JP2020110418A - 超音波診断装置、超音波プローブ、及び超音波データ処理プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＦビームフォーミングとＩ／Ｑビームフォーミングとを効率よく切り替えること。【解決手段】実施形態に係る、超音波プローブからの受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置は、受信ビームフォーマと、スキャン制御部とを有する。受信ビームフォーマは、ＲＦビームフォーミングとＩ／Ｑビームフォーミングとを切り替え可能な回路を備えた。スキャン制御部は、受信ビームフォーマを制御してＲＦビームフォーミング又はＩ／Ｑビームフォーミングを選択することで超音波スキャンを実行する。【選択図】 図４

Description

本発明の実施形態は、超音波診断装置、超音波プローブ、及び超音波データ処理プログラムに関する。

医用分野では、超音波プローブの複数の振動子（圧電振動子）を用いて発生させた超音波を利用して、被検体内部を画像化する超音波診断装置が使用されている。超音波診断装置は、超音波診断装置に接続された超音波プローブから被検体内に超音波を送信させ、反射波に基づく受信信号を生成し、画像処理によって所望の超音波画像を得る。

超音波診断装置では、受信信号であるＲＦ（Radio Frequency）信号を遅延加算した後で直交検波（復調）を行いＩ（In-phase）信号及びＱ（Quadrature-phase）信号からなるＩ／Ｑ信号に変換して超音波画像を生成する方法と、ＲＦ信号の直交検波を行ってＩ／Ｑのベースバンドに変換した後で遅延加算して超音波画像を生成する方法がある。前者は、ＲＦビームフォーミングとも呼ばれる。後者は、Ｉ／Ｑビームフォーミングとも呼ばれる。

Ｉ／Ｑビームフォーミングでは、画面に表示する深度に応じてエコーを間引いて（デシメーションして）、ビームフォーミングで処理するデータ量を少なくし、大量のビームを生成して、ビームの並列同時受信数を増やすことができるという特徴がある。エコーの間引きの有無と間引きレートは、使用する超音波プローブや、超音波のモードや、超音波画像の表示深度や、超音波画像のズーム倍率等により決定される。

特開２００９−０００３６１号公報

本発明が解決しようとする課題は、ＲＦビームフォーミングとＩ／Ｑビームフォーミングとを効率よく切り替えることである。

実施形態に係る、超音波プローブからの受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置は、受信ビームフォーマと、スキャン制御部とを有する。受信ビームフォーマは、ＲＦビームフォーミングとＩ／Ｑビームフォーミングとを切り替え可能な回路を備える。スキャン制御部は、受信ビームフォーマを制御してＲＦビームフォーミング又はＩ／Ｑビームフォーミングを選択することで超音波スキャンを実行する。

図１は、実施形態に係る超音波診断装置の構成を示す概略図。 図２は、実施形態に係る超音波診断装置の機能を示すブロック図。 図３は、実施形態に係る超音波診断装置の回路構成を示す概略図。 図４は、実施形態に係る超音波診断装置において、受信ビームフォーマの回路構成を示す詳細図。 図５は、図４に示す受信ビームフォーマの構成において、ＲＦビームフォーミングに切り替えられた場合を示す図。 図６は、図４に示す受信ビームフォーマの構成において、Ｉ／Ｑビームフォーミングに切り替えられた場合を示す図。 図７は、実施形態に係る超音波診断装置の動作をフローチャートとして示す図。 図８は、実施形態に係る超音波診断装置において、受信ビームフォーマの回路構成の変形例を示す詳細図。

以下、図面を参照しながら、超音波診断装置、超音波プローブ、及び超音波データ処理プログラムの実施形態について詳細に説明する。

１．実施形態
図１は、実施形態に係る超音波診断装置の構成を示す概略図である。

図１は、実施形態に係る超音波診断装置１０を示す。また、図１は、超音波プローブ２０と、入力インターフェース３０と、ディスプレイ４０とを示す。なお、超音波診断装置１０に、超音波プローブ２０と、入力インターフェース３０と、ディスプレイ４０とのうちの少なくとも１個を加えた装置を超音波診断装置と称する場合もある。以下の説明では、超音波診断装置１０の外部に、超音波プローブ２０と、入力インターフェース３０と、ディスプレイ４０との全てが備えられる場合について説明する。

超音波診断装置１０は、送受信回路１１と、受信ビームフォーマ１２と、Ｂモード処理回路１３と、ドプラ処理回路１４と、画像生成回路１５と、画像メモリ１６と、ネットワークインターフェース１７と、処理回路１８と、メインメモリ１９とを備える。部材１１〜１５は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ:Application Specific Integrated Circuit）等によって構成されるものである。しかしながら、その場合に限定されるものではなく、部材１１〜１５の機能の全部又は一部は、処理回路１８がプログラムを実行することで実現されるものであってもよい。また、部材１１〜１９の全部又は一部は、超音波プローブ２０に設けられてもよい。

送受信回路１１は、送信回路と受信回路（図示省略）とを有する。送受信回路１１は、処理回路１８による制御の下、超音波の送受信における送信指向性と受信指向性とを制御する。なお、送受信回路１１が超音波診断装置１０に設けられる場合について説明するが、送受信回路１１は、超音波プローブ２０に設けられてもよいし、超音波診断装置１０及び超音波プローブ２０の両方に設けられてもよい。なお、送受信回路１１は、送受信部の一例である。

送信回路は、パルス発生回路と、送信遅延回路と、パルサ回路等とを有し、超音波振動子に駆動信号を供給する。パルス発生回路は、所定のレート周波数で、送信超音波を形成するためのレートパルスを繰り返し発生する。送信遅延回路は、超音波プローブ２０の超音波振動子から発生される超音波をビーム状に集束して送信指向性を決定するために必要な圧電振動子ごとの遅延時間を、パルス発生回路が発生する各レートパルスに対し与える。また、パルサ回路は、レートパルスに基づくタイミングで、超音波振動子に駆動パルスを印加する。送信遅延回路は、各レートパルスに対し与える遅延時間を変化させることで、圧電振動子面から送信される超音波ビームの送信方向を任意に調整する。

受信回路は、超音波振動子が受信した受信信号を受け、この受信信号に対して各種処理を行ってエコーデータを生成する。なお、受信回路の構成については、図３を用いて後述する。

受信ビームフォーマ１２は、ＲＦビームフォーミングとＩ／Ｑビームフォーミングとを切り替え可能な回路を備える。受信ビームフォーマ１２は、受信回路に接続され、デジタルデータに受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与え、エコー信号の加算処理を行ってエコーデータを生成する。加算回路の加算処理により、エコー信号の受信指向性に応じた方向からの反射成分が強調される。なお、受信ビームフォーマ１２の構成については、図４〜図６を用いて後述する。

Ｂモード処理回路１３は、処理回路１８による制御の下、受信ビームフォーマ１２からエコーデータを受信し、対数増幅と、包絡線検波処理等を行って、信号強度が輝度の明るさで表現されるデータ（２次元又は３次元データ）を生成する。このデータは、一般に、Ｂモードデータと呼ばれる。なお、Ｂモード処理回路１３は、Ｂモード処理部の一例である。

なお、Ｂモード処理回路１３は、フィルタ処理により、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。Ｂモード処理回路１３のフィルタ処理機能を用いることにより、コントラストハーモニックイメージング（ＣＨＩ：Contrast Harmonic Imaging）や、ティッシュハーモニックイメージング（ＴＨＩ：Tissue Harmonic Imaging）等のハーモニックイメージングを実行可能である。

すなわち、Ｂモード処理回路１３は、造影剤が注入された被検体の反射波データから、造影剤（微小気泡、バブル）を反射源とするハーモニック成分の反射波データ（高調波データ又は分周波データ）と、被検体内の組織を反射源とする基本波成分の反射波データ（基本波データ）とを分離することができる。Ｂモード処理回路１３は、また、ハーモニック成分の反射波データ（受信信号）から、造影画像データを生成するためのＢモードデータを生成することができ、また、基本波成分の反射波データ（受信信号）から、基本波（ファンダメンタル）画像データを生成するためのＢモードデータを生成することができる。

また、Ｂモード処理回路１３のフィルタ処理機能を用いることによるＴＨＩにおいて、被検体の反射波データから、ハーモニック成分の反射波データ（受信信号）である高調波データ又は分周波データを分離することができる。そして、Ｂモード処理回路１３は、ハーモニック成分の反射波データ（受信信号）から、ノイズ成分を除去した組織画像データを生成するためのＢモードデータを生成することができる。

さらに、ＣＨＩやＴＨＩのハーモニックイメージングを行なう際、Ｂモード処理回路１３は、上述したフィルタ処理を用いた方法とは異なる方法により、ハーモニック成分を抽出することができる。ハーモニックイメージングでは、振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）法や位相変調（ＰＭ：Phase Modulation）法、ＡＭ法及びＰＭ法を組み合わせたＡＭＰＭ法と呼ばれる映像法が行なわれる。ＡＭ法、ＰＭ法及びＡＭＰＭ法では、同一の走査線に対して振幅や位相が異なる超音波送信を複数回行なう。

これにより、送受信回路１１は、各走査線で複数の反射波データ（受信信号）を生成し出力する。そして、Ｂモード処理回路１３は、各走査線の複数の反射波データ（受信信号）を、変調法に応じた加減算処理することで、ハーモニック成分を抽出する。そして、Ｂモード処理回路１３は、ハーモニック成分の反射波データ（受信信号）に対して包絡線検波処理等を行なって、Ｂモードデータを生成する。

例えば、ＰＭ法が行なわれる場合、送受信回路１１は、処理回路１８が設定したスキャンシーケンスにより、例えば（−１，１）のように、位相極性を反転させた同一振幅の超音波を、各走査線で２回送信させる。そして、送受信回路１１は、「−１」の送信による受信信号と、「１」の送信による受信信号とを生成し、Ｂモード処理回路１３は、これら２つの受信信号を加算する。これにより、基本波成分が除去され、２次高調波成分が主に残存した信号が生成される。そして、Ｂモード処理回路１３は、この信号に対して包絡線検波処理等を行なって、ＴＨＩのＢモードデータやＣＨＩのＢモードデータを生成する。

又は、例えば、ＴＨＩでは、受信信号に含まれる２次高調波成分と差音成分とを用いて映像化を行なう方法が実用化されている。差音成分を用いた映像化法では、例えば、中心周波数が「ｆ１」の第１基本波と、中心周波数が「ｆ１」より大きい「ｆ２」の第２基本波とを合成した合成波形の送信超音波を、超音波プローブ２０から送信させる。この合成波形は、２次高調波成分と同一の極性を持つ差音成分が発生するように、互いの位相が調整された第１基本波の波形と第２基本波の波形とを合成した波形である。送受信回路１１は、合成波形の送信超音波を、位相を反転させながら、例えば、２回送信させる。かかる場合、例えば、Ｂモード処理回路１３は、２つの受信信号を加算することで、基本波成分が除去され、差音成分及び２次高調波成分が主に残存したハーモニック成分を抽出した後、包絡線検波処理等を行なう。

ドプラ処理回路１４は、処理回路１８による制御の下、受信ビームフォーマ１２からのエコーデータから速度情報を周波数解析し、平均速度、分散、パワー等の移動体の移動情報を多点について抽出したデータ（２次元又は３次元データ）を生成する。このデータは、一般に、ドプラデータと呼ばれる。ここで、移動体とは、例えば、血流や、心壁等の組織、造影剤である。なお、ドプラ処理回路１４は、ドプラ処理部の一例である。

画像生成回路１５は、処理回路１８による制御の下、超音波プローブ２０が受信した受信信号に基づいて、所定の輝度レンジで表現された超音波画像を画像データとして生成する。例えば、画像生成回路１５は、超音波画像として、Ｂモード処理回路１３によって生成された２次元の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。また、画像生成回路１５は、超音波画像として、ドプラ処理回路１４によって生成された２次元のドプラデータから移動態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。なお、画像生成回路１５は、画像生成部の一例である。

ここで、画像生成回路１５は、一般的には、超音波走査の走査線信号列を、テレビ等に代表されるビデオフォーマットの走査線信号列に変換（スキャンコンバート）し、表示用の超音波画像データを生成する。具体的には、画像生成回路１５は、超音波プローブ２０による超音波の走査形態に応じて座標変換を行なうことで、表示用の超音波画像データを生成する。また、画像生成回路１５は、スキャンコンバート以外に、種々の画像処理として、例えば、スキャンコンバート後の複数の画像フレームを用いて、輝度の平均値画像を再生成する画像処理（平滑化処理）や、画像内で微分フィルタを用いる画像処理（エッジ強調処理）等を行なう。また、画像生成回路１５は、超音波画像データに、種々のパラメータの文字情報、目盛り、ボディーマーク等を合成する。

すなわち、Ｂモードデータ及びドプラデータは、スキャンコンバート処理前の超音波画像データであり、画像生成回路１５が生成するデータは、スキャンコンバート処理後の表示用の超音波画像データである。なお、Ｂモードデータ及びドプラデータは、生データ（Raw Data）とも呼ばれる。画像生成回路１５は、スキャンコンバート処理前の２次元超音波画像データから、表示用の２次元超音波画像データを生成する。

さらに、画像生成回路１５は、Ｂモード処理回路１３によって生成された３次元のＢモードデータに対して座標変換を行なうことで、３次元Ｂモード画像データを生成する。また、画像生成回路１５は、ドプラ処理回路１４によって生成された３次元のドプラデータに対して座標変換を行なうことで、３次元ドプラ画像データを生成する。画像生成回路１５は、「３次元のＢモード画像データや３次元ドプラ画像データ」を「３次元超音波画像データ（ボリュームデータ）」として生成する。

さらに、画像生成回路１５は、ボリュームデータをディスプレイ４０にて表示するための各種の２次元画像データを生成するために、ボリュームデータに対してレンダリング処理を行なう。画像生成回路１５は、レンダリング処理として、例えば、断面再構成法（ＭＰＲ：Multi Planer Reconstruction）を行なってボリュームデータからＭＰＲ画像データを生成する処理を行う。また、画像生成回路１５は、レンダリング処理として、例えば、３次元の情報を反映した２次元画像データを生成するボリュームレンダリング（ＶＲ：Volume Rendering）処理を行う。

画像メモリ１６は、１フレーム当たり２軸方向に複数のメモリセルを備え、それを複数フレーム分備えたメモリである２次元メモリを含む。画像メモリ１６としての２次元メモリは、処理回路１８の制御による制御の下、画像生成回路１５によって生成された１フレーム、又は、複数フレームに係る超音波画像を２次元画像データとして記憶する。なお、画像メモリ１６は、記憶部の一例である。

画像生成回路１５は、処理回路１８による制御の下、画像メモリ１６としての２次元メモリに配列された超音波画像に対し、必要に応じて補間処理を行う３次元再構成を行うことで、画像メモリ１６としての３次元メモリ内に超音波画像をボリュームデータとして生成する。補間処理方法としては、公知の技術が用いられる。

画像メモリ１６は、３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向）に複数のメモリセルを備えたメモリである３次元メモリを含む場合もある。画像メモリ１６としての３次元メモリは、処理回路１８の制御による制御の下、画像生成回路１５によって生成された超音波画像をボリュームデータとして記憶する。

ネットワークインターフェース１７は、ネットワークの形態に応じた種々の情報通信用プロトコルを実装する。ネットワークインターフェース１７は、この各種プロトコルに従って、超音波診断装置１０と、外部の医用画像管理装置６０及び医用画像処理装置７０等の他の機器とを接続する。この接続には、電子ネットワークを介した電気的な接続等を適用することができる。ここで、電子ネットワークとは、電気通信技術を利用した情報通信網全般を意味し、無線／有線の病院基幹のＬＡＮ（Local Area Network）やインターネット網のほか、電話通信回線網、光ファイバ通信ネットワーク、ケーブル通信ネットワーク及び衛星通信ネットワーク等を含む。

また、ネットワークインターフェース１７は、非接触無線通信用の種々のプロトコルを実装してもよい。この場合、超音波診断装置１０は、例えば超音波プローブ２０と、ネットワークを介さず直接にデータ送受信することができる。なお、ネットワークインターフェース１７は、ネットワーク接続部の一例である。

処理回路１８は、専用又は汎用のＣＰＵ（central processing unit）、ＭＰＵ（micro processor unit）、又はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のプロセッサの他、ＡＳＩＣ、プログラマブル論理デバイス等を意味する。プログラマブル論理デバイスとしては、例えば、単純プログラマブル論理デバイス（ＳＰＬＤ：simple programmable logic device）、複合プログラマブル論理デバイス（ＣＰＬＤ：complex programmable logic device）、及び、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：field programmable gate array）等が挙げられる。

また、処理回路１８は、単一の回路によって構成されてもよいし、複数の独立した回路要素の組み合わせによって構成されてもよい。後者の場合、メインメモリ１９は回路要素ごとに個別に設けられてもよいし、単一のメインメモリ１９が複数の回路要素の機能に対応するプログラムを記憶するものであってもよい。なお、処理回路１８は、処理部の一例である。

メインメモリ１９は、ＲＡＭ（random access memory）、フラッシュメモリ（flash memory）等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等によって構成される。メインメモリ１９は、ＵＳＢ（universal serial bus）メモリ及びＤＶＤ（digital video disk）等の可搬型メディアによって構成されてもよい。メインメモリ１９は、処理回路１８において用いられる各種処理プログラム（アプリケーションプログラムの他、ＯＳ（operating system）等も含まれる）や、プログラムの実行に必要なデータを記憶する。また、ＯＳに、操作者に対するディスプレイ４０への情報の表示にグラフィックを多用し、基礎的な操作を入力インターフェース３０によって行うことができるＧＵＩ（graphical user interface）を含めることもできる。なお、メインメモリ１９は、記憶部の一例である。

超音波プローブ２０は、前面部に複数個の微小な振動子（圧電素子）を備え、スキャン対象を含む領域、例えば管腔体を含む領域に対して超音波の送受波を行う。各振動子は電気音響変換素子であり、送信時には電気パルスを超音波パルスに変換し、また、受信時には反射波を電気信号（受信信号）に変換する機能を有する。超音波プローブ２０は小型、軽量に構成されており、ケーブル（又は無線通信）を介して超音波診断装置１０に接続される。

超音波プローブ２０は、スキャン方式の違いにより、リニア型、コンベックス型、及びセクタ型等の種類に分けられる。また、超音波プローブ２０は、アレイ配列次元の違いにより、アジマス方向に１次元（１Ｄ）的に複数個の振動子が配列された１Ｄアレイプローブと、アジマス方向かつエレベーション方向に２次元（２Ｄ）的に複数個の振動子が配列された２Ｄアレイプローブとの種類に分けられる。なお、１Ｄアレイプローブは、エレベーション方向に少数の振動子が配列されたプローブを含む。

ここで、３Ｄスキャン、つまり、ボリュームスキャンが実行される場合、超音波プローブ２０として、リニア型、コンベックス型、及びセクタ型等のスキャン方式を備えた２Ｄアレイプローブが利用される。又は、ボリュームスキャンが実行される場合、超音波プローブ２０として、リニア型、コンベックス型、及びセクタ型等のスキャン方式を備え、エレベーション方向に機械的に揺動する機構を備えた１Ｄプローブが利用される。後者のプローブは、メカ４Ｄプローブとも呼ばれる。

入力インターフェース３０は、操作者によって操作が可能な入力デバイスと、入力デバイスからの信号を入力する入力回路とを含む。入力デバイスは、トラックボール、スイッチ、マウス、キーボード、操作面に触れることで入力操作を行うタッチパッド、表示画面とタッチパッドとが一化されたタッチスクリーン、光学センサを用いた非接触入力デバイス、及び音声入力デバイス等によって実現される。操作者により入力デバイスが操作されると、入力回路はその操作に応じた信号を生成して処理回路１８に出力する。なお、入力インターフェース３０は、入力部の一例である。

ディスプレイ４０は、例えば液晶ディスプレイやＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）ディスプレイ等の一般的な表示出力装置により構成される。ディスプレイ４０は、処理回路１８の制御に従って各種情報を表示する。なお、ディスプレイ４０は、表示部の一例である。

また、図１は、超音波診断装置１０の外部機器である医用画像管理装置６０及び医用画像処理装置７０を示す。医用画像管理装置６０は、例えば、ＤＩＣＯＭ（Digital Imaging and Communications in Medicine）サーバであり、ネットワークＮを介してデータ送受信可能に超音波診断装置１０等の機器に接続される。医用画像管理装置６０は、超音波診断装置１０によって生成された超音波画像等の医用画像をＤＩＣＯＭファイルとして管理する。

医用画像処理装置７０は、ネットワークＮを介してデータ送受信可能に超音波診断装置１０や医用画像管理装置６０等の機器に接続される。医用画像処理装置７０としては、例えば、超音波診断装置１０によって生成された超音波画像に対して各種画像処理を施すワークステーションや、タブレット端末等の携帯型情報処理端末等が挙げられる。なお、医用画像処理装置７０はオフラインの装置であって、超音波診断装置１０によって生成された超音波画像を可搬型の記憶媒体を介して読み出し可能な装置であってもよい。

続いて、超音波診断装置１０の機能について説明する。

図２は、超音波診断装置１０の機能を示すブロック図である。

処理回路１８が、メインメモリ１９に記憶されたプログラムを実行することによって、超音波診断装置１０は、条件判定機能１８１と、スキャン制御機能１８２とを実現する。なお、機能１８１，１８２がプログラムを実行することで実現されるものとして説明するが、それら機能１８１，１８２の一部又は全部は、超音波診断装置１０にＡＳＩＣ等の回路として設けられるものであってもよい。

条件判定機能１８１は、超音波画像の表示深度を判定する機能と、超音波のモード（例えば、Ｂモード、ドプラモード等）を判定する機能と、関心領域の大きさを判定する機能と、超音波画像のズーム倍率を判定する機能と、超音波プローブ２０の種別を判定する機能とのうち少なくとも１つを含む。

超音波画像の表示深度や、関心領域や、ズーム倍率の操作は、操作者による操作パネル上のつまみやマウス等の操作によって判定可能である。

超音波プローブ２０の種別は、着脱自在な超音波プローブ２０のコネクタが超音波診断装置１０に通信可能なように接続された時点で超音波プローブ２０から受信される識別信号により判定可能である。又は、超音波プローブ２０の種別は、使用する超音波プローブ２０の種別を操作者がプローブ選択ボタンで指定することで判定可能である。

スキャン制御機能１８２は、受信ビームフォーマ１２を制御してＲＦ（Radio Frequency）ビームフォーミング又はＩ（In-phase）／Ｑ（Quadrature-phase）ビームフォーミングを選択することで超音波スキャンを実行する機能を含む。

例えば、スキャン制御機能１８２は、条件判定機能１８１によって判定された超音波画像の表示深度と、超音波のモードと、関心領域の大きさと、超音波画像のズーム倍率と、超音波プローブ２０の種別とのうち少なくとも１つに応じて受信ビームフォーマ１２を制御することができる。

超音波診断装置では、受信ビームフォーミングしてから、ベースバンドのＩ／Ｑに落とす処理が行われる。一方で、ビームの合成数を増やすため、先に受信信号をベースバンドに落とす処理を行ってから、受信ビームフォーミングする方式も存在する。前者は、ＲＦビームフォーミングと呼ばれ、後者は、Ｉ／Ｑビームフォーミングと呼ばれる。Ｉ／Ｑビームフォーミングでは、エコー信号を間引くことで、ビームフォーミングで処理するデータ量を少なくする一方で大量のビームを生成して、ビームの並列同時受信数を増やすことができるという特徴がある。エコー信号の間引きの有無と間引きレートは、使用される超音波プローブ２０の種別や、超音波のモードや、関心領域（ＲＯＩ：Region Of Interest）の大きさや、表示された超音波画像の表示深度や、表示された超音波画像のズーム倍率等により決定される。

一方で、Ｉ／Ｑビームフォーミングにおいて、間引きをしない処理を行うと、かえってＲＦビームフォーミングの場合よりも、処理するデータ量が増えるという問題点がある。そこで、実施形態では、間引きを行わない場合にはＲＦビームフォーミングに、間引きを行う場合にはＩ／Ｑビームフォーミングに切り替え可能な構成を受信ビームフォーマ１２がもち、受信ビームフォーマ１２の受信ビームフォーミング方式を選択制御できる構成を備える。

続いて、超音波診断装置１０の回路構成について、図３〜図６を用いて説明する。

図３は、超音波診断装置１０の回路構成を示す概略図である。

図３は、超音波診断装置１０と、超音波プローブ２０と、入力インターフェース３０と、ディスプレイ４０とを示す。

超音波プローブ２０は、アレイ方向、つまり、アジマス方向に１次元的に配列されるｎ個の振動子２１ａ〜２１ｎを備える。なお、超音波プローブ２０は、アジマス方向及びエレベーション方向に２次元的に配列されるｎ個の振動子２１ａ〜２１ｎを備える場合もある。ｎ個の振動子２１ａ〜２１ｎは、ｎ個のチャンネルに対応する。

超音波診断装置１０は、送受信回路１１に設けられる送信回路及び受信回路と、受信ビームフォーマ１２と、Ｂモード処理回路１３と、ドプラ処理回路１４と、画像生成回路１５と、処理回路１８とを備える。なお、図３において、画像メモリ１６と、ネットワークインターフェース１７と、メインメモリ１９との図示は省略する。

送受信回路１１に設けられる受信回路は、ｎ個のチャンネルに対応する増幅回路（アンプ）９１ａ〜９１ｎと、ｎ個のＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換回路９２ａ〜９２ｎとを備える。増幅回路９１ａ〜９１ｎは、ｎ個の振動子２１ａ〜２１ｎにそれぞれ接続され、エコー信号をチャンネル毎に増幅してゲイン補正処理を行う。

Ａ／Ｄ変換回路９２ａ〜９２ｎは、ｎ個の増幅回路９１ａ〜９１ｎにそれぞれ接続され、ゲイン補正されたエコー信号をＡ／Ｄ変換する。

受信ビームフォーマ１２は、Ａ／Ｄ変換回路９２ａ〜９２ｎに接続され、デジタルデータに受信指向性を決定するのに必要な遅延時間を与え、エコー信号の加算処理を行ってエコーデータを生成する。

図４は、受信ビームフォーマ１２の回路構成を示す詳細図である。

図４に示すように、受信ビームフォーマ１２は、上流側から順に、第１復調回路と、第１のマルチプレクサ（MUX）と、遅延回路と、位相回転回路と、第２マルチプレクサと、アポダイゼーション回路と、加算回路と、第２復調回路と、第３マルチプレクサとを備える。

第１復調回路は、ｎ個の振動子２１ａ〜２１ｎにそれぞれ接続される。ｎ個の第１の復調回路は、受信信号であるＲＦ信号を直交検波してＩ信号及びＱ信号からなるＩ（In-phase）／Ｑ（Quadrature-phase）信号にチャンネル毎に変換する機能を有する。

第１マルチプレクサは、その入力側が、第１復調回路のＩ信号側（図４の上段３個）とＡ／Ｄ変換回路とに接続されるものと、その入力側が、第１復調回路のＱ信号側（図４の下段３個）とＡ／Ｄ変換回路とに接続されるものとを含む。ｎ×２個の第１マルチプレクサのうちＩ信号側のものは、スキャン制御機能１８２からの選択制御信号により、Ｉ信号又はＲＦの信号のいずれかを出力する機能を有する。ｎ×２個の第１マルチプレクサのうちＱ信号側のものは、スキャン制御機能１８２からの選択制御信号により、Ｑ信号及びＲＦ信号のいずれかを出力する機能を有する。

遅延回路は、ｎ×２個の第１マルチプレクサの出力側にそれぞれ接続される。ｎ×２個の遅延回路のうちＩ信号側の回路は、Ｉ信号又はＲＦ信号に受信指向性を決定に必要な遅延時間をチャンネル毎に与える機能を有する。ｎ×２個の遅延回路のうちＱ信号側の回路は、Ｑ信号又はＲＦ信号に受信指向性を決定に必要な遅延時間をチャンネル毎に与える機能を有する。

位相回転回路は、ｎ×２個の遅延回路にそれぞれ接続される。ｎ×２個の位相回転回路のうちＩ信号側の回路は、遅延回路から出力されたＩ信号の位相を回転させる機能を有する。ｎ×２個の位相回転回路のうちＱ信号側の回路は、遅延回路から出力されたＱ信号の位相を回転させる機能を有する。

第２マルチプレクサは、その入力側が、位相回転回路のＩ信号側と遅延回路とに接続されるものと、その入力側が、位相回転回路のＱ信号側と遅延回路とに接続されるものとを含む。ｎ×２個の第２マルチプレクサのうちＩ信号側のものは、スキャン制御機能１８２からの選択制御信号により、Ｉ信号及びＲＦ信号のいずれかを出力する機能を有する。ｎ×２個の第２マルチプレクサのうちＱ信号側のものは、スキャン制御機能１８２からの選択制御信号により、Ｑ信号及びＲＦ信号のいずれかを出力する機能を有する。

アポダイゼーション回路は、ｎ×２個の第２マルチプレクサの出力側にそれぞれ接続される。ｎ×２個のアポダイゼーション回路のうちＩ信号側の回路は、Ｉ信号又はＲＦ信号に対して受信開口に応じて重み付けを行う機能を有する。ｎ×２個のアポダイゼーション回路のうちＱ信号側の回路は、Ｑ信号又はＲＦ信号に対して受信開口に応じて重み付けを行う機能を有する。

加算回路は、ｎ×２個のアポダイゼーション回路のうちＩ信号（図４の上段１個）側のｎ個の回路に接続されるものと、ｎ×２個のアポダイゼーション回路のうちＱ信号（図４の下段１個）側のｎ個の回路に接続されるものとを含む。２個の加算回路のうちＩ信号側の回路は、ｎ個のチャンネル分のＩ信号又はＲＦ信号を加算（整相加算）する機能を有する。２個の加算回路のうちＱ信号側の回路は、ｎ個のチャンネル分のＱ信号又はＲＦ信号を加算する機能を有する。

第２復調回路は、２個の加算回路にそれぞれ接続される。２個の第２復調回路はそれぞれ、ＲＦ信号を直交検波してＩ信号及びＱ信号からなるＩ／Ｑ信号に変換する機能を有する。

第３マルチプレクサは、その入力側が、第２復調回路のＩ信号側とＩ信号側の加算回路とに接続されるものと、第２復調回路のＱ信号側とＱ信号側の加算回路とに接続されるものとを含む。２個の第３マルチプレクサは、スキャン制御機能１８２からの選択制御信号により、第１復調回路で復調されたＩ信号及び第２復調回路で復調されたＩ信号のいずれかを出力する機能を有する。

２個の第３マルチプレクサの出力であるＩ／Ｑのベースバンド（ＢＢ）信号と、Ｑ側の復調回路の出力であるＩ／ＱのＢＢ信号とは、Ｂモード処理回路１３やドプラ処理回路１４に出力可能である。

図４に示す構成により、受信ビームフォーマ１２は、画面の表示深度に応じて、ＲＦビームフォーミングとＩ／Ｑビームフォーミングとを切り替え可能である。

図４に示す構成では、Ｉ信号及びＱ信号の２系統のデータパスに、それぞれ遅延回路が設置される。Ｉ／Ｑビームフォーミングの場合は、遅延計算結果が同じになるように、同じビームパラメータが用いられる。一方、ＲＦビームフォーミングの場合は、２系統ある遅延回路に、異なるビームパラメータを設定することで、２種類のビームを同時に生成することができる。

図５は、図４に示す受信ビームフォーマ１２の構成において、ＲＦビームフォーミングに切り替えられた場合を示す図である。

処理回路１８からの選択制御信号により、ＲＦビームフォーミングを行うように受信ビームフォーマ１２が制御される。具体的には、受信信号であるＲＦ信号は、第１マルチプレクサに出力される。その出力は、遅延回路から第２マルチプレクサ、アポダイゼーション回路を介して加算回路に出力される。加算回路の出力であるＲＦ信号は、第２復調回路で直交検波され、Ｉ／ＱのＢＢ信号としてＢモード処理回路１３やドプラ処理回路１４に出力される。

図６は、図４に示す受信ビームフォーマ１２の構成において、Ｉ／Ｑビームフォーミングに切り替えられた場合を示す図である。

処理回路１８からの選択制御信号により、Ｉ／Ｑビームフォーミングを行うように受信ビームフォーマ１２が制御される。具体的には、受信信号であるＲＦ信号は、第１復調回路で直交検波され、Ｉ信号とＱ信号をそれぞれ第１マルチプレクサに出力される。その出力は、遅延回路から位相回転回路、第２マルチプレクサ、アポダイゼーション回路を介して加算回路に出力される。加算回路の出力であるＩ信号及びＱ信号は、第３マルチプレクサを介してＩ／ＱのＢＢ信号としてＢモード処理回路１３やドプラ処理回路１４に出力される。

続いて、超音波診断装置１０の動作について説明する。

図７は、超音波診断装置１０の動作をフローチャートとして示す図である。図７において、「ＳＴ」に数字を付した符号はフローチャートの各ステップを示す。

図７に示すように、条件判定機能１８１は、超音波のモードと、超音波プローブ２０の種別等の条件を判定する（ステップＳＴ１）。スキャン制御機能１８２は、ステップＳＴ１による条件の判定結果に従って、受信ビームフォーマ１２におけるＲＦビームフォーミング（図５に図示）又はＩ／Ｑビームフォーミング（図６に図示）を選択する（ステップＳＴ２）。例えば、超音波のモードがドプラモードである場合は、エコーを間引かない方がよいのでＲＦビームフォーミングの方が好適である。

スキャン制御機能１８２は、送受信回路１１等を制御して、選択された受信ビーフォーミング方式により、超音波プローブ２０を用いた超音波スキャンを開始させる（ステップＳＴ３）。スキャン制御機能１８２は、選択された受信ビーフォーミング方式により、超音波スキャンにより生成された超音波画像をライブでディスプレイ４０に表示させる（ステップＳＴ４）。

条件判定機能１８１は、表示された超音波画像の表示深度、関心領域の大きさ、表示された超音波画像のズーム倍率の少なくとも１つの条件が変更され、受信ビームフォーミング方式を切り替えるか否かを判断する（ステップＳＴ５）。ステップＳＴ５の判断にてＹＥＳ、すなわち、受信ビームフォーミング方式を切り替えると判断される場合、条件判定機能１８１は、変更された条件に従って、受信ビームフォーマ１２を、ＲＦビームフォーミング（図５に図示）又はＩ／Ｑビームフォーミング（図６に図示）に切り替える（ステップＳＴ６）。

例えば、超音波画像の表示深度が閾値より深部である場合は、エコー信号を間引いてもよいのでＩ／Ｑビームフォーミングの方が好適である。ＲＯＩの大きさが閾値より大きい場合は間引いてもよいのでＩ／Ｑビームフォーミングの方が好適である一方で、ＲＯＩの大きさが閾値より小さい場合は間引かない方がよいのでＲＦビームフォーミングの方が好適である。また、超音波画像のＲＯＩについてズーム倍率が変更された場合には、エコー信号を間引きたくないのでＲＦビームフォーミングの方が好適である。ＲＯＩについては操作者が詳細に観察することが想定されるからである。

ステップＳＴ６に続いて、及び、ステップＳＴ５の判断にてＮＯ、すなわち、受信ビームフォーミング方式を切り替えないと判断される場合、スキャン制御機能１８２は、ステップＳＴ３によって開始された超音波スキャンを終了させるか否かを判断する（ステップＳＴ７）。

ステップＳＴ７の判断にてＮＯ、すなわち、ステップＳＴ３によって開始された超音波スキャンを終了させないと判断される場合、ステップＳＴ４に戻り、スキャン制御機能１８２は、選択中の受信ビーフォーミング方式により、超音波スキャンにより生成された超音波画像をライブでディスプレイ４０に表示させる（ステップＳＴ４）。一方で、ステップＳＴ７の判断にてＹＥＳ、すなわち、ステップＳＴ３によって開始された超音波スキャンを終了させると判断される場合、スキャン制御機能１８２は、超音波スキャンを終了させる。

以上のように、超音波診断装置１０によれば、ライブで表示される超音波画像の表示深度等に応じて、ＲＦビームフォーミングとＩ／Ｑビームフォーミングとを効率よく切り替えることができる。

２．変形例
図４〜図６に示す受信ビームフォーマ１２の回路構成では、遅延回路の前段に第１復調回路が設けられると共に、加算回路の後段に第２復調回路が設けられ、復調回路が２箇所に設置されている。しかし、Ｉ／Ｑビームフォーミングでは前段の第１復調回路のみを使用し、ＲＦビームフォーミングでは、第２復調回路のみを使用するので、回路リソースを無駄に消費している。

そこで、図８で示すように、ＲＦビームフォーミングと、Ｉ／Ｑビームフォーミングのそれぞれで１箇所の復調回路を共用し、復調回路の入出力データを選択することで、リソースの効率化を図ることができる。

図８は、受信ビームフォーマ１２の回路構成の変形例を示す詳細図である。

図８に示す回路構成によれば、ＲＦビームフォーミングのときは、各チャンネルの復調回路に異なるミキシング周波数を設定することで、周波数特性の異なるビームを、同時に複数生成することができる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、ＲＦビームフォーミングとＩ／Ｑビームフォーミングとを効率よく切り替えることができる。また、当該実施形態によれば、超音波画像の表示深度や、超音波のモード等に応じて、ＲＦとＩ／Ｑのどちらでビームフォーミングするかを選択することで、ハードウェアリソースを効率的に使用でき、消費電力を低減する効果が得られる。これにより、電源回路の小型化、空冷ファンの小型化、回転数の低減、ファンの削減、装置の静音化、バッテリーの小型化、長時間駆動の実現、チャンネルの集積化、電源電圧変動によるノイズ低減の効果が期待できる。また、従来よりも小型化した装置やプローブを作ることが可能となる。

なお、条件判定機能１８１は、条件判定部の一例である。スキャン制御機能１８２は、スキャン制御部の一例である。

なお、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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１０ 超音波診断装置
１２ 受信ビームフォーマ
１８ 処理回路
１８１ 条件判定機能
１８２ スキャン制御機能

Claims (11)

1. 超音波プローブからの受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波診断装置であって、
   ＲＦ（Radio Frequency）ビームフォーミングとＩ（In-phase）／Ｑ（Quadrature-phase）ビームフォーミングとを切り替え可能な回路を備えた受信ビームフォーマと、
   前記受信ビームフォーマを制御して前記ＲＦビームフォーミング又は前記Ｉ／Ｑビームフォーミングを選択することで超音波スキャンを実行するスキャン制御部と、
   を有する超音波診断装置。
2. 前記超音波画像の表示深度を判定する条件判定部をさらに有し、
   前記スキャン制御部は、前記表示深度に応じて前記ＲＦビームフォーミング又は前記Ｉ／Ｑビームフォーミングを選択する、
   請求項１に記載の超音波診断装置。
3. 超音波のモードを判定する条件判定部をさらに有し、
   前記スキャン制御部は、前記モードに応じて前記ＲＦビームフォーミング又は前記Ｉ／Ｑビームフォーミングを選択する、
   請求項１に記載の超音波診断装置。
4. 前記スキャン制御部は、前記モードがドプラモードである場合は、前記ＲＦビームフォーミングを選択する、
   請求項３に記載の超音波診断装置。
5. 関心領域の大きさを判定する条件判定部をさらに有し、
   前記スキャン制御部は、前記関心領域の大きさに応じて前記ＲＦビームフォーミング又は前記Ｉ／Ｑビームフォーミングを選択する、
   請求項１に記載の超音波診断装置。
6. 前記スキャン制御部は、前記関心領域の大きさが閾値より大きい場合は前記Ｉ／Ｑビームフォーミングを選択する一方で、前記関心領域の大きさが閾値より小さい場合は前記ＲＦビームフォーミングを選択する、
   請求項５に記載の超音波診断装置。
7. 前記超音波画像のズーム倍率を判定する条件判定部をさらに有し、
   前記スキャン制御部は、前記ズーム倍率に応じて前記ＲＦビームフォーミング又は前記Ｉ／Ｑビームフォーミングを選択する、
   請求項１に記載の超音波診断装置。
8. 前記スキャン制御部は、前記超音波画像の関心領域について前記ズーム倍率が拡大された場合には前記ＲＦビームフォーミングを選択する、
   請求項７に記載の超音波診断装置。
9. 前記超音波プローブの種別を判定する条件判定部をさらに有し、
   前記スキャン制御部は、前記超音波プローブの種別に応じて前記ＲＦビームフォーミング又は前記Ｉ／Ｑビームフォーミングを選択する、
   請求項１に記載の超音波診断装置。
10. 超音波の受信信号に基づいて超音波画像を生成する超音波プローブであって、
    ＲＦビームフォーミングとＩ／Ｑビームフォーミングとを切り替え可能な回路を備えた受信ビームフォーマと、
    前記受信ビームフォーマを制御して前記ＲＦビームフォーミング又は前記Ｉ／Ｑビームフォーミングを選択することで超音波スキャンを実行するスキャン制御部と、
    を有する超音波プローブ。
11. コンピュータに、
    受信ビームフォーマを制御してＲＦビームフォーミング又はＩ／Ｑビームフォーミングを選択することで超音波スキャンを実行する機能と、
    選択された前記ＲＦビームフォーミング又は前記Ｉ／Ｑビームフォーミングにより、超音波の受信信号に基づいて超音波画像を生成する機能と、
    を実現させる超音波データ処理プログラム。

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