JP4034402B2 - 超音波撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受波ビームフォーミング(beamforming) 方法および装置並びに超音波撮像装置に関し、特に、撮像対象に超音波を送波してそのエコー(echo)を複数の受信素子のアレイ(array) で受信してメモリ(memory)に記憶し、それらエコー信号を複数のプロセッサ(processor) で処理して受波ビームフォーミングを行なう受波ビームフォーミング方法および装置、並びに、そのような受波ビームフォーミング装置を備えた超音波撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波撮像装置における信号処理についてはディジタル(digital) 化が普及してきた。そのような超音波撮像装置の１つとして、例えば特開平９−５１８９５号公報に記載のように、必然的にアナログ(analog)でなければならない超音波送受信系を除き、全ての信号処理系をディジタル化した超音波撮像装置がある。
【０００３】
この超音波撮像装置では、複数の受信素子のアレイで受信した超音波エコーを受信素子ごとにメモリに記憶し、それらエコー信号をそれぞれＦＦＴ(fast Fourie transform) 処理して周波数ドメイン(domain)の信号に変換し、周波数ドメインにおいて、複数のプロセッサによる同時並行処理ないし時分割多重処理により、受波ビームフォーミングを行なうようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような受波ビームフォーミングを行なう場合、複数のプロセッサは、周波数ドメインでの受波ビームフォーミングに際し、例えば受信信号の位相調整および可変開口の調節等のために、同一のデータにおのおの独立にアクセス(access)してそれぞれのデータ処理を行なうので、複数のプロセッサ間でメモリアクセスが競合する頻度が高くなり、データ処理の能率が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、複数のプロセッサによるデータ処理の能率が高い受波ビームフォーミング方法および装置、並びに、そのような受波ビームフォーミング装置を備えた超音波撮像装置を実現することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）課題を解決するための第１の発明は、撮像対象に超音波を送波してそのエコーを複数の受信素子のアレイで受信し、前記複数の受信素子がそれぞれ受信した複数のエコー信号列をメモリに記憶し、受波音線上の複数の反射点からのエコーが前記記憶した複数のエコー信号列上にそれぞれ存在する位置に相当するアドレスで形成される前記複数の反射点に対応した複数のアドレス群ごとに、複数のプロセッサによりそれぞれ前記エコー信号を加算し、前記複数のプロセッサによる加算結果を統合して前記受波音線上のエコー受信信号を形成する、ことを特徴とする受波ビームフォーミング方法である。
【０００７】
（２）課題を解決するための第２の発明は、撮像対象に超音波を送波してそのエコーを複数の受信素子のアレイで受信する超音波送受信手段と、前記複数の受信素子がそれぞれ受信した複数のエコー信号列を記憶する記憶手段と、受波音線上の複数の反射点からのエコーが前記記憶した複数のエコー信号列上にそれぞれ存在する位置に相当するアドレスで形成される前記複数の反射点に対応した複数のアドレス群ごとに設けられ、前記複数のアドレス群ごとにそれぞれ前記エコー信号を加算する複数のプロセッサと、前記複数のプロセッサによる加算結果を統合して前記受波音線上のエコー受信信号を形成する受波ビーム形成手段と、を具備することを特徴とする受波ビームフォーミング装置である。
【０００８】
（３）課題を解決するための第３の発明は、撮像対象に超音波を送波してそのエコーを複数の受信素子のアレイで受信する超音波送受信手段と、前記複数の受信素子がそれぞれ受信した複数のエコー信号列を記憶する記憶手段と、受波音線上の複数の反射点からのエコーが前記記憶した複数のエコー信号列上にそれぞれ存在する位置に相当するアドレスで形成される前記複数の反射点に対応した複数のアドレス群ごとに設けられ、前記複数のアドレス群ごとそれぞれ前記エコー信号を加算する複数のプロセッサと、前記複数のプロセッサによる加算結果を統合して前記受波音線上のエコー受信信号を形成する受波ビーム形成手段と、前記受波ビーム形成手段が形成したエコー受信信号に基づいて画像を生成する画像生成手段と、を具備することを特徴とする超音波撮像装置である。
【０００９】
第１の発明乃至第３の発明のいずれか１つにおいて、前記複数のエコー信号列の記憶は、予め受波音線の方位角を補償した上で行なうことが、複数のプロセッサの制御を簡素化する点で好ましい。
【００１０】
（作用）
本発明では、エコー信号の記憶値に対し、複数のプロセッサが、それぞれ対応するアドレス群ごとにアクセスして競合を解消する。アドレス群は、受波音線上の共通の反射点からのエコーが複数のエコー信号列列上にぞれぞれ位置するアドレスであって、各エコーの位相が整合するアドレスであり、その記憶値を加算することにより整相加算が行なわれる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置のブロック図を示す。図２に、本装置によるデータ処理の流れをブロック図で示す。本装置は本発明の実施の一形態である。本装置の構成によって本発明の装置に関する実施の一形態が示される。本装置の動作によって本発明の方法に関する実施の一形態が示される。
【００１２】
図１に示すように、本装置は、超音波プローブ(probe) ２と送受信部４を備えている。超音波プローブ２と送受信部４からなる部分は、本発明における超音波送受信手段の実施の一形態である。超音波プローブ(probe) ２は複数の超音波トランスデューサ・エレメント(transducer element)のアレイを有し、送受信部４で駆動されて、図示しない撮像対象すなわち被検体に超音波ビームを送波し、そのエコーを検出するようになっている。被検体は超音波ビームが形成する音線で走査される。超音波トランスデューサ・エレメントは、本発明における受信素子の実施の形態の一例である。
【００１３】
送受信部４は、超音波プローブ２を駆動して超音波ビームを送波させるとともに超音波プローブ２からエコー検出信号を受信し、エコー受信信号につき、検波しないＲＦ(radio frequency) 信号のままでアナログ・ディジタル（Ａ／Ｄ）変換し、ＲＦエコーメモリ(echo memory) ６に書き込むようになっている。
【００１４】
ＲＦエコーメモリ６は、超音波トランスデューサ・エレメントごとのエコー受信信号を、ディジタルデータ(digital data)として記憶するようになっている。以下、記憶されたエコー受信信号をエコーデータという。ＲＦエコーメモリ６は、本発明における記憶手段の実施の形態の一例である。超音波送波１回当たりのエコーデータが１つのメモリプレーン(memory plane)に記憶される。メモリプレーンは複数設けられ、複数回の超音波送波に対するエコーデータが記憶される。これによって、ＲＦエコーメモリ６には、ＲＦのままのエコー受信信号すなわちエコーのホログラム(hologram)が記憶される。このように、超音波プローブ２、送受信部４およびＲＦエコーメモリ６により、図２の処理ブロック２０の処理が行われる。
【００１５】
ＲＦエコーメモリ６に記憶されたエコーデータは、ＤＳＰ(digital signal processor)アレイ８でデータ処理されるようになっている。ＤＳＰアレイ８は複数個のＤＳＰによって構成される。ＤＳＰの数は、少なくとも後述する整相曲線の数を下回らないようになっている。ＤＳＰは本発明におけるプロセッサの実施の形態の一例である。なお、プロセッサはＤＳＰに限るものではなく、例えばＭＰＵ(microprocessor)等、他の形式のプロセッサであって良い。ＤＳＰアレイ８は本発明における受波ビーム形成手段の実施の形態の一例である。
【００１６】
ＤＳＰアレイ８は、図示しない制御部による制御の下で、図２に示した処理ブロック２２〜２６の処理を行う。すなわち、エコーデータについて受波ビームフォーミングを行い、その結果についてＦＦＴを行って周波数ドメインのデータに変換する（２２）。また、ＦＦＴしたデータについて、周波数ドメインにおいて、フィルタリング(filtering) 、コンボリューション(convolution) 、ドプラ(Doppler) ／ＭＴＩ(moving target indication)処理等のデータ処理を行い（２４）、最後にｉＦＦＴ(inverse fast Fourie transform) を行って時間ドメインの信号に戻す（２６）。
【００１７】
ＤＳＰアレイ８によるこのようなデータ処理は、ＲＦエコーメモリ６に記憶されたエコーデータ群について、複数のＤＳＰにより同時並行ないし時分割多重で遂行される。個々のＤＳＰとＲＦエコーメモリ６の各メモリプレーンとの関係は特に固定されておらず、どのＤＳＰも各メモリプレーン平等にアクセスできるようになっている。なお、ＤＳＰアレイ８はデータ処理の過程で図示しない作業用メモリを適宜に使用する。ＤＳＰアレイ８は、また、本発明における画像生成手段の実施の形態の一例である。
【００１８】
受波ビームフォーミングは、受波音線に沿った受信信号の形成に関わる。フィルタリングは、受信信号中の特定周波数成分の選択的通過あるいは阻止に関わる。コンボリューションはパルス圧縮（レンジコンプレッション(range compression) ）に関わる。ドプラ／ＭＴＩ処理はＣＦＭ(color flow mapping)画像等、動態画像の生成に関わる。
【００１９】
受波ビームフォーミングに当たって、ＤＳＰアレイ８は、ＲＦエコーメモリ６に記憶されたエコーデータについて整相加算を行なう。図３に、ＤＳＰアレイ８によるエコーデータの整相加算の概念図を示す。以下、同図によって受波ビームフォーミングを説明する。
【００２０】
図３では、超音波トランスデューサ・エレメント（以下、単にエレメントという）のアレイ２００が、アレイ２００に垂直な方位を持つ受波音線３００に沿ってエコーを受信し、エコーデータ列４００を、エレメントごとにＲＦエコーメモリ６に記憶した状態を示す。
【００２１】
なお、エコーデータ列４００は直線で表す。また、符号付けは１箇所で代表する。エコーデータ列４００の図における上端がデータ列の先頭であり、受信開始からの時間の経過に伴って、図における下方に向かってデータ列が形成されて行く。
【００２２】
このようなエコーデータ列において、受波音線３００上の１つの反射点３０２からのエコー（の波面）は、反射点３０２から各エレメントまでの距離応じた時間を経て各エレメントに到達する。このため、反射点３０２からのエコーは、各エコーデータ列では、それぞれのエレメントへの到達時間に相当する位置（アドレス）に存在する。
【００２３】
そのような複数のアドレス（アドレス群）を連ねることにより、アドレス曲線５０２が得られる。同様に、反射点３０４〜３１４に対応して、アドレス曲線５０４〜５１４がそれぞれ得られる。アドレス曲線５０２〜５１４はいずれも双曲線となる。これら双曲線は反射点位置が深いものほど曲率が緩いものとなる。これらのアドレス曲線は、その上でのエコー信号の位相が同一になるアドレス曲線となる。以下、これを整相曲線ともいう。
【００２４】
各エコーデータ列中で、アドレス曲線５０２上のエコーデータはいずれも反射点３０２からのエコーを表すから、それらデータを抽出して全加算することにより、反射点３０２についてのＡスコープ(scope) 像を表すデータ（Ａスコープデータ）を得ることができる。このＡスコープデータは反射点３０２に焦点の合ったものとなる。なお、データの全加算に当たっては、各データに適宜の重みを付すようにしても良い。これは受波の開口を可変にする点で好ましい。
【００２５】
同様に、アドレス曲線５０４〜５１４上のエコーデータをそれぞれ全加算することにより、反射点３０４〜３１４に焦点の合ったＡスコープデータをそれぞれ得ることができる。このようにして、反射点３０２〜３１４についてダイナミックフォーカス(dynamic focus) を伴ったＡスコープデータを得ることができる。受波音線３００上の他の全ての反射点についても同様なことがいえる。
【００２６】
そこで、受波音線３００上に想定した例えば２５６個の反射点（画素点）に対応して２５６本の整相曲線を設定し、それら整相曲線ごとに別々なＤＳＰによりエコーデータの全加算を行なう。なお、整相曲線は、被加算データの所在を示す図示しないアドレステーブル(address table) として、受波音線およびその上の各反射点に応じて予め設定される。
【００２７】
各整相曲線は、互いに異なる反射点に対応して互いに異なるものとなる。したがって、加算に用いるエコーデータのアドレスがそれぞれ異なり、アドレステーブルに基づく制御の下で別々なＤＳＰにより同時並行的に処理してもデータアクセスの競合は発生しない。このため、複数のＤＳＰによるデータ処理を能率良く遂行することができる。
【００２８】
各ＤＳＰでの全加算の結果を受波音線３００上の反射点の並びに合わせて統合することにより、受波音線３００に沿ったＡスコープデータが形成される。すなわち、ダイナミックフォーカスを伴う受波ビームフォーミングが行なわれる。
【００２９】
他の方位の受波音線についても、同様にして逐一受波ビームフォーミングを行なう。その際、各方位に対応した整相曲線がそれぞれ用いられる。一例を挙げれば、図４に示すように、受波音線３００’を図における左方向に偏向（ステアリング(steering)）させた状態では、反射点３０２’〜３１４’に対応して整相曲線５０２’〜５１４’を用いる。
【００３０】
ただし、この場合、整相曲線は例えば５０２’と５０４’のように、部分的に交叉するものができて、その部分でメモリアクセスの競合が発生する可能性がある。そこで、図５に示すように、エコーデータをＲＦメモリ６に記憶するに当たり、各エコーデータ列４００に適宜の傾斜を持つ遅延時間７００を付与して、エコーデータに含まれる方位角に関するいわゆるステアリング項を補償し、見掛け上アレイ２００に垂直な方位でのエコーデータ列４００として記憶するようにしても良い。
【００３１】
これは、メモリアクセスの競合を回避するするとともに、整相曲線５０２''〜５１４''は、図３に示したものと同様なものを用いることができ、方位角ごとに個別の整相曲線のセット(set) を持つ必要がない点で好ましい。なお、遅延時間７００の付与は、エコーデータのＲＦメモリ６への書込アドレスを修飾することにより行なう。
【００３２】
上記のように受波ビームフォーミングを行なったエコーデータにつきＦＦＴを行い、ＦＦＴしたエコーデータについてフィルタリング以降の処理を行なう。
フィルタリングに当たり、ＤＳＰアレイ８は、エコーデータと予め定めた適宜のフィルタ係数とで、対応するビン(bin) 同士で乗算を行なう。なお、ここで、ビンとは周波数ドメインにおけるデータ位置を意味する。
【００３３】
コンボリューションに当たり、ＤＳＰアレイ８は、図６に示した処理ブロック３４〜４０のデータ処理を行う。すなわち、エコーデータと適宜のコンボリューションカーネルデータ(convolution kernel data) とについてそれぞれＦＦＴを行い、周波数ドメインに移行させる（３４，３６）。なお、この処理は図２の処理ブロック２２で行なわれる。次に、それら両データを対応するビン(bin) 同士で乗算する（３８）。この処理は図２の処理ブロック２４で行なわれる。最後にｉＦＦＴを行う（４０）。この処理は図２の処理ブロック２６で行なわれる。なお、コンボリューションカーネルデータは、予め例えばＲＦエコーメモリ６の一部を利用して記憶させることができる。勿論、汎用のメモリに書き込んでも良い。
【００３４】
ドプラ／ＭＴＩ処理すなわち動態画像処理は、ＤＳＰアレイ８により、ビンのデータ列のパルス間、パケット(packet)間、フィールド(field) 間ないしフレーム(frame) 間の変化分抽出処理で行うことにより遂行される。
【００３５】
この場合、処理ブロック２４では、得ようとするＢモード画像またはＣＦＭ画像に応じて、それぞれ別な処理を同じデータに施し、最後に処理ブロック２６でおのおの１回のｉＦＦＴにより、それぞれ対応する画像（の音線データ）を得ることができる。これによって、例えばＢモード画像とＣＦＭ画像とが同時並行的に処理できる。ｉＦＦＴされたデータはコヒーレントＢ／ＣＦＭメモリ１０に音線（方位）ごとに書き込まれる。受波ビームフォーミング時に、図５に示したように。ステアリング項の補償を行なったときは、ここで、ステアリング項の復活を行なう。
【００３６】
コヒーレントＢ／ＣＦＭメモリ１０に書き込まれた画像データはディスプレイマネージャ(display manager) １２を通じて表示部１４に与えられ画像として表示される。その際、ディスプレイマネージャ１２は図２の処理ブロック２８の処理、すなわち対数圧縮、ビデオ処理、計測、表示等の処理を行う。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、複数のプロセッサによるデータ処理の能率が高い受波ビームフォーミング方法および装置並びにそのような受波ビームフォーミング装置を備えた超音波撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図である。
【図２】 本発明の実施の形態の一例の装置における信号処理の流れを示すブロック図である。
【図３】 本発明の実施の形態の一例の装置における受波ビームフォーミングの概念図である。
【図４】 本発明の実施の形態の一例の装置における受波ビームフォーミングの概念図である。
【図５】 本発明の実施の形態の一例の装置における受波ビームフォーミングの概念図である。
【図６】 本発明の実施の形態の一例の装置におけるコンボリューション処理の流れを示すブロック図である。
【符号の説明】
２ 超音波プローブ
４ 送受信部
６ ＲＦエコーメモリ
８ ＤＳＰアレイ
１０ コヒーレントＢ／ＣＦＭメモリ
１２ ディスプレイマネージャ
１４ 表示部
２００ アレイ
３００ 受波音線
３０２〜３１４ 反射点
４００ エコーデータ列
５０２〜５１４ アドレス曲線

Claims (3)

1. 撮像対象に超音波を送波してそのエコーを複数（Ｎ個）の受信素子のアレイで受信する超音波送受信手段と、
   前記複数の受信素子それぞれに対応して複数（Ｎ個）列のアドレスが存在するとともに反射点から前記複数の受信素子までの距離に対応してアドレスが存在し、反射点から前記複数の受信素子がそれぞれ受信した複数（Ｎ個）のエコー信号列を前記反射点から前記複数の受信素子までの距離に対応したアドレスに記憶する記憶手段と、
   受波音線上の複数（Ｍ個）の反射点からのエコーが前記記憶した複数（Ｎ個）のエコー信号列上にそれぞれ存在する位置に相当するアドレスで形成される前記複数の反射点に対応した複数（Ｍ個）のアドレス群ごとに設けられ、前記複数のアドレス群ごとにそれぞれ前記エコー信号を加算する複数（Ｍ個）のプロセッサと、
   前記複数のプロセッサによる加算結果を統合して前記受波音線上のエコー受信信号を形成する受波ビーム形成手段と、
   前記受波ビーム形成手段が形成したエコー受信信号に基づいて画像を生成する画像生成手段とを具備し、
   前記複数のプロセッサが前記記憶手段にアクセスをするときに同一アドレスへのアクセスの競合が発生しないことを特徴とする超音波撮像装置。
2. 請求項１に記載の超音波撮像装置において、
   受波音線を左又は右に偏向させた場合に、前記複数の反射点に対応して前記記憶手段に形成される整相曲線に重なりが生じないように、各々のエコー信号列に所定の傾斜を持つ遅延時間を付与して前記記憶手段に記憶することを特徴とする超音波撮像装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波撮像装置において、
   前記記憶手段に記憶された複数のエコー信号列について受波ビームフォーミングを行い、ＦＦＴを行い、コンボリューションを行い、ｉＦＦＴを行うことを特徴とする超音波撮像装置。

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