JP3977826B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、医療の分野で用いられる超音波診断装置に関し、特に、アレイ振動子上における複数のサブアレイの設定に関する。

超音波診断装置は、医療の分野において、生体（患者）の疾病を診断するために用いられる。詳しくは、超音波診断装置は、生体に対して超音波パルスを送波し、生体からの反射波を受波し、その受波によって得られた受信信号に基づいて超音波画像を形成する。

超音波ビームを二次元走査し、これによって生体内に三次元エコーデータ取込空間を形成するために、二次元（２Ｄ）アレイ振動子が用いられる。２Ｄアレイ振動子は、一般に、複数の振動素子をＸ方向及びＹ方向に整列させてなるものである。

送受信部のチャンネルリダクション、複数の受信ビームの同時形成、あるいは、それ以外の目的から、２Ｄアレイ振動子上に複数のサブアレイを設定する場合がある。従来においては、２Ｄアレイ振動子上に複数のサブアレイが固定的に設定される。例えば、２Ｄアレイ振動子に対して矩形形状をもった複数のサブアレイが設定される。この場合において、各サブアレイの形状を変更することはできない。特開２００１−２７６０６４号公報には、複数の振動素子のグルーピングが示されているが、各グループの構成は固定的である。特開２００１−１０４３０３号公報には、整相加算を二段階で行う構成が開示されている。特開平９−３２２８９６号公報の図６には、２Ｄアレイ振動子に複数のグループを固定的に設定すること、複数のグループに対して複数の第１ビームフォーマーを接続すること、及び、複数の第１ビームフォーマーの後段に複数の第２ビームフォーマーを設けること、が示されている。米国特許第５８３２９２３号には、２Ｄアレイ振動子上に複数の２Ｄサブアレイを設定すること、及び、各サブアレイ上に複数のグループを設定すること、が開示されている。しかしながら、いずれの文献にも、サブアレイの形状を動的に変更することについては記載されていない。

サブアレイの構成あるいは形態を固定的に設定すると、送受波条件如何によっては、良好なビームプロファイルを得られないという問題がある。例えば、特定のビーム走査方向において、サイドローブが出やすくなる。

特開２００１−２７６０６４号公報 特開２００１−１０４３０３号公報 特開平９−３２２８９６号公報 米国特許第５８３２９２３号明細書

本発明の目的は、良好なビームプロファイルを得られる超音波診断装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、送受信部のチャンネルリダクションを行う場合において、超音波画像の画質を維持又は向上できるようにすることにある。

（１）本発明は、２次元的に配列された複数の振動素子を有するアレイ振動子と、前記複数の振動素子に対して複数のサブアレイを設定するスイッチング部と、前記アレイ振動子から出力された複数の受信信号を処理する受信処理部と、を含み、前記スイッチング部は、前記アレイ振動子における少なくとも１つのサブアレイのサブアレイ形状パターンを変更する超音波診断装置に関する。

上記構成によれば、スイッチング部がアレイ振動子上に複数のサブアレイを設定する。スイッチング部は、サブアレイのサブアレイ形状パターンを変更する機能を有するので、従来のように、サブアレイのサブアレイ形状パターンを固定的に設定することに起因する問題を解消あるいは改善できる。例えば、サブアレイ形状パターンの変更により、ビームプロファイルを良好なものに変更することによって、サイドローブを低減することができる。

望ましくは、前記スイッチング部は、前記複数のサブアレイについて、それぞれのサブアレイ形状パターンを変更する。複数のサブアレイは、音響パワーあるいは感度の観点から、アレイ振動子上において互いに密に連結されるのが望ましい。つまり、アレイ振動子を構成する全振動素子がいずれかのサブアレイに属するのが望ましい。但し、サブアレイ間に隙間が存在していてもよい。つまり、いずれのサブアレイにも属さずに送受信に機能しない振動素子が存在してもよい。また、あるサブアレイ形状パターンを選択した場合に、アレイ振動子の周囲に送受信で機能しない複数の振動素子が存在していてもよい。

望ましくは、前記複数のサブアレイに対して同一のサブアレイ形状パターンが設定される。この構成によれば、複数のサブアレイを密に連結することが容易となる。もちろん、各サブアレイごとにサブアレイ形状パターンを個別的に設定するようにしてもよい。

望ましくは、更に、ビーム形成条件に応じて、前記サブアレイ形状パターンを切り換える制御部を含む。望ましくは、前記アレイ振動子は、Ｘ方向及びＹ方向に複数の振動素子が整列した２Ｄアレイ振動子であり、前記ビーム形成条件には、ＸＹ面上におけるビーム走査方向が含まれる。ビーム形成条件としては、更に、ビーム偏向角度、ビーム幅、ビーム形状などをあげることができる。

望ましくは、前記スイッチング部は、更に、前記各サブアレイごとに複数のグループを設定し、ここにおいて、各グループは複数の振動素子によって構成される。前記受信処理部は、前記各サブアレイにおける各グループごとに出力されたグループ受信信号を処理し、前記スイッチング部は、更に、前記サブアレイ形状パターンの変更に伴って、前記各グループのグループ形状パターンを変更する。

この構成によれば、スイッチング部が、サブアレイの設定及びグループの設定を行う。その場合において、所望のサブアレイ形状パターン及び所望のグループ形状パターンを設定することが可能である。

例えば、あるサブアレイを構成するｍ個の振動素子に対してｎ（但し１＜ｎ＜ｍ）個のグループを設定すれば、チャンネルリダクション率がｎ／ｍとなる。そのようなチャンネルリダクション処理をプローブヘッド内で行えばプローブケーブルを挿通する信号線の本数を削減できるという利点がある。すなわち、グルーピングによって、複数の受信信号を加算して１つの受信信号（グループ受信信号）に集約できる。また、１つの送信信号を１つのグループを構成する複数の振動素子へ並列的に供給できる。

望ましくは、ビーム形成条件に応じて、前記各グループを構成する振動素子の個数が可変される。望ましくは、前記ビーム形成条件はビーム走査方向を含む。望ましくは、ビーム形成条件に応じて、前記各サブアレイに１又は複数の無効振動素子が含まれる。ここで、無効振動素子は、超音波の送波及び受波で使用されない振動素子である。サブアレイ内において、１又は複数の無効振動素子以外の複数の振動素子が有効振動素子とされ、それらの複数の有効振動素子が複数のグループに区分される。

なお、前記各サブアレイに対して設定される複数のグループは同じ個数の振動素子によって構成されてもよい。この構成によれば、各グループ間で、受信信号の加算数を同じにでき、また、各グループ間で送信信号の分岐数（出力先の個数）を同じにできる。

また、前記複数のグループに対して同じグループ形状パターンが設定されてもよい。その場合、前記各グループに対して実質的に直線をなすグループ形状パターンが設定されてもよい。各グループは、ビーム走査方向に対して交差（望ましくは直交する）するように直線的な形態をもって、あるいは、その方向に薄い幅をもった紐のように、設定されるのが望ましい。

望ましくは、ビーム形成条件に応じて、前記サブアレイ形状パターンと共に、前記グループ形状パターンを切り換える制御部を含む。望ましくは、前記アレイ形状パターンを変更した場合でも、前記複数のサブアレイが互いに密に連結する。複数のサブアレイが密に連結すれば、使用可能な多くの振動素子を動作させて、音響パワーを増大できる。

望ましくは、前記各サブアレイごとにパターン変動領域が定められ、これにより、前記アレイ振動子上には複数のパターン変動領域が定められ、前記各サブアレイごとのパターン変動領域は複数のサブアレイ形状パターンを合成した領域に相当し、前記複数のパターン変動領域は、互いに部分的にオーバーラップする部分を有する。望ましくは、前記各パターン変動領域は、各サブアレイ固有の複数の振動素子と、前記オーバーラップする部分に存在する複数の振動素子と、をカバーする。

（２）本発明は、複数の振動素子を有するアレイ振動子と、前記複数の振動素子に対して複数のサブアレイを設定し、且つ、各サブアレイごとに複数のグループを設定し、各グループごとにグループ受信信号を出力するスイッチング部と、前記スイッチング部から出力される複数のグループ受信信号を処理する受信処理部と、ビーム走査条件に応じて、前記スイッチング部を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御して、前記各サブアレイのサブアレイ形状パターンを変更し、且つ、前記各グループのグループ形状パターンを変更する超音波診断装置に関する。

望ましくは、前記受信処理部は、前記各サブアレイから出力される複数のグループ受信信号に対してサブ整相加算処理を実行してサブ整相加算信号を出力する複数のサブ整相加算回路と、前記複数のサブ整相加算部から出力される複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を実行するメイン整相加算回路と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、各グループごとにサブ整相加算処理が行われた後に、複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理が適用される。複数のメイン整相加算回路を並列配置して１回の受信で複数の受信ビームを同時形成してもよい。また、プローブケーブルにおいて、送信信号を電圧信号として伝送し、受信信号を電流信号として伝送するようにしてもよい。送信信号は１００Ｖ程度の電圧信号であってもよいし、数Ｖ〜十数Ｖ程度の低電圧信号であってもよい。後者の場合には、例えば、各振動素子を積層化し、これにより、各振動素子の電気的なインピーダンスを低減するようにするのが望ましい。

望ましくは、少なくとも前記アレイ振動子及び前記スイッチング部が、プローブヘッド内に設けられる。更に、複数のサブ整相加算回路をプローブヘッド内に設けてもよいし（その場合には信号線の本数をより削減できる）、あるいは、複数のサブ整相加算回路をプローブコネクタ内あるいは装置本体内に設けるようにしてもよい。送信部は、プローブヘッド、ケーブルコネクタあるいは装置本体に設けることができる。

（３）また本発明は、複数の振動素子を有するアレイ振動子と、前記複数の振動素子に対して複数のサブアレイを設定するスイッチング部と、前記スイッチング部を制御して、ビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイのサブアレイ形状パターンを適応的に変更する制御部と、を含む超音波診断装置に関する。

望ましくは、前記各サブアレイ形状パターンは、複数のパターン要素によって構成され、前記各パターン要素は、振動素子列によって構成される。望ましくは、前記各振動素子列は、実質的に、ビーム走査方向に直交する。望ましくは、前記ビーム走査方向が０度、９０度、１８０度、及び、２７０度の場合には、前記各サブアレイの形状が四角形となり、前記ビーム走査方向が前記の角度以外の場合には、前記各サブアレイの形状が前記四角形から変形して平行四辺形又はそれに近い形状となる。各サブアレイの形状が平行四辺形又はそれに近い形状になった場合であっても、複数のサブアレイを互いに密に連結させるのが望ましい。

望ましくは、前記制御部は、前記ビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイ内に１又は複数の無効振動素子を設定し、且つ、前記各サブアレイ内における１又は複数の無効振動素子以外の複数の有効振動素子を用いて複数のグループを設定する。望ましくは、前記制御部は、前記ビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイ内に複数のグループを設定し、前記制御部は、前記ビーム走査方向に応じて前記各グループのグループ形状パターンを変更し、且つ、前記ビーム走査方向に応じて前記各グループを構成する振動素子の個数を変更する。

以上説明したように、本発明によれば、良好なビームプロファイルを得られる超音波診断装置を提供できる。あるいは、本発明によれば、送受信部のチャンネルリダクションを行う場合において、超音波画像の画質を維持又は向上できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

まず図１０を用いて、本実施形態に係る超音波診断装置の基本構成を説明する。超音波診断装置は、プローブ（プローブユニット）２４０と、装置本体２４２と、で構成される。プローブ２４０は、プローブヘッド２４４、プローブケーブル２４６、及び、ケーブルコネクタ２４７、を有する。装置本体２４２は、送受信制御部２４８、受信部２５０、信号処理モジュール２５２、画像形成部２５４、及び、表示器２５６を有する。ケーブルコネクタ２４７は、装置本体２４２のコネクタ（図示せず）に対して着脱自在に接続される。ケーブルコネクタ２４７内には、本実施形態において、電子回路２４９が内蔵されている。電子回路２４９は、後に図１及び図２を用いて詳述するように、サブ整相加算処理及び送信信号生成処理を実行する。受信部２５０は、メイン整相加算処理を実行する。プローブヘッド２４４により、超音波の送波及び受波がなされる。それにより得られた受信信号は、電子回路２４９、受信部２５０及び信号処理モジュール２５２を経由して、画像形成部２５４に入力される。この画像形成部２５４において、受信信号に基づいて超音波画像が形成される。その超音波画像は表示器２５６の画面上に表示される。超音波画像としては、二次元断層画像、二次元血流画像、三次元画像などが知られている。本実施形態では、生体内の三次元空間から取得されたボリュームデータをボリュームレンダリング処理することによって、三次元画像が形成される。三次元画像の形成方法としては、それ以外にも各種の方法が知られている。

図１には、実施形態に係る超音波診断装置における送受信部の構成がブロック図として示されている。図示された超音波診断装置は、プローブユニット及び装置本体１２によって構成され、プローブユニットは、プローブヘッド１０、プローブケーブル１４Ａ及びケーブルコネクタ１４Ｂによって構成される。

本実施形態においては、後述する複数の送受信モジュール２４（つまり、上記の電子回路２４９に相当）がケーブルコネクタ１４Ｂ内に収容されている。但し、複数の送受信モジュール２４をプローブヘッド１０内に設けることも可能であり、あるいは、装置本体１２内に設けることも可能である。

プローブヘッド１０は、例えば、体表面上に当接して用いられ、超音波を送受波する送受波器である。プローブヘッド１０は、２Ｄアレイ振動子１６を有している。この２Ｄアレイ振動子１６によって超音波ビームが形成される。その超音波ビームは、二次元的に電子走査される。これによって三次元エコーデータ取込空間（三次元空間）が形成される。超音波ビームの電子走査方式としては、例えば、電子セクタ走査方式などをあげることができる。

本実施形態において、アレイ振動子１６は、多数（例えば、３０００個あるいは４０００個）の振動素子１６ａによって構成される。それらの振動素子１６ａは二次元配列されている（後に説明する図３参照）。スイッチング回路２０は、マルチプレクサあるいはスイッチングマトリクスとして構成される。本実施形態において、スイッチング回路２０は、２Ｄアレイ振動子１６上に複数のサブアレイを設定する機能と、各サブアレイごとに複数のグループを設定する機能と、を有している。また、スイッチング回路２０は、各サブアレイの形状（サブアレイ形状パターン）を変更する機能、及び、各グループの形状（グループ形状パターン）を変更する機能を有している。スイッチング回路２０は、図１に示すように単一の回路によって構成されてもよいし、複数の回路によって構成されてもよい。

図１においては、スイッチング回路２０によって設定される複数のサブアレイＳが概念的に示されている。２Ｄアレイ振動子１６上において、複数のサブアレイＳは、互いに密に連結されており、基本的に全ての振動素子１６ａを用いて複数のサブアレイＳが構成される。上述したように、本実施形態においては、各サブアレイごとにサブアレイ形状パターンを変更することが可能であり、各サブアレイごとのパターン変動領域が図１において符号Ｒで概念的に示されている。サブアレイ形状パターン及びその変更方法に関しては後に詳述する。各サブアレイごとに複数のグループが設定される。サブアレイ形状パターンの変更に伴って、各グループ形状パターンも変更される。ただし、本実施形態においては各グループを構成する振動素子数は不変であって、一定数とされている。もちろん、各グループを構成する振動素子数を個別的に可変設定できるようにしてもよい。なお、各サブアレイごとに個別的にサブアレイ形状パターンを設定するようにしてもよい。

本実施形態においては、各サブアレイが５×５＝２５個の振動素子によって構成されている。その２５個の振動素子が５個のグループにグルーピングされている。各グループは５個の振動素子で構成されている。すなわち、プローブヘッド１０内で、１／５のチャンネルリダクション率が実現されている。

スイッチング回路２０は、２Ｄアレイ振動子１６側に２Ｄアレイ振動子１６を構成する振動素子数と同数の端子を有しており、且つ、装置本体１２側にサブアレイ数と同数の端子列を有している。装置本体１２側の各端子列は、図１に示す例において、５つの端子（１つのサブアレイ上に設定されるグループの個数と同じ個数の端子）からなるものである。詳しくは、スイッチング回路２０は、素子信号線アレイとグループ信号線アレイとを選択的に接続する。ここで、グループ信号線アレイは、複数のグループ信号線セット２２によって構成され、各グループ信号線セット２２は、図１に示す例において、５つのグループ信号線で構成される。スイッチング回路２０は、素子信号線アレイとグループ信号線アレイとの交点に設けられた複数のスイッチ（図示せず）を有する。各スイッチのオンオフ動作によって、各グループ信号線に対して接続される１又は複数の振動素子が選択される。スイッチング回路２０は、ビーム走査方向（つまりビーム偏向方向）に応じて、各グループを構成する振動素子の個数を可変することが可能であり、また、ビーム走査方向に応じて、サブアレイ内に１又は複数の無効振動素子（いずれのグループ信号線に対しても接続されずに超音波の送波及び受波を行わない振動素子）を設定することも可能である。ちなみに、各サブアレイを例えば４×４＝１６個の振動素子によって構成し、その１６個の振動素子を例えば４つのグループにグルーピングすることも可能であり、また他の条件でサブアレイ及びグループを構成するようにしてもよい。

以上の説明から理解されるように、スイッチング回路２０は、各サブアレイごとに５つのグループ受信信号を出力する。各グループ受信信号は、１つのグループを構成する５つの振動素子から出力された５つの受信信号を加算した信号である。その加算は、本実施形態において、結線による単純加算方式によって実現されている。すなわち、５つの信号線の相互接続によって５つの受信信号が加算されている。但し、重み付け加算方式などを採用するようにしてもよい。その一方において、後に説明するように、ケーブルコネクタ１４Ｂ内において、各サブアレイごとに５つの送信信号が生成されており、それらの５つの送信信号は、それらに対応するサブアレイを構成する５つのグループに対して供給される。すなわち、１つの送信信号が１つのグループを構成する５つの振動素子に対して並列的に供給される。つまり、スイッチング回路２０内で、１つの送信信号が５つに分岐される。

上述したように、符号２２は、各サブアレイごとに設けられた信号線セットを示している。各信号線セット２２は、５本の信号線（５本のグループ信号線）によって構成される。各信号線には上記の送信信号及び受信信号が伝送される。ちなみに、受信信号を電流信号として伝送し、送信信号を電圧信号として伝送するようにしてもよい。その場合に、送信信号は例えば１００Ｖ程度の電圧信号としてもよいし、数Ｖ程度の低電圧信号としてもよい。なお、プローブケーブル１４Ａは、複数の信号線セット２２を有する他に、コントロール信号などを伝送する１又は複数の制御線も有している。図１においては、プローブケーブル１４Ａ内に挿通される電力ラインなどについては図示省略されている。

ケーブルコネクタ１４Ｂは、例えば、箱状の形態を有し、その中には上述したように複数の送受信モジュール２４が収容されている。各送受信モジュール２４は、後に説明するように、送信部、及び、サブ整相加算回路２６を有している。送信部は、５つの送信器を有し、それらによって各サブアレイごとに５つの送信信号が生成される。またサブ整相加算回路２６は、入力される５つのグループ受信信号に対してサブ整相加算処理を実行する回路である。これによって、各サブアレイごとに、サブ整相加算信号２７が生成される。

装置本体１２内には、本実施形態において、メイン整相加算回路３０、及び、送受信制御部３２が設けられている。メイン整相加算回路３０は、複数のサブ整相加算信号２７を入力してメイン整相加算処理を実行し、これによってメイン整相加算信号（受信ビーム信号）３１を生成する。整相加算処理にあたっては、公知の受信ダイナミックフォーカス技術を適用することができる。各サブ整相加算回路２６、及び、メイン整相加算回路３０は、アナログ整相加算回路として構成され、あるいは、デジタル整相加算回路として構成される。

送受信制御部３２は、図１に示される各構成の動作制御を行っており、特に、複数のサブ整相加算回路２６における整相加算条件の設定、及び、メイン整相加算回路３０における整相加算条件の設定などを行っている。また、送受信制御部３２は、プローブヘッド１０内に設けられたスイッチング回路２０に対してコントロール信号を出力しており、このコントロール信号によって、複数のサブアレイの設定、及び、複数のグループの設定が行われる。

図２には、図１に示した送受信モジュール２４の具体的な構成例が示されている。送受信モジュール２４は、上述したように送信部３６、サブ整相加算回路２６、及び、複数の伝送回路３４を有している。ここで、各伝送回路３４は送信用パルサー及び受信用ヘッドアンプ回路として機能する。各伝送回路３４は、送信時においては、送信信号を信号線に対して出力し、受信時においては、信号線から入力される受信信号をサブ整相加算回路２６に伝送する。送信部３６は、５つの送信器３８によって構成される。各送信器３８は、ある定められた遅延時間が付与された送信信号を出力する。

上記のサブ整相加算回路２６は、例えば遅延線（ディレーライン）を有するアナログ整相加算回路として構成することができ、また、デジタルビームフォーマーとしてのデジタル整相加算回路として構成することもできる。更に、ＣＣＤデバイスを利用した整相加算回路として構成することもできる。

ちなみに、スイッチング回路２０よりも装置本体側に存在する構成に関しては、多様な実施形態を採用することが可能である。図１に示す構成は一例である。

次に、図３〜図９を用いてスイッチング回路２０の作用について説明する。

図３には、２Ｄアレイ振動子１６の一部分が概念的に示されている。各セルは１つの振動素子に相当する。２Ｄアレイ振動子１６上には、四角形のサブアレイ形状パターンをもって複数のサブアレイが設定されている。図３においては、特に、サブアレイＳ１〜Ｓ９が示されている。それらのサブアレイＳ１〜Ｓ９は、互いに隙間なく密に連結されている。図３において、サブアレイＳ５に関して、参考として、グループの設定方法の一例が示されている。図３に示す例では、Ｘ方向に５つのグループが設定されている。各グループは、Ｙ方向に並んだ５つの振動素子によって構成されている。ここでＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは各振動素子が所属するグループの識別子を示している。このことは、以下に説明する各図においても同様である。

図３に示すサブアレイ形状パターンは、最も一般的なものであり、すなわち正方形のサブアレイ形状パターンである。また、図３に示される各グループのグループ形状パターンも一般的なものであり、Ｙ方向に伸張した直線的な形状が採用されている。このようなグルーピングパターン（サブアレイ内における複数のグループの配列）は、例えば、図３に示されるように、Ｘ方向に超音波ビームを走査する場合において採用される。

図４には、サブアレイ形状パターンの他の例が示されている。各サブアレイＳ１〜Ｓ９は、斜め方向に段階的に傾いた、全体として平行四辺形の形態を有している。例えば、サブアレイＳ５に着目すると、図示のとおりのグルーピングがなされており、グループＡは斜め方向に直線的に整列した５つの振動素子によって構成され、これは他のグループについても同様である。但し、Ｙ方向の各ステージにおいて、段階的に、各グループのＸ方向位置が１ステップずつ平行にシフトしている。ちなみに、他のサブアレイについても、サブアレイＳ５と全く同一のグルーピングパターンが採用される。

図４に示すようなサブアレイ形状パターン及びグループ形状パターンを採用することにより、例えば、Ｘ方向及びＹ方向の両者に対して４５度傾いた方向に超音波ビームを走査する場合において、当該方向における各グループの厚みを振動素子１個分だけにすることができる。つまり、ビーム走査方向において、見かけ上、振動部分の幅が大きくなってしまうという問題を防止できる。これについて詳しく説明する。本実施形態では、各グループ単位で同じ遅延時間が付与されている。つまり、各グループを構成する複数の振動素子は送信時及び受信時において並列接続された関係にあり、それら全体で１つの振動部分を構成する。そのような振動部分の幅がビーム走査方向に広がると、結果として、サイドローブが発生しやすくなる。一方、図４に示したように、サブアレイ形状パターン及びグループ形状パターンを適切に設定することにより、見掛け上、振動部分の幅が大きくなってしまうことを防止できる。つまり、上記の問題を解消あるいは軽減することが可能となる。

図５には、各種のサブアレイ形状パターンが示されている。同時にグルーピングパターンも示されている。（ａ）に示すサブアレイ形状パターンは、図３に示したものと同一であり、超音波ビームをＸ方向に走査する場合に採用される。（ｂ）に示すサブアレイ形状パターンは（ａ）に示したサブアレイ形状パターンとその外形において同一であるが、その内部におけるグルーピングパターンが異なっている。すなわち、Ｙ方向に５つのグループが並んでおり、各グループはＸ方向に並んだ５つの振動素子によって構成されている。これは、超音波ビームをＹ方向に走査する場合に採用される。

（ｃ）に示すサブアレイ形状パターンは図４に示したものと同一である。（ｄ）に示すサブアレイ形状パターンは、上記の（ｂ）に示したサブアレイ形状パターンをＹ方向の各ステージごとにＸ方向に階段状に１ステップずつシフトさせたものである。このような（ｄ）に示すサブアレイ形状パターンは、（ｃ）に示したサブアレイ形状パターンと同様に、紙面に向かって右上がり（左下がり）方向に超音波ビームを走査する場合に好適なものである。

（ｅ）に示すサブアレイ形状パターンは、（ｃ）に示したサブアレイ形状パターンとは逆の斜め方向に変形した形態を有する。このようなサブアレイ形状パターンは、紙面に向かって左上がり（右下がり）方向に超音波ビームを走査する場合に好適である。

（ｆ）に示すサブアレイ形状パターンは、（ｄ）に示したサブアレイ形状パターンとは逆の斜め方向に変形した形態を有する。このようなサブアレイ形状パターンは、（ｅ）に示したサブアレイ形状パターンと同様に、紙面に向かって左上がり（右下がり）方向に超音波ビームを走査する場合に好適である。

もちろん、図５に示した幾つかのサブアレイ形状パターン等は例示であり、これ以外にも各種のサブアレイ形状パターンを採用することができる。すなわち、送受信条件、特にビーム走査方向に応じて、できる限りサイドローブが生じないように、つまりビームプロファイルがより良好になるように、サブアレイ形状パターン及びグルーピングパターンを設定するのが望ましい。なお、スイッチング回路２０の構成を簡略化すると共に、その制御を簡易にするために、サブアレイ形状パターンの個数を例えば４つ程度に制限するようにしてもよい。その場合においては、図５に示した（ａ）、（ｂ）、（ｃ）（又は（ｄ））、及び、（ｅ）（又は（ｆ））といったサブアレイ形状パターンを採用することができる。

図６には、あるサブアレイについての変動領域Ｒが太い線で示されている。この変動領域は、サブアレイの形状が変動した場合に当該サブアレイが取り得る領域の最大の外縁によって定義される。つまり、変動領域Ｒは、図５に示した（ａ）〜（ｆ）の各形状を重ねたものに相当する。ここにおいて、符号１００は最も基本的な正方形のサブアレイ形状を示している。また、参考までに、図５の（ｃ）に示したグルーピングパターンが示されている。

図６に示す変動領域Ｒの形態から理解されるように、隣接する複数の変動領域Ｒは互いに部分的にオーバーラップしている。但し、各送受信時において、隣接するサブアレイは互いに密に連結し、それらの相互間においてオーバーラップは生じない。オーバーラップについて図７を用いて説明する。

図７において、Ｒ１〜Ｒ４は、上下左右に並ぶ４つのサブアレイについての４つの変動領域を表している。ちなみに、変動領域Ｒ１は実線によって表されており、変動領域Ｒ２は一点鎖線によって表されており、変動領域Ｒ３は二点鎖線によって表されており、変動領域Ｒ４は破線によって表されている。

それぞれの変動領域が部分的にオーバーラップする振動素子ａ〜ｌについて検討する。振動素子ａ，ｂ，ｃは変動領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に属し、振動素子ｄ，ｅ，ｆは変動領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４に属し、振動素子ｇ，ｈ，ｉは変動領域Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に属し、振動素子ｊ，ｋ，ｌは変動領域Ｒ１，Ｒ３，Ｒ４に属する。

変動領域Ｒ１に着目した場合、その変動領域Ｒ１内には振動素子ａ〜ｆ，ｊ〜ｌが属しており（振動素子ｇ〜ｉは属しない）、また、変動領域Ｒ１には更にそれ固有の複数の振動素子が属している。そのような固有の振動素子は１３個の振動素子からなるものであり、それらは、変動領域Ｒ１の中央部を中心としてひし形に密集する。

図８には比較例が示されている。ここでは、サブアレイの形状が正方形であり、その形状が不変である。斜め方向に超音波ビームを走査する場合に、例えば図８に示すようなグルーピングパターンが設定される。この場合において、グループＣに属する複数の振動素子はビーム走査方向に多重的に存在しており（つまり、当該方向において振動部分Ｃの厚みが増大している）、その結果、超音波ビームのプロファイルが崩れ、サイドローブが出やすくなる。その一方において、本実施形態によれば、図４に示したようなサブアレイ形状及びグルーピングパターンを設定することが可能であるために、図８に示したような場合に生ずる問題を解消あるいは軽減することが可能となる。

図９には、サブアレイ形状についての他の実施形態が示されており、ここにおいては４×４＝１６個の振動素子によって、１つのサブアレイが構成されている。図示されるように、各サブアレイを構成する１６個の振動素子が４つのグループでグルーピングされている。なお、図９において、各グループを識別するために、各グループにはそれぞれ異なるハッチングが付されている。図９に示される数値は、超音波ビームの走査方向を示す角度（走査方位）を示している。

図９に示されるように、超音波ビームの走査方向に応じて、各サブアレイ（同時にグルーピングパターン）を適応的に変化させることにより、いずれのビーム走査方向においてもビームプロファイルを良好にできる。図９に示す、いずれのサブアレイ形状パターンを採用する場合でも、複数のサブアレイは互いに密に連結することが可能である。例えば、走査方向が４５度の場合には、図４に示したように、複数のサブアレイが隙間なく相互に密に連結する。このことは、他の走査角度においても同様である。

ただし、２Ｄアレイ振動子の端部においては、実質的に機能しない１又は複数の振動素子が存在していてもよい。また、上記の実施形態においては複数のサブアレイ間において隙間が生じていないが、サブアレイ間に１又は複数の実質的に機能しない振動素子が存在していてもよい。

上述したサブアレイ形状パターンの可変設定方法は、２Ｄアレイ振動子の他に、複数の振動素子が二次元的に配列される例えば１．５Ｄアレイ振動子などにも適用することも可能である。

図１１及び図１２を用いて、サブアレイ形状パターン及びグルーピングパターンの変化について、他の幾つかのバリエーションについて説明する。図１１においては、サブアレイは４×４個の振動素子によって構成されている。

（Ａ）には、ビーム走査方向が４５度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている。各グループは、ビーム走査方向（太い矢印）に対して直交した４つの振動素子で構成されている。各グループは同一の形状を有する。（Ｂ）には、ビーム走査方向が４５度よりも小さい角度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている。（Ｂ）に示すサブアレイは、（Ａ）に示したサブアレイと同じサブアレイ形状（外形）を有するが、複数のグループ間において、グループを構成する振動素子の個数は同一ではなく、また、非直線的なグループＡ，Ｂ，Ｃが含まれている。（Ｃ）には、ビーム走査方向が４５度よりも大きい角度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている。（Ｃ）に示すサブアレイは、（Ａ）に示したサブアレイと同じサブアレイ形状を有するが、複数のグループ間において、グループを構成する振動素子の個数は同一ではなく、また、非直線的なグループＢ，Ｃ，Ｄが含まれている。（Ｄ）には、ビーム走査方向が４５度よりも小さい角度の場合における他のサブアレイ形状パターンが示されている。（Ｄ）に示すサブアレイは、（Ａ）に示したサブアレイと異なる形状を有している。この（Ｄ）においては、複数のグループ間で、グループ形状は同一である。（Ｅ）には、ビーム走査方向がかなり小さい角度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている。（Ｅ）に示すサブアレイは、（Ｄ）に示したサブアレイと同じ形状を有するが、複数のグループ間において、グループを構成する振動素子の個数は非同一である。いずれのサブアレイ形状パターンが採用されても、複数のサブアレイを互いに密に連結することができる。

以上のように、ビーム走査方向に応じて、サブアレイ形状パターン及びグループ形状パターンの両者を変化させることにより、良好な超音波ビームを形成できる。特に、各グループを構成する振動素子の個数をビーム走査方向に応じて可変すれば、サイドローブをより効果的に低減できる。

上記の実施形態においては、各サブアレイを構成する複数の振動素子の全部が有効振動素子（超音波の送波及び受波を行う振動素子）として機能していたが、ビーム走査方向が所定の角度となる場合に、各サブアレイ内に１又は複数の無効振動素子（超音波の送波及び受波を行わない振動素子）を設定するようにしてもよい。これに関して図１２を用いて説明する。

図１２においては、サブアレイが５×５個の振動素子によって構成されいる。（Ａ）には、ビーム走査方向が４５度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている（図４、図５（ｂ）及び図６に示したパターンと同一である）。各グループは、ビーム走査方向に直交する振動素子列によって構成され、各振動素子列は５つの振動素子によって構成される。（Ｂ）には、ビーム走査方向が３０度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている。（Ｃ）には、ビーム走査方向が６０度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている。（Ｂ）及び（Ｃ）に示したサブアレイは、（Ａ）に示したサブアレイと同じ形状を有しているが、（Ｂ）及び（Ｃ）に示したサブアレイは複数の非直線的なグループを有している。（Ｄ）には、ビーム走査方向が２５度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている。ここでは、複数のグループ間で、グループを構成する振動素子の個数は同一であり、また、形状も同一である。一方、（Ｅ）には、ビーム走査方向が１５度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている。（Ｅ）に示したサブアレイは、（Ｄ）に示したサブアレイと同じ形状を有しているが、両者間でグルーピングパターンは異なっている。（Ｆ）には、ビーム走査方向が２０度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている。（Ｆ）に示したサブアレイは、（Ｄ）に示したサブアレイと同じ形状を有しているが、サブアレイ内に１つの無効振動素子１０２が含まれている。（Ｇ）には、ビーム走査方向が１０度の場合におけるサブアレイ形状パターンが示されている。（Ｇ）に示したサブアレイは、（Ｅ）に示したサブアレイと同じ形状を有しているが、サブアレイ内に４つの無効振動素子１０２が含まれている。このように、無効振動素子の位置及び個数がビーム走査方向に応じて可変設定される。

図１１及び図１２に示したいずれのサブアレイ形状パターンを採用する場合でも、複数のサブアレイを互いに密に連結させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、超音波ビームプロファイルを良好にすることができる。よって、形成される超音波画像の画質を向上できるという利点がある。

本発明に係る超音波診断装置における送受信部の構成を示すブロック図である。 図１に示す送受信モジュールの具体的な構成例を示すブロック図である。 サブアレイ形状パターンの一例を示す図である。 サブアレイ形状パターンの他の例を示す図である。 複数のサブアレイ形状パターンを対比して説明するための図である。 サブアレイごとに存在する変動領域を示す図である。 複数の変動領域間におけるオーバーラップを説明するための図である。 比較例を説明するための図である。 他の実施形態における多様なサブアレイ形状パターンを示す図である。 本発明に係る超音波診断装置の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 各グループを構成する振動素子の個数が変化する実施形態を説明するための図である。 各グループを構成する振動素子の個数が変化する他の実施形態を説明するための図である。

符号の説明

１０ プローブヘッド、１２ 装置本体、１６ ２Ｄアレイ振動子、２０ スイッチング回路、２４ 送受信モジュール、２６ サブ整相加算回路、３０ メイン整相加算回路、３２ 送受信制御部、Ｓ サブアレイ、Ｒ 変動範囲。

Claims (22)

1. ２次元的に配列された複数の振動素子を有するアレイ振動子と、
   前記複数の振動素子に対して複数のサブアレイを設定し、且つ、各サブアレイごとに複数のグループを設定し、各グループごとにグループ受信信号を出力するスイッチング部と、
   前記アレイ振動子から出力された複数のグループ受信信号を処理する受信処理部と、
   を含み、
   前記スイッチング部は、前記アレイ振動子における少なくとも１つのサブアレイのサブアレイ形状パターンを変更し、
   前記各グループは複数の振動素子によって構成され、
   前記スイッチング部は、更に、前記サブアレイ形状パターンの変更に伴って、前記各グループのグループ形状パターンを変更する機能を有することを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   前記スイッチング部は、前記複数のサブアレイについて、それぞれのサブアレイ形状パターンを変更することを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２記載の超音波診断装置において、
   前記複数のサブアレイに対して同一のサブアレイ形状パターンが設定されることを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   更に、ビーム形成条件に応じて、前記サブアレイ形状パターンを切り換える制御部を含むことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項４記載の超音波診断装置において、
   前記アレイ振動子は、Ｘ方向及びＹ方向に複数の振動素子が整列した２Ｄアレイ振動子であり、
   前記ビーム形成条件には、ＸＹ面上におけるビーム走査方向が含まれることを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   前記アレイ振動子によって形成される超音波ビームが電子セクタ走査されることを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   ビーム形成条件に応じて、前記各グループを構成する振動素子の個数が可変されることを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項７記載の超音波診断装置において、
   前記ビーム形成条件はビーム走査方向を含むことを特徴とする超音波診断装置。
9. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   ビーム形成条件に応じて、前記各サブアレイに１又は複数の無効振動素子が含まれることを特徴とする超音波診断装置。
10. 請求項１記載の超音波診断装置において、
    ビーム形成条件に応じて、前記サブアレイ形状パターンと共に、前記グループ形状パターンを切り換える制御部を含むことを特徴とする超音波診断装置。
11. 請求項１記載の超音波診断装置において、
    前記サブアレイ形状パターンを変更した場合でも、前記複数のサブアレイが互いに密に連結することを特徴とする超音波診断装置。
12. 請求項１記載の超音波診断装置において、
    前記各サブアレイごとにパターン変動領域が定められ、これにより、前記アレイ振動子上には複数のパターン変動領域が定められ、
    前記各サブアレイごとのパターン変動領域は複数のサブアレイ形状パターンを合成した領域に相当し、
    前記複数のパターン変動領域は、互いに部分的にオーバーラップする部分を有することを特徴とする超音波診断装置。
13. 請求項１２記載の超音波診断装置において、
    前記各パターン変動領域は、各サブアレイ固有の複数の振動素子と、前記オーバーラップする部分に存在する複数の振動素子と、をカバーすることを特徴とする超音波診断装置。
14. 複数の振動素子を有するアレイ振動子と、
    前記複数の振動素子に対して複数のサブアレイを設定し、且つ、各サブアレイごとに複数のグループを設定し、各グループごとにグループ受信信号を出力するスイッチング部と、
    前記スイッチング部から出力される複数のグループ受信信号を処理する受信処理部と、
    ビーム走査条件に応じて、前記スイッチング部を制御する制御部と、
    を含み、
    前記制御部は、前記スイッチング部の動作を制御して、前記各サブアレイのサブアレイ形状パターンを変更し、且つ、前記各グループのグループ形状パターンを変更することを特徴とする超音波診断装置。
15. 請求項１４記載の超音波診断装置において、
    前記受信処理部は、
    前記各サブアレイから出力される複数のグループ受信信号に対してサブ整相加算処理を実行してサブ整相加算信号を出力する複数のサブ整相加算回路と、
    前記複数のサブ整相加算部から出力される複数のサブ整相加算信号に対してメイン整相加算処理を実行するメイン整相加算回路と、
    を含むことを特徴とする超音波診断装置。
16. 請求項１５記載の超音波診断装置において、
    少なくとも前記アレイ振動子及び前記スイッチング部が、プローブヘッド内に設けられたことを特徴とする超音波診断装置。
17. 複数の振動素子を有するアレイ振動子と、
    前記複数の振動素子に対して複数のサブアレイを設定し、且つ、各サブアレイごとに複数のグループを設定し、各グループごとにグループ受信信号を出力するスイッチング部と、
    前記アレイ振動子から出力された複数のグループ受信信号を処理する受信処理部と、 前記スイッチング部を制御して、ビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイのサブアレイ形状パターン及び前記各グループのグループ形状パターンを適応的に変更する制御部と、
    を含むことを特徴とする超音波診断装置。
18. 請求項１７記載の超音波診断装置において、
    前記各サブアレイ形状パターンは、複数のパターン要素としての複数のグループ形状パターンによって構成され、
    前記各グループ形状パターンは、実質的に直線状に配列された振動素子列によって構成されることを特徴とする超音波診断装置。
19. 請求項１８記載の超音波診断装置において、
    前記各振動素子列は、実質的に、前記ビーム走査方向に直交することを特徴とする超音波診断装置。
20. 請求項１７記載の超音波診断装置において、
    前記ビーム走査方向が０度、９０度、１８０度、及び、２７０度の場合には、前記各サブアレイの形状が四角形となり、
    前記ビーム走査方向が前記の角度以外の場合には、前記各サブアレイの形状が前記四角形から変形して平行四辺形又はそれに近い形状となることを特徴とする超音波診断装置。
21. 複数の振動素子を有するアレイ振動子と、
    前記複数の振動素子に対して複数のサブアレイを設定するスイッチング部と、
    前記スイッチング部を制御して、ビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイのサブアレイ形状パターンを適応的に変更する制御部と、
    を含み、
    前記制御部は、前記ビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイ内に１又は複数の無効振動素子を設定し、且つ、前記各サブアレイ内における１又は複数の無効振動素子以外の複数の有効振動素子を用いて複数のグループを設定することを特徴とする超音波診断装置。
22. 複数の振動素子を有するアレイ振動子と、
    前記複数の振動素子に対して複数のサブアレイを設定するスイッチング部と、
    前記スイッチング部を制御して、ビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイのサブアレイ形状パターンを適応的に変更する制御部と、
    を含み、
    前記制御部は、前記ビーム走査方向に応じて、前記各サブアレイ内に複数のグループを設定し、
    前記制御部は、前記ビーム走査方向に応じて前記各グループのグループ形状パターンを変更し、且つ、前記ビーム走査方向に応じて前記各グループを構成する振動素子の個数を変更することを特徴とする超音波診断装置。

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