設定すること、及び、各グループを用いてチャンネルリダクションを行うこと、については記載されていない。米国特許第５８３２９２３号には、２Ｄアレイ振動子上に複数の２Ｄサブアレイを設定すること、及び、各サブアレイ上に複数のグループを設定すること、が開示されている。しかし、各グループ間において、グループを構成する振動素子の個数は同一である。この文献には、ビーム方向に応じて、各グループを構成する振動素子の個数を可変することは記載されていない。

特開２００１−２７６０６４号 特開２００１−１０４３０３号 特開平９−３２２８９６号 米国特許第５８３２９２３号

本発明の目的は、チャンネルリダクションについての新しい方法が適用された超音波診断装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、超音波診断装置においてプローブケーブルを細くできるようにすることにある。

本発明の更に他の目的は、超音波画像の画質を低下させるサイドローブを低減することにある。

（１）本発明に係る超音波診断装置は、複数のサブアレイに区分される複数の振動素子で構成されるアレイ振動子と、前記各サブアレイを構成する複数の振動素子に対して、ビーム形成条件に応じて、複数のグループを設定する手段であって、前記各グループを構成する振動素子の個数を可変することが可能なグループ設定部と、前記各サブアレイに設定された複数のグループに対して、複数の送信信号を供給する送信部と、前記各サブアレイに設定された複数のグループに対応する複数のグループ受信信号を処理する受信部と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、アレイ振動子に対して複数のサブアレイが設定され、各サブアレイに対して複数のグループが設定される。あるグループが複数の振動素子で構成される場合、それらの複数の振動素子には共通の送信信号が供給される。また、あるグループが複数の振動素子で構成される場合、それらの複数の振動素子から出力された複数の受信信号がグループ単位でまとめられてグループ受信信号を構成する。よって、送信部（送信手段）が生成すべき送信信号数及び受信部（受信手段）が処理すべき受信信号数を削減できる。つまり、チャンネルリダクションを簡便に達成できる。

アレイ振動子上におけるサブアレイパターンは、固定的に設定され、あるいは、動的に可変設定される。各グループは、通常、複数の振動素子で構成される。ただし、複数のグループの中に、１つの振動素子からなるグループが存在してもよい。ビーム形成条件（例えば、ビーム走査方向、要求されるビームプロファイル）に応じて、複数のグループの態様（グルーピングパターン）を適応的に変化させるのが望ましく、その場合に、各グループを構成する振動素子数を適応的に設定するのが望ましい。望ましくは、前記アレイ振動子は２Ｄアレイ振動子であり、前記各サブアレイは２Ｄサブアレイである。受信部は、サブセクション及びメインセクションで構成されてもよい。このことは送信部についても同様である。各サブアレイ内における全振動素子を有効振動素子（超音波の送波及び受波を行う振動素子）として利用してもよいし、全部又は一部のサブアレイ内に１又は複数の無効振動素子（超音波の送波及び受波を行わない振動素子）を設定してもよい。

望ましくは、前記グループ設定部はスイッチング回路を有し、前記スイッチング回路は、受信時に、前記各グループごとに複数の受信信号を加算することによって、受信チャンネルリダクションを実行し、及び、送信時に、前記各グループごとに同じ送信信号を複数の振動素子へ並列的に出力することによって、送信チャンネルリダクションを実行する。

望ましくは、前記スイッチング回路は、前記サブアレイ内の複数の振動素子と、複数のグループ信号線と、を選択的に接続するスイッチングマトリクス回路であり、前記スイッチングマトリクス回路は、前記サブアレイ内の各振動素子を前記複数のグループ信号線の中から選択されたグループ信号線へ接続し、前記スイッチングマトリクス回路は、前記各グループ信号線に対して任意数の振動素子を接続することが可能である。この構成において、複数のグループ信号線は、一般に、各サブアレイ上に設定されるグループの個数と同じ個数の信号線によって構成される。望ましくは、スイッチングマトリクス回路は、複数のグループ信号線と複数の振動素子から引き出された複数の信号線との交点に設けられた多数のスイッチを有する。それらのスイッチのオンオフ動作によってグルーピングが行われる。

望ましくは、前記スイッチングマトリクス回路は、前記ビーム形成条件に応じて、前記各グループ信号線に対して接続する振動素子の個数を可変する。望ましくは、前記ビーム形成条件に応じて、前記各サブアレイを構成する複数の振動素子が、複数の有効振動素子と、１又は複数の無効振動素子と、に区分され、前記複数の有効振動素子が前記複数のグループ信号線に接続される。望ましくは、更に、前記各グループを構成する振動素子数に応じて、前記各グループ受信信号に対して重み付け処理を行う手段を含む。

望ましくは、前記アレイ振動子及び前記グループ設定部が、プローブヘッド内に設けられる。望ましくは、前記プローブヘッド内には、更に、前記送信部が設けられる。この構成によれば、プローブケーブルを構成する複数の信号線の本数を削減することができる。

望ましくは、前記受信部は、前記複数のサブアレイに対応して設けられた複数の回路であって、複数のグループ受信信号に対してサブ整相加算処理を行ってサブ整相加算信号を出力する複数のサブ整相加算回路と、前記複数のサブ整相加算回路から出力された複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を行う少なくも１つのメイン整相加算回路と、を含む。

上記構成によれば、各サブアレイごとにサブ整相加算処理を行った上で、複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理が実行される。上記のグルーピング、サブ整相加算、及び、メイン整相加算という複数の段階を経ることによって、信号数が段階的に減少し、最終的には１つの受信ビーム当たり１つの信号（メイン整相加算信号）が得られる。整相加算処理（あるいはビームフォーミング処理）は、複数の信号をそれぞれ位相調整（遅延）した上で、複数の信号を加算する処理である。

望ましくは、前記アレイ振動子、前記グループ設定部、及び、前記複数のサブ整相加算回路がプローブヘッド内に設けられる。この構成によれば、プローブケーブルを構成する信号線の本数をより削減できる。

望ましくは、前記受信部は、更に、複数のメイン整相加算回路を有し、１回の受信で複数の受信ビームが同時形成される。複数の受信ビームを同時形成すればフレームレートあるいはボリュームレートを向上できる。複数の受信ビームを形成する場合でも、複数の受信ビーム間で個々のサブ整相加算回路などを共用できる。

望ましくは、前記グループ設定部は、前記複数のサブアレイに対応して設けられた複数の回路であって、それぞれが、前記各サブアレイ内のｍ個の振動素子をｎ（但し１＜ｎ＜ｍ）個のグループにグルーピングする複数のスイッチング回路を有する。サブアレイ内の振動素子数（あるいはサブアレイ内の有効振動素子数）ｍ、サブアレイごとのグループ数ｎ、及び、後述のサブアレイ数ｋはそれぞれ整数であり、１＜ｎ＜ｍの関係を有し、ｋは２以上である。

望ましくは、前記グループ設定部は、前記ビーム形成条件としてのビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイについてのグループ設定パターンを動的に切り換える。望ましくは、前記グループ設定パターンの切り換えには、各グループを構成する振動素子数及び各グループの形状の切り換えが含まれる。望ましくは、前記グループ設定パターンの切り換えには、更に、前記各サブアレイに１又は複数の無効振動素子を含めるか否かの切り換えが含まれる。

グループ設定部（あるいはグループ設定手段）は、マルチプレクサ、スイッチングマトリクスといったスイッチング回路で構成されるのが望ましい。複数の振動子からの複数の受信信号は、グループ設定部上で、複数の信号線の電気的な接続により、グループ単位で単純に加算される。但し、必要に応じて、重み付け加算などがなされるようにしてもよい。

（２）本発明に係る超音波診断装置は、プローブヘッドと、前記プローブヘッド内に設けられ、ｋ（但し１＜ｋ）個のサブアレイに区分される複数の振動素子で構成されるアレイ振動子と、前記プローブヘッド内に設けられ、前記各サブアレイ内のｍ個の振動素子に対して、ビーム形成条件に応じて、ｎ（但し１＜ｎ＜ｍ）個のグループを設定する手段であって、前記各グループを構成する振動素子の個数を可変することが可能なグループ設定部と、前記プローブヘッド内において、前記ｋ個のサブアレイに対応して設けられたｋ個の回路であって、それぞれが、それに対応するサブアレイに設定されたｎ個のグループに対して、ｎ個の送信信号を供給するｋ個の送信回路と、前記プローブヘッド内において、前記ｋ個のサブアレイに対応して設けられたｋ個の回路であって、それぞれがｎ個のグループ受信信号に対してサブ整相加算処理を行ってサブ整相加算信号を出力するｋ個のサブ整相加算回路と、を含むことを特徴とする。

望ましくは、更に、前記ｋ個のサブ整相加算回路から出力されたｋ個のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を行う１又は複数のメイン整相加算回路を含む。望ましくは、前記グループ設定部は、受信時に、グループを構成する複数の振動素子から出力された複数の受信信号を加算してグループ受信信号を生成し、送信時に、前記グループを構成する複数の振動素子に対して共通の送信信号を並列的に供給する。望ましくは、前記グループ設定部は、スイッチングマトリクス回路を含み、前記スイッチングマトリクス回路は、１つのグループ信号線に対して任意数の振動素子を接続することが可能である。

（３）本発明に係る超音波診断装置は、プローブヘッドとしての第１のユニット、及び、前記第１のユニットに対してプローブケーブルを介して接続された第２のユニットと、を含み、前記第１のユニットは、複数のサブアレイに区分される複数の振動素子で構成されるアレイ振動子と、前記各サブアレイ内の複数の振動素子に対して、ビーム形成条件に応じて、複数のグループを設定する手段であって、前記各グループを構成する振動素子の個数を可変することが可能なグループ設定部と、を含み、前記第２のユニットは、前記グループ設定部に対して前記プローブケーブルを介して複数の送信信号セットを供給する送信部と、前記グループ設定部から前記プローブケーブルを介して出力される複数のグループ受信信号セットを処理する受信部と、を含む。

上記構成によれば、アレイ振動子に対して複数のサブアレイが設定され、各サブアレイに対して複数のグループが設定される。あるグループが複数の振動素子で構成される場合、それらの複数の振動素子には共通の送信信号が供給される。また、あるグループが複数の振動素子で構成される場合、それらの複数の振動素から出力された複数の受信信号がグループ単位でまとめられてグループ受信信号を構成する。よって、送信部が生成すべき送信信号数及び受信部が処理すべき受信信号数を削減できる。つまり、チャンネルリダクションを簡便に達成できる。ビーム形成条件に応じて各グループを構成する振動素子の個数を可変すれば、良好な超音波ビームを形成できる。ビーム形成条件に応じて、各サブアレイ内に、１又は複数の無効振動素子を設定してもよい。

上記の第２のユニットは、例えば、プローブケーブルのコネクタ及び装置本体に相当し、又は、装置本体に相当する。前者の場合には、コネクタ内に、送信部の一部又は全部を設けてもよく、また、受信部の一部又は全部を設けてもよい。

望ましくは、前記受信部は、前記複数のサブアレイに対応して設けられた複数の回路であって、それぞれが、それに入力されるグループ受信信号セットに対してサブ整相加算処理を行ってサブ整相加算信号を出力する複数のサブ整相加算回路と、前記複数のサブ整相加算回路から出力された複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を行うメイン整相加算回路と、を含む。

上記構成によれば、各サブアレイごとにサブ整相加算処理を行った上で、複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理が実行される。上記のグルーピング、サブ整相加算、及び、メイン整相加算という複数の段階を経ることによって、信号数が段階的に減少し、最終的には１つの受信ビーム当たり１つの信号（メイン整相加算信号）が得られる。

望ましくは、前記第２のユニットは、ケーブルコネクタ及び装置本体で構成され、前記ケーブルコネクタ内に少なくとも前記複数のサブ整相加算回路が収容される。望ましくは、前記ケーブルコネクタ内に更に前記送信部が設けられる。ケーブルコネクタ内でサブ整相加算及び送信信号生成を行えば、従来の超音波診断装置における装置本体に設けられたプローブ接続部に対してケーブルコネクタを接続して、三次元超音波診断を行うことも可能である。

望ましくは、前記第２のユニットは、装置本体で構成され、前記装置本体内に前記送信部及び前記受信部が設けられる。

望ましくは、前記グループ設定部は、前記各サブアレイ内のｍ個の振動素子をｎ（但し１＜ｎ＜ｍ）個のグループにグルーピングする複数のスイッチング回路を有する。ここで、サブアレイを構成する振動素子数ｍ、サブアレイごとのグループ数ｎ、及び、サブアレイ数ｋはそれぞれ整数であり、１＜ｎ＜ｍの関係を有し、ｋは２以上である。

望ましくは、前記ｍ個の振動素子はそれぞれ有効振動素子であり、前記ビーム形成条件に応じて、前記各サブアレイには、前記ｍ個の有効振動素子の他に、１又は複数の無効振動素子が含まれる。

望ましくは、前記第１のユニットと前記第２のユニットとの間で、送信信号が電圧信号として伝送され、且つ、受信信号が電流信号として伝送される。送信信号は１００Ｖ程度の信号であってもよいが、数Ｖ〜数十Ｖ程度の低電圧型の信号であってもよい。後者の場合には各振動素子を低インピーダンス型とするのが望ましい。このために、アレイ振動子の製造において例えば積層化法が用いられる。受信信号が電流信号であれば、信号線が有する容量による信号減衰及び周波数特性の劣化という問題を解消又は軽減できる。信号線の両端に、又は、信号線の本体側端に、伝送回路を設けるようにしてもよい。

望ましくは、前記各サブ整相加算回路は、遅延線を含むアナログ整相加算回路である。望ましくは、前記各サブ整相加算回路は、デジタル整相加算回路である。望ましくは、前記各サブ整相加算回路は、ＣＣＤ（charge-coupled device）を含む整相加算回路である。

（４）本発明に係る超音波診断装置はプローブヘッドとしての第１のユニット、及び、前記第１のユニットに対して信号線群を介して接続された第２のユニットを含む超音波診断装置において、前記第１のユニットは、ｋ（但し１＜ｋ）個のサブアレイに区分される複数の振動素子からなるアレイ振動子と、前記各サブアレイ内のｍ個の振動素子に対して、ビーム形成条件に応じて、ｎ（但し１＜ｎ＜ｍ）個のグループを設定する手段であって、前記各グループを構成する振動素子の個数を可変することが可能なグループ設定部と、を含み、前記第２のユニットは、前記グループ設定部に対して前記信号線群を介してｋ個の送信信号セットを供給する送信部と、前記グループ設定部から前記信号線群を介して出力されるｋ個のグループ受信信号セットを処理する受信部と、を含み、前記各送信信号セットはそれぞれｎ個の送信信号で構成され、前記各グループ受信信号セットはそれぞれｎ個のグループ受信信号で構成される。

以上説明したように、本発明によれば、チャンネルリダクションについての新しい方法が適用された超音波診断装置を提供できる。本発明によれば、超音波診断装置においてプローブケーブルを細くできる。あるいは、本発明によれば、超音波画像の画質を低下させるサイドローブを低減できる。

以下、本発明に係る幾つかの実施形態を図面に基づいて説明する。

図１−１０及び図１８−２０は第１の実施形態を示しており、図１１−１７は第２及び第３の実施形態を示している。第２及び第３の実施形態の理解に当たっても、図３−１０、図１９及び図２０が参照される。すなわち、各実施形態とも、同様のチャンネルリダクション方法が適用されている。

まず図１８を用いて、第１の実施形態に係る超音波診断装置の基本構成を説明する。超音波診断装置は、プローブ（プローブユニット）２４０と、装置本体２４２と、で構成される。プローブ２４０は、プローブヘッド２４４、プローブケーブル２４６、及び、図示されていないケーブルコネクタ、を有する。装置本体２４２は、送受信制御部２４８、受信部２５０、信号処理モジュール２５２、画像形成部２５４、及び、表示器２５６を有する。プローブヘッド２４４により、超音波の送波及び受波がなされる。それにより得られた受信信号は、受信部２５０及び信号処理モジュール２５２を経由して、画像形成部２５４に入力される。この画像形成部２５４において、受信信号に基づいて超音波画像が形成される。その超音波画像は表示器２５６の画面上に表示される。超音波画像としては、二次元断層画像、二次元血流画像、三次元画像などが知られている。本実施形態では、生体内の三次元空間から取得されたボリュームデータをボリュームレンダリング処理することによって、三次元画像が形成される。三次元画像の形成方法としては、それ以外にも各種の方法が知られている。

図１には、第１の実施形態における主要部の構成がブロック図として示されている。超音波診断装置は、図１８を用いて説明したように、プローブユニット、及び、装置本体１２、で構成される。プローブユニットは、プローブヘッド１０、プローブケーブル１４、及び、図示されていないケーブルコネクタ、によって構成される。ケーブルコネクタは、装置本体１２に対し、着脱自在に接続される。装置本体１２には、プローブコネクタが接続されるコネクタが設けられている。

プローブヘッド１０は、例えば、生体表面上に当接して用いられ、その当接状態において、超音波パルスを送波し、反射波を受波する。プローブヘッド１０は、２Ｄアレイ振動子１６を有している。この２Ｄアレイ振動子１６は、複数の振動素子１６ａで構成される。それらの振動素子１６ａは二次元的に配列されている。この２Ｄアレイ振動子１６によって超音波ビームが形成される。その超音波ビームは二次元的に電子走査される。その電子走査方式としては、例えば、電子セクタ走査方式、電子リニア走査方式、など、をあげることができる。超音波ビームの二次元的な電子走査により、三次元空間（三次元エコーデータ取込空間）が形成される。本実施形態において、２Ｄアレイ振動子１６は、例えば、４０００個程度の振動素子１６ａによって構成される。

２Ｄアレイ振動子１６に対して、複数の２Ｄサブアレイ１８が設定される（後に図３に示す）。それらのサブアレイ１８は、２Ｄアレイ振動子１６上において、相互に密に連結するように設定されている。本実施形態において、複数のサブアレイ１８は四角形の形態を有しており、各サブアレイ１８の位置及び形状は固定的に設定されている。しかし、各サブアレイの位置及び形状を適応的に可変設定するようにしてもよい。

プローブヘッド１０には、複数のサブ送受信部２０が収容されている。本実施形態において、１つのサブアレイ１８に対して１つのサブ送受信部２０が対応付けられている。本実施形態では、例えば、１２８個のサブアレイが設定され、これに対応して１２８個のサブ送受信部２０が設けられている。各サブ送受信部２０の構成については後に図２などを用いて詳述するが、各サブ送受信部２０は、本実施形態において、グループ設定機能、サブ整相加算機能、及び、送信信号生成機能を有している。グループ設定機能により、サブアレイ１８を構成する複数の（例えば１６個の）振動素子１６ａが複数の（例えば４つの）グループにグルーピングされる。各グループは複数の振動素子（例外的に１つの振動素子）からなるものであり、本実施形態において、各グループを構成する振動素子の個数はビーム形成条件（特に、ビーム走査方向、ビーム偏向方向、あるいは、ビーム形状）に応じて可変設定されている。つまり、複数のサブアレイの設定パターンは固定的に設定されているが、各グループ内における複数のグループの設定パターンは可変設定される。ビーム形成条件に応じて、各グループを構成する振動素子の個数を可変すれば、サイドローブを低減でき、あるいは、ビームプロファイルを良好にできる。

上記のグルーピングにより、送信時においては、グループ単位で供給される１つの送信信号が、その送信信号に対応する特定の１つのグループを構成する１又は複数の振動素子に対して供給される。通常は、２つ以上の振動素子によって１つのグループが構成されており、したがって、１つの送信信号は２つ以上の振動素子に並列的に供給される。その一方において、受信時においては、各グループごとに１つのグループ受信信号が得られる。通常は、２つ以上の振動素子によって１つのグループが構成されるため、後に図２に示すマルチプレクサから出力されるグループ受信信号は、２つ以上の振動素子から出力される２つ以上の受信信号を加算することによって得られる信号である。本実施形態においては、各グループごとに得られる複数の受信信号の加算はマルチプレクサにおける複数の信号線の接続（つまり結線）によってなされている。すなわち、複数の振動素子から引き出された複数の信号線の相互接続によって、複数の受信信号が加算され、これにより１つのグループ受信信号が得られている。もちろん、その場合において、複数の受信信号の重み付け加算などの処理を行うようにしてもよい。ビーム形成条件に応じて、サブアレイ内の１又は複数の振動素子を無効振動素子（グループ信号線が接続されない振動素子）としてもよい。その場合には、サブアレイ内における複数の有効振動素子（グループ信号線が接続される振動素子）を用いて複数のグループが構成される。

以上の説明から理解されるように、各サブ送受信部２０が有するグルーピングの機能により、各サブアレイごとにチャンネルリダクションが達成されており、例えば１６個の振動素子が４つのグループにグルーピングされる結果、そのグルーピングでは１／４のチャンネルリダクション率を実現することができる。加えて、各サブ送受信部２０は、上述したようにサブ整相加算機能を具備しており、それによるチャンネルリダクションも実行される。すなわち、各サブアレイ１８ごとに得られた例えば４つのグループ受信信号がプローブヘッド１０内において整相加算処理され、これにより、１つのサブアレイ１８ごとに１つのサブ整相加算信号が得られている。つまり、受信信号処理について着目した場合、各サブアレイごとに、最初は、１６個の振動素子で生成された１６個の受信信号が得られるが、個々のサブ送受信部２０からは１つの受信信号（サブ整相加算信号）だけが出力されることになる。その結果、プローブヘッド１０における受信処理の面から見たチャンネルリダクション率は１／１６である。ちなみに、後述するように各サブ送受信部２０は、サブアレイを構成するグループ数に相当する個数の送信器を有しており、例えば４つの送信器を有している。したがって、送信時においては例えば４つの送信信号により例えば１６個の振動素子が駆動されることになる。１つのグループ当たり、１つの送信信号が生成される。４つの送信信号が４つのグループ（つまり、サブアレイを構成する１６個の振動素子）へ供給される。ここにおいては、チャンネルリダクション率が１／４となる。

プローブヘッド１０は、複数のサブ送受信部２０における送信動作を制御するために、サブ送信制御部２２を有している。また、プローブヘッド１０は、複数のサブ送受信部２０における受信信号処理を制御するために、サブ受信制御部２４を有している。それらについては後に詳述する。プローブヘッド１０と装置本体１２との間にはプローブケーブル１４が設けられ、そのプローブケーブル１４は、複数の信号線１００、及び、１又は複数の制御線１０２、を有している。各信号線１００はそれぞれ特定のサブ送受信部２０に接続されている。

装置本体１２が有する構成について説明する。複数（例えば１２８個）のＡ／Ｄ変換器２６には、後に説明するように、アナログ信号として出力された複数（例えば１２８個）のサブ整相加算信号が入力される。これによって、それらの信号がそれぞれデジタル信号に変換される。各Ａ／Ｄ変換器２６の出力信号は、並列配置された複数のＦＩＦＯ（first-in first-out）メモリ２８に並列的に格納される。本実施形態においては、各サブアレイ１８ごとに１６個のＦＩＦＯメモリ２８が設けられている。これは１回の受信において１６本の受信ビームを同時形成するためである。各ＦＩＦＯメモリ２８に対する読み出し制御は後述する送受信制御部３２によってなされている。送受信制御部３２は各ＦＩＦＯメモリ２８に対する読み出しタイミングの制御によってディレイ量を設定している。

上述したように、本実施形態においては、１つのサブアレイ１８ごとに並列配置された１６個のＦＩＦＯメモリ２８が設けられ、それらの後段には並列配置された１６個の加算器３０が設けられている。各加算器３０は、それに対応する特定の１６個のＦＩＦＯメモリ２８から出力される１６個の信号を加算し、これによって整相加算された受信信号（メイン整相加算信号）１０４を出力する。すなわち、装置本体１２内には、本実施形態において１６個のメインデジタルビームフォーマー（メイン整相加算回路）２７が設けられている。ちなみに、図１に示したデジタルビームフォーミング技術によらずに、アナログビームフォーミング技術を適用するようにしてもよい。本実施形態においては、プローブヘッド１０内においてサブ整相加算が実行され、装置本体１２内においてメイン整相加算が実行されている。このような二段階の整相加算によって最終的に受信ビームが形成されている。ちなみに、図示されていないプローブコネクタ内にサブ整相加算回路などの電子回路を設けるようにしてもよい。これについては第２の実施形態（図１１）を用いて説明する。また、装置本体１２内に、サブ整相加算回路などの電子回路を設けるようにしてもよい。これについては第３の実施形態（図１２）を用いて説明する。

装置本体１２内の送受信制御部３２は、図示されていない主制御部からの制御信号１０６にしたがって動作し、図１に示される各構成の動作制御を行っている。すなわち、装置本体１２内において、送受信制御部３２は、複数のＦＩＦＯメモリ２８に対する書き込み制御及び読み出し制御を行っており、そのような制御により受信ダイナミックフォーカスが実現されている。また、送受信制御部３２は、制御線１０２を用いてコントロール信号をプローブヘッド１０に対して供給している。そのようなコントロール信号にしたがって、サブ送信制御部２２及びサブ受信制御部２４が、プローブヘッド１０内における複数のサブ送受信部２０の動作を制御する。また、そのようなコントロール信号により、以下に図２に示すマルチプレクサが実行するグルーピング処理におけるパターンの選択が行われる。ちなみに、図１においては、装置本体１２からプローブヘッド１０に対して供給される電力ライン及びクロック信号などは図示省略されている。

図２には、図１に示した構成の内で、特に、ある１つのサブ送受信部２０について、その具体的な構成が例示されている。図１に示した複数のサブ送受信部２０は、互いに同一の構成を有している。上述したように、１つのサブアレイ１８は、本実施形態では、１６個の振動素子１６ａで構成される。１つのサブアレイ１８に対応して１つのマルチプレクサ３８が設けられている。マルチプレクサ３８はスイッチング手段としてのスイッチングマトリクスである。マルチプレクサ３８は、上述したグルーピング機能を有している。マルチプレクサ３８は、アレイ振動子１６側に並んだ１６個の端子（つまり、１６個の素子信号線）と、サブ送受信部２０側に並んだ４つの端子（つまり、４つのグループ信号線）と、の間で結線処理を行っている。このマルチプレクサ３８により、後に図４−図６で説明するように、サブアレイ１８上に様々なグループ設定パターン（グルーピングパターン）を構築することができる。符号１０２Ｃは、スイッチングパターンを選択するために、装置本体からマルチプレクサ３８に供給される制御信号を表している。複数のマルチプレクサを１つのスイッチングマトリクス回路で構成することもできる。マルチプレクサ３８は、上記の１６個の素子信号線と上記の４つのグループ信号線との交点に設けられた複数のスイッチ（図示せず）を有する。各スイッチのオンオフ動作によって、各グループ信号線に対して、１又は複数の素子信号線が接続される。

サブ送受信部２０は、本実施形態において、信号伝送用の４つの伝送回路（Ｉ／Ｆ回路あるいは入出力回路）４２と、サブ整相加算回路３４と、送信部３６と、を有している。各伝送回路４２は、本実施形態において、パルサー／ヘッドアンプ回路として機能している。すなわち、送信部３６から供給される送信信号をマルチプレクサ３８へ供給し、その一方において、マルチプレクサ３８から出力される受信信号をサブ整相加算回路３４へ出力している。この場合において、サブアレイ１８と４つの伝送回路４２との間において、受信信号の伝送を電流モードで行うことも好適であり、また、それらの間において、送信信号を電圧モードで行うことも好適である。

送信部３６は、４つのメモリ（この例ではＦＩＦＯメモリ）５６と、４つのＤ／Ａ変換器４８と、を有している。各ＦＩＦＯメモリ５６は、波形生成器として機能し、サブ送信制御部２２によってその動作（特に出力タイミング）が制御されている。すなわち、送信信号波形をデジタル信号として生成する。各ＦＩＦＯメモリ５６から出力されるデジタル信号としての送信信号は、Ｄ／Ａ変換器４８に入力され、そこにおいてアナログ信号に変換される。アナログ信号としての送信信号は、上述した伝送回路４２を経由してマルチプレクサ３８に送られる。マルチプレクサ３８によって、その送信信号に対応付けられた特定のグループを構成する１又は複数の振動素子が信号供給先として決定される。このように、送信部３６によって生成された４つの送信信号が、特定のサブアレイ１８を構成する４つのグループに個別的に供給される。

サブ整相加算回路３４は、４つのＡ／Ｄ変換器４６、４つのメモリ（この例ではＦＩＦＯメモリ）５０、加算器５２、及び、Ｄ／Ａ変換器５４を有している。各Ａ／Ｄ変換器４６は、入力される受信信号（グループ受信信号）をアナログ信号からデジタル信号へ変換する。そのデジタル信号に変換された受信信号は、それに対応するＦＩＦＯメモリ５０に一旦格納され、位相調整用のタイミングでその受信信号が読み出されて加算器５２へ送られる。加算器５２は、入力される４つの受信信号を加算する。これによりサブ整相加算処理が達成される。その加算処理によって得られたサブ整相加算信号（デジタル信号）は、Ｄ／Ａ変換器５４においてアナログ信号に変換される。アナログ信号としてのサブ整相加算信号が信号線１００に出力される。

以上のように、サブ整相加算回路３４は、第１段階における整相加算処理すなわちサブ整相加算処理を実行しており、サブ整相加算回路３４はサブデジタルビームフォーマーに相当する。４つの受信信号に対する読み出し制御などはサブ受信制御部２４によってなされている。サブ受信制御部２４には受信制御用のコントロール信号１０２Ｂが入力され、サブ送信制御部２２には送信制御用のコントロール信号１０２Ａが入力されている。

図２に示した送信部３６の構成は一例であって、例えばアナログ回路によって送信部３６を構成することもできる。いずれにしても、装置本体側から供給されるトリガ信号を基準として、２Ｄアレイ振動子１６において送信ビームが形成されるように、各送信信号に対して遅延時間が設定される。

例えば、ＦＩＦＯメモリ５６における送信信号の先頭の格納位置あるいは送信信号のデータ転送タイミングを適宜設定することにより、トリガパルスに同期して所望のディレイ量をもって送信信号を出力させることができる。なお、上記のサブ受信制御部２４は、ディレイデータメモリとして構成することもできる。

図３には、アレイ振動子１６が示されている。アレイ振動子１６は、例えば、Ｘ方向に５０個の振動素子を有し、且つ、Ｙ方向に５０個の振動素子を有する２Ｄアレイ振動子である。上記のように、そのアレイ振動子１６に対して複数のサブアレイが設定される。具体的には、複数のサブアレイは、それぞれ矩形（正方形）の形状を有し、それらは隙間無くアレイ振動子１６の全体にわたって密に設定されている。図３においては、その内で１つのサブアレイ１８が代表して示されている。上述したように、各サブアレイに対して複数のグループが設定される。各グループには、フォーカス及びビームステアリングに従った送信遅延量及びサブ受信遅延量が与えられる。なお、メイン受信遅延量は、各サブアレイ単位で付与され、つまり、各サブアレイを構成する複数の振動素子の全部に共通のメイン受信遅延量が与えられる。よって、個々の振動素子に対しては、全体として、サブ受信遅延量及びメイン受信遅延量を加算した遅延量が与えられる。

図４−６には、サブアレイについてのグルーピングパターンの設定例が示されている。なお、本実施形態では、複数のサブアレイについて、互いに同一のグルーピングパターンが設定される。しかし、全部又は一部のサブアレイについて、他とは異なるグルーピングパターンを設定することも可能である。

図４に示す例においては、ビーム走査方向（ビーム偏向方向）がＸ方向である。Ｘ方向に並んで４つのグループＧ１〜Ｇ４が設定されている。各グループＧ１〜Ｇ４はいずれもＹ方向に直線的に並んだ４つの振動素子によって構成される。図５に示す例においては、ビーム走査方向がＹ方向である。Ｙ方向に並んで複数のグループＧ１〜Ｇ４が設定され、各グループＧ１−Ｇ４はＸ方向に直線的に並んだ４つの振動素子によって構成される。図６に示す例においては、Ｘ方向及びＹ方向に交差する斜めの方向にビーム走査方向が設定されている。この場合にも、４つのグループＧ１−Ｇ４が設定されるが、各グループの形態（形状及び素子数）は、図４及び図５に示したものと異なっている。つまり、グループＧ１は、Ｘ方向に並んだ３つの振動素子によって構成され、グループＧ２は、Ｌ字形の配列をもった４つの振動素子とサブアレイ１８の右上隅の１つの振動素子とによって構成されている。グループＧ３は、グループＧ２と同じ形状を有するが、その向きが１８０度異なっている。グループＧ４は、グループＧ１と同様に、Ｘ方向に並んだ３つの振動素子によって構成されている。ただし、グループＧ１がサブアレイ１８の左上隅に設定されているのに対し、グループＧ４はサブアレイ１８の右下隅に設定されている。本実施形態では、図４−６に示したように、ビーム走査方向に応じて、各グループを構成する振動素子の個数を可変に（非固定的に）設定できる。

各グループの形態を定める場合には、できる限りサイドローブが生じないように配慮するのが望ましい。１つのサブアレイ当たり、より多くのグループを設定すれば、それだけグルーピングパターンの自由度が大きくなり、より良好なビームを形成できることになるが、その一方、チャンネルリダクションの利点が少なくなる。よって、ビームプロファイルに要求される精度などに応じて、１つのサブアレイを構成する振動素子数及びグループ数などを定めるのが望ましい。

上述したように、本実施形態においては、各グループを構成する振動素子の個数を自在に設定することができる。図６に示した例では、ビーム走査方向に応じて良好なビームプロファイルを得るために、Ｇ１及びＧ４がそれぞれ３つの振動素子で構成され、Ｇ２及びＧ３がそれぞれ５つの振動素子で構成されている。このように、ビーム走査方向に応じてグルーピングパターンを動的に変更するのが望ましく、これについて、更に図１９及び図２０を用いて詳細に説明する。

図１９には、ビーム走査方向の変化に伴う、グルーピングパターンの変化についての一例が示されている。図１９に示す例では、サブアレイ１８を構成する全振動素子が有効振動子として機能している。（Ａ）にはビーム走査方向が０°の場合のグルーピングパターンが示されており（これは図４に示したパターンと同一である）、（Ｂ）にはビーム走査方向が１０°の場合のグルーピングパターンが示されており、（Ｃ）にはビーム走査方向が２０°の場合のグルーピングパターンが示されており、（Ｄ）にはビーム走査方向が３０°の場合のグルーピングパターンが示されている。ビーム走査方向に応じて、各グループの形状及び各グループを構成する振動素子数が変動している。これによって、良好な超音波ビームを形成することができる。

図２０には、ビーム走査方向の変化に伴う、グルーピングパターンの変化についての他の例が示されている。図２０に示す例では、サブアレイ１８を構成する全振動素子の内で一部の振動素子が無効素子２６０とされており、それ以外の振動素子が有効振動素子である。（Ａ）にはビーム走査方向が１０°の場合のグルーピングパターンが示されており、（Ｂ）にはビーム走査方向が２０°の場合のグルーピングパターンが示されており、（Ｃ）にはビーム走査方向が３４°の場合のグルーピングパターンが示されており、（Ｄ）にはビーム走査方向が４５°の場合のグルーピングパターンが示されている。ビーム走査方向に応じて、各グループの形状及び各グループを構成する振動素子数が変動している。また、無効素子の個数も変動している。これによって、より良好な超音波ビームを形成することができる。

図７には、サブ整相加算処理におけるサブ遅延量と、メイン整相加算処理におけるメイン遅延量、の関係が概念的に示されている。サブ遅延量は、各グループごとに設定される相対的な遅延量であり、メイン遅延量は各サブアレイの全体に対するオフセット遅延量に相当する。本実施形態では、二段階の整相加算処理に対応して、各グループごとの受信遅延量は、サブ遅延量とメイン遅延量とに分離される。一方、各グループごとの送信遅延量についてはそのような分離はなされない。

符号２０６は、焦点Ｆから等距離のラインを示し、それは広がりをもった仮想音源として考えることができる。そのライン２０６上に各振動素子を並べれば、焦点Ｆにおいて各振動素子から送波される超音波の位相を完全に一致させることができ、且つ、各振動素子で受波される超音波（反射波）の位相を完全に一致させることができる。しかし、実際には、符号２００で示される実振動子面上に複数の振動素子が並んでおり、また焦点Ｆも変動する。焦点Ｆに対して各振動素子からの超音波の位相を合わせ、また、各振動素子から出力される受信信号の位相を一致させるために、周知の電子フォーカス技術が適用される。本実施形態では、各サブアレイにおける各グループごとに、送信信号及び受信信号に対する電子的な遅延処理がなされる。

図７において、符号２０２及び２０４は、それぞれ、サブアレイに相当する部分開口を示している。図７に示す幾何学的関係では、部分開口２０２、２０４の左端部（左端側のグループ）に対して最も大きな遅延時間が付与される。その一方、部分開口２０２、２０４の右端部（右端側のグループ）に対して最も小さな遅延時間が付与される。ライン２０８，２１０は、焦点Ｆからそれぞれ等距離の位置に描かれ、図７に示す例では、それぞれのライン２０８，２１０が部分開口２０２，２０４の右端を通過している。部分開口２０２に関しては、ライン２０８とライン２０６との間がメイン遅延量に相当し、それがＴ２で示されている。また、部分開口２０２の左端において、実振動子面２００とライン２０８との間としてサブ遅延量Ｔ１が示されている。つまり、メイン遅延量は、部分開口２０２の全体にわたって共通であり、サブ遅延量は、部分開口２０２内におけるグループ位置（例えばグループ中心位置）によって異なる。このことは、部分開口２０４についても同様であり、それに関しては、メイン遅延量がＴ４で表され、左端におけるサブ遅延量がＴ３で示されている。なお、本実施形態では、各サブアレイにおける各グループごとに個別的にサブ遅延時間を設定するようにしているが、複数のサブアレイにおいて、素子番号（素子位置あるいは素子アドレス）が同じ振動素子同士に対して、同じサブ遅延時間を与えるようにすることもできる。そのような構成によれば、ビーム集束性が低下するものの、制御を簡略化できる。

図８には、プローブヘッド１０と三次元エコーデータ取込空間の一部２２０との関係が示されている。符号２２４は送信ビームを表しており、本実施形態においては、１つの送信ビーム２２４に対して１６個の受信ビーム２２８が同時に形成される。

三次元エコー取込空間２２０の底面として模式的に表されているマトリクス２２２は、受信ビーム２２４のアドレスを示しており、図８においては、Ｘ方向に１６アドレス、Ｙ方向に１６アドレスがそれぞれ示されている。つまり受信ビームのアドレス数は全部で２５６個である。符号２２６に示す円で概念的に示されるように、送信ビーム２２４は１６本の受信ビーム２２８をカバーするブロードなビームプロファイルを有している。これに対して各受信ビーム２２８はシャープなビームプロファイルを有している。

図９及び図１０には送受信条件がテーブルとして示されている。図９に示されるように、送信ビームアドレスが定められると、各サブアレイごとにグルーピングパターン、送信遅延量セット、及び、受信サブ遅延量セット（符号２２９参照）が決定される。送信遅延量セットは、この例では、サブアレイを構成する４つのグループに与える４つの遅延量からなるものである。受信サブ遅延量セットは、この例では、サブアレイを構成する４つのグループに与える４つのサブ遅延量からなるものである。ちなみに、受信サブ遅延量セットを構成する各サブ遅延量の値を受信点深さに応じて動的に変更するようにしてもよい。

図１０には、送信ビームアドレスごとに設定される受信ビームごとの受信メイン遅延量セット２３０が示されている。この受信メイン遅延量セット２３０は本実施形態において１２８個のメイン遅延量で構成され、各メイン遅延量は受信ダイナミックフォーカスを実現するために受信点の深さに応じて動的に可変設定される。

なお、図２に示した送信部３６が各グループごとに低電圧の送信信号を生成するようにしてもよい。この場合おける送信信号の電圧は、例えば±４．５Ｖ、±９Ｖといった数Ｖ−十数Ｖ程度である。振動素子１６ａとして例えば積層型振動素子を用いれば、その電気的インピーダンスを数百Ω程度に下げることができる。そのような振動素子１６ａを用いれば、それを低電圧で駆動しても充分な音響パワーを得ることが可能となる。但し、従来同様に振動素子を高電圧で駆動してもよい。

上記の実施形態によれば、プローブヘッド１０内においてグルーピング及びサブ整相加算処理が実行され、１６個の受信信号が１つのサブ整相加算信号に集約されるため、プローブケーブル１４を構成する信号線の本数を著しく削減できるという利点がある。また、プローブヘッド１０内に送信部を設けるようにしたので、各送信チャンネルごとにすなわち各グループごとに、送信信号を装置本体１２側から供給する必要がなくなる。装置本体１２においては、プローブヘッド１０内における送信部をリモートコントロールするだけでよいという利点がある。また、上記実施形態においては、１つの送信ビーム当たり１６個の受信ビームが同時に形成され、すなわち、１回の送受信で１６個の受信情報を得ることが可能であるので、ボリュームレートを向上できるという利点がある。なお、以上のように得られたメイン整相加算後の複数の受信信号を用いて三次元超音波画像が形成され、あるいは、三次元データ取込空間を任意方向から観察した切断面に相当する断層画像などが形成される。

上述した実施形態においては、プローブヘッド１０と装置本体１２との間において、アナログ信号の形式でサブ整相加算信号が伝送されていたが、もちろんデジタル信号の形式でサブ整相加算信号を伝送するようにしてもよい。

次に、図１１−１７を用いて、第２及び第３の実施形態について説明する。この第２及び第３の実施形態においても、上記の第１実施形態と同様に、プローブヘッド内において、マルチプレクサを用いてグルーピング（つまり、チャンネルリダクション）が行われている。但し、サブ整相加算処理は、プローブヘッド内ではなく、コネクタ内（図１１）あるいは装置本体内（図１２）で行われる。第２及び第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、図４，５，６、１９，２０に示したグルーピングパターンを含む多様なグルーピングパターンを設定できる。

図１１には第２の実施形態が示されている。超音波診断装置は、大別して、プローブユニットと、装置本体３１２と、で構成される。プローブユニットは、プローブヘッド３１０、プローブケーブル３１４Ａ、及び、ケーブルコネクタ３１４Ｂで構成される。プローブケーブル３１４Ａは、後述する複数の信号線を有している。ケーブルコネクタ３１４Ｂは、装置本体３１２に対して着脱自在に接続される。ケーブルコネクタ３１４Ｂは箱型の形態を有する。図１１に示す例において、ケーブルコネクタ３１４Ｂ内に以下に説明する電子回路が収容されている。ちなみに、後に図１２に示すように、その電子回路については装置本体内に設けることもできる。

プローブヘッド３１０は、例えば生体表面上に当接して用いられ、超音波の送受波を行う。プローブヘッド３１０は、２Ｄアレイ振動子３１６を有している。２Ｄアレイ振動子３１６は、多数の（例えば４０００個程度の）振動素子３１６ａで構成される。２Ｄアレイ振動子３１６によって超音波ビームが形成される。その超音波ビームが二次元的に電子走査される。

２Ｄアレイ振動子３１６に対して、複数の２Ｄサブアレイ３１８が設定される（図３参照）。本実施形態において、１２８個のサブアレイ３１８が設定されている。各サブアレイ３１８は、本実施形態において、１６個の振動素子３１６ａによって構成される。２Ｄアレイ振動子３１６上においては、複数のサブアレイ３１８が互いに密に連結している。各サブアレイ３１８は矩形形状を有し、それらは固定的に設定されている。但し、例えば送受信条件（特にビーム走査方向）に応じて、各サブアレイの形態を適応的に可変設定することも可能である。

本実施形態において、１２８個のサブアレイ３１８に対応して１２８個のチャンネルリダクションユニット３２０が設けられている。すなわち、１つのサブアレイ３１８に対して１つのチャンネルリダクションユニット３２０が対応付けられている。各チャンネルリダクションユニット３２０は、それに対応する特定のサブアレイを構成する１６個の振動素子を４つのグループにグルーピングする機能を有している。これによって、１／４のチャンネルリダクション率が実現されている。ある１つのサブアレイ１８に着目すると、装置本体１２側から供給される４つの送信信号が４つのグループに対して供給される。通常、１つのグループが２以上の振動素子によって構成され、１つの送信信号は２以上の振動素子に対して並列的に供給される。受信に関しては、１６個の受信信号が４つのグループ受信信号に集約されることになる。通常、１つのグループが２以上の振動素子で構成されるために、２以上の受信信号が加算されて１つのグループ受信信号が生成される。後に説明するように、本実施形態において、そのような複数の受信信号の加算はマルチプレクサにおける複数の信号線の接続によって達成されている。その場合において、複数の受信信号を重み付け加算するようにしてもよい。

いずれにしても、各サブアレイ３１８ごとに、１６個の振動素子が４つのグループにグルーピングされるため、プローブヘッド３１０内において、送信チャンネル及び受信チャンネルの個数をそれぞれ４分の１にすることができるという利点がある。また、後述するように、複数の送信部３２４がプローブヘッド３１０の外部に設けられているため、プローブヘッド３１０の内部に複数の送信部を設けることにより生じる電力消費の増大あるいは物理的な規模の増大といった問題が回避されている。すなわち、上記の第１の実施形態ではプローブヘッド内に複数の送信部が設けられていたが、この図１１に示す構成では、以下に説明するように、複数の送信部３２４がコネクタ３１４Ｂ内に設けられている。

プローブケーブル３１４Ａには複数の信号線４００が含まれる。具体的には、各サブアレイ３１８ごとに４つの信号線４００が設けられ、２Ｄアレイ振動子３１６全体としては１２８×４個の信号線４００が設けられている。それらの信号線４００とは別に、プローブケーブル３１４Ａ内には１又は複数の制御線４０２Ａが含まれる。その制御線４０２Ａを用いてプローブヘッド３１０内における各構成の動作制御が行われている。ちなみに、装置本体３１２側からプローブヘッド３１０に対して供給される電源ラインなどは図示省略されている。

図１１に示す構成例において、ケーブルコネクタ３１４Ｂ内には、複数の送受信モジュール３２２が設けられている。１つのサブアレイごとに１つの送受信モジュール３２２が設けられ、すなわちケーブルコネクタ３１４Ｂ内には本実施形態において１２８個の送受信モジュール３２２が設けられている。

各送受信モジュール３２２は、送信部３２４及びサブ整相加算回路３２６を有している。送信部３２４は、後に説明するように、４つの送信器を有しており、それらの４つの送信器から出力される４つの送信信号がプローブケーブルを介して対応するチャンネルリダクションユニット３２０へ供給される。そして、４つの送信信号が４つのグループに対して供給される。

サブ整相加算回路３２６は、入力される４つのグループ受信信号に対して、第１段階目の整相加算として、サブ整相加算処理を実行する。これによって４つの受信信号が１つのサブ整相加算信号に集約されることになる。その信号が符号４０３で示されている。装置本体３１２内にはメイン整相加算回路３２８及び送受信制御部３２９が設けられる。メイン整相加算回路３２８は１２８個のサブアレイに対応して得られた１２８個のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を実行する。すなわち、２段階目の整相加算処理を実行し、これによってメイン整相加算信号４０４を得ている。このように、整相加算手段が複数のサブビームフォーマー及び１つのメインビームフォーマーによって構成されている。ケーブルコネクタ３１４Ｂと装置本体３１２との間においては基本的に１２８個の伝送ラインを利用して受信信号の伝送が行われている。よって、既存の超音波診断装置の信号伝送方式をそのまま利用できるという利点がある。また、メイン整相加算回路３２８についても既存の超音波診断装置に設けられているビームフォーマーをそのまま利用できるという利点がある。もちろん、専用のメイン整相加算回路３２８を設けるようにしてもよい。

送受信制御部３２９は図示されていない主制御部によって動作制御され、図１１に示される各構成の動作制御を行っている。特に、プローブコネクタ３１４Ｂ内における各構成に対してコントロール信号４０２Ｂを出力しており、また、プローブヘッド３１０内に含まれる各構成に対してコントロール信号４０２Ａを出力している。

図１１に示す実施形態においては、装置本体３１２内に１つのメイン整相加算回路３２８が設けられていたが、上記第１実施形態と同様に、所望数のメイン整相加算回路３２８を並列的に設けて、１送信あたり複数の受信ビームを同時形成するようにしてもよい。

図１２には、第３の実施形態が示されている。図１１に示した構成と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。図１２に示す構成例では、図１１に示した複数の送受信モジュール３２２が装置本体１２内に設けられている。図１２においては、ケーブルコネクタについては図示省略されている。このような構成によっても、プローブヘッド３１０においてチャンネルリダクションを行って信号線４００の本数を削減できるという利点がある。送受信制御部３２９は図１２に示される各構成の動作制御を行っており、プローブヘッド３１０に対してはコントロール信号を与えている。

なお、図１１及び図１２に示す構成において、プローブケーブル３１４における信号伝送に関しては、送信信号を電圧信号として伝送し、受信信号を電流信号として伝送するようにしてもよい。また、送信信号については、例えば、数Ｖ−十数Ｖといった低電圧の信号とするようにしてもよい。その例としては、例えば±４．５Ｖあるいは±９Ｖといった電圧をあげることができる。そのような低電圧の送信信号によって各振動素子を駆動する場合、各振動素子として積層化された素子を利用して、各振動素子を電気的に低インピーダンスとするのが望ましい。その構成によれば、低電圧駆動によっても充分な音響パワーを得ることが可能となる。もちろん、送信信号としては例えば１００Ｖといった高電圧の信号を用いることもできる。

この第３の実施形態においても、第１の実施形態（及び第２の実施形態）と同様に、アレイ振動子３１６が２Ｄアレイ振動子として構成される。そのアレイ振動子３１６上には、複数のサブアレイ３１８が設定される（図３参照）。各サブアレイ３１８は四角形の形状を有する。また、この第３の実施形態においても、第１実施形態と同様に、各サブアレイ３１８ごとに、送受信条件に従ってグルーピングパターンが設定される（図４−６参照）。また、この第３の実施形態においても、第１及び第２の実施形態と同様に、図７に示した条件に従って、各グループごとにサブ遅延量が設定され、各サブアレイごとにメイン遅延量が設定される。

次に、図１３−１６を用いて、第２及び第３の実施形態におけるチャンネルリダクションユニット３２０及び送受信モジュール３２２の構成例を説明する。なお、各図において、同様の構成には同一符号を付してある。

図１３において、サブアレイ３１８にはマルチプレクサ３３０が接続されている。このマルチプレクサ３３０はスイッチングマトリクスであり、すなわちスイッチング手段あるいはグループ設定手段として機能する。マルチプレクサ３３０は、サブアレイ３１８側に１６個の端子を有し、その一方、プローブケーブル側に４つの端子を有している。すなわち、それらの１６個の端子及び４つの端子の間において任意の配線を行うことが可能であり、これによって所望のグルーピングパターンを設定することが可能である。各グループを構成する振動素子の個数は本実施形態において可変設定されているが、それらの個数を各グループ間で同一にすることも可能である。なお、複数のサブアレイにおいて、グルーピングパターンをそれぞれ同一にすることもできるし、各サブアレイが配置されている位置あるいは送受信条件などに応じて、それぞれのサブアレイごとに所望のグルーピングパターンを設定するようにしてもよい。

図１３に示す構成例において、チャンネルリダクションユニット３２０には４つの伝送回路３３２が設けられる。この伝送回路３３２は、受信信号及び送信信号を伝送する機能を有する。伝送回路３３２は、例えば、電流−電圧変換回路として動作する。伝送回路３３２及び後述する伝送回路３３４としては各種の構成を採用できる。

一方、送受信モジュール３２２には、送信部３２４を構成する複数の送信器３３６が設けられている。本実施形態においては４つの送信器３３６が設けられ、それらの４つの送信器３３６によって４つの送信信号が生成されている。その送信信号は、送受信モジュール３２２内に設けられた４つの伝送回路３３４を介してプローブヘッド側へ供給される。各伝送回路３３４は、受信信号を受け入れる終端回路として機能し、また送信信号を伝送する回路として機能する。

送受信モジュール３２２は、サブビームフォーマーとして機能するサブ整相加算回路３２６を有する。図１３に示す例では、サブ整相加算回路３２６がアナログ整相加算回路として構成されており、具体的には、サブ整相加算回路３２６がスイッチングマトリクス３３０と遅延線３４１とを有している。遅延線３４１は各遅延量ごとに対応付けられた多数のタップを有しており、スイッチングマトリクス３３０は、入力される４つの受信信号をそれぞれ受信サブディレイ量に対応したタップへ供給する。これによってアナログ的にサブ整相加算処理が達成される。この処理によりサブ整相加算信号４０３が生成される。スイッチングマトリクス３３０は、１６個の素子信号線と４つのグループ信号線との交点に設けられた複数のスイッチ（図示せず）を有する。各スイッチのオンオフ動作によって、各グループ信号線に対して、１又は複数の素子信号線が接続される。

図１４に示す構成例では、送受信モジュール３２２内に複数の伝送回路３４０が設けられている。それらの伝送回路３４０とマルチプレクサ３３０とが直接的に接続されている。各伝送回路３４０は送信用パルサー及び受信用ヘッドアンプ回路として機能するものであってもよい。

図１５に示す構成例では、サブ整相加算回路３２６がデジタルビームフォーマーとして構成されている。すなわち、サブ整相加算回路３２６は、４つのＡ／Ｄ変換器３４２、４つのメモリ３４６、加算器３５０及びタイミングコントローラ３４８を有している。各伝送回路３３４から出力される受信信号（グループ受信信号）は、それに対応して設けられたＡ／Ｄ変換器３４２においてアナログ信号の形式からデジタル信号の形式へ変換され、その変換された信号がメモリ３４６上に一旦格納される。タイミングコントローラ３４８は、４つのメモリ３４６に対する信号の読み出しタイミングを制御することにより、各信号に対して遅延時間を付与する。４つのメモリ３４６から読み出される４つの信号が加算器３５０において加算される。その結果として、デジタル信号としてサブ整相加算信号４０３が得られる。

図１６に示す構成例では、送受信モジュール３２２がサブデジタルビームフォーマーを有する点で図１５に示す構成例と同一であるが、送受信モジュール３２２側だけに４つの伝送回路３４０が設けられている点が図１５に示した構成例と異なっている。すなわち、各伝送回路３４０は図１４に示した各伝送回路３４０と同様にパルサー／ヘッドアンプ回路として機能し、それぞれの伝送回路３４０はマルチプレクサ３３０に対して直接的に接続されている。

図１７に示す構成例では、図１６（及び図１４）に示した構成例と同様に、送受信モジュール３２２が４つの伝送回路３４０を有しているが、サブ整相加算回路３２６がＣＣＤデバイスを用いたアナログ整相加算回路として構成されている。すなわち、４つの受信信号（４つのグループ受信信号）に対応して４つのＣＣＤ３５２及びスイッチング回路３５４が設けられ、コントローラ３６０からＣＣＤ３５２に対してクロック信号が与えられ、スイッチング回路３５４に対して制御信号が与えられている。

ＣＣＤ３５２においては、クロックに同期して、入力される信号が順次伝送され、コントローラ３６０によって指定された位置から信号が取り出される。つまり、そのような信号の取り出し点を適宜設定することにより、信号に対して所望の遅延時間を与えることが可能となる。取り出された信号はアンプ３５６を介して加算器３５８に出力されている。加算器３５８においては遅延処理された４つの信号が加算されており、これによってアナログ信号としてのサブ整相加算信号４０３が生成されている。コントローラ３６０は複数のサブ整相加算回路の全体を制御している。

以上のように、上記の第１、第２及び第３の実施形態においては、各サブアレイごとに例えば１６個の受信信号が例えば４つにグルーピングされ、すなわちプローブヘッド内においてチャンネルリダクションが実現されているために、プローブケーブル内を伝送する信号線の本数を削減できる。また、上記の第１、第２及び第３の実施形態においては、送受信条件に応じて、各サブアレイ上のグルーピングパターンが動的に変更されるので、良好なビームを形成できる。特に、各グループを構成する振動素子の個数を可変できるので、サイドローブを低減でき、あるいは、ビームプロファイルを良好にできる。

本発明に係る超音波診断装置の第１の実施形態を示すブロック図である。 図１に示すサブ送受信部の構成例を示す回路図である。 アレイ振動子とサブアレイとの関係を示す図である。 サブアレイ上でのグルーピングパターンの第１例を示す図である。 サブアレイ上でのグルーピングパターンの第２例を示す図である。 サブアレイ上でのグルーピングパターンの第３例を示す図である。 メインディレイ（メイン遅延量）とサブディレイ（サブ遅延量）の関係を説明するための図である。 １つの送信ビームに対して１６個の受信ビームが同時に形成される状態を示す図である。 送信ビームアドレスと各サブアレイに定められる動作条件との関係を示す図である。 送信ビームアドレスと各受信ビームごとのメイン遅延量セットとの関係を示す図である。 本発明に係る超音波診断装置の第２の実施形態を示すブロック図である。 本発明に係る超音波診断装置の第３の実施形態を示すブロック図である。 チャンネルリダクションユニット及び送受信モジュールの第１構成例を示す図である。 チャンネルリダクションユニット及び送受信モジュールの第２構成例を示す図である。 チャンネルリダクションユニット及び送受信モジュールの第３構成例を示す図である。 チャンネルリダクションユニット及び送受信モジュールの第４構成例を示す図である。 チャンネルリダクションユニット及び送受信モジュールの第５構成例を示す図である。 本発明に係る超音波診断装置の全体的な構成を示すブロック図である。 サブアレイ上でのグルーピングパターンの他の例を示す図である。 サブアレイ上でのグルーピングパターンの更に他の例を示す図である。

符号の説明

１０ プローブヘッド、１２ 装置本体、１６ ２Ｄアレイ振動子、１８ サブアレイ、２０ サブ送受信部、２２ サブ送信制御部、２４ サブ受信制御部、２７ メイン整相加算部、３２ 送受信制御部。

Claims (39)

1. 複数のサブアレイに区分される複数の振動素子で構成されるアレイ振動子と、
   前記各サブアレイ内の複数の振動素子に対して、ビーム形成条件に応じて、複数のグループを設定する手段であって、前記各グループを構成する振動素子の個数を可変することが可能なグループ設定部と、
   前記各サブアレイに設定された複数のグループに対して、複数の送信信号を供給する送信部と、
   前記各サブアレイに設定された複数のグループに対応する複数のグループ受信信号を処理する受信部と、
   を含むことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   前記アレイ振動子は２Ｄアレイ振動子であり、
   前記各サブアレイは２Ｄサブアレイであることを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   前記各グループを構成する複数の振動素子から出力された複数の受信信号を加算することによって前記グループ受信信号が生成されることを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   前記各送信信号がそれに対応するグループを構成する複数の振動素子に対して並列的に供給されることを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   前記グループ設定部はスイッチング回路を有し、
   前記スイッチング回路は、受信時に、前記各グループごとに複数の受信信号を加算することによって、受信チャンネルリダクションを実行し、及び、送信時に、前記各グループごとに同じ送信信号を複数の振動素子へ並列的に出力することによって、送信チャンネルリダクションを実行する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項５記載の超音波診断装置において、
   前記スイッチング回路は、前記サブアレイ内の複数の振動素子と、複数のグループ信号線と、を選択的に接続するスイッチングマトリクス回路であり、
   前記スイッチングマトリクス回路は、前記サブアレイ内の各振動素子を前記複数のグループ信号線の中から選択されたグループ信号線へ接続し、
   前記スイッチングマトリクス回路は、前記各グループ信号線に対して任意数の振動素子を接続することが可能であることを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項６記載の超音波診断装置において、
   前記スイッチングマトリクス回路は、前記ビーム形成条件に応じて、前記各グループ信号線に対して接続する振動素子の個数を可変することを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項６記載の超音波診断装置において、
   前記ビーム形成条件に応じて、前記各サブアレイを構成する複数の振動素子が、複数の有効振動素子と、１又は複数の無効振動素子と、に区分され、
   前記複数の有効振動素子が前記複数のグループ信号線に接続されることを特徴とする超音波診断装置。
9. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   更に、前記各グループを構成する振動素子数に応じて、前記各グループ受信信号に対して重み付け処理を行う手段を含むことを特徴とする超音波診断装置。
10. 請求項１記載の超音波診断装置において、
    前記各サブアレイにおけるグループ設定パターンを動的に切り換え可能であることを特徴とする超音波診断装置。
11. 請求項１記載の超音波診断装置において、
    前記アレイ振動子及び前記グループ設定部が、プローブヘッド内に設けられたことを特徴とする超音波診断装置。
12. 請求項１１記載の超音波診断装置において、
    前記プローブヘッド内には、更に、前記送信部が設けられたことを特徴とする超音波診断装置。
13. 請求項１記載の超音波診断装置において、
    前記受信部は、
    前記複数のサブアレイに対応して設けられた複数の回路であって、それぞれが複数のグループ受信信号に対してサブ整相加算処理を行ってサブ整相加算信号を出力する複数のサブ整相加算回路と、
    前記複数のサブ整相加算回路から出力された複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を行う少なくとも１つのメイン整相加算回路と、
    を含むことを特徴とする超音波診断装置。
14. 請求項１３記載の超音波診断装置において、
    前記アレイ振動子、前記グループ設定部、及び、前記複数のサブ整相加算回路が、プローブヘッド内に設けられたことを特徴とする超音波診断装置。
15. 請求項１３記載の超音波診断装置において、
    前記受信部は、更に、複数のメイン整相加算回路を有し、
    １回の受信で複数の受信ビームが同時形成されることを特徴とする超音波診断装置。
16. 請求項１記載の超音波診断装置において、
    前記グループ設定部は、前記複数のサブアレイに対応して設けられた複数の回路であって、それぞれが前記各サブアレイ内のｍ個の振動素子をｎ（但し１＜ｎ＜ｍ）個のグループにグルーピングする複数のスイッチング回路を含むことを特徴とする超音波診断装置。
17. 請求項１記載の超音波診断装置において、
    前記グループ設定部は、前記ビーム形成条件としてのビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイについてのグループ設定パターンを動的に切り換えることを特徴とする超音波診断装置。
18. 請求項１７記載の超音波診断装置において、
    前記グループ設定パターンの切り換えには、各グループを構成する振動素子数及び各グループの形状の切り換えが含まれることを特徴とする超音波診断装置。
19. 請求項１８記載の超音波診断装置において、
    前記グループ設定パターンの切り換えには、更に、前記各サブアレイに１又は複数の無効振動素子を含めるか否かの切り換えが含まれることを特徴とする超音波診断装置。
20. プローブヘッドと、
    前記プローブヘッド内に設けられ、ｋ（但し１＜ｋ）個のサブアレイに区分される複数の振動素子で構成されるアレイ振動子と、
    前記プローブヘッド内に設けられ、前記各サブアレイ内のｍ個の振動素子に対して、ビーム形成条件に応じて、ｎ（但し１＜ｎ＜ｍ）個のグループを設定する手段であって、前記各グループを構成する振動素子の個数を可変することが可能なグループ設定部と、
    前記プローブヘッド内において、前記ｋ個のサブアレイに対応して設けられたｋ個の回路であって、それぞれが、それに対応するサブアレイに設定されたｎ個のグループに対してｎ個の送信信号を供給するｋ個の送信回路と、
    前記プローブヘッド内において、前記ｋ個のサブアレイに対応して設けられたｋ個の回路であって、それぞれが、ｎ個のグループ受信信号に対してサブ整相加算処理を行ってサブ整相加算信号を出力するｋ個のサブ整相加算回路と、
    を含むことを特徴とする超音波診断装置。
21. 請求項２０記載の超音波診断装置において、
    更に、前記ｋ個のサブ整相加算回路から出力されたｋ個のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を行う１又は複数のメイン整相加算回路を含むことを特徴とする超音波診断装置。
22. 請求項２０記載の超音波診断装置において、
    前記グループ設定部は、
    受信時に、グループを構成する複数の振動素子から出力された複数の受信信号を加算してグループ受信信号を生成し、
    送信時に、前記グループを構成する複数の振動素子に対して共通の送信信号を並列的に供給する、
    ことを特徴とする超音波診断装置。
23. 請求項２０記載の超音波診断装置において、
    前記グループ設定部は、スイッチングマトリクス回路を含み、
    前記スイッチングマトリクス回路は、１つのグループ信号線に対して任意数の振動素子を接続することが可能であることを特徴とする超音波診断装置。
24. プローブヘッドとしての第１のユニット、及び，前記第１のユニットに対してプローブケーブルを介して接続された第２のユニットを含む超音波診断装置において、
    前記第１のユニットは、
    複数のサブアレイに区分される複数の振動素子で構成されるアレイ振動子と、
    前記各サブアレイ内の複数の振動素子に対して、ビーム形成条件に応じて、複数のグループを設定する手段であって、前記各グループを構成する振動素子の個数を可変することが可能なグループ設定部と、
    を含み、
    前記第２のユニットは、
    前記グループ設定部に対して前記プローブケーブルを介して複数の送信信号セットを供給する送信部と、
    前記グループ設定部から前記プローブケーブルを介して出力される複数のグループ受信信号セットを処理する受信部と、
    を含むことを特徴とする超音波診断装置。
25. 請求項２４記載の超音波診断装置において、
    前記受信部は、
    前記複数のサブアレイに対応して設けられた複数の回路であって、それぞれが、それに入力されるグループ受信信号セットに対してサブ整相加算処理を行ってサブ整相加算信号を出力する複数のサブ整相加算回路と、
    前記複数のサブ整相加算回路から出力された複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を行うメイン整相加算回路と、
    を含むことを特徴とする超音波診断装置。
26. 請求項２４記載の超音波診断装置において、
    前記第２のユニットは、ケーブルコネクタ及び装置本体で構成され、
    前記ケーブルコネクタ内に少なくとも前記複数のサブ整相加算回路が収容されたことを特徴とする超音波診断装置。
27. 請求項２６記載の超音波診断装置において、
    前記ケーブルコネクタ内に更に前記送信部が設けられたことを特徴とする超音波診断装置。
28. 請求項２４記載の超音波診断装置において、
    前記第２のユニットは、装置本体で構成され、
    前記装置本体内に前記送信部及び前記受信部が設けられたことを特徴とする超音波診断装置。
29. 請求項２４記載の超音波診断装置において、
    前記グループ設定部は、前記各サブアレイ内のｍ個の振動素子をｎ（但し１＜ｎ＜ｍ）個のグループにグルーピングする複数のスイッチング回路を有することを特徴とする超音波診断装置。
30. 請求項２９記載の超音波診断装置において、
    前記ｍ個の振動素子はそれぞれ有効振動素子であり、
    前記ビーム形成条件に応じて、前記各サブアレイには、前記ｍ個の有効振動素子の他に、１又は複数の無効振動素子が含まれることを特徴とする超音波診断装置。
31. 請求項２４記載の超音波診断装置において、
    前記グループ設定部は、前記ビーム形成条件としてのビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイについてのグループ設定パターンを切り換えることを特徴とする超音波診断装置。
32. 請求項３１記載の超音波診断装置において、
    前記グループ設定パターンの切り換えには、各グループを構成する振動素子数及び各グループの形状の切り換えが含まれることを特徴とする超音波診断装置。
33. 請求項３２記載の超音波診断装置において、
    前記グループ設定パターンの切り換えには、更に、前記各サブアレイに１又は複数の無効振動素子を含めるか否かの切り換えが含まれることを特徴とする超音波診断装置。
34. 請求項２４記載の超音波診断装置において、
    前記第１のユニットと前記第２のユニットとの間で、送信信号が電圧信号として伝送され、且つ、受信信号が電流信号として伝送されることを特徴とする超音波診断装置。
35. 請求項２５記載の超音波診断装置において、
    前記各サブ整相加算回路は、遅延線を含むアナログ整相加算回路であることを特徴とする超音波診断装置。
36. 請求項２５記載の超音波診断装置において、
    前記各サブ整相加算回路は、デジタル整相加算回路であることを特徴とする超音波診断装置。
37. 請求項２５記載の超音波診断装置において、
    前記各サブ整相加算回路は、ＣＣＤを含む整相加算回路であることを特徴とする超音波診断装置。
38. プローブヘッドとしての第１のユニット、及び、前記第１のユニットに対して信号線群を介して接続された第２のユニットを含む超音波診断装置において、
    前記第１のユニットは、
    ｋ（但し１＜ｋ）個のサブアレイに区分される複数の振動素子からなるアレイ振動子と、
    前記各サブアレイ内のｍ個の振動素子に対して、ビーム形成条件に応じて、ｎ（但し１＜ｎ＜ｍ）個のグループを設定する手段であって、前記各グループを構成する振動素子の個数を可変することが可能なグループ設定部と、
    を含み、
    前記第２のユニットは、
    前記グループ設定部に対して前記信号線群を介してｋ個の送信信号セットを供給する送信部と、
    前記グループ設定部から前記信号線群を介して出力されるｋ個のグループ受信信号セットを処理する受信部と、
    を含み、
    前記各送信信号セットはそれぞれｎ個の送信信号で構成され、
    前記各グループ受信信号セットはそれぞれｎ個のグループ受信信号で構成されたことを特徴とする超音波診断装置。
39. 請求項３８記載の超音波診断装置において、
    前記受信部は、
    前記ｋ個のサブアレイに対応して設けられたｋ個の回路であって、それぞれが、それに入力されるグループ受信信号セットに対してサブ整相加算処理を行ってサブ整相加算信号を出力するｋ個のサブ整相加算回路と、
    前記ｋ個のサブ整相加算回路から出力されたｋ個のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を行う１又は複数のメイン整相加算回路と、
    を含むことを特徴とする超音波診断装置。

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