JP2015116256A - 超音波診断装置及び超音波プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】振動素子ごとの遅延時間の演算を容易に行うことを可能とする。
【解決手段】実施形態にかかる超音波診断装置は、超音波プローブと、遅延時間算出部と、送受信部と、画像生成部とを備える。遅延時間算出部は、超音波プローブの複数の振動素子の配列を区分したサブアレイごとに、サブアレイ内又はその近傍にある代表座標における超音波の送受信にかかる遅延時間を算出し、その遅延時間と、代表座標に対するサブアレイに含まれる各振動素子の差分とをもとに、各振動素子における遅延時間を近似して算出する。送受信部は、振動素子ごとに算出された遅延時間をもとに、超音波プローブの複数の振動素子における超音波の送受信を遅延時間を持って行わせる。画像生成部は、送受信部より受信された超音波から被検体の内部の画像データを生成する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置及び超音波プローブに関する。

従来、超音波診断装置では、超音波プローブに内蔵された複数の振動素子の各々に供給する駆動信号や、各々の振動素子から得られる受信信号の遅延時間を制御することにより超音波の集束点（焦点）を電子的に制御している。近年は、超音波プローブが１Ｄアレイプローブ（one dimensional array probe）から２Ｄアレイプローブ（two dimensional array probe）への移行が進んでいる。超音波プローブが１Ｄアレイプローブの場合は、横（ラテラル）方向へのみ振動素子が配列されていたが、２Ｄアレイプローブの場合は縦（エレベーション）方向への配列も加わる。このため、超音波プローブにおいては、振動素子の総素子数が飛躍的に増大している。

焦点と各振動素子との距離は、各振動素子の位置が異なることからそれぞれ異なった値となる。このため、焦点へ超音波を集束させるための遅延時間は、振動素子ごとに演算する必要があり、振動素子の総素子数の増大に伴って、遅延時間の演算量も増大していた。

特開２０１２−１５２４３２号公報

本発明が解決しようとする課題は、振動素子ごとの遅延時間の演算を容易に行うことを可能とする超音波診断装置及び超音波プローブを提供することである。

一実施形態にかかる超音波診断装置は、超音波プローブと、遅延時間算出部と、送受信部と、画像生成部とを備える。超音波プローブは、被検体に対して超音波の送受信を行うための複数の振動素子が配列される。遅延時間算出部は、前記複数の振動素子の配列を区分したサブアレイごとに、当該サブアレイ内又はその近傍にある代表座標における前記超音波の送受信にかかる遅延時間を算出し、当該遅延時間と、前記代表座標に対する前記サブアレイに含まれる各振動素子の差分とをもとに、前記各振動素子における遅延時間を近似して算出する。送受信部は、前記振動素子ごとに算出された遅延時間をもとに、前記超音波プローブの複数の振動素子における超音波の送受信を前記遅延時間を持って行わせる。画像生成部は、前記送受信部より受信された超音波から前記被検体の内部の画像データを生成する。

図１は、第１の実施形態にかかる超音波診断装置の構成を例示するブロック図である。 図２は、送受信部の詳細構成を例示するブロック図である。 図３は、超音波プローブにおける振動素子の配列を説明する説明図である。 図４は、サブアレイの代表座標と、サブアレイに含まれる振動素子の座標と、フォーカス座標との位置関係を説明する説明図である。 図５は、遅延計算部の演算構成を例示するブロック図である。 図６は、１Ｄアレイプローブにおける振動素子の配列を説明する説明図である。 図７は、比較例にかかる遅延計算部の演算構成を例示するブロック図である。 図８は、比較例にかかる遅延計算部の演算構成を例示するブロック図である。 図９は、第２の実施形態にかかる超音波プローブの構成を例示するブロック図である。 図１０は、変形例にかかる超音波診断装置の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、実施形態にかかる超音波診断装置及び超音波プローブを詳細に説明する。なお、以下の説明において、同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる超音波診断装置１００の構成を例示するブロック図である。図１に示すように、超音波診断装置１００は、超音波プローブ１と、モニタ２と、入力装置３と、装置本体１０とを有する。

超音波プローブ１は、プローブケーブル４などを介して装置本体１０と通信可能に接続される。なお、超音波プローブ１は、プローブケーブル４を介した有線接続だけでなく、無線などを介して装置本体１０と通信可能に接続される構成であってもよい。

超音波プローブ１は、被検体Ｐに対して超音波の送受信を行うための複数の振動素子が配列されている（図３参照）。これら複数の振動素子は、後述する装置本体１０が有する送受信部１１から供給される駆動信号に基づいて振動することで超音波を発生する圧電振動子などであってよい。また、超音波プローブ１の複数の振動素子は、被検体Ｐからの反射波を受信して電気信号に変換する。また、超音波プローブ１は、振動素子に設けられる整合層と、振動素子から後方への超音波の伝播を防止するバッキング材などを有する。なお、超音波プローブ１は、プローブケーブル４を介して装置本体１０と着脱自在に接続される。

超音波プローブ１から被検体Ｐに超音波が送信されると、送信された超音波は、被検体Ｐの体内組織における音響インピーダンスの不連続面で次々と反射され、反射波信号として超音波プローブ１が有する複数の振動素子にて受信される。受信される反射波信号の振幅は、超音波が反射される不連続面における音響インピーダンスの差に依存する。なお、送信された超音波パルスが、移動している血流や心臓壁などの表面で反射された場合の反射波信号は、ドプラ効果により、移動体の超音波送信方向に対する速度成分に依存して、周波数偏移を受ける。

ここで、本実施形態にかかる超音波プローブ１は、複数の振動素子がラテラル方向及びエレベーション方向にマトリックス状に配列されることで、被検体Ｐを３次元で超音波走査することが可能な２Ｄアレイプローブである（図３参照）。なお、超音波プローブ１は、振動素子ごとの超音波の送受信が遅延計算部１８で算出された遅延時間を持って行われることで、被検体Ｐ内部の所定の位置（焦点）に超音波を集束して走査することが可能である。

また、超音波プローブ１には、振動素子の近傍に温度センサ６０が設けられている。この温度センサ６０により検出された超音波プローブ１の温度は、プローブケーブル４を介して装置本体１０の制御部１７に通知される。

モニタ２は、超音波診断装置１００の操作者が入力装置３を用いて各種設定要求を入力するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したり、装置本体１０において生成された超音波画像などを表示したりする。例えば、モニタ２は、後述する画像生成部１４の処理によって生成された超音波画像を表示する。

入力装置３は、トラックボール、スイッチ、ダイヤル、タッチコマンドスクリーンなどを有する。入力装置３は、超音波診断装置１００の操作者からの各種設定要求を受け付け、装置本体１０に対して受け付けた各種設定要求を転送する。例えば、入力装置３は、２次元画像上の所定の位置を指定するための入力操作を受け付ける。

装置本体１０は、超音波プローブ１が受信した反射波に基づいて超音波画像を生成する装置である。具体的には、装置本体１０は、超音波プローブ１が受信した３次元の反射波データに基づいて３次元の超音波画像（ボリュームデータ）を生成可能な装置である。装置本体１０は、図１に示すように、送受信部１１と、Ｂモード処理部１２と、ドプラ処理部１３と、画像生成部１４と、画像メモリ１５と、内部記憶部１６と、制御部１７と、遅延計算部１８とを有する。

送受信部１１は、遅延計算部１８により超音波プローブ１の振動素子ごとに算出された遅延時間をもとに、超音波プローブ１の複数の振動素子における超音波の送受信を遅延時間を持って行わせる。

図２は、送受信部１１の詳細構成を例示するブロック図である。図２に示すように、送受信部１１は、放射した超音波を焦点に集束するための駆動信号を超音波プローブ１の複数の振動素子へ供給する送信部２１と、これらの振動素子ごとの複数チャンネルの受信信号を整相加算する受信部２２を備える。送信部２１は、パルス発生器２１１、送信遅延回路２１２及び駆動回路２１３を備えている。

パルス発生器２１１は、体内に放射される送信超音波の繰り返し周期を決定するレートパルスを、制御部１７から供給される基準信号を分周することによって生成し、得られたレートパルスを送信遅延回路２１２へ供給する。送信遅延回路２１２は、パルス発生器２１１より供給されたレートパルスに対し、遅延計算部１８により超音波プローブ１の振動素子ごとに算出された遅延時間をもとに、超音波プローブ１の振動素子ごとの遅延時間を与える。駆動回路２１３は、送信遅延回路２１２によって超音波プローブ１の振動素子ごとに遅延時間が与えられたレートパルスに基づいて、超音波プローブ１の複数の振動素子を駆動させる駆動信号を生成する。

受信部２２は、プリアンプ２２１、Ａ／Ｄ変換器２２２、受信遅延回路２２３及び加算器２２４を備えている。プリアンプ２２１は、超音波プローブ１の複数の振動素子から得られた受信信号（反射波信号）をチャンネルごとに増幅してゲイン補正処理を行う。Ａ／Ｄ変換器２２２は、ゲイン補正された受信信号をＡ／Ｄ変換する。受信遅延回路２２３は、Ａ／Ｄ変換された受信信号に対し、遅延計算部１８により超音波プローブ１の振動素子ごとに算出された遅延時間をもとに、受信信号のチャンネルごと（例えば、振動素子ごと）に遅延時間を与える。加算器２２４は、受信遅延回路２２３より出力された受信信号の加算処理を行って、反射波データを生成する。即ち、受信遅延回路２２３及び加算器２２４により、超音波送受信方向からの受信超音波に対応した受信信号は整相加算される。

Ｂモード処理部１２は、送受信部１１から反射波データを受信し、対数増幅、包絡線検波処理などを行って、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータ（Ｂモードデータ）を生成する。ここで、Ｂモード処理部１２は、検波周波数を変化させることで、映像化する周波数帯域を変えることができる。また、Ｂモード処理部１２は、一つの反射波データに対して、二つの検波周波数による検波処理を並列して行うことができる。

ドプラ処理部１３は、送受信部１１から受信した反射波データから速度情報を周波数解析し、ドプラ効果による血流や組織、造影剤エコー成分を抽出し、平均速度、分散、パワーなどの移動体情報を多点について抽出したデータ（ドプラデータ）を生成する。

なお、本実施形態にかかるＢモード処理部１２およびドプラ処理部１３は、２次元の反射波データおよび３次元の反射波データの両方について処理可能である。すなわち、本実施形態にかかるＢモード処理部１２は、３次元の反射波データから３次元のＢモードデータを生成することができる。また、本実施形態にかかるドプラ処理部１３は、３次元の反射波データから３次元のドプラデータを生成することができる。

画像生成部１４は、Ｂモード処理部１２及びドプラ処理部１３が生成したデータから超音波画像を生成する。すなわち、画像生成部１４は、Ｂモード処理部１２が生成したＢモードデータから反射波の強度を輝度にて表したＢモード画像を生成する。具体的には、画像生成部１４は、Ｂモード処理部１２が生成した３次元のＢモードデータから、３次元のＢモード画像を生成する。

また、画像生成部１４は、ドプラ処理部１３が生成したドプラデータから移動体情報を表す平均速度画像、分散画像、パワー画像、又は、これらの組み合わせ画像としてのカラードプラ画像を生成する。具体的には、画像生成部１４は、ドプラ処理部１３が生成した３次元のドプラデータから、３次元のカラードプラ画像を生成する。なお、以下では、画像生成部１４が生成した３次元のＢモード画像及び３次元のカラードプラ画像などの超音波画像をまとめて「ボリュームデータ」と記載する。

また、画像生成部１４は、生成したボリュームデータをモニタ２にて表示するための各種画像を生成することができる。また、画像生成部１４は、上述した各種画像に、種々のパラメータの文字情報、目盛り、ボディマークなどを合成した合成画像を生成することもできる。

画像メモリ１５は、画像生成部１４が生成したボリュームデータを記憶するメモリである。また、画像メモリ１５は、Ｂモード処理部１２やドプラ処理部１３が生成したデータを記憶することも可能である。

内部記憶部１６は、超音波送受信、画像処理及び表示処理を行うための制御プログラムや、診断情報（例えば、患者ＩＤ、医師の所見など）や、診断プロトコルや各種ボディマークなどの各種データを記憶する。また、内部記憶部１６は、必要に応じて、画像メモリ１５が記憶する画像（ボリュームデータ）の保管などにも使用される。

制御部１７は、情報処理装置（計算機）としての機能を実現する制御プロセッサ（ＣＰＵ：Central Processing Unit）であり、超音波診断装置１００の処理全体を制御する。具体的には、制御部１７は、入力装置３を介して操作者から入力された各種設定要求や、内部記憶部１６から読込んだ各種制御プログラム及び各種データに基づき、送受信部１１、Ｂモード処理部１２、ドプラ処理部１３、画像生成部１４及び遅延計算部１８の処理を制御する。また、制御部１７は、画像メモリ１５が記憶するボリュームデータや、内部記憶部１６が記憶する各種画像、又は、画像生成部１４による処理を行うためのＧＵＩ、画像生成部１４の処理結果などをモニタ２にて表示するように制御する。

遅延計算部１８は、制御部１７の制御のもと、所定の焦点へ超音波を集束させるための、超音波プローブ１の振動素子ごとの遅延時間を算出する演算回路である。具体的には、遅延計算部１８は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路であってよい。本実施形態では、動的再構成（Dynamic reconfiguration）により回路構成を動的に切り替えることが可能なＦＰＧＡを遅延計算部１８に用いるものとする。

制御部１７は、内部記憶部１６などに記憶された超音波プローブ１の振動素子ごとの遅延時間を算出するための要素（振動素子の座標、焦点の座標等）を読み出して遅延計算部１８に入力する。遅延計算部１８は、入力された要素をもとに、振動素子ごとの遅延時間を算出する。ここで、遅延計算部１８が算出する、振動素子ごとの遅延時間の詳細について説明する。

所定の焦点に超音波を集束するための振動素子ごとの遅延時間は、各振動素子から設定した焦点までの距離を計算し、それを音の速度から時間に換算して求める。ここで、焦点から各振動素子への距離は、各振動素子の位置（空間上の座標）が異なるためそれぞれ唯一のものである。したがって遅延時間も各振動素子に関して独自のものになる。すなわち、全ての振動素子に対して遅延計算を行う必要がある。

例えば、超音波プローブが１Ｄアレイプローブの場合は、ラテラル方向へのみ振動素子が配列されていたが、２Ｄアレイプローブの場合はエレベーション方向への配列も加わる。一例として、循環器用の２Ｄアレイプローブであり、ラテラル方向へ４８素子、エレベーション方向へ３６素子の場合は総素子数が１７２８となる。また、腹部用の２Ｄアレイプローブであり、ラテラル方向へ１２８素子、エレベーション方向へ３６素子の場合は総素子数が４６０８となる。このように、超音波プローブ１における振動素子の総素子数の増大に伴って、遅延時間の演算量も増大する。

このため、遅延計算部１８では、遅延時間の演算を容易に行うため、超音波プローブ１における複数の振動素子の配列を区分したサブアレイごとに、そのサブアレイ内又はその近傍にある代表座標における超音波の送受信にかかる遅延時間を算出する。そして、遅延計算部１８は、算出した代表座標の遅延時間と、代表座標に対する、サブアレイに含まれる各振動素子の差分とをもとに、各振動素子における遅延時間を近似して算出する。

図３は、超音波プローブ１における振動素子ｅ１〜ｅｉの配列を説明する説明図である。図３に示すように、超音波プローブ１における振動素子ｅ１〜ｅｉは、ラテラル方向及びエレベーション方向に配列されている。ここで、振動素子ｅ１〜ｅｉの全ての振動素子を、ラテラル方向及びエレベーション方向において隣接するもの同士の所定数の振動素子ごとのグループに分ける。これらのグループをサブアレイａと呼ぶ。なお、図３の例では、ラテラル方向に４素子、エレベーション方向に３素子であり、４×３の１２素子で一つのサブアレイａを構成しているが、ラテラル方向及びエレベーション方向における素子数については図示例に限定しない。

ここで、サブアレイａ内又はその近傍における空間座標上の１点に、サブアレイａ内の振動素子を代表する代表座標を設定する。例えば、サブアレイａ内の振動素子の空間的中点に代表座標を設定する。この代表座標は、グループ分けしたサブアレイａごとの値として内部記憶部１６などに予め設定されており、サブアレイａの代表的遅延（代表座標における遅延時間）を求めるために、制御部１７が内部記憶部１６より参照して遅延計算部１８に入力される要素の一つである。

遅延計算部１８では、入力された代表座標における遅延時間を代表的遅延として算出する。また、遅延計算部１８は、サブアレイａ内の振動素子の座標を制御部１７より受け付けて、サブアレイａ内の振動素子の座標を、代表座標との差分（差分座標）で表す。そして、遅延計算部１８は、実際に必要とする、各振動素子において独自な遅延時間を、先に述べた代表的遅延と、差分座標から近似して求める。

なお、代表座標は、サブアレイａ内の空間的中点に最も近い位置にある一つの振動素子の座標を設定してもよい。この場合は、サブアレイａ内における他の振動素子の遅延時間を、代表座標として設定した振動素子の遅延時間と、差分座標から近似して求めればよく、一つの振動素子の座標を代表座標としない場合に比べて遅延時間の演算を一つ減らすことができるので、演算を軽減できる。

図４は、サブアレイａの代表座標ｒｅｐと、サブアレイａに含まれる振動素子の座標Ｐと、フォーカス座標Ｆとの位置関係を説明する説明図である。図４に示すように、代表座標ｒｅｐが（ｘｒ ｙｒ ｚｒ）であり、フォーカス座標Ｆ（ｘｆ ｙｆ ｚｆ）からその代表座標ｒｅｐへの代表的遅延がｄｌｙ_ｒｅｐである。各振動素子と代表座標ｒｅｐとの差分は（ｄｘ_ｉ ｄｙ_ｉ ｄｚ_ｉ）で表わされる。したがって各振動素子の座標Ｐは、（ｘｒ＋ｄｘ_ｉ ｙｒ＋ｄｙ_ｉ ｚｒ＋ｄｚ_ｉ）で表わされる。ｄｌｙｉが実際にほしい各振動素子の遅延時間である。

図４に示した座標設定に従い、遅延時間ｄｌｙ_ｉの計算式を次の式（１）のように展開する。なお、式（１）では、遅延時間の演算にかかる音の速度での割り算は省略する。遅延時間の演算においては座標パラメータに距離‐時間変換を含めることが可能であることから、以降の説明では、音速による割り算を省略した形で遅延時間を表現する。

ここで、式（１）のルート内の最終項、差分座標の二乗については、｜dly_i｜に対して相対的に小さい値のさらに二乗であり十分小さくなるので、それらを無視する。これにより次の式（２）を得る。

式（２）のルート内の前方の３項は、次の式（３）に示す代表的遅延のルート内の各項に一致することがわかる。

ここで、次の式（４）を定義する。

ｄｌｙ_ｉをテイラー展開し、その２次項以降を無視すると、次の式（５）が得られる。

式（５）は、サブアレイａ内の各振動素子の遅延時間は、代表的遅延（ｄｌｙ_ｒｅｐ）と、式（４）の計算値（ｄｌｔａ_ｉ）との演算で求めることができる、ということを示している。つまり、従来どおりの理論式（後述の式（６）、式（７）参照）に則ってまともに遅延時間の計算をする必要があるのは代表座標に対してだけであり、各振動素子の遅延時間は四則演算により近似して求めることができるのである。ハードウエア規模、演算量を増大させるのは、一般に平方根を演算する部分であることから、上述した式（５）に則って計算する演算構成では、振動素子の素子数が増大する場合であっても、ハードウエア規模、演算量の増大を抑えることが可能である。

遅延計算部１８の演算構成は、上述した式（５）に則って各振動素子の遅延時間を算出する。図５は、遅延計算部１８の演算構成を例示するブロック図である。

図５に示すように、遅延計算部１８の演算構成は、足し算器１０１〜１０５と、掛け算器１１１〜１１３と、平方根回路１２０とにより代表的遅延（ｄｌｙ_ｒｅｐ）を求める部分と、代表的遅延の逆数を演算する逆数計算回路１３０と、サブアレイａ内の各振動素子に対する遅延を差分座標から近似して求める遅延算出部１４０とを備える。

ここで、遅延算出部１４０は、サブアレイａ内の振動素子の数用意される（例えば３×４の１２素子分）。これにより、１回の演算でサブアレイａ内全ての振動素子における遅延時間が求まることとなる。また、遅延算出部１４０は、掛け算器１４１〜１４３と、足し算器１４５、１４６とにより式（４）の計算値（ｄｌｔａ_ｉ）を求める部分と、逆数計算回路１３０からの出力を掛け合わせる掛け算器１４４と、代表的遅延（ｄｌｙ_ｒｅｐ）を加えて振動素子の遅延時間（ｄｌｙ_ｉ）を出力する足し算器１４７とを備える。

上述した演算構成を有する遅延計算部１８では、総振動素子数が例えば４６０８（サブアレイ内振動素子数１２）に対する遅延を計算するために要する時間は、クロック周波数を４０ＭＨｚとすると、０．０２５ ｕｓ ｘ ４６０８／１２ ＝ ９．６ ｕｓとなる。演算時間の目安を１０ｕｓ内とすると、上述した遅延計算部１８の演算構成で十分である。送受両方の遅延を計算させるためには、上述した遅延計算部１８の演算構成１セットでは不足だが、その場合はあと１セット増やすか、クロック周波数を８０ＭＨｚに上げるやり方がある。この１セット増やすやり方と、クロック周波数を上げるやり方とでは、発熱量の低減及び消費電力を極力抑えることを考慮すると、前者が選択肢となる。

ここで、サブアレイａごとに、各振動素子における遅延時間を近似して算出する上述した演算構成とは異なり、１Ｄアレイプローブ、２Ｄアレイプローブにおいて、振動素子ごとに遅延時間を演算する比較例を説明する。

図６は、１Ｄアレイプローブにおける振動素子ｅ１〜ｅｉの配列を説明する説明図である。図６に示すように、１Ｄアレイプローブでは、一方向（Ｘ方向）に振動素子ｅ１〜ｅｉが配列されている。ここで、Ｘ方向と直交するＹ、Ｚ方向のうち、超音波を照射する照射方向をＺ方向とする。そして、焦点の座標を（ｘ_ｆ ｚ_ｆ）、振動素子ｅｉの座標を（ｘｅ_ｉ ｚｅ_ｉ）とすると、遅延時間ｄｌｙ_ｉの計算式は、式（１）と同様、次の式（６）のように展開できる。

図７は、比較例にかかる演算構成を例示するブロック図であり、具体的には、上述した式（６）に則って１Ｄアレイプローブの各振動素子の遅延時間を算出する演算構成を示す図である。図７に示すように、式（６）に則って各振動素子の遅延時間を算出する演算構成では、足し算器１００１、１００２、１０２１と、掛け算器１０１１、１０１２とによりルート内を求める部分と、平方根回路１０３１とを備える。

平方根回路１０３１は比較的大規模な回路となるので、図７の演算構成が何セット必要になるかで、システムのコスト／電力に対する影響度が決まる。一度に全振動素子分の遅延時間が必要な場合、振動素子数が１２８であるとすると、図７の演算構成は１２８セット必要になる。しかしながら、実際には、ある送受信処理が終了した後、その次の処理のための準備期間（１０〜２０ｕｓ）が存在するので、その準備期間の間に遅延時間の演算ができればよい。また、図７の演算構成を振動素子間で共有し、順番にそれぞれの遅延時間を計算するというやり方がとられる。例えば演算構成を４０ＭＨｚで動作させるとして、１２８回の計算を実行するのに要する時間は、０．０２５ ｕｓ ｘ １２８ ＝ ３．２ ｕｓ、送受両方の遅延を計算しても６．４ｕｓで、十分準備期間内に終了する計算量である。つまり、振動素子数が１２８である１Ｄアレイプローブのフォーカスについては、図７の演算構成はただひとつ必要になるだけであり、システムへのコスト／電力の影響度は小さい。

同様に、２Ｄアレイプローブの比較例では、エレベーション方向（座標系ではＹ方向）への振動素子が加わるので、遅延時間の計算式は次の式（７）となる。

図８は、比較例にかかる演算構成を例示するブロック図であり、具体的には、上述した式（７）に則って２Ｄアレイプローブの各振動素子の遅延時間を算出する演算構成を示す図である。図８に示すように、式（７）に則って２Ｄアレイプローブの各振動素子の遅延時間を算出する演算構成では、式（６）の場合（図７参照）と比較して、足し算器１００３、１０２２、掛け算器１０１３を更に追加した構成となる。

ここで、振動素子数が４６０８の場合、仮に１セットの演算構成で実行するとした場合の必要時間は、０．０２５ ｕｓ ｘ ４６０８ ＝ １１５．２ ｕｓとなる。この場合、とても準備期間中に終了させることはできない。従って比較例の演算構成では、次のような対策がある。
ａ）動作速度を上げる（クロック周波数を上げる）。
ｂ）回路を複数セット持つ。

ａ）については、ただひとつの演算構成で実行するとしたときに要求されるクロック周波数は約９３０ＭＨｚとなる。現在、このクロックで動作できるＦＰＧＡは存在しない。仮に高度に回路最適化した専用集積回路（ＡＳＩＣ）で実現しようとしても、高速動作に伴い消費電力が増大し、その点でシステム要求を満たすことが難しくなる。

ｂ）については、前述した条件と同様に総振動素子数４６０８、クロック周波数４０ＭＨｚ、許される計算時間１０ｕｓと仮定し、送受遅延を計算するのに必要な回路セット数を見積もると、２４セットとなる。図８の演算構成が２４セット必要となると、システムへのコストの影響は甚大である。特に、平方根をとるアルゴリズムをハードウエアで実現する場合は、回路規模が大きいので、それが２４も必要となると、例えばＦＰＧＡで実現するとしてより大きなものを選ばざるを得なくなる。次の（表１）では、総振動素子数４６０８、クロック周波数４０ＭＨｚ、許される計算時間１０ｕｓの条件を仮定した場合の、図８の演算構成が２４セットの比較例と、前述した遅延計算部１８（２セット）とのハードウエア要素の比較を示す。

（表１）でも明らかなように、ハードウエア規模に対する影響が大きい平方根回路を２４持つ比較例に対し、前述した遅延計算部１８ではそれが２に激減するので、効果は明らかである。なお、前述した遅延計算部１８では、掛け算器が増えることになるが、最近のＦＰＧＡはハードマクロとして多数の掛け算器を持つので、この差は不利にはならない。また、逆数計算回路が必要になるが、動的再構成の際に逆数演算に必要なデータを内蔵メモリにあらかじめ格納しておき、そのデータを参照して求める方法がある。掛け算器同様、最近のＦＰＧＡは規模が小さなものでも内蔵メモリが潤沢に用意されて、かつ必要なのは２セットだけなので、コストを増大させる要因にはならない。平方根回路の数の削減効果は、それらを補って余りあるものとなる。

（第２の実施形態）
次に、遅延計算部１８、送受信部１１に相当する回路構成を超音波プローブ１の内部に備える第２の実施形態を説明する。図９は、第２の実施形態にかかる超音波プローブ１ａの構成を例示するブロック図である。

プローブ制御部４０は、装置本体１０の制御部１７から送信される制御信号をもとに、遅延計算部１８、送信部２１、受信部２２の制御を行う。温度センサ６０は、超音波プローブ１ａにかかる温度を検出するサーミスタであり、検出した温度をプローブ制御部４０へ出力する。温度センサ６０が検出する温度は、音響モジュール５０の振動素子の近傍に配置されることで検出可能となる被検体Ｐとの接触面の温度の他、送受信部１１、遅延計算部１８、プローブ制御部４０等の超音波プローブ１ａの内部温度であってよい。

上述した超音波プローブ１ａのように、遅延計算部１８、送受信部１１に相当する回路構成をプローブ内部に備える構成であってもよい。超音波プローブ１ａについては、ハードウエア実装領域はおのずと限られた体積内となり、熱がこもるため、消費電力は極力抑えなければならないなどの制約がある。しかしながら、前述した遅延計算部１８を採用することで、これらの制約を容易にクリアすることができる。

（変形例）
上述した第１、第２の実施形態では、サブアレイａごとに、各振動素子における遅延時間を近似して算出する動作モード（以下、省電力モード）でのみ動作する。これに対し、変形例では、上述した省電力モードの他に、比較例で示したように、各振動素子の位置をもとに、その振動素子における遅延時間を算出する動作モード（以下、通常モード）を用意し、この２つの動作モードを切り替える構成を例示する。なお、上述した省電力モード、通常モードに対応するため、それぞれに対応した演算構成の遅延計算部１８を複数用意してもよいが、変形例では、動的再構成により、切替部としての制御部１７の制御のもとで、遅延計算部１８の回路構成を切り替えるものとする。

図１０は、変形例にかかる超音波診断装置１００の動作の一例を示すフローチャートである。図１０に示すように、処理が開始されると、超音波診断装置１００の制御部１７は、各部の初期設定を行う（Ｓ１０）。具体的には、制御部１７は、内部記憶部１６に記憶されている初期の設定条件に従った動作モード（省電力モード／通常モード）での動作を開始すべく、動的再構成により演算構成を遅延計算部１８に書き込む。

例えば、初期の設定条件として省電力モードが設定されている場合、制御部１７は、サブアレイａごとに、各振動素子における遅延時間を近似して算出する図５に例示した演算構成を遅延計算部１８に書き込む。また、初期の設定条件として通常モードが設定されている場合、制御部１７は、各振動素子の位置をもとに、その振動素子における遅延時間を算出する図８に例示した演算構成を所定のセット分、遅延計算部１８に書き込む。

この設定条件については、入力装置３などを介して操作者により予め設定される。例えば、振動素子数の多い腹部用の超音波プローブ１を用いる場合には、初期の設定条件として省電力モードを設定する。また、振動素子数の比較的少ない循環器用の超音波プローブ１を用いる場合には、初期の設定条件として通常モードを設定する。

なお、上述した通常モード、省電力モードでの動作状況は、制御部１７の制御のもと、モニタ２の表示画面上に表示してもよい。この場合、操作者は、モニタ２の表示を確認することで、通常モード、省電力モードのいずれの動作モードで動作しているかを認識できる。

次いで、制御部１７は、温度センサ６０などにより超音波プローブ１、１ａの温度を取得し、その取得した温度が予め設定された温度以上であるか否かを判定する（Ｓ１１）。超音波プローブ１、１ａの温度が予め設定された温度以上の高い状態である場合、制御部１７は、消費電力を抑えて発熱量を少なくすることができる省電力モードに動作モードを設定する（Ｓ１４）。

超音波プローブ１、１ａの温度が予め設定された温度未満の低い状態である場合、制御部１７は、超音波のフォーカス位置が予め設定された位置以上の深い位置であるか否かを判定する（Ｓ１２）。超音波のフォーカス位置が予め設定された位置以上の深い位置である場合、遅延時間を近似して算出する場合に生じる誤差がより小さくなることから、制御部１７は、動作モードを省電力モードに設定する（Ｓ１４）。

超音波のフォーカス位置が予め設定された位置未満の浅い位置である場合、制御部１７は、動作モードを通常モードに設定し（Ｓ１３）、遅延時間を近似して算出することなく、より鮮明な超音波画像を得るようにする。

Ｓ１３、Ｓ１４に次いで、制御部１７は、Ｓ１３、Ｓ１４で設定された動作モードと、それ以前に設定されていた動作モードとを比較し、モード変更の有無を判定する（Ｓ１５）。ここで、動作モードの変更がない場合、制御部１７はＳ１７へ処理を進める。動作モードの変更がある場合、制御部１７は、動的再構成により、Ｓ１３で設定された通常モード、又はＳ１４で設定された省電力モードに合わせた演算構成を遅延計算部１８に書き込み（Ｓ１６）、Ｓ１７へ処理を進める。

Ｓ１７において、制御部１７は、入力装置３による終了指示の有無などをもとに、処理の終了の有無を判定する。ここで、処理を継続する（Ｓ１７：ＮＯ）場合、制御部１７はＳ１１へ処理を戻す。

なお、上述したフローチャートは、超音波プローブの温度に応じて動作モードを切り替えるものであり、プローブ内に遅延計算部１８を備える第２の実施形態に好適なものである。第１の実施形態については、遅延計算部１８を装置本体１０側に備えることから、超音波プローブの温度に応じて動作モードを切り替える必要がなく、Ｓ１１の処理を省略してもよい。また、Ｓ１１の代わりに、消費電力量を低減する設定が入力装置３などにより行われているか否かを判定する処理を追加し、制御部１７は、消費電力量を低減する設定が行われている場合に省電力モードを設定してもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、振動素子ごとの遅延時間の演算を容易に行うことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば図９による第２の実施形態は送受信回路をプローブ側に持つものだが、現在Ａ／Ｄ変換器まで内蔵しているケースはまれであり、アナログ信号のままサブアレイ・ビームフォーミングを行い、装置側でＡ／Ｄ変換後、主となるビームフォーミングを行う場合が多い。この場合でも本発明は有効である。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００…超音波診断装置、１、１ａ…超音波プローブ、２…モニタ、３…入力装置、４…プローブケーブル、１０…装置本体、１１…送受信部、１２…Ｂモード処理部、１３…ドプラ処理部、１４…画像生成部、１５…画像メモリ、１６…内部記憶部、１７…制御部、１８…遅延計算部、２１…送信部、２２…受信部、４０…プローブ制御部、５０…音響モジュール、６０…温度センサ、２１３…駆動回路、２１２…送信遅延回路、２１１…パルス発生器、２２１…プリアンプ、２２２…Ａ／Ｄ変換器、２２３…受信遅延回路、２２４…加算器、ａ…サブアレイ、ｅ１〜ｅｉ…振動素子、Ｐ…被検体

Claims (7)

1. 被検体に対して超音波の送受信を行うための複数の振動素子が配列された超音波プローブと、
   前記複数の振動素子の配列を区分したサブアレイごとに、当該サブアレイ内又はその近傍にある代表座標における前記超音波の送受信にかかる遅延時間を算出し、当該遅延時間と、前記代表座標に対する前記サブアレイに含まれる各振動素子の差分とをもとに、前記各振動素子における遅延時間を近似して算出する遅延時間算出部と、
   前記振動素子ごとに算出された遅延時間をもとに、前記超音波プローブの複数の振動素子における超音波の送受信を前記遅延時間を持って行わせる送受信部と、
   前記送受信部より受信された超音波から前記被検体の内部の画像データを生成する画像生成部と、
   を備える超音波診断装置。
2. 前記遅延時間算出部は、前記サブアレイごとに、当該サブアレイに含まれる各振動素子における遅延時間を近似して算出する第１の算出モード、又は前記複数の振動素子ごとに、前記振動素子の位置をもとに当該振動素子における遅延時間を算出する第２の算出モードで前記遅延時間を算出し、
   予め設定された条件をもとに、前記第１の算出モード、又は第２の算出モードの切り替えを行う切替部を更に備える、
   請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 前記超音波プローブにかかる温度を検出する温度検出部を更に備え、
   前記切替部は、前記検出された温度が所定値以上である場合に前記第１の算出モードへ切り替え、前記検出された温度が前記所定値未満である場合に前記第２の算出モードへ切り替える、
   請求項２に記載の超音波診断装置。
4. 前記切替部は、前記超音波のフォーカス位置が所定値より深い場合に前記第１の算出モードへ切り替え、前記超音波のフォーカス位置が前記所定値より浅い場合に前記第２の算出モードへ切り替える、
   請求項２に記載の超音波診断装置。
5. 前記遅延時間算出部は、前記サブアレイに含まれる一つの振動素子の座標を代表座標として前記一つの振動素子の遅延時間を算出し、当該遅延時間と、他の振動素子の差分とをもとに、前記他の振動素子における遅延時間を近似して算出する、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波診断装置。
6. 前記超音波プローブは、ラテラル方向及びエレベーション方向に前記振動素子が配列された２Ｄ（two dimensional）アレイプローブであり、
   前記遅延時間算出部は、前記ラテラル方向及び前記エレベーション方向において所定数の前記振動素子が配列された前記サブアレイごとに、当該サブアレイに含まれる各振動素子における遅延時間を近似して算出する、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超音波診断装置。
7. 被検体に対して超音波の送受信を行うための複数の振動素子が配列された音響モジュールと、
   前記複数の振動素子の配列を区分したサブアレイごとに、当該サブアレイ内又はその近傍にある代表座標における前記超音波の送受信にかかる遅延時間を算出し、当該遅延時間と、前記代表座標に対する前記サブアレイに含まれる各振動素子の差分とをもとに、前記各振動素子における遅延時間を近似して算出する遅延時間算出部と、
   前記振動素子ごとに算出された遅延時間をもとに、前記音響モジュールの複数の振動素子における超音波の送受信を前記遅延時間を持って行わせる送受信部と、
   を備える超音波プローブ。

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