JP2017086156A

JP2017086156A - 超音波画像装置および超音波画像装置向け制御装置並びに超音波画像の形成方法

Info

Publication number: JP2017086156A
Application number: JP2015215649A
Authority: JP
Inventors: 博之増田; Hiroyuki Masuda
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2017-05-25
Also published as: US10055841B2; US20170124703A1

Abstract

【課題】適応的な重みに基づく合成処理を高速化しながら、良好な画質を維持することができる超音波画像装置向け制御装置を提供する。【解決手段】信号合成部６１は、超音波の送信ごとに、超音波を電気信号に変換するアレイ配置の変換素子群からの出力信号を開口合成し、順番に第１画像信号を出力する。信号加算部６２は、信号合成部６１から出力される第１画像信号をグループごとに加算し、第２画像信号を出力する。適応型信号処理部６３は、第２画像信号に基づき適応的な重みを算出し、第２画像信号を合成する。【選択図】図５

Description

本発明は、超音波画像装置および超音波画像装置向け制御装置並びに超音波画像の形成方法等に関する。

特許文献１は適応ビームフォーミング処理を開示する。超音波の送信ごとに低解像度画像が形成される。複数の低解像度画像に基づき高解像度画像は合成される。低解像度画像の形成にあたって適応ビームフォーミング処理が用いられる。適応ビームフォーミング処理にあたって複数の低解像度画像に共通に適応ビームフォーミング係数が算出される。したがって、低解像度画像ごとに個別に適応ビームフォーミング係数が算出される場合に比べて、演算処理の規模は著しく縮小する。

特開２０１２−２２３５８４号公報

ところで、適応ビームフォーミングでは計測の対象物は１つに絞られる。送信の素子（位置）や送信角度のずれなどの送信条件が異なることで、適応ビームフォーミング係数も変化する。したがって、超音波の伝播経路の異なる複数の低解像度信号に共通に適応ビームフォーミング係数が用いられると、画質は落ちてしまう。

本発明の少なくとも１つの態様によれば、適応的な重みに基づく合成処理を高速化しながら、良好な画質を維持することができる超音波画像装置向け制御装置を提供することができる。

（１）本発明の一態様は、超音波の送信ごとに、超音波を電気信号に変換するアレイ配置の変換素子群からの出力信号を開口合成し、順番に第１画像信号を出力する信号合成部と、前記信号合成部から出力される前記第１画像信号をグループごとに加算し、第２画像信号を出力する信号加算部と、前記第２画像信号に基づき適応的な重みを算出し、前記第２画像信号を合成する適応型信号処理部とを備える超音波画像装置向け制御装置に関する。

第２画像信号の合成にあたって第２画像信号ごとに適応的な重みが算出される。重み付けにあたって行列演算が実施される。第２画像信号の形成にあたってグループごとに第１画像信号が加算されることから、個々の第１画像信号から個別に適応的な重みが算出される場合に比べて、行列演算の演算規模は信号数の減少の３乗倍で縮小する。こうして演算規模は著しく縮小される。適応的な重みに基づく合成処理は高速化される。同時に、良好な画質を維持することができる。

（２）超音波画像装置向け制御装置は、前記送信ごとに前記変換素子群から選択される変換素子に向けて送信信号を出力する送信部をさらに備えることができる。送信ごとに変換素子群から出力される超音波は切り替えられ、送信位置や送信角度を変更することができる。こうして画像の合成に適した超音波は超音波素子群から送信することができる。

（３）列を形成するＭ個の前記変換素子中で重複せずに順番にＳ１個の前記変換素子が駆動される際に、送信回数Ｋおよびグループ数Ｎに応じて前記グループごとに前記第１画像信号の信号数Ｌは、
ただし、
で特定されればよい。こうして個々のグループに属する第１画像信号の信号数Ｌは制限される。グループ化に基づく分解能の低下もしくは適応型信号処理の効果の低下は回避される。Ｍ個の変換素子は複数行に配列されてもよい。このとき、一度の送信にあたって各列でｎ番目のＳ１個の変換素子を使用することができる。

（４）また、列を形成するＭ個の前記変換素子中でＳ２個分でずれながら順番にＳ１個の前記変換素子が駆動される際に、送信回数Ｋおよびグループ数Ｎに応じて前記グループごとに前記第１画像信号の信号数Ｌは、
ただし、
で特定されればよい。こうして個々のグループに属する第１画像信号の信号数Ｌは制限される。グループ化に基づく分解能の低下もしくは適応型信号処理の効果の低下は回避される。Ｍ個の変換素子は複数行に配列されてもよい。このとき、一度の送信にあたって各列でｎ番目のＳ１個の変換素子を使用することができる。

（５）さらに、前記送信信号が前記変換素子群で平面波、拡散波または収束波を形成するＫ個の出力パターンを規定する際に、送信回数Ｋおよびグループ数Ｎに応じて前記グループごとに前記第１画像信号の信号数Ｌは、
ただし、
で特定されればよい。こうして個々のグループに属する第１画像信号の信号数Ｌは制限される。グループ化に基づく分解能の低下もしくは適応型信号処理の効果の低下は回避される。

（６）前記グループ数Ｎは２以上であればよい。適応的な重みを的確に算出することができる。

（７）超音波画像装置向け制御装置は、入力機器に接続されて、グループ数Ｎを入力する入力部をさらに備えることができる。入力機器の操作に応じてグループ数を変更することができる。グループ数の変更に応じて第２画像信号の画質を変更することができる。

（８）超音波画像装置向け制御装置は、前記第２画像信号の解像度を特定する入力値に応じてグループ数Ｎを設定する設定部をさらに備えることができる。第２画像信号の解像度とグループ数Ｎとの間には相関関係が確立される。固定数の変換素子では、グループ数Ｎが減少するほど、第２画像信号の解像度は低下する。入力値ごとに解像度モードを設定することができる。

（９）前記信号加算部は座標点ごとに前記第１画像信号の信号値を足し合わせればよい。こうして個々の群に属する第１画像信号の信号数に関係なく、座標点ごとに信号値は足し合わせられる。グループごとに信号数がばらついても、後段の適応的な重みを信号数に応じて設定することができる。たとえグループごとに信号数がばらついても、良好な画質を維持することができる。

（１０）超音波画像装置向け制御装置は例えば超音波画像装置に組み込まれて利用することができる。このとき、超音波画像装置は、超音波画像装置向け制御装置を含む装置本体と、前記装置本体に接続されて、前記変換素子群を支持するプローブとを備えればよい。

（１１）本発明の他の態様は、超音波の送信ごとに、超音波を電気信号に変換するアレイ配置の変換素子群からの出力信号を開口合成し、順番に第１画像信号を出力する手順と、前記第１画像信号をグループごとに加算し、第２画像信号を出力する手順と、前記第２画像信号に基づき適応的な重みを算出し、前記第２画像信号を合成する手順とを備える超音波画像の形成方法に関する。

超音波診断装置の構成を概略的に示す概略図である。超音波デバイスの構成を概念的に示す平面図である。超音波デバイスの構造を詳細に示す部分平面図である。図３のＡ−Ａ線に沿った部分断面図である。超音波診断装置の回路構成を概略的に示すブロック図である。第１送信モードの概略を示す平面図である。第２送信モードの概略を示す平面図である。超音波診断装置の動作を概略的に示すフローチャートである。シミュレーションモデルを概略的に示す概念図である。シミュレーションに従って超音波画像を示す写真である。シミュレーションの結果として信号強度分布を示すグラフである。シミュレーションに従って超音波画像を示す写真である。シミュレーションの結果として信号強度分布を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（１）超音波診断装置の全体構成
図１は本発明の一実施形態に係る電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置（超音波画像装置）１１の構成を概略的に示す。超音波診断装置１１は装置端末（装置本体）１２と超音波プローブ（プローブ）１３とを備える。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４で相互に接続される。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４を通じて電気信号をやりとりする。装置端末１２にはディスプレイパネル（表示装置）１５が組み込まれる。ディスプレイパネル１５の画面は装置端末１２の表面で露出する。装置端末１２では、超音波プローブ１３で検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果がディスプレイパネル１５の画面に表示される。

超音波プローブ１３は筐体１６を有する。筐体１６内には超音波デバイスユニットＤＶが収容される。超音波デバイスユニットＤＶは超音波デバイス１７を備える。超音波デバイス１７は音響レンズ１８を備える。音響レンズ１８の外表面は部分円筒面１８ａで形成される。音響レンズ１８は例えばシリコーン樹脂から形成される。音響レンズ１８は生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを有する。筐体１６には窓孔１６ａが区画される。窓孔１６ａ内には音響レンズ１８が配置される。音響レンズ１８の外表面は筐体１６の表面で露出する。超音波デバイス１７は表面から超音波を出力するとともに超音波の反射波を受信する。超音波診断装置１１や超音波プローブ１３は他の構造を有してもよい。

（２）超音波デバイスの構成
図２は超音波デバイス１７の構成を概念的に示す。超音波デバイス１７は素子アレイ（変換素子群）２１を備える。素子アレイ２１はアレイ配置の超音波トランスデューサー素子（以下「変換素子」という）２２を含む。個々の変換素子２２は超音波を受信して電気信号に変換する。個々の変換素子２２は電気信号の供給に応じて超音波を発信することができる。素子アレイ２１では変換素子２２はＭ行Ｊ列に配列される。行ごとにＭ個の変換素子２２が直線上に配置される。ここでは、素子アレイ２１は６４行８列の変換素子２２で構成される。ただし、行数は例えば１２８行や２５６行に設定されてもよく、列数は例えば１０〜１５列程度に設定されればよい。

例えば１行の変換素子２２ごとに信号電極線２３が形成される。信号電極線２３は１行ごとに変換素子２２同士を接続する。複数行で変換素子２２に共通に１本の信号電極線２３が接続されてもよい。１列の変換素子２２ごとに共通電極線２４が形成される。共通電極線２４は例えば両端で引き出し線２５に接続される。こうして全ての変換素子２２は引き出し線２５に繋がる。１本の信号電極線２３ごとに電気信号はやりとりされる。

図３は超音波デバイス１７の構造をさらに詳細に示す。超音波デバイス１７は基体２７を備える。基体２７に変換素子２２が形成される。個々の変換素子２２は振動膜２８を備える。振動膜２８の詳細は後述される。図３では振動膜２８の膜面に直交する方向の平面視（基板の厚み方向の平面視）で振動膜２８の輪郭が点線で描かれる。振動膜２８上には圧電素子２９が形成される。圧電素子２９では、後述されるように、上電極３１および下電極３２の間に圧電体膜（図示されず）が挟まれる。これらは順番に重ねられる。超音波デバイス１７は１枚の超音波トランスデューサー素子チップとして構成される。

基体２７の表面に信号電極線２３、共通電極線２４および引き出し線２５が形成される。信号電極線２３は個々の変換素子２２ごとに下電極３２を形成する。共通電極線２４は個々の変換素子２２ごとに上電極３１を形成する。信号電極線２３には例えばチタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）およびチタン（Ｔｉ）の積層膜が用いられることができる。共通電極線２４および引き出し線２５は例えばイリジウム（Ｉｒ）で形成することができる。ただし、信号電極線２３、共通電極線２４および引き出し線２５にはその他の導電材が利用されてもよい。

基体２７の輪郭は、相互に平行な１対の直線で仕切られて対向する第１辺２７ａおよび第２辺（図示されず）を有する。第１辺２７ａと素子アレイ２１の輪郭との間に１ラインの第１端子アレイ３３ａが配置される。第２辺と素子アレイ２１の輪郭との間に１ラインの第２端子アレイ（図示されず）が配置される。第１端子アレイ３３ａは１対の上電極端子３４および複数の下電極端子３５で構成される。上電極端子３４は引き出し線２５に接続される。下電極端子３５は信号電極線２３に接続される。同様に、第２辺と素子アレイ２１の輪郭との間に１ラインの第２端子アレイ(図示されず)は配置されてもよい。

基体２７にはフレキシブルプリント配線板（以下「配線板」という）３６が連結される。配線板３６は第１端子アレイ３３ａに覆い被さる。配線板３６の一端には上電極端子３４および下電極端子３５に個別に対応して導電線すなわち信号線３７が形成される。信号線３７は上電極端子３４および下電極端子３５に個別に向き合わせられ個別に接合される。

振動膜２８上では共通電極線２４に並列に電極分離膜３８が配置される。電極分離膜３８は共通電極線２４の長手方向に帯状に延びる。電極分離膜３８は絶縁性および防湿性を有する。電極分離膜３８は例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や酸化シリコン（ＳｉＯ_２）といった防湿性絶縁材から形成される。電極分離膜３８は個々の共通電極線２４を挟んで共通電極線２４の両側に分離して形成される。共通電極線２４は振動膜２８上で信号電極線２３に交差することから、電極分離膜３８は振動膜２８上で信号電極線２３上を横切る。

基体２７上で振動膜２８の領域外には絶縁膜３９が形成される。絶縁膜３９は信号電極線２３の長手方向に帯状に延びる。絶縁膜３９は振動膜２８の領域外のみで信号電極線２３に並列に配置される。絶縁膜３９は例えばアルミナや酸化シリコンといった防湿性の絶縁材から形成される。絶縁膜３９は共通電極線２４上を横切る。絶縁膜３９は電極分離膜３８に連続する。

図４に示されるように、基体２７は基板４１および可撓膜４２を備える。基板４１の表面に可撓膜４２が一面に形成される。基板４１には個々の変換素子２２ごとに開口４３が形成される。開口４３は基板４１に対してアレイ状に配置される。隣接する２つの開口４３の間には仕切り壁４４が区画される。隣接する開口４３は仕切り壁４４で仕切られる。

可撓膜４２は、基板４１の表面に積層される酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層４５と、酸化シリコン層４５の表面に積層される酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）層４６とで構成される。可撓膜４２は開口４３に接する。こうして開口４３の輪郭に対応して可撓膜４２の一部が振動膜２８を形成する。酸化シリコン層４５の膜厚を共振周波数に基づき決定することができる。

振動膜２８の表面に信号電極線２３、圧電体膜４８および共通電極線２４が順番に積層される。圧電体膜４８は例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）で形成することができる。圧電体膜４８にはその他の圧電材料が用いられてもよい。ここでは、共通電極線２４の下で圧電体膜４８は完全に信号電極線２３の表面を覆う。圧電体膜４８の働きで信号電極線２３と共通電極線２４との間で短絡を回避することができる。圧電体膜４８の表面は電極分離膜３８で覆われる。

基体２７の表面には音響整合層４９が積層される。音響整合層４９は素子アレイ２１を覆う。音響整合層４９の膜厚は振動膜２８の共振周波数に応じて決定される。音響整合層４９には例えばシリコーン樹脂膜が用いられることができる。音響整合層４９上に音響レンズ１８が配置される。音響レンズ１８は部分円筒面２８ａの裏側の平面で音響整合層４９の表面に密着する。音響レンズ１８は音響整合層４９の働きで基体２７に接着される。部分円筒面１８ａの母線は信号電極線２３に平行に位置づけられる。部分円筒面１８ａの曲率は、１筋の信号電極線２３に接続される１行の変換素子２２から発信される超音波の焦点位置に応じて決定される。

基体２７の裏面にはバッキング材としての補強板５１が結合される。補強板５１は平板形状に形成される。補強板５１の表面に基体２７の裏面が重ねられる。補強板５１の表面は基体２７の裏面に接合される。こうした接合にあたって補強板５１は基体２７に接着剤で接着されてもよい。補強板５１は基体２７の剛性を補強する。補強板５１は例えばリジッドな基材を備えることができる。そうした基材は例えば４２アロイ（鉄ニッケル合金）といった金属材料から形成されればよい。

（３）超音波診断装置の回路構成
図５に示されるように、超音波デバイス１７には制御装置５３が接続される。制御装置５３は例えば装置端末１２に組み込まれる。制御装置５３にはディスプレイパネル１５が接続される。ディスプレイパネル１５には制御装置５３から映像信号が供給される。供給される映像信号に基づきディスプレイパネル１５の画面には超音波画像やその他の情報が表示される。

制御装置５３は送受切り替えスイッチ５４を備える。送受切り替えスイッチ５４は超音波デバイス１７の信号電極線２３に接続される。送受切り替えスイッチ５４には送信部５５および受信部５６が接続される。超音波の送信時には送受切り替えスイッチ５４は信号電極線２３に送信部５５を接続する。このとき、受信部５６は送信部５５および信号電極線２３から切断される。超音波の受信時には送受切り替えスイッチ５４は信号電極線２３に受信部５６を接続する。このとき、送信部５５は受信部５６および信号電極線２３から切断される。

送信部５５は送受切り替えスイッチ５４経由で送信ごとに素子アレイ２１から選択される変換素子２２に向けて送信信号を出力する。送信部５５は例えばパルス発生器と遅延回路とを備えることができる。パルス発生器はパルス電圧を出力する。パルス電圧は変換素子２２の圧電体膜４８に印加される。パルス電圧の供給に応じて振動膜２８は超音波振動する。こうして変換素子２２から超音波は発信される。遅延回路は信号電極線２３ごとに電圧の印加に時間差を与えることができる。印加の時間差は変換素子２２から出力される超音波の伝搬方向を決定する。遅延時間を変化させることで平面波の送信方向を制御することができる。

受信部５６は変換素子２２の受信信号を受信する。計測対象から反射した超音波は変換素子２２の振動膜２８を超音波振動させる。超音波振動に応じて圧電体膜４８から受信信号が出力される。受信信号は受信部５６に記憶される。受信部５６は例えばメモリーやＨＤＤ（ハードディスク駆動装置）といった記憶部を有すればよい。

制御装置５３はビームフォーム処理部５７を備える。ビームフォーム処理部５７は受信部５６に接続される。ビームフォーム処理部５７は受信部５６から供給される受信信号に基づき超音波画像の描画データを生成する。

制御装置５３は描画回路５８を備える。描画回路５８はビームフォーム処理部５７に接続される。描画回路５８にはディスプレイパネル１５が接続される。描画回路５８はビームフォーム処理部５７で生成された描画データに応じて駆動信号を生成する。駆動信号はディスプレイパネル１５に送り込まれる。その結果、ディスプレイパネル１５に画像が映し出される。

ビームフォーム処理部５７は信号合成部６１を備える。信号合成部６１は受信部５６に接続される。信号合成部６１は受信部５６から一度の送信で得られたＭ個の受信信号を取得する。信号合成部６１は超音波の送信ごとにＭ個の受信信号を開口合成する。信号合成部６１は、開口合成で得られた第１画像信号（低解像度信号）を出力する。開口合成にあたって信号合成部６１では整相加算が実施されればよい。

ビームフォーム処理部５７は信号加算部６２を備える。信号加算部６２は信号合成部６１に接続される。信号加算部６２は信号合成部６１から出力される第１画像信号をグループごとに加算する。加算の結果、信号加算部６２はグループごとに第２画像信号を出力する。第１画像信号の加算にあたって信号加算部６２は送信回数Ｋおよびグループ数Ｎを特定する。送信回数Ｋは送信モードに応じて決定される。例えば、第１送信モードでは、列を形成するＭ個の変換素子２２中で重複せずにＳ１個の変換素子２２が駆動される。図６では、２（＝Ｓ１）行ごとに変換素子２２から超音波が発信され、２行ずれて次の２（＝Ｓ１）行の変換素子２２から超音波が発信される。この場合に意は、送信回数Ｋおよびグループ数Ｎに応じてグループごとに第１画像信号の信号数Ｌの上限は次式で与えられる。
ただし、
例えば、第２送信モードでは、列を形成するＭ個の変換素子２２中でＳ２個分でずれながら順番にＳ１個の変換素子２２が同時に駆動される。図７では、４（＝Ｓ１）行ごとに変換素子２２から超音波が発信され、２（＝Ｓ２）行ずれて次の４（＝Ｓ１）行の変換素子２２から超音波が発信される。図６の場合に比べて解像度は維持されつつ超音波の強度は高められることができる。この場合には、送信回数Ｋおよびグループ数Ｎに応じてグループごとに第１画像信号の信号数Ｌの上限は次式で与えられる。
ただし、
その他、例えば第３送信モードでは、素子アレイ２１で平面波を形成するＫ個の出力パターンが規定されてもよい。前述の遅延回路の働きで出力パターンごとに送信方向は変化すればよい。この場合には、送信回数Ｋおよびグループ数Ｎに応じてグループごとに第１画像信号の信号数Ｌは次式で与えられる。
ただし、
平面波に代えて拡散波や収束波が用いられてもよい。

ビームフォーム処理部５７は適応型信号処理部６３を備える。適応型信号処理部６３は信号加算部６２に接続される。適応型信号処理部６３は第２画像信号に基づき適応的な重みを算出する。適応的な重みの算出にあたって行列演算が実施される。第２画像信号ごとの重み付けに従って適応型信号処理部６３は第２画像信号を合成する。合成の結果、適応型信号処理部６３から描画データ（高解像度画像）が出力される。重み係数の算出にあたって例えばＭＶ法やＤＣＭＰ法、ＭＵＳＩＣといった共分散行列を用いた処理が用いられることができる。

制御装置５３は入力部６４を備える。入力部６４は信号加算部６２に接続される。入力部６４には入力機器６５が接続される。入力部６４には、入力機器６５の操作に応じてグループ数Ｎを入力することができる。入力部６４は信号加算部６２にグループ数Ｎを供給する。その他、グループ数Ｎは記憶部６６に保持されてもよい。入力機器６５にはキーボードやマウス、タッチスクリーンパネル、その他の機器が用いられればよい。記憶部６６には、適応的な重みの算出に先立って信号加算部６２から第２画像信号が保存されてもよい。グループ数Ｎは２以上であれば、適応的な重みを的確に算出することができる。

制御装置５３は設定部６７を備える。設定部６７は信号加算部６２に接続される。設定部６７には入力機器６５が接続される。入力機器６５では第２画像信号の解像度を特定する入力値を入力することができる。こうした入力値の入力は例えば送信モードの選択であってもよい。入力された入力値は設定部６７に供給される。設定部６７は入力値に応じてグループ数Ｎを設定することができる。設定されたグループ数Ｎを信号加算部６２に供給することができる。設定部６７は例えば送信モードごとに記憶部６６からグループ数Ｎを取得すればよい。

（４）超音波診断装置の動作
次に超音波診断装置１１の動作を説明する。制御装置５３はステップＳ１で送信モードを設定する。第１送信モード、第２送信モードまたは第３送信モードが特定される。送信モードの設定は例えば入力機器６５の操作に応じて入力されればよい。あるいは、送信モードは例えば超音波画像の用途に応じて個々の超音波診断装置１１ごとに予め設定されてもよい。個々の超音波診断装置１１で予め送信モードはいずれかに固定されていてもよい。送信モードが設定されると、列中の素子数Ｍに応じて送信回数Ｋは決定される。

ステップＳ２で制御装置５３はグループ数Ｎを設定する。グループ数Ｎは例えば入力機器６５の操作に応じて入力されればよい。入力部６４はグループ数Ｎの通知信号を信号加算部６２に供給する。こうして入力機器６５の操作に応じてグループ数Ｎを変更することができる。グループ数Ｎの変更に応じて超音波画像の画質を変更することができる。その他、グループ数Ｎは予め個々の超音波診断装置１１ごとに信号加算部６２で保持されてもよい。入力機器６５から送信モードが設定される場合には、送信モードの設定に応じて設定部６７はグループ数Ｎを設定する。個々の送信モードは超音波画像の解像度を特定する入力値を示す。グループ数Ｎと解像度との間には相関関係が確立される。固定数Ｍの変換素子２２ではグループ数Ｎが減少するほど、超音波画像の解像度は低下する。送信モードごとに解像度を設定することができる。

ステップＳ３で信号加算部６２はグループ数Ｎに応じて個々のグループごとに第１画像信号の信号数Ｌを決定する。送信回数Ｋおよびグループ数Ｎから個々のグループに属する第１画像信号の信号数Ｌは制限される。

ステップＳ４で送信部５５は送信ごとに素子アレイ２１から選択される変換素子２２に向けて送信信号を出力する。変換素子２２は送信モードに応じて選択される。変換素子２２は送信信号の供給に応じて超音波振動する。送信モードに従って対象物に向かって超音波は発信される。第１送信モードや第２送信モードであれば、１行の変換素子２２ごとに超音波は発信される。第３送信モードであれば、素子アレイ２１から特定の角度に超音波は発信される。素子アレイ２１は対象物から反射する超音波を受信する。

ステップＳ５で受信部５６は信号電極線２３ごとに受信信号を受信する。受信信号は一時的に記憶される。ステップＳ６で信号合成部６１は素子アレイ２１からの出力信号を開口合成する。開口合成に応じて信号合成部６１から第１画像信号（低解像度信号）は出力される。ステップＳ７で第１画像信号の信号数Ｌが判定される。送信回数が信号数Ｌに達するまでステップＳ４〜Ｓ７の処理動作は繰り返される。このとき、送信ごとに素子アレイ２１から出力される超音波は切り替えられる。第１送信モードや第２送信モードでは超音波の送信位置は変更される。第３送信モードであれば平面波の送信角度は変更される。こうして画像の合成に適した超音波を素子アレイ２１から送信することができる。

ステップＳ７で送信回数が信号数Ｌに達すると、ステップＳ８で信号加算部６２はグループごとに第１画像信号を加算する。信号加算部６２は座標点ごとに第１画像信号の信号値を足し合わせる。足し合わせの結果、第２画像信号は信号加算部６２から出力される。ステップＳ９でグループ数Ｎに応じた第２画像信号の信号数が計数される。

ステップＳ９で第２画像信号が出揃うと、ステップＳ１０で適応型信号処理部６３は第２画像信号の適応ビームフォーミングを実行する。適応ビームフォーミングの実行にあたって適応的な重みすなわち適応ビームフォーミング係数を算出する。算出された適応ビームフォーミング係数を用いて第２画像信号は合成される。こうして高解像度信号は生成される。高解像度信号は高解像度画像の描画データを特定する。適応型信号処理部６３から描画データは出力される。描画データはステップＳ９で描画回路５８に供給される。描画回路５８は描画データに応じて駆動信号を生成する。駆動信号はディスプレイパネル１５に送り込まれる。その結果、ディスプレイパネル１５に１フレームの画像が映し出される。処理動作はステップＳ４に戻る。ステップＳ４〜Ｓ１１の動作が繰り返される結果、映像は形成される。

適応型信号処理部６３では第２画像信号の合成にあたって第２画像信号ごとに適応的な重みが算出される。重み付けにあたって行列演算が実施される。第２画像信号の形成にあたってグループごとに第１画像信号が加算されることから、個々の第１画像信号から個別に適応的な重みが算出される場合に比べて、行列演算の演算規模は信号数の減少の３乗倍で縮小する。こうして演算規模は著しく縮小される。適応的な重みに基づく合成処理は高速化される。同時に、良好な画質を維持することができる。また、伝播経路の差が大きい場合でも、伝播経路の差が小さい低解像度信号を選択した後にグループ化が実施されれば、演算量の低減を達成することができる。その一方で、複数の低解像度信号で重み付け係数を共通化する場合には、伝播経路の差が大きいと重み付け係数を共有することができない。

前述のように、個々のグループに属する第１画像信号の信号数Ｌは制限される。グループ化に基づく分解能の低下もしくは適応型信号処理の効果の低下は回避される。素子アレイ２１では変換素子２２はＭ行に配列される。一度の送信にあたってｎ番目の行数Ｓ１の変換素子２２は使用される。

信号加算部６２は座標点ごとに第１画像信号の信号値を足し合わせる。こうして個々のグループに属する第１画像信号の信号数に関係なく、座標点ごとに信号値は足し合わせられる。グループごとに信号数がばらついても、後段の適応的な重みを信号数に応じて設定することができる。たとえ群ごとに信号数がばらついても、良好な画質を維持することができる。ただし、グループごとに第１画像信号の信号数が相違する場合には、出力信号は加算平均値としたほうが望ましい。そうすれば、グループ間の信号強度差をできるだけ縮小することができる。

（５）本実施形態の検証
発明者は本実施形態の実効性を検証した。検証にあたってコンピューターシミュレーションが実施された。実施にあたってシミュレーションモデルＳＭが構築された。シミュレーションモデルＳＭでは６４個（＝Ｍ個）の変換素子２２が列を形成した。送信周波数は３．５ＭＨｚに設定された。駆動開口は１９．２ｍｍに設定された。第１送信モードで送受信回数は６４回（Ｓ１＝１）に設定された。図９に示されるように、変換素子２２は対象物７１の表面に押し当てられた。対象物７１の表面から深さ３０ｍｍに２本のワイヤーファントム７２が配置された。ワイヤーファントム７２は対象物７１の表面に平行に並べられた。ワイヤーファントム７２同士の間には１ｍｍの間隔が設定された。条件１では第１画像信号それぞれに適応ビームフォーミングが実施された。適応ビームフォーミングにはＭＶ（ＭｉｎｉｍｕｍＶａｒｉａｎｃｅ）法が用いられた。言い換えると、グループ数Ｎ＝６４で信号数Ｌ＝１が設定された。条件２ではグループ数Ｎ＝３２で信号数Ｌ＝２が設定された。条件３ではグループ数Ｎ＝１６で信号数Ｌ＝４が設定された。条件４ではグループ数Ｎ＝８で信号数Ｌ＝８が設定された。条件５ではグループ数Ｎ＝４で信号数Ｌ＝１６が設定された。比較例では適応ビームフォーミングの合成が省略された。各種条件およびシミュレーションモデルＳＭに基づき画像化が実施された。

図１０および図１１に示されるように、比較例に比べて条件１〜５では適応ビームフォーミングの効果が確認された。加えて、条件１〜４では２つのワイヤーファントム７２の分離が確認された。条件２では条件１の演算規模に対して８分の１に縮小される。条件３では条件１の演算規模に対して１６分の１に縮小される。同様に、条件４では５１２分の１に縮小され、条件５では４０９６分の１に縮小される。

続いて発明者は第３送信モードを検証した。１２８個の変換素子２２が列を形成した。送信周波数は３．５ＭＨｚに設定された。駆動開口は３８．４ｍｍに設定された。送受信回数は６４回（Ｋ＝６４）に設定された。走査角度は±２２．５度に設定された。図９と同様に、変換素子２２は対象物７１の表面に押し当てられた。条件１〜５でシミュレーションモデルＳＭに基づき画像化が実施された。

図１２および図１３に示されるように、平面波の場合でも、比較例に比べて条件１〜５では適応ビームフォーミングの効果が確認された。加えて、条件１〜４では２つのワイヤーファントム７２の分離が確認された。条件２では条件１の演算規模に対して８分の１に縮小される。条件３では条件１の演算規模に対して１６分の１に縮小される。同様に、条件４では５１２分の１に縮小され、条件５では４０９６分の１に縮小される。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、超音波デバイスユニットＤＶや超音波デバイス１７、変換素子２２等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。その他、少なくともビームフォーム処理部５７は例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）で構成されてもよい。このとき、ＣＰＵでは個々の機能ブロックはソフトウェアの演算処理で実現されればよい。適応ビームフォーミングにはＭＶ法に代えてＭＵＳＩＣ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＳｉｇｎａｌＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法やＡＰＥＳ（ＡｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄＰｈａｓｅＥｓｔｉｍａｔｉｏｎ）法、ＥＳＰＲＩＴ（ＥｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆＳｉｇｎａｌＰａｒａｍｅｔｅｒｓｖｉａＲｏｔａｔｉｏｎａｌＩｎｖａｒｉａｎｃｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）法、ＭＥＭ法（ＭａｘｉｍｕｍＥｎｔｒｏｐｙＭｅｔｈｏｄ）が用いられてもよい。

１１…超音波画像装置（超音波診断装置）、１２…装置本体（装置端末）、１３…プローブ（超音波プローブ）、２１…変換素子群（素子アレイ）、２２…変換素子（超音波トランスデューサー素子）、５３…超音波画像装置向け制御装置、５５…送信部、６１…信号合成部、６２…信号加算部、６３…適応型信号処理部、６４…入力部、６７…設定部

Claims

超音波の送信ごとに、超音波を電気信号に変換するアレイ配置の変換素子群からの出力信号を開口合成し、順番に第１画像信号を出力する信号合成部と、
前記信号合成部から出力される前記第１画像信号をグループごとに加算し、第２画像信号を出力する信号加算部と、
前記第２画像信号に基づき適応的な重みを算出し、前記第２画像信号を合成する適応型信号処理部と、
を備えることを特徴とする超音波画像装置向け制御装置。
請求項１に記載の超音波画像装置向け制御装置において、前記送信ごとに前記変換素子群から選択される変換素子に向けて送信信号を出力する送信部をさらに備えることを特徴とする超音波画像装置向け制御装置。
請求項２に記載の超音波画像装置向け制御装置において、列を形成するＭ個の前記変換素子中で重複せずに順番にＳ１個の前記変換素子が駆動される際に、送信回数Ｋおよびグループ数Ｎに応じて前記グループごとに前記第１画像信号の信号数Ｌは、
ただし、
で特定されることを特徴とする超音波画像装置向け制御装置。
請求項２に記載の超音波画像装置向け制御装置において、列を形成するＭ個の前記変換素子中でＳ２個分でずれながら順番にＳ１個の前記変換素子が駆動される際に、送信回数Ｋおよびグループ数Ｎに応じて前記グループごとに前記第１画像信号の信号数Ｌは、
ただし、
で特定されることを特徴とする超音波画像装置向け制御装置。
請求項２に記載の超音波画像装置向け制御装置において、前記送信信号が前記変換素子群で平面波、拡散波または収束波を形成するＫ個の出力パターンを規定する際に、送信回数Ｋおよびグループ数Ｎに応じて前記グループごとに前記第１画像信号の信号数Ｌは、
ただし、
で特定されることを特徴とする超音波画像装置向け制御装置。
請求項３〜５のいずれか１項に記載の超音波画像装置向け制御装置において、前記グループ数Ｎは２以上であることを特徴とする超音波画像装置向け制御装置。
請求項３〜６のいずれか１項に記載の超音波画像装置向け制御装置において、入力機器に接続されて、グループ数Ｎを入力する入力部をさらに備えることを特徴とする超音波画像装置向け制御装置。
請求項３〜７のいずれか１項に記載の超音波画像装置向け制御装置において、前記第２画像信号の解像度を特定する入力値に応じてグループ数Ｎを設定する設定部をさらに備えることを特徴とする超音波画像装置向け制御装置。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の超音波画像装置向け制御装置において、前記信号加算部は座標点ごとに前記第１画像信号の信号値を足し合わせることを特徴とする超音波画像装置向け制御装置。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波画像装置向け制御装置を含む装置本体と、前記装置本体に接続されて、前記変換素子群を支持するプローブとを備えることを特徴とする超音波画像装置。
超音波の送信ごとに、超音波を電気信号に変換するアレイ配置の変換素子群からの出力信号を開口合成し、順番に第１画像信号を出力する手順と、
前記第１画像信号をグループごとに加算し、第２画像信号を出力する手順と、
前記第２画像信号に基づき適応的な重みを算出し、前記第２画像信号を合成する手順と、
を備えることを特徴とする超音波画像の形成方法。