JP3364002B2

JP3364002B2 - 超音波画像処理装置

Info

Publication number: JP3364002B2
Application number: JP12372694A
Authority: JP
Inventors: 康人竹内
Original assignee: ジーイー横河メディカルシステム株式会社
Priority date: 1994-06-06
Filing date: 1994-06-06
Publication date: 2003-01-08
Anticipated expiration: 2018-01-08
Also published as: JPH07327986A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波画像処理装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】超音波診断装置は、超音波プローブ（探
触子）から被検体に超音波を送波し、生体内の音響イン
ピーダンスの異なる境界からのエコーを受波して電気信
号として検出し、表示装置に表示する装置で、医療診断
用に用いられる。図９は従来の超音波プローブの構成概
念図である。図の１，２，３…，Ｍはエレメント（素
子）の番号である。図に示すように、従来の超音波プロ
ーブは、ｘ方向のみにエレメントが配置された１次元の
アレイとなっている。

【０００３】これに対して、近年、可変焦点制御とダイ
ナミックフォーカスが自由に行えるというメリットか
ら、図１０に示すような２次元の超音波プローブが注目
されてきている。図１０では、ｘ方向にＭ個，ｙ方向に
Ｎ個のマトリクスアレイを構成している例を示してい
る。しかしながら、このようなＭ×Ｎの構成にすると、
Ｍ×Ｎチャネルの送受信回路，Ａ／Ｄ変換器やビームフ
ォーマが必要となり、現実的ではない。

【０００４】そこで、図１１に示すように、ｙ方向の数
を３〜７分割程度に絞った超音波プローブが用いられて
きつつある（図では３分割の例を示す）。この超音波プ
ローブでは、ｙ方向にはビーム偏向はせず、電子フォー
カスのみ行うものである。そして、このような超音波プ
ローブを用いる場合、開口を複数に分割して、何回かに
分けて送受波し、その結果をＲＦかベースバンドかで合
成する方式、つまり開口合成方式が用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た開口合成方式では、時分割送受波を行うとその分時間
がかかりフレームレートが下がるという問題と、合成す
る時ドプラシフトがある場合（検査対象物が動くことに
よりエコーの位相，振幅等が変化することをいう）に
は、正しく画像合成されないという問題があった。

【０００６】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
ものであって、フレームレートの低下を防ぐことができ
る超音波画像処理装置を提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記した課題を解決する
第１の発明は、開口面のエレメントの総数が所定のルー
ルに従って複数の群に分割された各群に対して送受波を
行ない、送受波の都度、受波に使用した全エレメント分
のエコーデータを整相加算した後、記憶手段に記憶し、
前記分割の数だけの送受波が行なわれて前記記憶手段に
エコーデータが揃った時点で開口合成を行なって超音波
画像を得るようにしたことを特徴としている。

【０００８】また、前記送受波と呼応してエコーデータ
を整相加算するに際し、エコーデータの一部のみを更新
し、残りを再利用する部分合成処理を順次繰り返すこと
により、合成出力におけるフレームレートを維持するこ
とが好ましい。

【０００９】また、前記分割の数だけマルチビームフォ
ーミングを行ない、フレームレートを維持することが好
ましい。更に、前記エコーデータを整相加算する段階
で、分割の単位間での位相ずれの補正を行うことが好ま
しい。

【００１０】前記した課題を解決する第２の発明は、所
定のルールに従って複数の群に分割された超音波プロー
ブと、該超音波プローブの分割された各群に対して送受
波を行う送受波手段と、送受波の都度、受波に使用した
全エレメント分のエコーデータを整相加算する整相加算
手段と、該整相加算手段で加算したデータを記憶する記
憶手段と、前記分割の数だけの送受波が行なわれて前記
記憶手段にエコーデータが揃った時点で開口合成を行な
って超音波画像を得る開口合成手段を具備したことを特
徴としている。

【００１１】また、前記整相加算手段は、エコーデータ
の一部のみを更新し、残りを再利用する部分合成処理を
順次繰り返すことにより、合成出力におけるフレームレ
ートを維持するものであることが好ましい。

【００１２】また、前記送受波手段は、分割の数だけマ
ルチビームフォーミングを行ない、フレームレートを維
持するものであることが好ましい。また、前記整相加算
手段は、エコーデータを整相加算する段階で、分割の単
位間での位相ずれの補正を行うものであることが好まし
い。

【００１３】また、前記超音波プローブは、固定的に同
一エレメント部分に割り付けた部分と開口合成される部
分とに分割されたものであることが好ましい。更に、前
記送受波手段は、方位角を絞った時は分割数に応じたエ
レメントを並列動作させ、方位角が大きくなった時には
開口合成するものであることが好ましい。

【００１４】

【作用】

（第１の発明）開口面のエレメントの総数が所定のルー
ルに従って複数の群に分割された各群に対して送受波を
行ない、送受波の都度、受波に使用した全エレメント分
のエコーデータを整相加算した後、記憶手段に記憶し、
前記分割の数だけの送受波が行なわれて前記記憶手段に
エコーデータが揃った時点で開口合成を行なって超音波
画像を得るようにようにした。

【００１５】この場合において、エコーデータを整相加
算するに際し、インタリーブ（ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅ）
方式による処理（一部更新処理）を行うことにより、見
かけ上、フレームレートを維持することができる。ま
た、分割の数だけマルチビームフォーミングを行うこと
により、フレームレートを維持することができる。この
場合において、画像処理の間に被検体が動くとドプラシ
フトが起こり、正しい画像合成ができなくなるが、その
ような場合には、前記エコーデータを整相加算する段階
で、分割の単位間での位相ずれの補正を行うようにし
た。以上により、フレームレートの低下を防ぐと共に、
ドプラシフトの影響を受けない超音波画像処理方法を実
現することができる。

【００１６】（第２の発明）所定のルールに従って複数
の群に分割された超音波プローブと、該超音波プローブ
の分割された各群に対して送受波を行う送受波手段と、
送受波の都度、受波に使用した全エレメント分のエコー
データを整相加算する整相加算手段と、該整相加算手段
で加算したデータを記憶する記憶手段と、前記分割の数
だけの送受波が行なわれて前記記憶手段にエコーデータ
が揃った時点で開口合成を行なって超音波画像を得る開
口合成手段を具備するようにした。

【００１７】この場合において、前記整相加算手段が整
相加算を行なうに際し、インタリーブ方式による処理
（一部更新処理）を行うことにより、見かけ上、フレー
ムレートを維持することができる。また、前記送受波手
段で分割の数だけマルチビームフォーミングを行うこと
により、フレームレートを維持することができる。この
場合において、画像処理の間に被検体が動くとドプラシ
フトが起こり、正しい画像合成ができなくなるが、その
ような場合には、前記整相加算手段でエコーデータを整
相加算する段階で、分割の単位間で位相ずれの補正を行
うようにした。以上により、フレームレートの低下を防
ぐと共に、ドプラシフトの影響を受けない超音波画像処
理装置を実現することができる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は本発明方法の原理を示すフローチャ
ート、図２は本発明装置の一実施例を示す構成ブロック
図である。本発明方法は、開口面のエレメントの総数が
所定のルールに従って複数の群に分割された各群に対し
て送受波を行ない（Ｓ１）、送受波の都度、受波に使用
した全エレメント分のエコーデータを整相加算した後、
記憶手段に記憶し（Ｓ２）、前記分割の数だけの送受波
が行なわれて前記記憶手段にエコーデータが揃った時点
で開口合成を行なって超音波画像を得る（Ｓ３）ように
ようにしたことを特徴としている。

【００１９】図２において、ＥＬ０〜ＥＬ２５５は超音
波プローブのエレメントである。図では、直線状に示し
てあるが、このエレメントの配置は１次元のみならず、
２次元状の配置であってもよい。その配置例としては、
例えば図３に示すような配置が考えられる。２５６個の
エレメントを４：１にマルチプレクスすることにより６
４チャネルの送受信器で扱うことが可能となる。ここ
で、各エレメントを、［４ｋ＋ｉ］（ｋ＝０〜６３，ｉ
＝０〜３）のように番号づけする。

【００２０】１はｉ＝０〜３の４個のエレメントと接続
される４：１のマルチプレクサ（ＭＵＸ）である。この
マルチプレクサ１は、＃０〜＃６３の６４個からなる。
２はこれらマルチプレクサ１と接続されるトランスミッ
タ／レシーバ（Ｔ／Ｒ）で、同じく６４個よりなる。３
は目的の性状のビームを形成するため、これらトランス
ミッタ／レシーバ２に位相の調整された送波信号を与え
る送波ビームフォーマである。

【００２１】４は各トランスミッタ／レシーバ２と接続
され、レシーバからの受波信号をディジタルデータに変
換するＡ／Ｄ変換器で、６４個よりなる。５は各Ａ／Ｄ
変換器４の出力を受けて、位相を調整する受波ビームフ
ォーマである。６は受波ビームフォーマ５の出力をｉ
（０〜３）毎に記憶するエコーメモリである。７はこれ
らエコーメモリ６の出力を受けて、これらデータを整相
加算するポストプロセスビームスプリッタ（Ｐｏｓｔｐ
ｒｏｃｅｓｓＢｅａｍｓｐｌｉｔｔｅｒ。以下単にビ
ームスプリッタと略す）、８は該ビームスプリッタ７の
出力を各相毎に記憶するビデオメモリである。１０は回
路全体の動作を制御するコントローラである。このよう
に構成された装置の動作を説明すれば、以下のとおりで
ある。

【００２２】この回路は、シーケンスのインタリーブ方
式により、フレームレートを維持するものである。イン
タリーブ方式について説明する。前記ｉ＝０〜３に対応
して、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを各部分開口又はサブエレメント
グループとする。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの順に順ぐりに受波す
るとして、これら４個のグループの合成は、Ａｎ＋Ｂｎ
＋Ｃｎ＋Ｄｎ，Ｂｎ＋Ｃｎ＋Ｄｎ＋Ａｎ+1，Ｃｎ＋Ｄｎ
＋Ａｎ+1＋Ｂｎ+1というように、常に隣り合った４シー
ケンスを合成対象とするようにする。ここで、ｎやｎ+1
は順ぐりの繰り返しの番号である。このことを図で示す
と、図４に示すようなものとなる。つまり、この方式
は、４つの相が全部揃うまで待つのではなく、４つの相
のいずれかが、代わる毎に図に示すように合成していく
ものである。４つの相が全部揃うまで（例えばＡｎ＋Ｂ
ｎ＋Ｃｎ＋ＤｎがＡｎ+1＋Ｂｎ+1＋Ｃｎ+1＋Ｄｎ+1にな
るまで）待つと４倍の時間がかかるが、このようにデー
タの一部を廃棄し、一部を取り込む一部合成処理を順次
繰り返すことにより、処理出力に対するフレームレート
は維持できることになる。

【００２３】次に、図２の回路の動作を説明する。先ず
コントローラ１０が＃０〜＃６３のマルチプレクサ１を
制御してｉ＝０〜３の４回に分けてトランスミッタ／レ
シーバ２から送受波を行う。つまり、先ずｉ＝０のエレ
メント群に超音波を一斉に送波し、受信する。次に、ｉ
＝１のエレメント群に超音波を一斉に送波し、受信す
る。このシーケンスをｉ＝３のエレメント群まで繰り返
すことになる。

【００２４】ｉ＝０の相で送波し、受波されたエコー信
号は、トランスミッタ／レシーバ２を介してＡ／Ｄ変換
器４に入り、ディジタルデータに変換される。ディジタ
ルデータに変換されたエコー信号は、受波ビームフォー
マ５で位相調整された後、ｉ＝０のエコーメモリ６に書
き込まれる。次に、ｉ＝１の相のエコー信号がｉ＝１の
エコーメモリ６に書き込まれる。このようにして、順に
エコーメモリ６に各相のデータが書き込まれることにな
る。

【００２５】ビームスプリッタ７は、ｉ＝０〜ｉ＝３の
エコーメモリ６にエコーデータが揃った時点で、これら
メモリのデータを読み出し、整相加算してビデオメモリ
８に書き込む。この間に、ｉ＝０のエコーメモリ６に
は、次のステップのｉ＝０の相のエコーデータが書き込
まれる。この時のタイミングで、ビームスプリッタ７
は、エコーメモリ６のデータを整相加算して、ビデオメ
モリ８に書き込む。以下、同様のシーケンスでエコーメ
モリ６のデータをビデオメモリ８に書き込んでいく。こ
の時の開口合成のシーケンスは、図４に示した通りであ
る（インタリーブ方式）。ビデオメモリ８に書き込まれ
たデータは、後処理回路に入り所定の処理がなされ（例
えば、対数圧縮，検波等の処理）、ＤＳＣ（ディジタル
・スキャン・コンバータ）によりスキャン方向変換され
て、表示装置に超音波画像が表示されることになる。

【００２６】このようなインタリーブ方式で、画像を開
口合成すると、見かけ上のフレームレートを維持するこ
とができる。なお、この場合において音場の側でも規定
音線４本分をまとめて送受波するようにすれば、音場の
側のデータレートも落とさずにすむ。

【００２７】ところで、このような時分割データ収集を
行なっている間に、対象物が動いてしまったら（ドプラ
シフトが発生したら）どうなるかについて考える。軟部
組織のような少ししか回転しないものについては補正の
方法は各種考えることができる。この補正法は、基本的
にはアベレーション・コレクション（Ａｂｅｒｒａｔｉ
ｏｎＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ媒質波面の到着時刻補
正）と同じであり、隣合うシーケンス間の位相変化を局
所毎に戻してやればよい。同一音線（４本の組）に４回
送受波するとして、その間Ｂモード像のためのエコー収
集を行う場合には、この実施例のような音線順次の開口
合成の場合は、結果として無処理でも目的は達せられ
る。つまり、６４チャネルの分の回路で２５６チャネル
相当の画像表示が行えることになる。

【００２８】図５は本発明の他の実施例を示す構成ブロ
ック図である。図２と同一のものは、同一の符号を付し
て示す。この実施例のハードウェア構成は図２と同じで
ある。違いは、エレメントをｉ＝０〜３の４つの群に完
全に分割している点である。そして、面（フレーム）順
次の開口合成を行うため、エレメントの各マルチプレク
サ１への引き込みが異なっている。つまり、エレメント
の開口がｉ＝０〜３まで４分割されており、それぞれの
群のエレメントが上から順にマルチプレクサ１に入るよ
うになっている。つまり、＃０のマルチプレクサ１に
は、ｉ＝０〜ｉ＝３の群の一番上のエレメントが接続さ
れ、＃１のマルチプレクサ１には、各群の上から２番目
のエレメントが接続される。以下、同様の接続を行な
い、最後の＃６３のマルチプレクサ１には、各群の一番
最後のエレメントが接続されている。このように構成さ
れた装置の動作を説明すれば、以下のとおりである。

【００２９】この回路は、マルチビーム合成方式によ
り、フレームレートを維持するものである。前記ｉ＝０
〜３に対応して、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを各部分開口又はサブ
エレメントグループとする。ビームフォーマが４本並列
乃至時分割４重のマルチビーム出力を得られるように、
ビームスプリッタを持っていたとすると、Ａｎ^k＋Ｂｎ
k ＋Ｃｎ^k＋Ｄｎ^kについて、ｋ＝０〜３までが同時に
抽出できる。つまり、Ａｎ⁰＋Ｂｎ⁰＋Ｃｎ⁰＋Ｄ
ｎ⁰，Ａｎ¹＋Ｂｎ¹＋Ｃｎ¹＋Ｄｎ¹，Ａｎ²＋Ｂ
ｎ²＋Ｃｎ²＋Ｄｎ²，Ａｎ³＋Ｂｎ³＋Ｃｎ³＋Ｄ
ｎ³のそれぞれが同時に抽出できる。そこで、ｎについ
て前記図２の実施例のように一部更新処理を行なわなく
ても、フレームレートを維持することができる。

【００３０】次に、図５の回路の動作を説明する。先ず
コントローラ１０が＃０〜＃６３のマルチプレクサ１を
制御してｉ＝０〜３の４回に分けてトランスミッタ／レ
シーバ２から送受波を行う。ｉ＝０の送波をトランスミ
ッタ／レシーバ２から行うと、ｉ＝０のフレームのエレ
メントのみが動作し、ｉ＝０のフレームのエコーが受波
される。このエコーは、トランスミッタ／レシーバ２を
介して各Ａ／Ｄ変換器４に入り、ディジタルデータに変
換される。この変換されたエコーデータは、受波ビーム
フォーマ５により位相が調整された後、ｉ＝０のエコー
メモリ６に書き込まれる。次に、ｉ＝１の送波を行な
い、同様にしてｉ＝１のエコーメモリ６にエコーデータ
を書き込む。以下、同様にしてｉ＝２のエコーデータが
ｉ＝２のエコーメモリ６に書き込まれ、次にｉ＝３のエ
コーデータがｉ＝３のエコーメモリ６に書き込まれる。

【００３１】このようにして、エコーメモリ６にｉ＝０
〜３の全フレームのデータが揃った時点で、ビームスプ
リッタ７は、エコーメモリ６から４面分のエコーデータ
を抽出し、整相加算してビデオメモリ８に書き込む。こ
のマルチビーム方式は、４面の（フレーム）のデータが
ほぼ同時に出来上がっていくので、通常の画像処理動作
の場合と同じ時間で超音波画像が得られるので、フレー
ムレートを維持することができる。

【００３２】ビデオメモリ８に書き込まれたデータは、
後処理回路に入り所定の処理がなされ（例えば、対数圧
縮，検波等の処理）、ＤＳＣ（ディジタル・スキャン・
コンバータ）によりスキャン方向変換されて、表示装置
に超音波画像が表示されることになる。

【００３３】このマルチビーム合成方式の特徴は、図２
に示す音線順次方式の場合に比較して、フレームの動画
性が向上していることである。つまり、６４エレメント
のフェーズドアレイとしては、それぞれのフレームは完
成したものなので、走査の原点から移動するのみで、他
には何も実害がない。４フレーム分のエコーメモリ６を
合成することにより、はじめて２５６チャネルのフェー
ズドアレイになる。

【００３４】しかしながら、この方式の欠点は、図６に
示すように面順次でフレームを合成していくので、その
間に軟部組織といえども位相がずれて（回転して）正常
な画像の合成ができない場合が生じるおそれがあること
である。このような場合の位相補正方法としては、例え
ばエコーの１波長毎に（４ｆ0 （ｆ0 は中心周波数）で
サンプリングして４点のデータ毎に）、振幅と位相に分
解し、位相は平均をとり、振幅は加算するようにする。
また、位相は平均でなくてもどれか１つのデータの位相
を用いるようにしてもよい。位相がずれる場合、隣り合
った４点のデータ間で考える。図７は位相補正（位相回
転）の補正の説明図である。図に示すようにｊ＝０〜３
のデータが得られ、これらに位相差がある場合を考え
る。図に示す平面はｉｑ平面（ｉは実軸，ｑは虚軸）で
ある。これら４個のデータの位相補正を行う場合、位相
は４個の平均をとるか又は特定のデータの位相を用いる
ようにする（要するに４点のデータの位相が同じになる
ようにする）。振幅はこれら４個のデータの振幅を加算
するようにする。このような方法を採ると、位相の相互
のデータ間に位相の差異はなくなるので、位相の補正が
できたことになり、ドプラシフトの影響をなくすことが
できる。

【００３５】前述の実施例では、開口面上のエレメント
を均等に分割した場合を例にとったが、本発明はこれに
限るものではなく、ランダムに分割するようにしてもよ
い。このようにすると、規則性がなくなり各分割対応分
で大きなグレーティングサイドローブ（Ｇｒａｔｉｎｇ
Ｓｉｄｅｌｏｂｅ）を出さずにすむ。

【００３６】また、前述した実施例の６４チャネルの内
の一部、例えば３２チャネルを常に固定的に同一エレメ
ント部分に割り付けておき、残りのチャネルで開口合成
を行うようにすることもできる。このように構成する
と、固定的に割り付けた部分からは、方位分解能は悪く
なるものの、パルスドプラ乃至ＭＴＩ観測が支障なく行
える。

【００３７】また、方位角（スキャン範囲）θを絞った
時には、図８に示すように音線の照射領域が狭くなるの
で、４エレメントを並列にして２５６チャネルを６４チ
ャネルで送受波し、開口合成をしなくても済むイメージ
ングを行ない、方位角が大きくなってきた領域（図８の
両端の部分）のみ、ブロック単位の開口合成を行うよう
にすることもできる。

【００３８】上述の実施例では、エレメントの数として
２５６個のものを用いたが、本発明はこれに限るもので
はなく、任意の数のエレメントを用いることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、開口面のエレメントの総数が所定のルールに従
って複数の群に分割された各群に対して送受波を行な
い、送受波の都度、受波に使用した全エレメント分のエ
コーデータを整相加算した後、記憶手段に記憶し、前記
分割の数だけの送受波が行なわれて前記記憶手段にエコ
ーデータが揃った時点で開口合成を行なって超音波画像
を得るようにように構成することにより、フレームレー
トの低下を防ぐことができる超音波画像処理装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の原理を示すフローチャートであ
る。

【図２】本発明の一実施例を示す構成ブロック図であ
る。

【図３】エレメントの配置例を示す図である。

【図４】インタリーブ方式の説明図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す構成ブロック図であ
る。

【図６】フレーム合成の説明図である。

【図７】位相ずれの補正方法の説明図である。

【図８】方位角の説明図である。

【図９】従来の超音波プローブの構成概念図である。

【図１０】２次元の超音波プローブの構成概念図であ
る。

【図１１】２次元の超音波プローブの他の構成概念図で
ある。

【符号の説明】

１マルチプレクサ２トランスミッタ／レシーバ３送波ビームフォーマ４Ａ／Ｄ変換器５受波ビームフォーマ６エコーメモリ７ポストプロセスビームスプリッタ８ビデオメモリ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のルールに従って複数の群に分割さ
れた超音波プローブと、該超音波プローブの分割された各群に対して順次送受波
を行う送受波手段と、前記送受波の都度、受波に使用した全エレメント分のエ
コーデータを整相加算する整相加算手段と、該整相加算手段で加算したデータを記憶する記憶手段
と、前記分割の数だけの送受波が行なわれて前記記憶手段に
エコーデータが揃った後は、前記整相加算の都度、更新
されたエコーデータ及び更新されない残りのエコーデー
タに基づく開口合成を行なって超音波画像を得る開口合
成手段と、を具備したことを特徴とする超音波画像処理
装置。
【請求項２】前記整相加算手段は、エコーデータを整
相加算する段階で、分割の単位間での位相ずれの補正を
行うものであることを特徴とする請求項１記載の超音波
画像処理装置。
【請求項３】前記超音波プローブは、固定的に同一エ
レメント部分に割り付ける部分と開口合成される部分と
に分割されたものであることを特徴とする請求項１記載
の超音波画像処理装置。
【請求項４】前記送受波手段は、方位角を絞った時は
分割数に応じたエレメントを並列動作させ、方位角が大
きくなった時には開口合成するものであることを特徴と
する請求項１記載の超音波画像処理装置。