JP2017185085A - Ultrasound imaging apparatus and ultrasound transmission/reception method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波撮像装置および超音波送受信方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic imaging apparatus and an ultrasonic transmission / reception method.
超音波撮像装置は、超音波素子から超音波ビームを撮像領域に亘って走査し、それぞれの送信により、撮像領域内で生じたエコーを受信する。各送信で受信したエコーは、複数の超音波素子により受信され、複数の受信信号に変換される。複数の受信信号は、受信焦点に応じて超音波素子毎に設定された遅延時間によって遅延(整相)されたのち加算され、目的の撮像領域における焦点データへと変換される。遅延時間の決定方法としては、特許文献1に記載されているように、超音波ビームの焦点位置を仮想音源として、仮想音源から球面形状の波面が伝搬していると仮定して遅延時間を決定する仮想音源法が知られている。さらに、同一位置の受信焦点について、異なる方向に向けた超音波ビームによってそれぞれ得られた焦点データを合成する送信間開口合成技術も知られている(特許文献2)。送信間開口合成により、仮想音源からの複数の波面を合成することができるため、高画質化の効果が得られる。
The ultrasonic imaging apparatus scans an ultrasonic beam from an ultrasonic element over an imaging region, and receives an echo generated in the imaging region by each transmission. The echo received in each transmission is received by a plurality of ultrasonic elements and converted into a plurality of received signals. The plurality of received signals are added after being delayed (phased) by a delay time set for each ultrasonic element according to the reception focus, and converted into focus data in a target imaging region. As described in
異なる超音波ビームの送信について、特許文献1に記載の仮想音源法により得られたそれぞれの焦点データを特許文献2に記載の送信間開口合成により合成すると、異なる仮想音源からの複数の波面を合成する作用により高画質化の効果が得られる反面、意図しない方向へも波面合成作用が生じ、本来は存在しない像(偽像)を生じることがある。意図しない方向への波面合成作用は、合成グレーティングローブと呼ばれ、画質を低下させる。
For the transmission of different ultrasonic beams, when the respective focus data obtained by the virtual sound source method described in
本発明の目的は、仮想音源法により整相を行った焦点データを送信間開口合成して画像を生成する超音波送受信技術において、合成グレーティングローブの発生を抑制することにある。 An object of the present invention is to suppress generation of a synthetic grating lobe in an ultrasonic transmission / reception technique in which an image is generated by synthesizing an aperture between transmissions of focus data phased by a virtual sound source method.
本発明の超音波撮像装置は、複数の振動子が2次元に配列され、超音波を送信および受信する超音波探触子と、超音波探触子から被検体内の3次元撮像領域に複数の超音波ビームを順次送信させる送信部と、送信ごとに、被検体から戻る超音波を受信した超音波探触子の複数の振動子が出力する受信信号を、予め設定された複数の受信焦点ごとにそれぞれ設定された遅延時間ずつ遅延させた後加算し、受信焦点ごとに焦点データを生成する受信部と、異なる送信において前記受信部が生成した、同一の前記受信焦点についての焦点データを加算する合成部と、送信部に前記複数の超音波ビームの送信焦点の位置を設定する送信焦点設定部と、を有する。送信焦点設定部が設定する複数の超音波ビームの送信焦点の配置は、ランダムである。 The ultrasonic imaging apparatus of the present invention includes an ultrasonic probe in which a plurality of transducers are two-dimensionally arranged to transmit and receive ultrasonic waves, and a plurality of ultrasonic transducers from the ultrasonic probe to a three-dimensional imaging region in a subject. A transmission unit that sequentially transmits the ultrasonic beam, and a reception signal output by a plurality of transducers of the ultrasonic probe that has received the ultrasonic wave returning from the subject for each transmission. After adding a delay time set for each reception, the addition is performed, and the reception unit that generates focus data for each reception focus and the focus data for the same reception focus generated by the reception unit in different transmissions are added. And a transmission focus setting unit that sets positions of transmission focal points of the plurality of ultrasonic beams in the transmission unit. The arrangement of the transmission focal points of the plurality of ultrasonic beams set by the transmission focal point setting unit is random.
本発明によれば、合成グレーティングローブの発生が抑圧され、偽像の発生を抑えることができる。 According to the present invention, generation of a synthetic grating lobe is suppressed, and generation of a false image can be suppressed.
本発明の一実施形態の超音波撮像装置について説明する。 An ultrasonic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention will be described.
<<第一実施形態>>
図1等を用いて、第一実施形態の超音波撮像装置(超音波送受信装置)について説明する。図1は、本実施形態の超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。図2(a)は、超音波撮像装置から3次元撮像領域に送信される超音波ビームを示し、図2(b)は、超音波ビームのビーム形状を示し、図2(c)および(d)は、送信焦点の位置の分布を示す説明図である。図3(a)〜(d)は、送信間開口合成を説明する図である。図4は、ランダムに配置された送信焦点の位置を示す図である。図16(a)は、規則的に配置された送信焦点の位置を示す図であり、図16(b)は、ランダムに配置された送信焦点の位置を示す図である。
<< First Embodiment >>
The ultrasonic imaging apparatus (ultrasonic transmitting / receiving apparatus) of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the ultrasonic imaging apparatus of the present embodiment. 2A shows an ultrasonic beam transmitted from the ultrasonic imaging apparatus to the three-dimensional imaging region, FIG. 2B shows a beam shape of the ultrasonic beam, and FIGS. ) Is an explanatory diagram showing a distribution of positions of transmission focal points. FIGS. 3A to 3D are views for explaining transmission aperture synthesis. FIG. 4 is a diagram showing the positions of transmission focal points arranged randomly. FIG. 16A is a diagram illustrating the positions of transmission focal points that are regularly arranged, and FIG. 16B is a diagram illustrating the positions of transmission focal points that are randomly arranged.
図1のように、第一実施形態の超音波撮像装置100は、超音波探触子108と、送信部102と、受信部105と、合成部25と、送信焦点設定部103とを備えている。超音波探触子108は、複数の超音波振動子(以下、「振動子」と呼ぶ。)109が1次元もしくは2次元に配列され、それぞれの振動子109は、電気信号を超音波へ、超音波を電気信号へと変換して超音波を送信および受信するトランスデューサである。送信部102は、超音波探触子108から被検体120内の3次元の撮像領域120aに図2(a)および図3(a)のように複数の超音波ビーム3−1〜3−Nを順次送信させる。例えば、送信部102は、複数の振動子109にそれぞれ所定量ずつ遅延させた送信信号を受け渡すことにより、所定の位置に送信焦点を有する超音波ビーム3−1〜3−Nを順次送信させることができる。超音波探触子108の複数の振動子109は、送信ごとに、被検体120から戻る超音波を受信する。受信部105は、遅延加算部21を備える。遅延加算部21は、超音波探触子108の複数の振動子109の出力する受信信号を、超音波画像を構築するための複数の点が集合した線である受信走査線241上に予め設定された、超音波画像を構築するための各点である複数の受信焦点52(図3(b)、(c)参照)ごとにそれぞれ設定された遅延時間ずつ遅延させた後加算し、受信焦点52ごとに整相範囲35の焦点データを生成する。合成部25は、異なる送信において受信部105が生成した、同一の受信焦点52についての焦点データを加算することにより、送信間開口合成を行う(図3(d)参照)。例えば、遅延加算部21は、超音波ビーム3−(N−1)に対応した整相範囲35−(N−1)と超音波ビーム3−Nに対応した整相範囲35−Nのそれぞれにおいて、焦点データを生成し、合成部25は、整相範囲35−(N−1)と整相範囲35−Nとが重なる範囲135―Nにおいて、整相範囲35−(N−1)と整相範囲35−Nのそれぞれの焦点データ同士を加算して送信間開口合成を行う。
また、合成部25は、送信間開口合成により合成した焦点データである合成後データを別の装置(不図示)や、超音波撮像装置100内の後段の機能部に送信する。
As shown in FIG. 1, the
The synthesizing
送信焦点設定部103は、送信部102に、複数の超音波ビーム3−1〜3−Nの送信焦点30−1〜30−Nの位置を設定する。このとき、送信焦点設定部103が設定する複数の超音波ビーム3−1〜3−Nの送信焦点30−1〜30−Nの配置は、ランダムである。
The transmission
ここでいうランダムとは、3次元空間における複数の送信焦点30−N〜30−(N−1)の間隔に規則性がない配置もしくは非周期的な配置であることを言う。例えば、連続して送信する送信焦点の距離が不等間隔であることを言う。距離に規則性がなければ、3次元空間のいずれかの面や方向において、送信焦点30−1〜30−Nが並んでいても構わない。例えば、図2(c)のように、xy平面から見た送信焦点30−1〜30−Nの配置がランダムであるが、図2(d)のようにzx平面から見た送信焦点30−1〜30−Nが所定のz深さに並んでいても構わない。 The term “random” as used herein refers to an arrangement in which the intervals between the plurality of transmission focal points 30-N to 30- (N−1) in the three-dimensional space have no regularity or an aperiodic arrangement. For example, it means that the distances of the transmission focal points transmitted continuously are unequal intervals. If the distance is not regular, the transmission focal points 30-1 to 30-N may be arranged in any plane or direction in the three-dimensional space. For example, the arrangement of the transmission focal points 30-1 to 30-N viewed from the xy plane is random as shown in FIG. 2C, but the transmission focal point 30- viewed from the zx plane as shown in FIG. 1 to 30-N may be arranged at a predetermined z depth.
送信焦点設定部103は、設定したランダムな送信焦点位置に応じて、仮想音源法により定めた遅延時間を受信部105に設定することができる。
The transmission
このように、送信焦点30−1〜30Nをランダムに配置することにより、異なる送信によって得られた焦点データを送信間開口合成により合成しても、意図しない方向へ波面合成作用が生じること(合成グレーティングローブ)を抑制でき、合成後のデータに、偽像の発生を防ぐことができる。よって、偽像の発生を防ぎながら、本来の開口合成の作用である、複数の仮想音源からの複数の波面を合成する作用により高画質化の効果が得られる。 As described above, by randomly arranging the transmission focal points 30-1 to 30N, even if the focal point data obtained by different transmissions are synthesized by the aperture synthesis between transmissions, a wavefront synthesis action occurs in an unintended direction (synthesis) (Grating lobes) can be suppressed, and generation of false images can be prevented in the combined data. Therefore, the effect of improving the image quality can be obtained by the action of synthesizing a plurality of wavefronts from a plurality of virtual sound sources, which is the original action of aperture synthesis, while preventing the generation of false images.
送信焦点設定部103は、複数の超音波ビーム3−1〜3−Nの送信焦点30−1〜30−Nはいずれも、最も近くに位置する送信焦点との距離が超音波ビーム3−1〜3−Nの波長よりも小さいことが望ましい。これにより、合成グレーティングローブをより効果的に抑制することができる。なお、波長とは、各素子から送信された超音波パルスの周波数帯域と、トランスデューサの持つ感度周波数帯域の畳みこみで得られる周波数帯域のうち、画像に影響する周波数成分をから成る音波波形の時間長を指す。
The transmission focal
より具体的には、ランダムに配置された送信焦点30−1〜30−Nについて以下のように求めた距離の平均が超音波ビーム3−1〜3−Nの波長よりも小さいことが望ましい。すなわち、図4にランダムに配置された送信焦点30−1〜30−Nを示したように、ある送信焦点30−1と、その最も近くに位置する送信焦点30−5とを結ぶ直線41を設定し、この直線41に対して直交する方向に位置する別の1以上の送信焦点30−2,30−7のうち、直線41に最も近い送信焦点30−7を選択する。この送信焦点30−7から直線41に垂線42を下し、その垂線42と直線41との交点Oによって直線41を分割し、2つの線分AO、BOを設定する。2つの線分AO、BOの長さをそれぞれ求める。この動作を、すべての送信焦点30−1〜30−Nについて行い、得られたすべての線分の長さの平均を算出する。求めた平均値が、超音波ビーム3−1〜3−Nの波長よりも小さくなるように送信焦点30−1〜30−Nの配置を設定することにより、合成グレーティングローブをより効果的に抑制することができる。
More specifically, it is desirable that the average distance obtained as follows for the transmission focal points 30-1 to 30-N arranged at random is smaller than the wavelength of the ultrasonic beams 3-1 to 3-N. That is, as shown in FIG. 4, the transmission focal points 30-1 to 30 -N randomly arranged, a
また、以下のように求めた距離の平均値が超音波ビーム3−1〜3−Nの波長よりも小さいことでもよい。ある送信焦点30−1に最も近い距離に配置される送信焦点30−2までの距離を求める。この動作を全ての送信焦点30−1〜30−Nについて行い、得られたすべての距離の平均値が、超音波ビーム3−1〜3−Nの波長よりも小さくなるように送信焦点30−1〜30−Nの配置を設定することにより、合成グレーティングローブをより効果的に抑制することができる。 Moreover, the average value of the distance calculated | required as follows may be smaller than the wavelength of ultrasonic beam 3-1 to 3-N. The distance to the transmission focal point 30-2 arranged at the closest distance to a certain transmission focal point 30-1 is obtained. This operation is performed for all the transmission focal points 30-1 to 30-N, and the transmission focal point 30- is such that the average value of all the obtained distances is smaller than the wavelength of the ultrasonic beams 3-1 to 3-N. By setting the arrangement of 1 to 30-N, the synthetic grating lobe can be more effectively suppressed.
このように送信焦点30−1〜30−Nをランダムに配置することで、図16(a)に示すような送信焦点の間隔dxを波長よりも短く規則的に配置した条件ではなく、例えば図16(b)のような配置が可能となる。これにより、少ない送信焦点数で合成グレーティングローブを抑圧させた送信開口合成ができるため、撮像時間の短縮に繋がり、フレームレートを向上させることができる。 By arranging the transmission focal points 30-1 to 30-N at random in this way, the transmission focal point distance dx as shown in FIG. Arrangement like 16 (b) is possible. As a result, transmission aperture synthesis in which the composite grating lobe is suppressed with a small number of transmission focal points can be performed, leading to a reduction in imaging time and an improvement in frame rate.
図5(a)は、超音波撮像装置から3次元撮像領域に送信される別の形状の超音波ビームを示し、図5(b)は、送信超音波ビームのビーム形状を示す。図6(a)は、超音波撮像装置から3次元撮像領域に送信される超音波ビームの別の例を示し、図6(b)および(c)は、送信焦点の深さ(z)を変えた場合の送信焦点の間隔を示す。図7(a)は、超音波撮像装置から3次元撮像領域に送信される超音波ビームのさらに別の例を示し、図7(b)、(c)は、送信焦点の深さ(z)を変えた場合の送信焦点の間隔を示す。図8は、ユーザに設定された深さ範囲に3次元に送信焦点をランダムに配置することを示す説明図である。 FIG. 5A shows an ultrasonic beam having another shape transmitted from the ultrasonic imaging apparatus to the three-dimensional imaging region, and FIG. 5B shows a beam shape of the transmission ultrasonic beam. 6A shows another example of an ultrasonic beam transmitted from the ultrasonic imaging apparatus to the three-dimensional imaging region, and FIGS. 6B and 6C show the depth (z) of the transmission focal point. The interval of the transmission focus when changing is shown. FIG. 7A shows still another example of the ultrasonic beam transmitted from the ultrasonic imaging apparatus to the three-dimensional imaging region, and FIGS. 7B and 7C show the depth of transmission focus (z). The transmission focus interval when the value is changed is shown. FIG. 8 is an explanatory diagram showing that transmission focal points are randomly arranged in a three-dimensional range within the depth range set by the user.
送信焦点設定部103が設定する送信焦点30−1〜30−Nは、図2(a)のように、被検体120内の3次元撮像領域120a内に位置する場合に限定されない。例えば、図5(a)、(b)のように、送信焦点設定部103が、超音波探触子108から被検体120内でビーム形状が拡大する超音波ビーム3−1〜3−Nを送信させる場合には、被検体120よりもマイナスのZ方向の空間に仮想的に送信焦点30−1〜30−Nを設定する。
The transmission focal points 30-1 to 30-N set by the transmission focal
なお、超音波ビーム3−1〜3−Nの送信方向は、図2(a)および図5(a)のように、平行であってもよいし、図6(a)および図7(a)のように、超音波ビーム3−1〜3−Nの送信方向が所定の角度をなす配置であってもよい。超音波ビーム3−1〜3−Nの送信方向が所定の角度をなす配置である場合、送信焦点の深さ(z)を変えることにより、図6(b)、(c)ならびに図7(b)、(c)に示すように、送信焦点間の距離が変わる。よって、深さ変更後の送信焦点の距離が超音波ビーム3−1〜3−Nの波長よりも小さいことが望ましい。 The transmission directions of the ultrasonic beams 3-1 to 3-N may be parallel as shown in FIGS. 2 (a) and 5 (a), or FIG. 6 (a) and FIG. 7 (a). ), The transmission directions of the ultrasonic beams 3-1 to 3-N may be arranged at a predetermined angle. When the transmission directions of the ultrasonic beams 3-1 to 3-N are arranged at a predetermined angle, the depth (z) of the transmission focal point is changed to change the transmission focus depth (z) as shown in FIGS. As shown in b) and (c), the distance between the transmission focal points changes. Therefore, it is desirable that the distance of the transmission focal point after the depth change is smaller than the wavelength of the ultrasonic beams 3-1 to 3-N.
なお、本実施形態の超音波撮像装置は、ユーザ(操作者)から送信焦点30−1〜30−Nの深さ範囲81の設定を受け付ける受付部121をさらに備えてもよい。この場合、送信焦点設定部103は、受付部121が受け付けた送信焦点の深さ範囲81を受け付けるたびに、図8に示すように、設定された深さ範囲81に3次元に送信焦点30−1〜30−Nをランダムに配置して、その位置を決定する構成にしてもよい。また、受付部121が受付可能な送信焦点の深さ(z)ごとに、予め定められた送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンを記憶する記憶部103a(不図示)を超音波撮像装置が備える構成としてもよい。その場合、送信焦点設定部103は、受付部121が受け付けた送信焦点の深さ(z)に対応する送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置を記憶部103aから読みだして、送信部102に設定してもよい。
Note that the ultrasonic imaging apparatus of the present embodiment may further include a
以上のように、本実施形態の超音波撮像装置は、複数の超音波ビーム3−1〜3−Nの送信焦点30−1〜30−Nの配置をランダムにして超音波ビームを送信することで、波面合成作用による合成グレーティングローブの発生を抑制し、超音波画像上の偽像の発生を抑えることができる。また、送信焦点間隔を適度に拡大させることもできるため、少ない送信焦点数で送信開口合成ができる。これより、撮像時間の短縮に繋がり、フレームレートを向上させることができる。 As described above, the ultrasonic imaging apparatus according to the present embodiment transmits ultrasonic beams by randomly arranging the transmission focal points 30-1 to 30-N of the plurality of ultrasonic beams 3-1 to 3-N. Thus, the generation of the synthetic grating lobe due to the wavefront synthesis action can be suppressed, and the generation of the false image on the ultrasonic image can be suppressed. Further, since the transmission focal interval can be increased appropriately, transmission aperture synthesis can be performed with a small number of transmission focal points. As a result, the imaging time is shortened and the frame rate can be improved.
<<第二実施形態>>
第二実施形態により、本発明の超音波撮像装置の具体的な構成例について説明する。
<< Second Embodiment >>
A specific configuration example of the ultrasonic imaging apparatus of the present invention will be described according to the second embodiment.
<装置の全体構成>
第二実施形態の超音波撮像装置100の全体構成について図9を用いて説明する。図9は、第二実施形態の超音波撮像装置の全体構成を示すブロック図である。図9において、第一実施形態の図1の構成と同様の構成は、同じ符号を付している。超音波撮像装置100は、第一実施形態と同様に、超音波探触子108と送信部102と受信部105と合成部25と送信焦点設定部103と受付部(ユーザインタフェース:UI)121を備え、これらに加えて、第二実施形態では、制御部106と、送受切替部101と、画像処理部107と、表示部122とを備えている。また、受信部105には、遅延加算部21の他に、仮想音源法遅延時間設定部104と、メモリ40が配置されている。
<Overall configuration of device>
The overall configuration of the
制御部106は、全体の動作を制御する。受付部121は、ユーザからの指示、各種パラメータの入力等を受け付けるインタフェースである。仮想音源法遅延時間設定部104は、送信焦点30−1〜30−Nの位置を送信焦点設定部103から取り込んで、その位置を仮想音源の位置として、受信焦点52ごとの遅延時間を遅延時間加算部21に設定する。送受切替部101は、超音波探触子108を超音波送信時には送信部102と接続し、超音波受信時には受信部105と接続するよう送信部102または受信部105を選択する切り替えを制御部106の制御下で行う。画像処理部107は、合成部25が送信開口合成後の焦点データ(合成後データ)を用いて、超音波画像の画像データを生成し、表示部122へ送信する。表示部122は、送信された画像データを基に超音波画像を表示する。また、表示部122は、制御部106を介した受付部121からの制御により種々の画面を表示する。
The
超音波探触子108は、所定の配列で1次元もしくは2次元に配列された振動子109を複数個備える。配列された複数の振動子109は、複数の所定の方向へ超音波を送信(照射)する振動子109の領域である送信開口に仮想的もしくは物理的に分割されている。超音波探触子108は、振動子109が配置された面(超音波送受面)を撮像対象120に接触させて使用するのに適した外形に仕立てられている。
The
<受付部121>
図10は、受付部121が表示部122に表示させる画面10の例である。図10のように、受付部121は、送信焦点30−1〜30−Nの深度、画角、超音波ビーム3−1〜3−Nの周波数、フレームレートおよび超音波ビームの向き、それぞれの情報をユーザから受け付けるオブジェクトである領域10a〜10eを含む画面10を表示する。ユーザは、領域10a〜10eの1以上の値や方向を入力することにより、これらの1以上の設定値を設定する。また、画面10には、3次元撮像領域120aについて生成した超音波画像を表示する領域10fも備えられている。
<
FIG. 10 is an example of the
<送信焦点設定部103>
送信焦点設定部103は、超音波撮像装置が受付可能な送信焦点の深さ(z)、画角(3次元撮像領域102a)の大きさ、超音波ビームの周波数、および、超音波ビームの向きの組み合わせごとに、予め定められた、または、求められた送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンを記憶する記憶部103aを内蔵する。受付部121を介して送信焦点の深さ範囲81の設定を受け付けるたびに、もしくは、設定を受け付けなかった場合には、送信焦点設定部103は、デフォルトの送信焦点の深さ(z)に対応する送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンを記憶部103aから読み出し、送信部102に設定する。また、記憶部103aに送信焦点のランダム配置のパターンが記憶されていない送信焦点の深さ(z)をユーザから受付部121を介して受け付けた場合、送信焦点設定部103は、設定された深さ(z)の3次元空間にランダムな点を発生し、各点を送信焦点30−1〜30−Nとして、送信部102に設定する。また、送信焦点設定部103は、設定した送信焦点のランダム配置のパターンに対応する送信焦点の位置を仮想音源法遅延時間設定部104に送信してもよい。
<Transmission
The transmission
<送信部102>
送信部102は、制御部106からの指示に従って、超音波探触子108の送信開口を超音波ビームの送信ごとに選択する。送信部102は、送信信号の波形種類、遅延時間、振幅変調、重み付け等を決定し、それに応じた送信信号を生成する。このとき、送信開口から送信される超音波ビーム(例えば3−1)が、送信焦点設定部103から設定された送信焦点(例えば30−1)の位置に送信焦点をもつように、振動子109ごとの送信信号の遅延時間を設定する。送信部102は、生成した送信信号を、送受切替部101を介して、送信開口内の複数の振動子109に出力(送信)する。これにより、例えば図2(a)のように、送信焦点30−1をもつ超音波ビーム3−1が3次元撮像領域120a内に送信される。送信部102は、この動作を、制御部106が設定した所定の送信間隔で繰り返し、送信焦点30−1〜30−Nをもつ超音波ビーム3−1〜3−Nを順次送信する。
<
The
<受信部105>
超音波ビーム3−1〜3−Nが3次元撮像領域120aに送信されるたびに、3次元撮像領域120aではエコー等が生じる。超音波探触子108の各振動子109は、超音波探触子108に戻ったエコー等を受信し、電気信号に変換して受信信号として送受切替部101を介して受信部105に出力(送信)する。超音波ビームの送信のたびに受信信号を受信した受信部105は、得られた受信信号を受信部105内のメモリ40に一旦格納する。遅延加算部21は、メモリ40から受信信号を読み出し、制御部106が設定した受信走査線241上の受信焦点52ごとに、仮想音源法遅延時間設定部104が設定した遅延時間ずつ振動子109の受信信号を遅延させた後、加算する。これにより、所定の受信焦点52に焦点を結んだ焦点データを生成する(受信ビームフォーミング)。受信部105は、生成した焦点データを合成部25に受け渡す。受信ビームフォーミングには、超音波探触子108のすべての振動子109の受信信号を用いてもよいし、所定の受信開口(アクティブチャネル)内のチャネルの受信信号のみを用いてもよい。
<Receiving
Every time the ultrasonic beams 3-1 to 3-N are transmitted to the three-
仮想音源法遅延時間設定部104は、送信焦点設定部10から送信焦点30−1〜30−Nの位置を送信焦点設定部103から取り込んで、その位置を仮想音源の位置として、受信焦点ごとの遅延時間を求め、遅延時間加算部21に設定する。仮想音源法による遅延時間の演算方法は、広く知られた方法であるので、図12を用いて簡単に説明する。図12は、仮想音源法による遅延時間の演算方法を示す説明図である。送信された音波は振動子109から散乱体まで伝搬していき、散乱体で反射して再び振動子109まで伝搬してく。伝搬に要する時間をそれぞれ往路伝搬時間、復路伝搬時間とする。仮想音源法遅延時間設定部104は、超音波ビーム3−1等の送信開始トリガから受信焦点52等までの往路伝搬時間と、受信焦点52等からそれぞれの振動子109までの復路伝搬時間とを求め、両者を合算することにより遅延時間を算出する。往路伝搬時間は、受信焦点52が送信焦点30−1よりも超音波探触子108側にある場合(例えば図12の受信焦点52−1の場合)には、送信開口の中心の振動子109−1から送信焦点30−1までの伝搬時間から、送信焦点30−1から受信焦点52−1までの伝搬時間を減算することにより算出する。受信焦点52が送信焦点30−1よりも超音波探触子108から遠い位置にある場合(例えば受信焦点52−2の場合)には、送信開口の中心の振動子109−1から送信焦点30−1までの伝搬時間に、送信焦点30−1から受信焦点52−2までの伝搬時間を加算することにより往路伝搬時間を算出する。このように仮想音源法では、送信焦点30−1から受信焦点52までの距離に応じて往路伝搬時間が決まり、送信焦点30−1を中心とした同心円の円弧204、205が同位相の波面となる。同じ波面上の受信焦点52の往路伝搬時間はすべて同じ値となる。
The virtual sound source method delay
仮想音源法遅延時間設定部104は、送信焦点設定部10から送信焦点30−1〜30−Nの位置を送信焦点設定部103から取り込むたびに、受信走査線241上のすべての受信焦点52の遅延時間を演算し、遅延加算部21に設定する。もしくは、送信焦点30および受信焦点52の位置の組み合わせごとに予め求めておいた遅延時間を内蔵するメモリ内に格納しておき、送信焦点設定部10から送信焦点30−1〜30−Nの位置を送信焦点設定部103から取り込むたびに、取り込んだ送信焦点30の位置に対応する遅延時間をメモリから読みだして、遅延時間加算部21に設定してもよい。
Each time the virtual sound source method delay
図11は、超音波ビームを送信した開口(振動子)の中心から所定の範囲に整相範囲を設定することを示す説明図である。制御部106は、超音波ビーム3−1〜3−Nを送信した開口(振動子109)の中心から所定の範囲に整相範囲35−1〜35−Nを図3(c)、図11のように設定し、この整相範囲35に複数の受信走査線241を設定し、受信走査線241上のすべての受信焦点52について、焦点データを遅延加算部21に生成させる。これにより、少なくとも隣合う超音波ビーム3−1〜3−Nの整相範囲35−1〜35−Nが重なりあう範囲135(図3に図示)においては、受信走査線241および受信焦点52が重なるため、合成部25が焦点データを加算することができる。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing setting the phasing range within a predetermined range from the center of the aperture (vibrator) that transmits the ultrasonic beam. The
<合成部25>
合成部25は、図3(d)のように、同じ座標の受信焦点52の複数の焦点データを加算することにより範囲135において合成する。撮像領域102aのすべての受信走査線241の合成後の焦点データがそろった後、合成後データは画像処理部107に受け渡され、画像処理部107は、表示用としてデータを加工して超音波画像の画像データを生成し、表示部122に送信して超音波画像を表示させる。
<
As illustrated in FIG. 3D, the combining
つぎに、本実施形態の超音波撮像装置の動作を図13及び図14を用いて説明する。図13は、制御部106、送信焦点設定部103、送信部102、受信部105、合成部105および画像処理部107の動作を示すフローチャートである。図14は、送信焦点設定部103動作を示すフローチャートである。これらをそれぞれ、CPU(Central Processing Unit)とメモリにより構成し、CPUがメモリに予め格納されているプログラムを読み込んで実行することにより、図13の動作をソフトウエアにより実現することが可能である。また、その一部または全部を、ASIC(application specific integrated circuit)等のカスタムICやFPGA(field-programmable gate array)等のプログラマブルICのようなハードウエアにより実現することももちろん可能である。
Next, the operation of the ultrasonic imaging apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a flowchart showing operations of the
受付部121は、図10に示したような受付用画面10を表示部122に表示させる。受付部121は、画面10内の領域10a〜10eにおいて、ユーザからパラメータとして、送信焦点の深度、画角(3次元撮像領域102a)、超音波ビームの周波数、フレームレート、および、超音波ビームの向きの1以上の設定を受け付け、UIからパラメータを決定する(ステップ131)。送信焦点の深度は、特定のz値、または、所定の範囲のz値の設定を受け付ける。超音波ビームの向きは、角度を入力することにより、図2(a)や図5(a)のように超音波ビーム3−1〜3−Nがz方向に平行な向き(0度)である場合と、図6(a)や図7(a)のように隣り合う超音波ビーム3−1〜3−Nが所定の角度をなす配置を設定することができる。また、使用する超音波探触子108の種類に応じて、受付部121が超音波ビームの向きを選択する構成にしてもよい。また、受付部121は、設定を受け付けなかったパラメータは、予め定めておいたデフォルト値が設定されているものとして扱う。
The
送信焦点設定部103は、受付部121から送信焦点の深度、画角(3次元撮像領域102a)、超音波ビームの周波数、フレームレート、および、超音波ビームの向きの設定を受け取って、フレームレート以外の一部のパラメータを満たす(パラメータに合致する)送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンが記憶部103a内にあるかどうか探索する(ステップ132)。
The transmission
ステップ132において、合致するパターンが1以上ある場合、送信焦点設定部103は、その1以上のパターンを読み出す。そして、送信焦点設定部103は、読みだした1以上のランダム配置のパターンについて、そのパターンのN個の送信焦点30−1〜30−Nに向かって、予め定めた時間間隔で超音波ビーム3−1〜3−Nを順に送信して、画角(3次元撮像領域120a)の画像(1フレーム)を生成した場合のフレームレートを算出する。読み出した2以上のランダム配置のパターンそれぞれから算出したフレームレートが、いずれもユーザから受け付けたフレームレート以上である場合、送信焦点設定部103は、いずれか1つのランダム配置のパターンを選択し、選択したランダム配置のパターンの送信焦点の数Nとこのランダム配置のパターンで達成されるフレームレートとを表示部122に表示させる(ステップ133)。また、送信焦点設定部103は、読み出した各ランダム配置のパターンの送信焦点の数Nを比較してランダム配置のパターンを選択してもよい。例えば、送信焦点設定部103は、読み出した各ランダム配置のパターンの送信焦点の数Nを比較し、フレームレートを向上させるために最もNの数が小さいランダム配置のパターン、すなわち、送信焦点30−1〜30−Nの数が最も少ないランダム配置のパターンを選択してもよい。
In
また、読み出したランダム配置のパターンが1の場合、送信焦点設定部103は、読み出した1のランダム配置のパターンについて、フレームレートを算出し、ユーザから受け付けたフレームレート以上である場合、そのランダム配置のパターンを選択し、選択したランダム配置のパターンの送信焦点の数Nとそのランダム配置のパターンで達成されるフレームレートとを表示部122に表示させる(ステップ133)。
When the read random arrangement pattern is 1, the transmission focal
また、ステップ132において、受付部121から受け取った送信焦点の深度、画角(3次元撮像領域102a)、超音波ビームの周波数、および、超音波ビームの向きに合致する送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンが記憶部103a内にない場合、送信焦点設定部103は、これらのランダム配置のパラメータを満たす送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンを生成し、表示部122に表示させる(ステップ134)。
In
ステップ134を図14のフローを用いて、送信焦点設定部103による送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンの生成を詳しく説明する。まず、送信焦点設定部103は、受付部121に設定されたフレームレートを満たすように送信焦点30−1〜30−Nの数Nを算出する(ステップ1141)。例えば、送信焦点設定部103は、Nの最大値を求める。送信焦点設定部103は、N個の送信焦点のランダム配置のパターンを所定の深さ範囲に発生させ、送信焦点30−1〜30−Nを設定する(ステップ1142)。例えば、送信焦点設定部103は、図8のように、受付部121から受け取った送信焦点の深度(または深度の範囲)および画角(3次元撮像領域102a)内に、乱数等により発生させたN個のランダムな送信焦点30−1〜30−Nを設定する(ステップ1142)。そして、送信焦点設定部103は、ランダムに配置された送信焦点30−1〜30−Nについて以下のように距離の平均を算出する(ステップ1143)。
Step 134 will be described in detail with reference to the flow of FIG. 14 to generate a pattern of random arrangement of the transmission focal points 30-1 to 30-N by the transmission focal
すなわち、図4に示したように、送信焦点設定部103は、ある送信焦点30−1と、その最も近くに位置する送信焦点30−5とを結ぶ直線41を設定し、この直線41に対して直交する方向に位置する別の1以上の送信焦点30−2,30−7のうち、直線41に最も近い送信焦点30−7を選択する。この送信焦点30−7から直線41に垂線42を下し、その垂線42と直線41との交点Oによって直線41を分割し、2つの線分AO、BOを設定する。2つの線分AO、BOの長さをそれぞれ求める。送信焦点設定部103は、この動作を、すべての送信焦点30−1〜30−Nについて行い、得られたすべての線分の長さの平均値(距離の平均値)を算出する。
That is, as shown in FIG. 4, the transmission focal
送信焦点設定部103は、算出した距離の平均値と、受付部121が受け付けた超音波ビーム3−1〜3−Nの周波数から求めた波長λと、を比較する(ステップ1144)。距離の平均値が波長λよりも小さければ、ユーザから受け付けたパラメータを満たす送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンが生成されているので、送信焦点設定部103は、送信焦点の数Nおよびフレームレートを表示部122に表示させ(ステップ1145)、ステップ135に進む。
The transmission
一方、ステップ1144において、算出した線分の長さの平均値(距離の平均値)が波長λ以上である場合には、ユーザから受け付けたパラメータを満たしていないので、送信焦点設定部103は、画角を狭めてもよいか、フレームレートを下げてもよいか、超音波ビーム同士が角度をなしている場合、焦点深度をより浅い方向に移動させてもよいかなどの設定をユーザから受けつける画面15を表示部122に表示させる(ステップ1146)。図15は、ステップ1146において、送信焦点設定部103が表示部122に表示させる画面15の例である。画面15の各設定15a〜15cがユーザに示され、送信焦点設定部103は、入力を受け付けるオブジェクトであるラジオボックス15dによってユーザからの設定を受け付ける。
On the other hand, in
例えば、送信焦点設定部103は、ユーザが、画角を狭めてもよいと設定した場合には、パラメータの画角を所定量狭め、フレームレートを下げてもよいと設定した場合には、パラメータのフレームレートを所定量下げ、焦点深度をより浅い方向に移動させてもよいと設定した場合には、パラメータの焦点深度を所定量だけ浅い方向に移動させる。そして、送信焦点設定部103は、ステップ1141〜1144に戻って、ステップ1146で変更後のパラメータを用いて、再びランダムなパターンを発生する。これにより、ユーザが許容できるパラメータの値を変更して、そのパラメータを満たす送信焦点30−1〜30−Nのパターンを生成することができる。なお、超音波ビーム同士が角度をなす配置の場合、焦点深度をより浅い方向に移動させるのは、図6(b)、(c)や、図7(b)のように焦点深度を浅くすることによって、送信焦点30−1〜30−Nの間隔を近づけることができるためである。
For example, if the user sets that the angle of view may be narrowed, the transmission
送信焦点設定部103は、送信焦点30−1〜30−Nのうち、送信焦点30−m(m=1)の位置を送信部102に設定し、制御部106は、送信開口を送信部102に指示して、送信部102はスキャンを開始する(ステップ135)。送信部102は、超音波ビーム3−mを超音波探触子109に送信させる(ステップ136)具体的には、送信部102は、送信開口の複数の振動子109から、送信焦点30−m(m=1)に焦点を結ぶ超音波ビーム3−mを送信させるために、所定の遅延時間を与えた送信信号を振動子109ごとに生成する。送信信号は、送受切替部101を介して超音波探触子109の選択された送信開口内の2以上の振動子109に受け渡される。これにより、超音波探触子108から送信焦点30−m(m=1)に焦点を結ぶ超音波ビーム3−mが3次元撮像領域120aに向かって、例えば図2(a)のように送信される(ステップ136)。
The transmission
3次元撮像領域120aで生じたエコー等は、超音波探触子108の振動子109に到達して受信され、受信信号に変換される(ステップ137)。仮想音源法遅延時間設定部104は、送信焦点設定部103から送信焦点30−m(m=1)の位置を受け取り、制御部106が設定した受信走査線241上の複数の受信焦点52等ごとに、送信焦点30−m(m=1)を仮想音源とする仮想音源法による遅延時間を算出または内蔵するメモリから読み出して、遅延加算部21に設定する。受信部105は、各振動子109の受信信号をメモリ40に格納する。遅延加算部21は、設定された遅延時間を用いて、振動子109ごとの受信信号を遅延させ加算する(受信ビームフォーミング)(ステップ138)。これにより、遅延加算部21は、受信焦点52等ごとに焦点データを得て、メモリ40に保存(格納)する(ステップ139)。送信焦点設定部103は、mとNとを比較する(ステップ140)。mとNが等しくない場合、送信焦点設定部103は、m=m+1=2(ステップ141)とし、ステップ136に戻って、次の送信焦点30−m(m=2)について、ステップ136〜140を繰り返し、N個すべての送信焦点30−Nについて超音波ビームの送受信を繰り返す(ステップ140)。
An echo or the like generated in the three-
ステップ140においてmとNが等しい場合、合成部25は、メモリ40から超音波ビーム3−1〜3−Nの送信で得られたすべての焦点データを読み出し、同一の受信焦点52等についての焦点データを加算し、開口合成する(ステップ142)。開口合成後の焦点データを用いて、画像処理部107は超音波画像の画像データを生成し、表示部122に超音波画像を表示させる(ステップ143)。これにより、3次元撮像領域120a全体の画像(1フレーム)が表示される。
If m and N are equal in
つぎに、ユーザからパラメータの変更を受け付け(ステッ144)、変更がない場合は、送信焦点設定部103は、ステップ135に戻って、前回と同じ送信焦点30−1〜30−Nのパターンでステップ135〜143を繰り返し、次のフレームの3次元撮像領域120a全体の超音波画像を取得し、画像を更新する。
Next, a parameter change is received from the user (step 144), and if there is no change, the transmission
一方、ステップ144において、パラメータの変更がある場合には、ステップ131〜134に戻って、受付部121は、UIからパラメータを決定し(ステップ131)、送信焦点設定部103は、変更後のパラメータを満たす送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンを選択(ステップ133)または生成し(ステップ134)、ステップ135以降を繰り返して、次のフレームの画像を撮像する。これにより、フレームごとに、送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンを変更できる。
On the other hand, if there is a parameter change in
このように、送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンをフレームごとに変更することにより、送信焦点30−1〜30−Nのパターンになんらかの偏りがある場合であっても、毎回の超音波ビーム送信毎にランダム配置のパターンが変更されることにより、表示される超音波画像(毎秒数十フレーム)にランダム配置のパターンの偏りがほとんど影響を与えないという効果が得られる。 In this way, by changing the pattern of the random arrangement of the transmission focal points 30-1 to 30-N for each frame, even if there is some bias in the pattern of the transmission focal points 30-1 to 30-N, every time By changing the pattern of the random arrangement every time the ultrasonic beam is transmitted, there is an effect that the bias of the pattern of the random arrangement hardly affects the displayed ultrasonic image (several tens of frames per second).
なお、ステップ144で毎回ランダム配置のパターンを変更する場合、ユーザから毎回異なるパラメータの設定を受け付ける方法に限らず、予めパラメータのセットについて2種類以上の値を受け付けておき、それぞれのパラメータセットごとに、送信焦点30−1〜30−Nのランダム配置のパターンを生成し、これらのランダム配置のパターンを交互に用いるように構成してもよい。これにより、ユーザの手を煩わせずに、ランダム配置のパターンの偏りが表示する超音波画像に影響を与えるのを抑制する効果を得られる。
In addition, when changing the pattern of random arrangement every time in
本実施形態では、送信焦点設定部103がランダムな送信焦点30−1〜30−Nを設定するため、送信間開口合成を行いつつ、合成グレーティングローブを抑制することができ、ランダム配置のパターンの偏りによる超音波画像(毎秒数十フレーム)に与える影響を小さくすることできる。
In this embodiment, since the transmission
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えばFPGA(field−programmable gate array)のような集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、IC(Integrated Circuit)カード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。 In addition, this invention is not limited to an above-described Example, Various modifications are included. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Further, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment. In addition, each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like are realized by hardware by designing a part or all of them with an integrated circuit such as a field-programmable gate array (FPGA). Also good. Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor. Information such as programs, tables, and files that realize each function is stored in memory, a hard disk, a recording device such as an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC (Integrated Circuit) card, SD card, or DVD. be able to.
「記憶する」「格納する」の表現にて記憶部に各情報を記録することを説明したが、「登録する」または「設定する」と表現されてもよい。 Although it has been described that each information is recorded in the storage unit using the expressions “store” and “store”, it may be expressed as “register” or “set”.
また、制御線や情報線、接続線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。 In addition, control lines, information lines, and connection lines are those that are considered necessary for the explanation, and not all control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.
3−1〜3−N 超音波ビーム
30−1〜30−N 送信焦点
100 超音波撮像装置
108 超音波探触子
109 振動子
102 送信部
103 送信焦点設定部
104 仮想音源法遅延時間設定部
105 受信部
21 遅延加算部
25 合成部
120 被検体
241 受信走査線
3-1-3 -N Ultrasonic beams 30-1 to 30 -N Transmission
Claims (11)
前記超音波探触子から被検体内の3次元撮像領域に複数の超音波ビームを順次送信させる送信部と、
前記送信ごとに、前記被検体から戻る超音波を受信した前記超音波探触子の前記複数の振動子が出力する受信信号を、予め設定された複数の受信焦点ごとにそれぞれ設定された遅延時間ずつ遅延させた後加算し、前記受信焦点ごとに焦点データを生成する受信部と、
異なる送信において前記受信部が生成した、同一の前記受信焦点についての前記焦点データを加算する合成部と、
前記送信部に前記複数の超音波ビームの送信焦点の位置を設定する送信焦点設定部と、を有し、
前記送信焦点設定部が設定する前記複数の超音波ビームの送信焦点の配置は、ランダムであることを特徴とする超音波撮像装置。 An ultrasonic probe in which a plurality of transducers are two-dimensionally arranged to transmit and receive ultrasonic waves;
A transmitter that sequentially transmits a plurality of ultrasonic beams from the ultrasonic probe to a three-dimensional imaging region in the subject;
A delay time set for each of a plurality of preset reception focal points, for each of the transmission signals, the reception signals output from the plurality of transducers of the ultrasonic probe that have received the ultrasonic waves returning from the subject. A reception unit that generates the focus data for each reception focus;
A combining unit that adds the focus data for the same reception focus generated by the reception unit in different transmissions;
A transmission focal point setting unit that sets transmission focal point positions of the plurality of ultrasonic beams in the transmission unit;
2. The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, wherein the transmission focal points of the plurality of ultrasonic beams set by the transmission focal point setting unit are random.
前記送信焦点設定部は、前記受付部が受け付けた送信焦点の深さ範囲に、3次元に前記送信焦点をランダムに配置することを特徴とする超音波撮像装置。 The ultrasonic imaging apparatus according to claim 1, further comprising a reception unit that receives a setting of a depth range of a transmission focus from an operator,
The ultrasonic imaging apparatus, wherein the transmission focal point setting unit randomly arranges the transmission focal points in three dimensions in a depth range of the transmission focal point received by the reception unit.
前記送信焦点設定部は、前記受付部が受け付けた前記送信焦点の深さに対応する前記送信焦点のランダム配置を前記記憶部から読みだして、前記送信部に設定することを特徴とする超音波撮像装置。 The ultrasound imaging apparatus according to claim 1, wherein a reception unit that receives a setting of a transmission focus depth from an operator, and the transmission focus that is predetermined for each transmission focus depth that can be received by the reception unit. A storage unit for storing the random arrangement of
The transmission focal point setting unit reads out a random arrangement of the transmission focal points corresponding to the depth of the transmission focal point received by the reception unit from the storage unit, and sets the transmission focal point in the transmission unit. Imaging device.
前記送信ごとに、前記被検体から戻る超音波を前記超音波探触子の前記複数の振動子で受信し、得られた受信信号を、予め設定された複数の受信焦点ごとにそれぞれ設定された遅延時間ずつ遅延させた後加算し、前記受信焦点ごとに焦点データを生成するステップと、
異なる送信において前記受信部が生成した、同一の前記受信焦点についての前記焦点データを加算するステップと、を有し、
前記複数の超音波ビームの送信焦点の位置の配置が、ランダムであることを特徴とする超音波送受信方法。
Sequentially transmitting a plurality of ultrasonic beams from an ultrasonic probe in which a plurality of transducers are arranged two-dimensionally to a three-dimensional imaging region in a subject;
For each transmission, ultrasonic waves returning from the subject are received by the plurality of transducers of the ultrasonic probe, and the obtained reception signals are respectively set for a plurality of preset reception focal points. Adding after delaying by a delay time, and generating focus data for each reception focus;
Adding the focus data for the same reception focus generated by the receiver in different transmissions, and
An ultrasonic transmission / reception method, wherein the arrangement of transmission focal positions of the plurality of ultrasonic beams is random.
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