JP3685993B2 - 超音波診断装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は２次元配列振動子を用いた超音波診断方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の超音波診断装置は、複数の振動子からなる探触子と、前記振動子から得られた入力信号に遅延を与えて加算する遅延加算部とを備え、１次元配列振動子により送受信ビームを偏向集束させて２次元画像を表示する周知の原理を用いて、体内からの信号を受信する際には、各振動子で得た受信信号に遅延をかけ、加算することによりビームの偏向・集束を行なっていた。特に最近では、各振動子で受信した信号をディジタル信号に変換し、遅延加算をディジタル処理により行なう超音波診断装置が増えつつある。
【０００３】
ここで、図９にディジタルで遅延加算を行なう超音波診断装置のブロック図の例を示す。 図９において、探触子１００は、１次元配列した振動子Ｔ１〜Ｔ８から構成されて超音波の送受信を行なう。パルサレシーバ１０１-１〜１０１-８は、振動子Ｔ１〜Ｔ８のための送信パルス信号を生成し、エコー信号を受信・増幅する。ゲインコントロールアンプ１０２-１〜１０２-８は、パルサレシーバ１０１-１〜１０１-８で増幅したエコー信号をさらに適当な大きさに増幅する。Ａ／Ｄ変換器１０３-１〜１０３-８は、ゲインコントロールアンプ１０２-１〜１０２-８の出力をディジタル信号に変換する。遅延加算部１０４は、Ａ／Ｄ変換器１０３-１〜１０３-８の出力を遅延加算する。制御部１０５は、パルサレシーバ１０１-１〜１０１-８、ゲインコントロールアンプ１０２-１〜１０２-８および遅延加算器１０４の制御を行なう。信号処理部１０６は、遅延加算部１０４の出力信号の信号処理を行なう。表示部１０７は、信号処理部１０６の出力を表示する。
【０００４】
次いで、図１０に図９のディジタル遅延加算部１０４の詳細を示す。
図１０は、受信信号４ｃｈ分を遅延加算するディジタル遅延加算器の一例を示すブロック図であり、このディジタル遅延加算器が遅延加算部１０４全体のうちのｎ番目であるとすると、（ｎ-１）番目の遅延加算データを前記遅延加算器に入力し、この遅延加算器が受け持つ４ｃｈ分のエコーデータの遅延加算を行ない、（ｎ＋１）番目の遅延加算部に送り出す。
【０００５】
図１０において、ＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４は、Ａ／Ｄ変換器１０３-１〜１０３-８から出力されるディジタル信号を入力する。加算器１１１は、ＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４で遅延された信号を加算する。制御データ演算部１１２は、ＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４の遅延量（ビームの偏向分と集束分）を制御する制御データを生成する。
【０００６】
この制御データ演算部１１２でのデータ演算方法について、図１１を用いて説明する。
図１１において、振動子１２０〜１２３は、１次元配列探触子のうちのｎ番目から（ｎ＋３）番目のものである。音線ベクトル１２４は、取得したいフォーカス位置の軌跡を表している。また、振動子１２０〜１２３の位置は、水平方向の位置Ｘと垂直方向の位置Ｚにより表される。
【０００７】
ここで、振動子１２０（Ｐ（ｎ））の位置座標を（Ｘｎ、Ｚｎ）とし、音線ベクトル１２４のうちの点Ａの座標を（Ｘｖ（ｔ）、Ｚｖ（ｔ））とすると、振動子１２０と点Ａの距離は、数式１で表される。
【数１】
図１０の制御データ演算部１１２では、数式１を用いて振動子１２０と点Ａの距離を計算し、求めた距離を時間に換算し、遅延時間を計算している。
【０００８】
また、図９の遅延加算部１０４は、大規模化および高速化されたディジタル回路であり、専用のＩＣに集積化することが多い。前述の超音波診断装置は、一般に数十から数百の振動子で同時に信号を受信し、遅延加算を行なうが、数ｃｈ程度の規模で集積化を行ない、これを連結させて数十から数百ｃｈに対応させることが一般的である。以下、この集積化された遅延加算のための回路を遅延加算器と称する。
【０００９】
ところで、体内での超音波の伝搬速度は約１５００ｍ／秒と有限であり、このことにより１秒間に表示できる画像枚数は限られ、走査方法によってはリアルタイム性が失われることがある。
【００１０】
この問題を解決する手法として、特公昭５６-２２０１７号公報にあるような受信ビームの並列処理が知られている。図１２に並列受信の概念を示す。
【００１１】
図１２において、振動子１３０は、送受信を行なうものであり、１本の送信ビーム１３１を体内へ送り込み、２本の受信ビーム１３２、１３３を並列受信する。振動子１３０を用いて送信ビーム１３１を体内に送り、近接した方向の受信ビーム１３２と受信ビーム１３３を同時に生成することで、同時に多方向の情報を得ることができ、１秒あたりの画像表示枚数を向上させることができる。送信ビーム１３１と受信ビーム１３２のなす角θＡと、送信ビーム１３１と受信ビーム１３３のなす角θＢとは、ビーム指向性を揃えるために等しくする場合が多い。
【００１２】
ここで、並列受信を行なう遅延加算器の例を図１３に示す。
図１３において、ＦＩＦＯメモリ１４０-１〜１４０-４は、遅延を行なうためのもので１入力２出力である。また、加算器１４１Ａおよび加算器１４１Ｂは、ＦＩＦＯメモリ１４０-１〜１４０-４の出力を加算し、制御データ演算部１４２は、ＦＩＦＯメモリ１４０-１〜１４０-４の遅延量を制御する。
【００１３】
前記遅延加算器による処理方法は、同じ振動子群からの入力をもとに別の遅延加算を行なうことで、複数のビーム情報を同時に取り出すものであり、ディジタル遅延加算では、この例のように、遅延部分に１入力多出力のＦＩＦＯメモリ１４０-１〜１４０-４を用いることで、遅延部を共用することが可能になっている。
【００１４】
最近では、２次元に配列された振動子を用い、ビームを２方向に偏向集束し、３次元情報を取得、表示する３次元超音波診断装置が公知となっている（特開２０００−７０２６５号公報）。しかしながら、ビームを３次元方向に走査させると、１画像あたりのビーム本数が非常に増加し、このため１画像を表示させるための時間が長くなる。３次元走査においても受信ビームの並列処理は有効であるが、一度に受信する走査線の本数が数十本と多いため、物量の増加が著しい。
【００１５】
この問題を解決するための手法として、ビーム形成を２段階あるいはそれ以上に分ける方法が知られている。従来、この種の超音波診断装置（ビーム形成を２段階に分けるもの）は、いくつかのグループに分けられた複数の振動子と、それぞれのグループの振動子からの入力信号を遅延・加算する第１のビームフォーマ群と、この第１のビームフォーマ群の出力を共通の入力とする第２のビームフォーマ群とを備え、前記第１のビームフォーマ群における遅延量がビームの偏向分または／およびビームの集束分であった（特開平９−３２２８９６号公報）。以下、図１４を用いてこの方法について説明する。図１４は、４×４の２次元配列振動子から４本の受信ビームを同時に得るものである。
【００１６】
図１４において、探触子１５０は、４×４の振動子からなる２次元配列振動子で構成され、遅延加算器１５１-１〜１５１-８は、４入力１出力のものである。
【００１７】
次に、図１５を参照しながら、本方式の動作をて説明する。
図１５は、本方式における送信／受信ビームの位置関係を表したもので、２次元配列振動子１６０の送信ビーム１６１を取り囲むように４本の受信ビーム１６２〜１６５が配置される。なお、送信ビーム１６１と各受信ビーム１６２〜１６５のなす角度は等しくなるようにビームを形成させる。なお、図１４においては、遅延加算器１５１-１〜１５１-４はそれぞれ４つずつの振動子の信号を入力し、遅延加算して１つの出力を得る。
【００１８】
ここで、１段目の遅延加算器１５１-１〜１５１-４の集束位置は、図１５の送信ビーム１６１上に設定されるが、開口径が小さいために、送信ビーム１６１だけでなく、４本の受信ビーム１６２〜１６５をも含むような径の太いビーム形状となる。
【００１９】
また、２段目の遅延加算器１５１-５〜１５１-８は、遅延加算器１５１-１〜１５１-４の出力信号をもとにビーム形成を行なう。この２段目の遅延加算では、遅延加算部１５１-５〜１５１-８は、図１５の受信ビーム１６２〜１６５のおのおのに集束をかける。
【００２０】
以上のように、ビーム形成を２段階もしくはそれ以上にすることで、並列受信時における構成を小さくすることができる。この方式は、並列数が多いほど構成を小さくする効果は大きく、また、同一のチャンネル数の探触子で、遅延加算の並列出力数が同じならば１段目の各遅延加算器への入力本数が多いほど、遅延加算部全体の規模を小さくできる。
【００２１】
しかし、このような超音波診断装置では、１次元配列振動子に対応したビームフォーマにおいて、振動子の位置情報を２次元でしか与えることができないために、２次元配列振動子に対応できないものであった。
【００２２】
以上について、図１６をもとに説明する。
図１６において、２次元配列振動子１７０により、この２次元配列振動子１７０を構成する各振動子の中心と各振動子の位置を示す。ビームベクトル１７１は、ビーム集束位置の時間的変化を示す。また、２次元配列振動子１７０における任意の振動子Ｐとビームベクトル１７１上の点Ａとの距離は、数式２で示される。
【数２】
この数式２で示すように、３次元座標の計算が必要で、２次元座標を用いる従来の１次元配列振動子のための遅延加算器の制御データ演算部では演算が不可能である。
【００２３】
また、以上の構成の場合、多段階ビーム形成において制御部の演算量が多いことがあげられる。
【００２４】
さらに、多段階ビーム形成方式において並列受信を行なう際に、１段目のビーム形成部で集束させる振動子の数を増やすとビームの指向性が強くなり、その結果として並列ビームの受信感度にばらつきが生じてしまうことである。
【００２５】
ここで、図１７は４個、８個、１６個の１次元配列振動子による指向性を表したもので、４ｃｈより８ｃｈ、８ｃｈより１６ｃｈのほうが指向性が鋭いことを表している。指向性が強くなれば、それだけ、送信ビームに近い位置の受信ビームと、遠い位置の受信ビームで感度の差が発生してしまうものである。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
以上をまとめると、従来の超音波診断装置では、１次元配列振動子に対応したビームフォーマにおいて、振動子の位置情報を２次元でしか与えることができないために、２次元配列振動子に対応できず、新たに２次元配列振動子に対応した制御部を持ったビームフォーマを形成する必要であるという問題があった。
【００２７】
また、前記従来の技術で述べた多段階ビーム形成において制御部の演算量が多いことがあげられる。
【００２８】
さらなる問題点としては、多段階ビーム形成方式において並列受信を行なう際に、１段目のビーム形成部で集束させる振動子の数を増やすとビームの指向性が強くなり、その結果として並列ビームの受信感度にばらつきが生じてしまうことである。
【００２９】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、１次元配列振動子のためのビームフォーマで３次元走査を実現可能な超音波診断装置を提供するものである。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
【００３１】
また、本発明の超音波診断装置は、２次元配列振動子からなる探触子と、１次元配列振動子の位置および音線方向の情報より超音波受信ビームを偏向および集束させるための遅延加算回路と、前記２次元配列振動子と超音波受信ビームベクトルの位置関係を２次元平面状に仮想振動子位置として投影し、この仮想振動子位置の情報を前記遅延加算回路に入力する制御手段とを設け、１次元配列振動子用の前記遅延加算回路で前記２次元配列振動子からの信号を遅延加算する構成を有している。この構成により、１次元配列振動子のための遅延加算部において、予め３次元から２次元に変換された仮想振動子位置と音線ベクトルデータを用いて遅延加算するので、２次元配列振動子のための遅延加算を実施できることとなる。
【００３５】
また、本発明の超音波診断装置は、複数の振動子からなる探触子と、同時に多方向からの超音波ビームを受信可能で、前記振動子からの超音波受信ビームを偏向および集束させるための遅延加算回路を多段階に分けてビーム形成する多段階遅延加算部と、この多段階遅延加算部の１段目の遅延加算回路で、前記振動子から多方向の超音波ビームを受信して複数のビームベクトルを出力し、２段目以降の遅延加算回路で、前記複数のビームベクトルのうち、取得したい最終出力ベクトルに近いものを用いて遅延加算を行うように制御する制御手段とを設けた構成を有している。この構成により、ビーム形成部全体の規模を縮小するため、１段目の遅延加算部で集束させる入力振動子数を増加させても、前述のように取得したい最終出力ベクトルに近いビームベクトルを用いて遅延加算するので、ビームの指向性が強まることを抑制でき、並列受信時の受信ビーム間の感度差を低減することとなる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
［第１の実施形態］
図１および図２に示すように、本発明の第１の実施の形態の超音波診断方法は、２次元配列振動子１の位置Ｐの座標（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）と、受信ベクトル（ビームベクトル）２上の点Ａの座標（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）を設定する座標設定ステップ（座標設定部）ｓ１０１と、各座標間の距離を計算する距離計算ステップ（距離計算部）ｓ１０２と、計算された各座標間の距離をもとに仮想エレメント位置を計算する仮想エレメント位置計算ステップ（仮想エレメント座標計算部）ｓ１０３（各演算処理ｓ１０３ａ〜ｓ１０３ｅを含む）と、２次元投影された点Ｐ′の座標を取得する仮想エレメント座標取得ステップｓ１０４とを設け、こうして取得した仮想エレメント座標をもとに、１次元配列振動子用の遅延加算部によって２次元配列振動子１における遅延加算を実施する際の遅延量（制御データ）を与えるものである。
【００３７】
また、図４に示すように、本発明の第１の実施の形態の超音波診断装置は、１次元配列振動子用の遅延加算器（図１０に準じる）を備えた超音波診断装置に、図２に示すアルゴリズムで、２次元配列振動子の位置データ（図１のＰの座標に相当）と、音線ベクトルデータ（受信ビームベクトル（図１の２に相当）上の点Ａの座標に相当）とから、仮想振動子位置（図２の仮想エレメント座標Ｐ′に相当）を計算する仮想位置演算部（前記座標設定部、距離計算部、仮想エレメント座標計算部を含む）１１３を設けたものである。
【００３８】
ここで、本実施形態の超音波診断方法について述べる。
図１において、ビームベクトル２は、始点Ｏ（２次元配列振動子１の中心点でもある。）と任意の点Ａで示される。ここで、始点Ｏと、２次元配列振動子１の任意の振動子の中心Ｐと、ビームベクトル２の任意の点Ａとで形成される三角形ＯＡＰの形を崩すことなく、ＯＡを軸として回転させたものを三角形ＯＡＰ′とする。すなわち、三角形ＯＡＰをビームベクトル２の垂線方向に回転・移動した場合の中心がＰ′である。この回転は、ビームベクトル２と２次元配列振動子１の任意の振動子との位置関係を３次元から２次元に投影するものであり、全ての振動子は、同様にビームベクトル２の垂線の面に投影することができる。
【００３９】
図３のように、図２に示すアルゴリズムによる変換結果の例をグラフ（横軸は、原点Ｏからの横方向の距離、縦軸は、深さをそれぞれ表す。）に示すと、このグラフから、全ての振動子とベクトルの距離の関係は２次元平面上に投影することができることがわかる。したがって、２次元配列振動子１の振動子とビームベクトルとの位置関係をそのビームベクトルの垂線の面に投影するような変換を行なってから、前記遅延加算部にデータを送ることにより、１次元配列振動子用の遅延加算部によって２次元配列振動子１における遅延加算を実施できることとなる。
【００４０】
次に、本実施形態の超音波診断装置について述べる。
この超音波診断装置には、２次元配列振動子１からなる探触子（図示せず）と、２次元配列振動子１のための送信パルス信号を生成し、エコー信号を受信・増幅するパルサレシーバ（図示せず）と、このパルサレシーバで増幅したエコー信号をさらに適当な大きさに増幅するゲインコントロールアンプ（図示せず）と、このゲインコントロールアンプの出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（図示せず）と、このＡ／Ｄ変換器の出力を遅延加算する１次元配列振動子用の遅延加算器１８０（図４に示す）を含む遅延加算部と、図２に示すアルゴリズムを実行し、前記仮想エレメント座標を計算する仮想位置演算部１１３（図４に示す）と、前記遅延加算部の出力信号の信号処理を行なう信号処理部（図示せず）と、この信号処理部の出力を表示する表示部（図示せず）とを備える。また、１次元配列振動子用の遅延加算器１８０の構成は図４に示すとおりである。
【００４１】
図４において、仮想位置演算部１１３は、図２に示すアルゴリズムでエレメントの位置を３次元から２次元に投影する演算を行なう。また、ｎ番目の遅延加算器１８０は、前記従来の技術で述べた１次元配列振動子用の遅延加算器であって、ディジタル化されたエコー信号を遅延させるＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４と、ＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４で遅延された信号を加算する加算器１１１と、ＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４の遅延量を計算する制御データ演算部１１２とを備える。そして、前記ｎ番目の遅延加算器１８０では、仮想位置演算部１１３から前記音線ベクトルデータと、仮想位置演算部１１３で計算した仮想振動子位置（２次元配列振動子の各振動子とビームベクトルの距離の関係を２次元平面上に投影したもの）とを入力することにより、１次元配列振動子用の遅延加算器１１１によって２次元配列振動子における遅延加算を行うこととなる。
【００４２】
以上のように、本発明の第１の実施形態の超音波診断方法は、２次元配列振動子１の各振動子の位置Ｐの座標と、受信ビームベクトル２上の点Ａの座標を設定する座標設定ステップｓ１０１と、各座標間の距離を計算する距離計算ステップｓ１０２と、計算された各座標間の距離をもとに仮想エレメント位置を計算する仮想エレメント位置計算ステップｓ１０３と、２次元投影された点Ｐ′の座標を取得する仮想エレメント座標取得ステップｓ１０４とを設けているので、２次元配列振動子１の各振動子とビームベクトル２の距離の関係を２次元平面上に投影することができる。また、このような変換を行なってから、前記遅延加算部にデータを送ることにより、１次元配列振動子用の遅延加算部で２次元配列振動子における遅延加算を行うことが可能となる。
【００４３】
また、本発明の第１の実施の形態の超音波診断装置は、１次元配列振動子用の遅延加算器１１１からなる遅延加算部を備えた超音波診断装置に、第１の実施形態に準じたアルゴリズムで、２次元配列振動子の位置データと、音線ベクトルデータとから、仮想振動子位置を計算する仮想位置演算部１１３を設けたので、従来と同様の１次元配列振動子用の遅延加算器１８０を用い、２次元配列振動子の信号を遅延加算する遅延加算部を実現できる。
【００４４】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態の超音波診断方法の原理を示す。これは、上記第１の実施形態とは、２次元振動子を複数ブロックに分割して遅延加算を行う場合、各ブロックを形成する複数の振動子における遅延加算はビームの偏向のみとし、各ブロックごとの音線ベクトルの偏向データは同一とする点が相違している。この方法により、遅延加算部のデータ量を低減することができる。
【００４５】
また、図６は、本発明の第２の実施の形態の超音波診断における遅延加算部を示す。これは、上記第１の実施形態とは、２次元振動子１５０を複数ブロックに分割し、各ブロックごとの遅延加算部２０-１〜２０-４、２４Ａ〜２４Ｄを２段階に分け、第３の実施形態の超音波診断方法に準じて、第１段の遅延加算部２０-１〜２０-４には偏向データを送出し、第２段の遅延加算部２４Ａ〜２４Ｄには偏向・集束データを送出する制御部１７５を設けた点が相違している。この構成により、遅延加算部２０-１〜２０-４、２４Ａ〜２４Ｄに対する制御データの量を低減することができる。
【００４６】
ここで、本実施形態の超音波診断方法について述べる。
図５において、２次元振動子６は、４×４個の振動子からなる。また、音線ベクトルＶ0は、振動子全体の音線ベクトルであり、音線ベクトルＶ1は、２次元振動子６を形成する「２〜４」および「ａ〜ｃ」の範囲の４つの振動子の音線ベクトルであり、音線ベクトルＶ2は、２次元振動子６を形成する「０〜２」および「ａ〜ｃ」の範囲の４つの振動子の音線ベクトルであり、音線ベクトルＶ3は、２次元振動子６を形成する「０〜２」および「ｃ〜ｅ」の範囲の４つの振動子の音線ベクトルであり、音線ベクトルＶ4は、２次元振動子６を形成する「２〜４」および「ｃ〜ｅ」の範囲の４つの振動子の音線ベクトルである。
【００４７】
ここで、２次元振動子６の大きさが音線の焦点距離に対して小さければ、音線ベクトルＶ1〜Ｖ4のベクトル方向はＶ0と同一とみなしてよく、音線ベクトルＶ1〜Ｖ4に対応する４つの振動子の面積が小さいとすると、４つの振動子でビーム集束を行なっても効果は期待できない。これらのことから、４つの振動子における遅延加算はビームの偏向のみでよく、また、音線ベクトルＶ1〜Ｖ4の偏向データは同一でよいということになる。
【００４８】
よって、本実施形態の超音波診断方法では、２次元配列振動子からなる探触子を用い、超音波受信ビームを２次元方向に偏向および集束させる場合、遅延加算回路２０-１〜２０-４、２４Ａ〜２４Ｄ（図６に示す）を２段階に分け、１段目ではビームの偏向のみを行い、２段目でビームの偏向および集束を行なう。なお、前記従来の技術で述べた方法では、遅延加算処理の制御信号は全ての遅延加算部に対し、偏向と集束の両方から算出されたデータ（偏向・集束データ）を用いていた。
【００４９】
次に、本実施形態の超音波診断装置について述べる。
この超音波診断装置は、図６に示すように、４×４の２次元配列振動子からなる探触子１５０と、２次元配列振動子１のための送信パルス信号を生成し、エコー信号を受信・増幅するパルサレシーバ（図示せず）と、このパルサレシーバで増幅したエコー信号をさらに適当な大きさに増幅するゲインコントロールアンプ（図示せず）と、このゲインコントロールアンプの出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（図示せず）と、このＡ／Ｄ変換器の出力（振動子４ｃｈ分の受信信号）を入力し、遅延加算して出力する１段目の遅延加算器２０-１〜２０-４と、遅延加算器２０-１〜２０-４の出力から遅延加算を行ない、４つの受信ビーム出力を得る２段目の遅延加算器２４Ａ〜２４Ｄと、本実施形態の超音波診断方法に準じ、１段目の遅延加算部の遅延加算器２０-１〜２０-４に対して偏向データのみ（１段目の遅延加算部の遅延量）を入力し、２段目の遅延加算部の遅延加算器２４Ａ〜２４Ｄに対しては、偏向・集束データ（２段目の遅延加算部の遅延量）を入力するように制御する制御部２５とを備える。したがって、１段目の遅延加算部については偏向分のみから算出した制御データを用いるので、従来よりも遅延加算部で用いる制御データ量は減少する。なお、従来は全段の遅延加算部について偏向および集束の両方から算出していた制御データを用いていた。
【００５０】
［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施の形態の超音波診断方法の原理を示す。これは、上記第１の実施形態とは、並列受信機能を備えた遅延加算部を複数段に分け、１段目でのビームベクトルを複数とし、２段目以降では、前記複数のビームベクトルのうち近い方のビームベクトルを用いて遅延加算を行なう点が相違している。この方法により、並列受信時の受信ビーム間の感度差を低減することができる。
【００５１】
また、図８は、本発明の第３の実施の形態の超音波診断装置におけるビームフォーマを示す。これは、上記第１の実施形態とは、並列受信機能を備えた遅延加算器１１-１〜１１-８からなる複数段（２段）のビームフォーマを設け、本実施形態の超音波診断方法を用いて並列受信を行なう点が相違している。この構成により、並列受信時の受信ビーム間の感度差を低減することができる。
【００５２】
ここで、本実施形態の超音波診断方法について述べる。
図７において、探触子７は複数の振動子からなる。また、Ｔは送信ビームベクトルを示し、Ａ、Ｂは受信多段ビームフォーマの１段目におけるビームベクトルを示し、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２はビームフォーマの最終出力ベクトルを示す。
【００５３】
ここで、最終出力ベクトルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２の４つの受信ベクトルを取得したい場合に、受信多段ビームフォーマの１段目での振動子数が多いとアパチャー径が大きくなり、ビームの指向性が強くなり、出力ベクトル間の感度差が大きくなることは、前記従来の技術で述べたとおりである。そこで、本実施形態では、受信多段ビームフォーマの１段目でのベクトルを、遅延加算部の並列受信機能を利用してベクトルＡ、Ｂの二つとする。さらに、２段目以降の遅延加算部では、前記二つのベクトルＡ、Ｂのうち近いベクトルを用いて遅延加算を行なうものとする。図７では、ベクトルＡに近い最終出力ベクトルＡ１、Ａ２は、出力Ａを用いて遅延加算を行ない、ベクトルＢに近い最終出力ベクトルＢ１、Ｂ２は、出力Ｂを用いて遅延加算を行なうことにより取得する。こうして、並列受信機能を備えた遅延加算部を用い、多段ビームフォーマを構成して並列受信を行なうことができる。
【００５４】
次に、本実施形態の超音波診断方法を適用する超音波診断装置について述べる。
この超音波診断装置は、図８に示すように、１次元配列振動子１０-１〜１０-１６からなる探触子と、同時に他方向からの複数ビームを受信する並列受信機能を有する遅延加算器１１-１〜１１-８を含む１段目の遅延加算部と、１段目の遅延加算器１１-１〜１１-４で出力されたデータＡ、Ｂを入力し、ベクトルＡ、Ｂのいずれかに近い最終出力ベクトルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２のいずれかを出力する遅延加算部１１-５〜１１-８を含む２段目の遅延加算部とを備える。
【００５５】
ここで、１次元配列振動子１０-１〜１０-１６で受信された信号は、１段目の遅延加算部１１-１〜１１-４に入力する。この遅延加算部１１-１〜１１-４は、並列受信処理によってそれぞれ二つのビームデータＡ、Ｂ（図７のベクトルＡに相当）を出力する。このように遅延加算部１１-１〜１１-４で出力されたデータのうち、データＡは遅延加算部１１-５、１１-６に入力され、データＢ（図７のベクトルＢに相当）は遅延加算部１１-７、１１-８に入力される。これらの入力により、遅延加算部１１-５、１１-６からはベクトルＡに近いベクトルＡ１、Ａ２が出力され、遅延加算部１１-７、１１-８からはベクトルＢに近いベクトルＢ１、Ｂ２が出力される。これにより、ビーム間の感度差の問題は低減される。
【００５６】
本実施形態では、ビームフォーマの１段目の出力ビームを２本（Ａ、Ｂ）にしたが、並列受信の本数が多い場合も同様の処理が可能である。また、本実施形態では、説明をわかりやすくするように１次元配列振動子を用いたが、これに限らず、２次元配列振動子への展開も容易に行なうことができる。また、第１あるいは第２の実施形態を第３の実施形態に適用可能なことは言うまでもない。
【００５７】
なお、仮想位置演算部１１３、制御部２５などが前記制御手段を構成し、遅延加算器１１-１〜１１-８、２０〜２３、２４Ａ〜２４Ｄなどが前記多段階遅延加算部を構成する。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、１次元配列振動子のためのビームフォーマで３次元走査を実現し、あるいは制御データ量を抑えながらビーム形成し、あるいは並列受信におけるビーム間の感度ばらつきを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の２次元配列振動子とビームベクトルの位置関係を示す説明図
【図２】本発明の第１の実施の形態の超音波診断方法で３次元位置を２次元に投影するための計算を示すフローチャート
【図３】本発明の第１の実施の形態の超音波診断方法で３次元位置を２次元に投影する座標変換結果を示すグラフ
【図４】本発明の第１の実施の形態の２次元配列振動子を用いた超音波診断装置のビーム形成部のブロック図
【図５】本発明の第２の実施の形態のビーム偏向・集束方法の説明図
【図６】本発明の第２の実施の形態の超音波診断装置のビーム形成部のブロック図
【図７】本発明の第３の実施の形態の並列受信機能を備えた遅延加算部からなる多段ビームフォーマで並列受信を行なう方法の説明図
【図８】本発明の第３の実施の形態の超音波診断装置のビーム形成部のブロック図
【図９】従来のディジタルフロントエンドを用いた超音波診断装置のブロック図
【図１０】従来のディジタルフロントエンドを用いた超音波診断装置の遅延加算部の内部構造の説明図
【図１１】従来の１次元配列振動子を用いたビーム偏向・集束に関する説明図
【図１２】従来の並列受信の説明図
【図１３】従来の並列受信を行なう遅延加算部のブロック図
【図１４】従来の２次元配列振動子を用いた並列受信方式の説明図
【図１５】従来の多段階ビーム形成で送信ビームと受信ビームの位置関係を示す説明図
【図１６】従来のビーム形成で２次元配列振動子を用いて３次元走査を行なう場合の遅延量計算方法の説明図
【図１７】従来の多段階ビーム形成で１段目の加算チャンネル数と１次元配列振動子による指向性を表すグラフ
【符号の説明】
１ ２次元配列振動子
２ 音線ベクトル
６ ２次元配列振動子
７ 配列振動子
１０-１〜１０-１６ 振動子
１１-１〜１１-８ 遅延加算器
２０〜２３ 遅延加算器
２４Ａ〜２４Ｄ 遅延加算器
２５ 制御部
１００ 探触子
Ｔ１-Ｔ８ 振動子
１０１-１〜１０１-８ パルサレシーバ
１０２-１〜１０２-８ ゲインコントロールアンプ
１０３-１〜１０３-８ Ａ／Ｄ変換器
１０４ 遅延加算部
１０５ 制御部
１０６ 信号処理部
１０７ 表示部
１１０-１〜１１０-４ ＦＩＦＯメモリ
１１１ 加算器
１１２ 制御データ演算部
１１３ 仮想位置演算部
１２０〜１２３ 振動子
１２４ 音線ベクトル
１３０ 振動子
１３１ 送信ビーム
１３２、１３３ 受信ビーム
１４０-１〜１４０-４ ＦＩＦＯメモリ
１４１Ａ、１４１Ｂ 加算器
１４２ 制御データ演算部
１５０ ２次元配列振動子
１５１-１〜１５１-８ 遅延加算器
１６０ 振動子（探触子）
１６１ 送信ビーム
１６２〜１６５ 受信ビーム
１７０ ２次元配列振動子
１７１ 音線ベクトル
１８０ 遅延加算器
【発明の属する技術分野】
本発明は２次元配列振動子を用いた超音波診断方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の超音波診断装置は、複数の振動子からなる探触子と、前記振動子から得られた入力信号に遅延を与えて加算する遅延加算部とを備え、１次元配列振動子により送受信ビームを偏向集束させて２次元画像を表示する周知の原理を用いて、体内からの信号を受信する際には、各振動子で得た受信信号に遅延をかけ、加算することによりビームの偏向・集束を行なっていた。特に最近では、各振動子で受信した信号をディジタル信号に変換し、遅延加算をディジタル処理により行なう超音波診断装置が増えつつある。
【０００３】
ここで、図９にディジタルで遅延加算を行なう超音波診断装置のブロック図の例を示す。 図９において、探触子１００は、１次元配列した振動子Ｔ１〜Ｔ８から構成されて超音波の送受信を行なう。パルサレシーバ１０１-１〜１０１-８は、振動子Ｔ１〜Ｔ８のための送信パルス信号を生成し、エコー信号を受信・増幅する。ゲインコントロールアンプ１０２-１〜１０２-８は、パルサレシーバ１０１-１〜１０１-８で増幅したエコー信号をさらに適当な大きさに増幅する。Ａ／Ｄ変換器１０３-１〜１０３-８は、ゲインコントロールアンプ１０２-１〜１０２-８の出力をディジタル信号に変換する。遅延加算部１０４は、Ａ／Ｄ変換器１０３-１〜１０３-８の出力を遅延加算する。制御部１０５は、パルサレシーバ１０１-１〜１０１-８、ゲインコントロールアンプ１０２-１〜１０２-８および遅延加算器１０４の制御を行なう。信号処理部１０６は、遅延加算部１０４の出力信号の信号処理を行なう。表示部１０７は、信号処理部１０６の出力を表示する。
【０００４】
次いで、図１０に図９のディジタル遅延加算部１０４の詳細を示す。
図１０は、受信信号４ｃｈ分を遅延加算するディジタル遅延加算器の一例を示すブロック図であり、このディジタル遅延加算器が遅延加算部１０４全体のうちのｎ番目であるとすると、（ｎ-１）番目の遅延加算データを前記遅延加算器に入力し、この遅延加算器が受け持つ４ｃｈ分のエコーデータの遅延加算を行ない、（ｎ＋１）番目の遅延加算部に送り出す。
【０００５】
図１０において、ＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４は、Ａ／Ｄ変換器１０３-１〜１０３-８から出力されるディジタル信号を入力する。加算器１１１は、ＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４で遅延された信号を加算する。制御データ演算部１１２は、ＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４の遅延量（ビームの偏向分と集束分）を制御する制御データを生成する。
【０００６】
この制御データ演算部１１２でのデータ演算方法について、図１１を用いて説明する。
図１１において、振動子１２０〜１２３は、１次元配列探触子のうちのｎ番目から（ｎ＋３）番目のものである。音線ベクトル１２４は、取得したいフォーカス位置の軌跡を表している。また、振動子１２０〜１２３の位置は、水平方向の位置Ｘと垂直方向の位置Ｚにより表される。
【０００７】
ここで、振動子１２０（Ｐ（ｎ））の位置座標を（Ｘｎ、Ｚｎ）とし、音線ベクトル１２４のうちの点Ａの座標を（Ｘｖ（ｔ）、Ｚｖ（ｔ））とすると、振動子１２０と点Ａの距離は、数式１で表される。
【数１】
【０００８】
また、図９の遅延加算部１０４は、大規模化および高速化されたディジタル回路であり、専用のＩＣに集積化することが多い。前述の超音波診断装置は、一般に数十から数百の振動子で同時に信号を受信し、遅延加算を行なうが、数ｃｈ程度の規模で集積化を行ない、これを連結させて数十から数百ｃｈに対応させることが一般的である。以下、この集積化された遅延加算のための回路を遅延加算器と称する。
【０００９】
ところで、体内での超音波の伝搬速度は約１５００ｍ／秒と有限であり、このことにより１秒間に表示できる画像枚数は限られ、走査方法によってはリアルタイム性が失われることがある。
【００１０】
この問題を解決する手法として、特公昭５６-２２０１７号公報にあるような受信ビームの並列処理が知られている。図１２に並列受信の概念を示す。
【００１１】
図１２において、振動子１３０は、送受信を行なうものであり、１本の送信ビーム１３１を体内へ送り込み、２本の受信ビーム１３２、１３３を並列受信する。振動子１３０を用いて送信ビーム１３１を体内に送り、近接した方向の受信ビーム１３２と受信ビーム１３３を同時に生成することで、同時に多方向の情報を得ることができ、１秒あたりの画像表示枚数を向上させることができる。送信ビーム１３１と受信ビーム１３２のなす角θＡと、送信ビーム１３１と受信ビーム１３３のなす角θＢとは、ビーム指向性を揃えるために等しくする場合が多い。
【００１２】
ここで、並列受信を行なう遅延加算器の例を図１３に示す。
図１３において、ＦＩＦＯメモリ１４０-１〜１４０-４は、遅延を行なうためのもので１入力２出力である。また、加算器１４１Ａおよび加算器１４１Ｂは、ＦＩＦＯメモリ１４０-１〜１４０-４の出力を加算し、制御データ演算部１４２は、ＦＩＦＯメモリ１４０-１〜１４０-４の遅延量を制御する。
【００１３】
前記遅延加算器による処理方法は、同じ振動子群からの入力をもとに別の遅延加算を行なうことで、複数のビーム情報を同時に取り出すものであり、ディジタル遅延加算では、この例のように、遅延部分に１入力多出力のＦＩＦＯメモリ１４０-１〜１４０-４を用いることで、遅延部を共用することが可能になっている。
【００１４】
最近では、２次元に配列された振動子を用い、ビームを２方向に偏向集束し、３次元情報を取得、表示する３次元超音波診断装置が公知となっている（特開２０００−７０２６５号公報）。しかしながら、ビームを３次元方向に走査させると、１画像あたりのビーム本数が非常に増加し、このため１画像を表示させるための時間が長くなる。３次元走査においても受信ビームの並列処理は有効であるが、一度に受信する走査線の本数が数十本と多いため、物量の増加が著しい。
【００１５】
この問題を解決するための手法として、ビーム形成を２段階あるいはそれ以上に分ける方法が知られている。従来、この種の超音波診断装置（ビーム形成を２段階に分けるもの）は、いくつかのグループに分けられた複数の振動子と、それぞれのグループの振動子からの入力信号を遅延・加算する第１のビームフォーマ群と、この第１のビームフォーマ群の出力を共通の入力とする第２のビームフォーマ群とを備え、前記第１のビームフォーマ群における遅延量がビームの偏向分または／およびビームの集束分であった（特開平９−３２２８９６号公報）。以下、図１４を用いてこの方法について説明する。図１４は、４×４の２次元配列振動子から４本の受信ビームを同時に得るものである。
【００１６】
図１４において、探触子１５０は、４×４の振動子からなる２次元配列振動子で構成され、遅延加算器１５１-１〜１５１-８は、４入力１出力のものである。
【００１７】
次に、図１５を参照しながら、本方式の動作をて説明する。
図１５は、本方式における送信／受信ビームの位置関係を表したもので、２次元配列振動子１６０の送信ビーム１６１を取り囲むように４本の受信ビーム１６２〜１６５が配置される。なお、送信ビーム１６１と各受信ビーム１６２〜１６５のなす角度は等しくなるようにビームを形成させる。なお、図１４においては、遅延加算器１５１-１〜１５１-４はそれぞれ４つずつの振動子の信号を入力し、遅延加算して１つの出力を得る。
【００１８】
ここで、１段目の遅延加算器１５１-１〜１５１-４の集束位置は、図１５の送信ビーム１６１上に設定されるが、開口径が小さいために、送信ビーム１６１だけでなく、４本の受信ビーム１６２〜１６５をも含むような径の太いビーム形状となる。
【００１９】
また、２段目の遅延加算器１５１-５〜１５１-８は、遅延加算器１５１-１〜１５１-４の出力信号をもとにビーム形成を行なう。この２段目の遅延加算では、遅延加算部１５１-５〜１５１-８は、図１５の受信ビーム１６２〜１６５のおのおのに集束をかける。
【００２０】
以上のように、ビーム形成を２段階もしくはそれ以上にすることで、並列受信時における構成を小さくすることができる。この方式は、並列数が多いほど構成を小さくする効果は大きく、また、同一のチャンネル数の探触子で、遅延加算の並列出力数が同じならば１段目の各遅延加算器への入力本数が多いほど、遅延加算部全体の規模を小さくできる。
【００２１】
しかし、このような超音波診断装置では、１次元配列振動子に対応したビームフォーマにおいて、振動子の位置情報を２次元でしか与えることができないために、２次元配列振動子に対応できないものであった。
【００２２】
以上について、図１６をもとに説明する。
図１６において、２次元配列振動子１７０により、この２次元配列振動子１７０を構成する各振動子の中心と各振動子の位置を示す。ビームベクトル１７１は、ビーム集束位置の時間的変化を示す。また、２次元配列振動子１７０における任意の振動子Ｐとビームベクトル１７１上の点Ａとの距離は、数式２で示される。
【数２】
【００２３】
また、以上の構成の場合、多段階ビーム形成において制御部の演算量が多いことがあげられる。
【００２４】
さらに、多段階ビーム形成方式において並列受信を行なう際に、１段目のビーム形成部で集束させる振動子の数を増やすとビームの指向性が強くなり、その結果として並列ビームの受信感度にばらつきが生じてしまうことである。
【００２５】
ここで、図１７は４個、８個、１６個の１次元配列振動子による指向性を表したもので、４ｃｈより８ｃｈ、８ｃｈより１６ｃｈのほうが指向性が鋭いことを表している。指向性が強くなれば、それだけ、送信ビームに近い位置の受信ビームと、遠い位置の受信ビームで感度の差が発生してしまうものである。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
以上をまとめると、従来の超音波診断装置では、１次元配列振動子に対応したビームフォーマにおいて、振動子の位置情報を２次元でしか与えることができないために、２次元配列振動子に対応できず、新たに２次元配列振動子に対応した制御部を持ったビームフォーマを形成する必要であるという問題があった。
【００２７】
また、前記従来の技術で述べた多段階ビーム形成において制御部の演算量が多いことがあげられる。
【００２８】
さらなる問題点としては、多段階ビーム形成方式において並列受信を行なう際に、１段目のビーム形成部で集束させる振動子の数を増やすとビームの指向性が強くなり、その結果として並列ビームの受信感度にばらつきが生じてしまうことである。
【００２９】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、１次元配列振動子のためのビームフォーマで３次元走査を実現可能な超音波診断装置を提供するものである。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
【００３１】
また、本発明の超音波診断装置は、２次元配列振動子からなる探触子と、１次元配列振動子の位置および音線方向の情報より超音波受信ビームを偏向および集束させるための遅延加算回路と、前記２次元配列振動子と超音波受信ビームベクトルの位置関係を２次元平面状に仮想振動子位置として投影し、この仮想振動子位置の情報を前記遅延加算回路に入力する制御手段とを設け、１次元配列振動子用の前記遅延加算回路で前記２次元配列振動子からの信号を遅延加算する構成を有している。この構成により、１次元配列振動子のための遅延加算部において、予め３次元から２次元に変換された仮想振動子位置と音線ベクトルデータを用いて遅延加算するので、２次元配列振動子のための遅延加算を実施できることとなる。
【００３５】
また、本発明の超音波診断装置は、複数の振動子からなる探触子と、同時に多方向からの超音波ビームを受信可能で、前記振動子からの超音波受信ビームを偏向および集束させるための遅延加算回路を多段階に分けてビーム形成する多段階遅延加算部と、この多段階遅延加算部の１段目の遅延加算回路で、前記振動子から多方向の超音波ビームを受信して複数のビームベクトルを出力し、２段目以降の遅延加算回路で、前記複数のビームベクトルのうち、取得したい最終出力ベクトルに近いものを用いて遅延加算を行うように制御する制御手段とを設けた構成を有している。この構成により、ビーム形成部全体の規模を縮小するため、１段目の遅延加算部で集束させる入力振動子数を増加させても、前述のように取得したい最終出力ベクトルに近いビームベクトルを用いて遅延加算するので、ビームの指向性が強まることを抑制でき、並列受信時の受信ビーム間の感度差を低減することとなる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
［第１の実施形態］
図１および図２に示すように、本発明の第１の実施の形態の超音波診断方法は、２次元配列振動子１の位置Ｐの座標（Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ）と、受信ベクトル（ビームベクトル）２上の点Ａの座標（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）を設定する座標設定ステップ（座標設定部）ｓ１０１と、各座標間の距離を計算する距離計算ステップ（距離計算部）ｓ１０２と、計算された各座標間の距離をもとに仮想エレメント位置を計算する仮想エレメント位置計算ステップ（仮想エレメント座標計算部）ｓ１０３（各演算処理ｓ１０３ａ〜ｓ１０３ｅを含む）と、２次元投影された点Ｐ′の座標を取得する仮想エレメント座標取得ステップｓ１０４とを設け、こうして取得した仮想エレメント座標をもとに、１次元配列振動子用の遅延加算部によって２次元配列振動子１における遅延加算を実施する際の遅延量（制御データ）を与えるものである。
【００３７】
また、図４に示すように、本発明の第１の実施の形態の超音波診断装置は、１次元配列振動子用の遅延加算器（図１０に準じる）を備えた超音波診断装置に、図２に示すアルゴリズムで、２次元配列振動子の位置データ（図１のＰの座標に相当）と、音線ベクトルデータ（受信ビームベクトル（図１の２に相当）上の点Ａの座標に相当）とから、仮想振動子位置（図２の仮想エレメント座標Ｐ′に相当）を計算する仮想位置演算部（前記座標設定部、距離計算部、仮想エレメント座標計算部を含む）１１３を設けたものである。
【００３８】
ここで、本実施形態の超音波診断方法について述べる。
図１において、ビームベクトル２は、始点Ｏ（２次元配列振動子１の中心点でもある。）と任意の点Ａで示される。ここで、始点Ｏと、２次元配列振動子１の任意の振動子の中心Ｐと、ビームベクトル２の任意の点Ａとで形成される三角形ＯＡＰの形を崩すことなく、ＯＡを軸として回転させたものを三角形ＯＡＰ′とする。すなわち、三角形ＯＡＰをビームベクトル２の垂線方向に回転・移動した場合の中心がＰ′である。この回転は、ビームベクトル２と２次元配列振動子１の任意の振動子との位置関係を３次元から２次元に投影するものであり、全ての振動子は、同様にビームベクトル２の垂線の面に投影することができる。
【００３９】
図３のように、図２に示すアルゴリズムによる変換結果の例をグラフ（横軸は、原点Ｏからの横方向の距離、縦軸は、深さをそれぞれ表す。）に示すと、このグラフから、全ての振動子とベクトルの距離の関係は２次元平面上に投影することができることがわかる。したがって、２次元配列振動子１の振動子とビームベクトルとの位置関係をそのビームベクトルの垂線の面に投影するような変換を行なってから、前記遅延加算部にデータを送ることにより、１次元配列振動子用の遅延加算部によって２次元配列振動子１における遅延加算を実施できることとなる。
【００４０】
次に、本実施形態の超音波診断装置について述べる。
この超音波診断装置には、２次元配列振動子１からなる探触子（図示せず）と、２次元配列振動子１のための送信パルス信号を生成し、エコー信号を受信・増幅するパルサレシーバ（図示せず）と、このパルサレシーバで増幅したエコー信号をさらに適当な大きさに増幅するゲインコントロールアンプ（図示せず）と、このゲインコントロールアンプの出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（図示せず）と、このＡ／Ｄ変換器の出力を遅延加算する１次元配列振動子用の遅延加算器１８０（図４に示す）を含む遅延加算部と、図２に示すアルゴリズムを実行し、前記仮想エレメント座標を計算する仮想位置演算部１１３（図４に示す）と、前記遅延加算部の出力信号の信号処理を行なう信号処理部（図示せず）と、この信号処理部の出力を表示する表示部（図示せず）とを備える。また、１次元配列振動子用の遅延加算器１８０の構成は図４に示すとおりである。
【００４１】
図４において、仮想位置演算部１１３は、図２に示すアルゴリズムでエレメントの位置を３次元から２次元に投影する演算を行なう。また、ｎ番目の遅延加算器１８０は、前記従来の技術で述べた１次元配列振動子用の遅延加算器であって、ディジタル化されたエコー信号を遅延させるＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４と、ＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４で遅延された信号を加算する加算器１１１と、ＦＩＦＯメモリ１１０-１〜１１０-４の遅延量を計算する制御データ演算部１１２とを備える。そして、前記ｎ番目の遅延加算器１８０では、仮想位置演算部１１３から前記音線ベクトルデータと、仮想位置演算部１１３で計算した仮想振動子位置（２次元配列振動子の各振動子とビームベクトルの距離の関係を２次元平面上に投影したもの）とを入力することにより、１次元配列振動子用の遅延加算器１１１によって２次元配列振動子における遅延加算を行うこととなる。
【００４２】
以上のように、本発明の第１の実施形態の超音波診断方法は、２次元配列振動子１の各振動子の位置Ｐの座標と、受信ビームベクトル２上の点Ａの座標を設定する座標設定ステップｓ１０１と、各座標間の距離を計算する距離計算ステップｓ１０２と、計算された各座標間の距離をもとに仮想エレメント位置を計算する仮想エレメント位置計算ステップｓ１０３と、２次元投影された点Ｐ′の座標を取得する仮想エレメント座標取得ステップｓ１０４とを設けているので、２次元配列振動子１の各振動子とビームベクトル２の距離の関係を２次元平面上に投影することができる。また、このような変換を行なってから、前記遅延加算部にデータを送ることにより、１次元配列振動子用の遅延加算部で２次元配列振動子における遅延加算を行うことが可能となる。
【００４３】
また、本発明の第１の実施の形態の超音波診断装置は、１次元配列振動子用の遅延加算器１１１からなる遅延加算部を備えた超音波診断装置に、第１の実施形態に準じたアルゴリズムで、２次元配列振動子の位置データと、音線ベクトルデータとから、仮想振動子位置を計算する仮想位置演算部１１３を設けたので、従来と同様の１次元配列振動子用の遅延加算器１８０を用い、２次元配列振動子の信号を遅延加算する遅延加算部を実現できる。
【００４４】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態の超音波診断方法の原理を示す。これは、上記第１の実施形態とは、２次元振動子を複数ブロックに分割して遅延加算を行う場合、各ブロックを形成する複数の振動子における遅延加算はビームの偏向のみとし、各ブロックごとの音線ベクトルの偏向データは同一とする点が相違している。この方法により、遅延加算部のデータ量を低減することができる。
【００４５】
また、図６は、本発明の第２の実施の形態の超音波診断における遅延加算部を示す。これは、上記第１の実施形態とは、２次元振動子１５０を複数ブロックに分割し、各ブロックごとの遅延加算部２０-１〜２０-４、２４Ａ〜２４Ｄを２段階に分け、第３の実施形態の超音波診断方法に準じて、第１段の遅延加算部２０-１〜２０-４には偏向データを送出し、第２段の遅延加算部２４Ａ〜２４Ｄには偏向・集束データを送出する制御部１７５を設けた点が相違している。この構成により、遅延加算部２０-１〜２０-４、２４Ａ〜２４Ｄに対する制御データの量を低減することができる。
【００４６】
ここで、本実施形態の超音波診断方法について述べる。
図５において、２次元振動子６は、４×４個の振動子からなる。また、音線ベクトルＶ0は、振動子全体の音線ベクトルであり、音線ベクトルＶ1は、２次元振動子６を形成する「２〜４」および「ａ〜ｃ」の範囲の４つの振動子の音線ベクトルであり、音線ベクトルＶ2は、２次元振動子６を形成する「０〜２」および「ａ〜ｃ」の範囲の４つの振動子の音線ベクトルであり、音線ベクトルＶ3は、２次元振動子６を形成する「０〜２」および「ｃ〜ｅ」の範囲の４つの振動子の音線ベクトルであり、音線ベクトルＶ4は、２次元振動子６を形成する「２〜４」および「ｃ〜ｅ」の範囲の４つの振動子の音線ベクトルである。
【００４７】
ここで、２次元振動子６の大きさが音線の焦点距離に対して小さければ、音線ベクトルＶ1〜Ｖ4のベクトル方向はＶ0と同一とみなしてよく、音線ベクトルＶ1〜Ｖ4に対応する４つの振動子の面積が小さいとすると、４つの振動子でビーム集束を行なっても効果は期待できない。これらのことから、４つの振動子における遅延加算はビームの偏向のみでよく、また、音線ベクトルＶ1〜Ｖ4の偏向データは同一でよいということになる。
【００４８】
よって、本実施形態の超音波診断方法では、２次元配列振動子からなる探触子を用い、超音波受信ビームを２次元方向に偏向および集束させる場合、遅延加算回路２０-１〜２０-４、２４Ａ〜２４Ｄ（図６に示す）を２段階に分け、１段目ではビームの偏向のみを行い、２段目でビームの偏向および集束を行なう。なお、前記従来の技術で述べた方法では、遅延加算処理の制御信号は全ての遅延加算部に対し、偏向と集束の両方から算出されたデータ（偏向・集束データ）を用いていた。
【００４９】
次に、本実施形態の超音波診断装置について述べる。
この超音波診断装置は、図６に示すように、４×４の２次元配列振動子からなる探触子１５０と、２次元配列振動子１のための送信パルス信号を生成し、エコー信号を受信・増幅するパルサレシーバ（図示せず）と、このパルサレシーバで増幅したエコー信号をさらに適当な大きさに増幅するゲインコントロールアンプ（図示せず）と、このゲインコントロールアンプの出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（図示せず）と、このＡ／Ｄ変換器の出力（振動子４ｃｈ分の受信信号）を入力し、遅延加算して出力する１段目の遅延加算器２０-１〜２０-４と、遅延加算器２０-１〜２０-４の出力から遅延加算を行ない、４つの受信ビーム出力を得る２段目の遅延加算器２４Ａ〜２４Ｄと、本実施形態の超音波診断方法に準じ、１段目の遅延加算部の遅延加算器２０-１〜２０-４に対して偏向データのみ（１段目の遅延加算部の遅延量）を入力し、２段目の遅延加算部の遅延加算器２４Ａ〜２４Ｄに対しては、偏向・集束データ（２段目の遅延加算部の遅延量）を入力するように制御する制御部２５とを備える。したがって、１段目の遅延加算部については偏向分のみから算出した制御データを用いるので、従来よりも遅延加算部で用いる制御データ量は減少する。なお、従来は全段の遅延加算部について偏向および集束の両方から算出していた制御データを用いていた。
【００５０】
［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施の形態の超音波診断方法の原理を示す。これは、上記第１の実施形態とは、並列受信機能を備えた遅延加算部を複数段に分け、１段目でのビームベクトルを複数とし、２段目以降では、前記複数のビームベクトルのうち近い方のビームベクトルを用いて遅延加算を行なう点が相違している。この方法により、並列受信時の受信ビーム間の感度差を低減することができる。
【００５１】
また、図８は、本発明の第３の実施の形態の超音波診断装置におけるビームフォーマを示す。これは、上記第１の実施形態とは、並列受信機能を備えた遅延加算器１１-１〜１１-８からなる複数段（２段）のビームフォーマを設け、本実施形態の超音波診断方法を用いて並列受信を行なう点が相違している。この構成により、並列受信時の受信ビーム間の感度差を低減することができる。
【００５２】
ここで、本実施形態の超音波診断方法について述べる。
図７において、探触子７は複数の振動子からなる。また、Ｔは送信ビームベクトルを示し、Ａ、Ｂは受信多段ビームフォーマの１段目におけるビームベクトルを示し、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２はビームフォーマの最終出力ベクトルを示す。
【００５３】
ここで、最終出力ベクトルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２の４つの受信ベクトルを取得したい場合に、受信多段ビームフォーマの１段目での振動子数が多いとアパチャー径が大きくなり、ビームの指向性が強くなり、出力ベクトル間の感度差が大きくなることは、前記従来の技術で述べたとおりである。そこで、本実施形態では、受信多段ビームフォーマの１段目でのベクトルを、遅延加算部の並列受信機能を利用してベクトルＡ、Ｂの二つとする。さらに、２段目以降の遅延加算部では、前記二つのベクトルＡ、Ｂのうち近いベクトルを用いて遅延加算を行なうものとする。図７では、ベクトルＡに近い最終出力ベクトルＡ１、Ａ２は、出力Ａを用いて遅延加算を行ない、ベクトルＢに近い最終出力ベクトルＢ１、Ｂ２は、出力Ｂを用いて遅延加算を行なうことにより取得する。こうして、並列受信機能を備えた遅延加算部を用い、多段ビームフォーマを構成して並列受信を行なうことができる。
【００５４】
次に、本実施形態の超音波診断方法を適用する超音波診断装置について述べる。
この超音波診断装置は、図８に示すように、１次元配列振動子１０-１〜１０-１６からなる探触子と、同時に他方向からの複数ビームを受信する並列受信機能を有する遅延加算器１１-１〜１１-８を含む１段目の遅延加算部と、１段目の遅延加算器１１-１〜１１-４で出力されたデータＡ、Ｂを入力し、ベクトルＡ、Ｂのいずれかに近い最終出力ベクトルＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２のいずれかを出力する遅延加算部１１-５〜１１-８を含む２段目の遅延加算部とを備える。
【００５５】
ここで、１次元配列振動子１０-１〜１０-１６で受信された信号は、１段目の遅延加算部１１-１〜１１-４に入力する。この遅延加算部１１-１〜１１-４は、並列受信処理によってそれぞれ二つのビームデータＡ、Ｂ（図７のベクトルＡに相当）を出力する。このように遅延加算部１１-１〜１１-４で出力されたデータのうち、データＡは遅延加算部１１-５、１１-６に入力され、データＢ（図７のベクトルＢに相当）は遅延加算部１１-７、１１-８に入力される。これらの入力により、遅延加算部１１-５、１１-６からはベクトルＡに近いベクトルＡ１、Ａ２が出力され、遅延加算部１１-７、１１-８からはベクトルＢに近いベクトルＢ１、Ｂ２が出力される。これにより、ビーム間の感度差の問題は低減される。
【００５６】
本実施形態では、ビームフォーマの１段目の出力ビームを２本（Ａ、Ｂ）にしたが、並列受信の本数が多い場合も同様の処理が可能である。また、本実施形態では、説明をわかりやすくするように１次元配列振動子を用いたが、これに限らず、２次元配列振動子への展開も容易に行なうことができる。また、第１あるいは第２の実施形態を第３の実施形態に適用可能なことは言うまでもない。
【００５７】
なお、仮想位置演算部１１３、制御部２５などが前記制御手段を構成し、遅延加算器１１-１〜１１-８、２０〜２３、２４Ａ〜２４Ｄなどが前記多段階遅延加算部を構成する。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、１次元配列振動子のためのビームフォーマで３次元走査を実現し、あるいは制御データ量を抑えながらビーム形成し、あるいは並列受信におけるビーム間の感度ばらつきを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の２次元配列振動子とビームベクトルの位置関係を示す説明図
【図２】本発明の第１の実施の形態の超音波診断方法で３次元位置を２次元に投影するための計算を示すフローチャート
【図３】本発明の第１の実施の形態の超音波診断方法で３次元位置を２次元に投影する座標変換結果を示すグラフ
【図４】本発明の第１の実施の形態の２次元配列振動子を用いた超音波診断装置のビーム形成部のブロック図
【図５】本発明の第２の実施の形態のビーム偏向・集束方法の説明図
【図６】本発明の第２の実施の形態の超音波診断装置のビーム形成部のブロック図
【図７】本発明の第３の実施の形態の並列受信機能を備えた遅延加算部からなる多段ビームフォーマで並列受信を行なう方法の説明図
【図８】本発明の第３の実施の形態の超音波診断装置のビーム形成部のブロック図
【図９】従来のディジタルフロントエンドを用いた超音波診断装置のブロック図
【図１０】従来のディジタルフロントエンドを用いた超音波診断装置の遅延加算部の内部構造の説明図
【図１１】従来の１次元配列振動子を用いたビーム偏向・集束に関する説明図
【図１２】従来の並列受信の説明図
【図１３】従来の並列受信を行なう遅延加算部のブロック図
【図１４】従来の２次元配列振動子を用いた並列受信方式の説明図
【図１５】従来の多段階ビーム形成で送信ビームと受信ビームの位置関係を示す説明図
【図１６】従来のビーム形成で２次元配列振動子を用いて３次元走査を行なう場合の遅延量計算方法の説明図
【図１７】従来の多段階ビーム形成で１段目の加算チャンネル数と１次元配列振動子による指向性を表すグラフ
【符号の説明】
１ ２次元配列振動子
２ 音線ベクトル
６ ２次元配列振動子
７ 配列振動子
１０-１〜１０-１６ 振動子
１１-１〜１１-８ 遅延加算器
２０〜２３ 遅延加算器
２４Ａ〜２４Ｄ 遅延加算器
２５ 制御部
１００ 探触子
Ｔ１-Ｔ８ 振動子
１０１-１〜１０１-８ パルサレシーバ
１０２-１〜１０２-８ ゲインコントロールアンプ
１０３-１〜１０３-８ Ａ／Ｄ変換器
１０４ 遅延加算部
１０５ 制御部
１０６ 信号処理部
１０７ 表示部
１１０-１〜１１０-４ ＦＩＦＯメモリ
１１１ 加算器
１１２ 制御データ演算部
１１３ 仮想位置演算部
１２０〜１２３ 振動子
１２４ 音線ベクトル
１３０ 振動子
１３１ 送信ビーム
１３２、１３３ 受信ビーム
１４０-１〜１４０-４ ＦＩＦＯメモリ
１４１Ａ、１４１Ｂ 加算器
１４２ 制御データ演算部
１５０ ２次元配列振動子
１５１-１〜１５１-８ 遅延加算器
１６０ 振動子（探触子）
１６１ 送信ビーム
１６２〜１６５ 受信ビーム
１７０ ２次元配列振動子
１７１ 音線ベクトル
１８０ 遅延加算器
Claims (2)
- ２次元配列振動子からなる探触子と、１次元配列振動子の位置および音線方向の情報より超音波受信ビームを偏向および集束させるための遅延加算回路と、前記２次元配列振動子と超音波受信ビームベクトルの位置関係を２次元平面上に仮想振動子位置として投影し、この仮想振動子位置の情報を前記遅延加算回路に入力する制御手段とを設け、１次元配列振動子用の前記遅延加算回路で前記２次元配列振動子からの信号を遅延加算することを特徴とする超音波診断装置。
- 複数の振動子からなる探触子と、同時に多方向からの超音波ビームを受信可能で、前記振動子からの超音波受信ビームを偏向および集束させるための遅延加算回路を多段階に分けてビーム形成する多段階遅延加算部と、この多段階遅延加算部の１段目の遅延加算回路で、前記振動子から多方向の超音波ビームを受信して複数のビームベクトルを出力し、２段目以降の遅延加算回路で、前記複数のビームベクトルのうち、取得したい最終出力ベクトルに近いものを用いて遅延加算を行うように制御する制御手段とを設けたことを特徴とする超音波診断装置。
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