JP4257271B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波診断装置に関し、特に送信多段フォーカスにより形成された送信ビームを複数方向へ走査する技術に関する。

超音波診断装置において、深さに応じて複数の焦点に超音波を送波して送信ビームを形成する送信多段フォーカスが知られている（特許文献１および２参照）。

図９は、送信多段フォーカスの原理を説明するための図である。図９には、４段の送信多段フォーカスが例示されている。つまり、アレイ振動子１０から、深さに応じて、浅い方から順にフォーカス１からフォーカス４の４つのフォーカスによる多段送信が実行され、その結果、深さ方向の近距離から遠距離に亘って焦点が絞られたペンシル状の送信ビーム（ペンシルビーム１４）が形成される。これにより、近距離から遠距離に亘って、よりよい空間分解能を得ることが可能になる。

特開平８−３１７９２４号公報 特開２００３−１７５０３８号公報

送信多段フォーカスにより形成された送信ビームは、さらに、複数方向へ走査することができる。

図１０は、送信ビームの走査を説明するための図である。送信ビームは、複数の振動素子を電子走査制御して形成される。例えば、アレイ振動子１０に含まれる各振動素子から発せられるパルスの大きさや遅延量が適宜制御され、アレイ振動子１０の直下に向けられた送信ビームが形成される。さらに、各振動素子を適宜制御することにより、斜め方向へ向けられた送信ビームが形成される。

しかしながら、従来、一般的に行われていた手法により斜め方向の送信ビームを形成すると、アレイ振動子の中心位置１００からビーム軸がずれてしまう。つまり、従来の電子走査制御により斜め方向に形成された送信ビームは、仮想的なアレイ振動子位置１０２に対応しており、この仮想的なアレイ振動子位置１０２は、アレイ振動子そのものを中心位置１００を軸として回転させた場合の理想的なアレイ振動子位置１０４とは異なる。このため、図１０に示すように、ビーム軸のずれ１０６が発生する。また、アレイ振動子１０を構成する各振動素子は指向性を有しているため、一般に、直下方向に比べて斜め方向における音圧が低下してしまう。

本発明は、上記問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、送信多段フォーカスにおける新たなビーム走査技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である超音波診断装置は、複数の振動素子を利用して、送信多段フォーカスにより形成した送信ビームを複数方向へ走査する超音波診断装置において、直下方向の送信ビームのビーム軸を中心軸とし、斜め方向へ送信ビームを走査する際に、中心軸からみてビーム焦点側の開口よりもビーム焦点反対側の開口が大きくなるように開口制御し、さらに、各振動素子に対する遅延パターンを制御することにより、複数方向の送信ビームに対応した複数のビーム軸が固定された支点で交差するように送信ビームを走査する、ことを特徴とする。

上記構成において、複数の振動素子は、一次元的に配列されたアレイ振動子を構成してもよく、二次元的に配列されたアレイ振動子を構成してもよい。二次元的なアレイ振動子の場合、送信ビームは、例えば、横方向への直線的な走査が繰り返されて三次元空間内を走査する。あるいは、送信ビームは、円を描くように円錐状に走査され、円の半径を徐々に小さくしながら三次元空間内を走査するなど、様々な走査態様が考えられる。いずれの走査態様においても、直下方向に対して角度をつけて斜め方向へ送信ビームを形成する場合、ビーム焦点反対側の開口が大きくなるように開口制御される。開口とは、複数の振動素子のうち、送信に寄与する複数の振動素子に対応する。また、開口の形状はアレイ振動子のタイプや用途などに応じて適宜設定され、例えば、二次元的なアレイ振動子の場合、円形や楕円形の開口が好適である。また、開口形状の制御とともに、各振動素子に対する遅延パターンも適宜制御される。

上記構成により、送信多段フォーカスにおける新たなビーム走査技術が提供され、複数方向の送信ビームに対応した複数のビーム軸が固定された支点で交差するように送信ビームが走査される。二次元的なアレイ振動子の場合、例えば、振動子面の中心点が固定された支点となる。このため、例えば、送信ビームを傾けた際のビーム軸のずれが解消され、また、開口の大きさなどを適宜制御することなどにより、送信ビームを傾けた際の送信音圧の減少を押させることができる。

望ましくは、前記複数の振動素子は２Ｄアレイ振動子を構成し、複数のビーム軸が固定された支点で交差するように二次元的に送信ビームを走査することを特徴とする。さらに望ましくは、前記固定された支点は、２Ｄアレイ振動子の振動子面の中心点であることを特徴とする。さらに望ましくは、斜め方向へ送信ビームを走査する際の開口が楕円形状であることを特徴とする。さらに望ましくは、前記振動子面の中心点を頂点として円錐状に送信ビームを走査することを特徴とする。

上述のように、本発明により、複数方向の送信ビームに対応した複数のビーム軸が固定された支点で交差するように送信ビームが走査される。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態を説明するための図であり、本超音波診断装置により形成される送信ビームを説明するための図である。

本超音波診断装置は、複数の振動素子で構成されるアレイ振動子１０を有しており、アレイ振動子１０が電子走査制御され、深さの異なる複数の焦点（フォーカス１からフォーカス４）へ送信多段フォーカスを行い、深さ方向の近距離から遠距離に亘って焦点が絞られたペンシル状の送信ビーム（ペンシルビーム１４）を形成する。さらに、そのペンシルビーム１４が複数方向へ走査される。

図１（Ａ）は、直下方向に形成されるペンシルビーム１４を示しており、上図は、アレイ振動子１０（二次元のアレイ振動子）の振動子面をその法線方向から見た図であり、下図は、アレイ振動子１０とそれによって形成されるペンシルビーム１４との位置関係を示す図である。上図に示すフォーカス１からフォーカス４までの円状の開口パターンによって、アレイ振動子１０の振動子面の中心から直下方向（鉛直下方向）へ、下図に示されるペンシルビーム１４が形成される。この際、アレイ振動子１０を構成する各振動子ごとにディレイ量が課せられ、所定の深さに焦点（フォーカス点）が設定される。図１（Ａ）に示すように、直下方向にペンシルビーム１４が形成される場合、フォーカス１からフォーカス４の各フォーカスに対応する開口が円状（またはドーナツ状）に形成される。

一方、図１（Ｂ）は、直下方向に対して図の左下方向に傾けられ、斜め方向に形成されるペンシルビーム１４を示している。（Ｂ）の上図および下図は、それぞれ、（Ａ）の上図および下図に対応している。斜め方向にペンシルビーム１４を形成する場合、（Ｂ）の上図に示すように、フォーカス１からフォーカス４までの開口パターンが、振動子面の中心に対して左右非対称に形成される。この際、ビーム焦点側（図の左側）よりもビーム焦点反対側（図の右側）の開口が大きくなるように開口制御される。このため、下図に示すように、直下方向の場合に使用されていなかった振動子群（拡張振動子群１２）も利用され、全体として右側に開口が広げられている。

この拡張振動子群１２の作用により、直下方向のペンシルビーム１４と、斜め方向のペンシルビーム１４は、ともに、アレイ振動子１０の中心を通るように形成される。つまり、複数方向の送信ビームに対応した複数のビーム軸がアレイ振動子１０の中心点で交差するように送信ビームが走査される。こうして、ビーム軸のずれ（図１０参照）が解消される。

また、斜め方向のペンシルビーム１４を形成する場合にはビーム焦点反対側の開口が大きくなり、開口内の振動素子数を増やすことができる。このため、各振動素子の指向性により直下方向に比べて斜め方向における音圧が低下する問題も、振動素子数を増やして送波エネルギーを確保することにより解消することができる。

図２から図６は、本超音波診断装置により、様々な方向へ送信ビームを傾けた際の開口形状パターンを示している。

図２は、送信ビームをアレイ振動子の直下方向に形成する場合の開口形状を示しており、図１（Ａ）の場合と同様に、各フォーカスごとに円形の開口パターンが形成されている。なお、図２から図６では、フォーカス０からフォーカス５までの６個のフォーカスによる多段フォーカスの開口形状を示しており、図２から図６の各図は、最も内側の円（楕円）から外側の円（楕円）に向かって、フォーカス０からフォーカス５の開口形状を示している。

図３は、送信ビームを直下方向から図の右方向（ｘ軸方向）に２０度傾けた場合の開口形状を示している。なお、図３から図６において、各図に示される矢印は、送信ビーム方向を振動子面上に投影したものであり、従って、各図ともに矢印の矢の向き側にビーム焦点が形成される。本実施形態では、アレイ振動子の振動子面の中心を通る中心軸からみてビーム焦点側の開口よりもビーム焦点反対側の開口が大きくなるように開口制御される。つまり、図３において、矢印の矢の向き側の開口よりも、矢の向きとは反対側の開口の方が大きく形成される。なお、図３では、送信ビームをｘ軸方向に２０度傾けた例を示したが、本実施形態では、３０度、４５度など、ｘ軸方向に任意の角度で送信ビームを傾けてもよい。この場合、各角度に応じて開口形状が制御される。

図４は、送信ビームを直下方向から図の右方向（ｘ軸方向）に４５度傾け、さらに、ｘ軸方向から図の下方に２０度回転させた場合の開口形状を示している。前述のように、矢印は、送信ビーム方向を振動子面上に投影したものである。図４のように、図の下方に送信ビームを傾けた場合においても、矢印の矢の向き側の開口よりも、矢の向きとは反対側の開口の方が大きく形成される。

図５は、送信ビームを直下方向から図の右方向（ｘ軸方向）に４５度傾け、さらに、ｘ軸方向から図の下方に４５度回転させた場合の開口形状を示している。また、図６は、送信ビームを直下方向から図の右方向（ｘ軸方向）に４５度傾け、さらに、ｘ軸方向から図の下方に９０度回転させた場合の開口形状を示している。

図５および図６ともに、矢印は、送信ビーム方向を振動子面上に投影したものであり、また、矢印の矢の向き側の開口よりも、矢の向きとは反対側の開口の方が大きく形成される。

このように、本実施形態では、送信ビームを直下方向からｘ軸方向に所定角度傾け、さらに、ｘ軸方向から下方に所定角度回転させることにより、二次元的に送信ビームを走査することができる。この際、複数方向の送信ビームに対応した複数のビーム軸がアレイ振動子の振動子面の中心点で交差するように送信ビームが走査される。

図２から図６に示したように、本実施形態では、楕円形状の開口パターン（楕円開口）により送信ビームを形成することができる。この場合、各フォーカスに対応する楕円開口は、次のように設定される。

具体例として、直下方向におけるフォーカス０に対する円形の開口に関して、その開口系を２．７ｍｍとして、以下のように各値を定義する。

数１において、ｎはフォーカス番号（例えば、フォーカス０であればｎ＝０）、Ｓｎはｎ番目のフォーカスの円形開口の面積、Ａｎはｎ番目のフォーカスに対応する開口面積、αは音波の減衰率、ｆは超音波の周波数、Ｆｎはｎ番目のフォーカスの焦点距離である。

振動子面をＸＹ直交座標系とし、さらに、振動子面の直下方向をＺ軸とする座標系をＸＹＺ座標系とする。フォーカスの座標は、二つの角度（Ａ，Ｅ）を用いて次式で与えられる。

数２において、角度Ａは、ＸＺ平面における角度を、角度ＥはＹＺ平面における角度を表す。ＸＹＺ座標系に対し、フォーカスベクトルをＺ´軸とし、それに直交する平面で作られる座標系をＸ´Ｙ´Ｚ´座標系とする。そして、座標ＸＹＺを座標Ｘ´Ｙ´Ｚ´に変換する変換行列を次式のように定義する。

また、Ｘ´Ｙ´Ｚ´座標系におけるＸ´Ｙ´平面内の円形開口Ｓｎの輪郭上のポイントと、Ｘ´Ｙ´Ｚ´座標系でのフォーカスベクトルとを用いて、ベクトルｍを次式のように定義する。

フォーカスの座標（数２参照）またはフォーカスベクトル（数４参照）から、円形開口Ｓｎの輪郭上のポイント（数４参照）を通り、ＸＹ平面と交差する点（Ｘ´Ｙ´Ｚ´座標系から見た場合）の座標は以下の方程式を解いて求められる。

ここで、ｋは比例定数である。理想的な円形開口（Ｘ´Ｙ´Ｚ´座標系における円形開口）を決めれば、数５の方程式を解くことにより、ＸＹ平面への投影座標（ｘ，ｙ）が次式のように求められる。

数６において、Ｒ_lmは、数３の変換行列の各成分を表し、ｍ_nは、数５のベクトルｍの各成分を表す。

各フォーカス番号ごとに数６で表現される形状を求めることで、ＸＹ座標に対応する振動子面上に楕円開口が設定される。また、フォーカスの座標（数２参照）を様々な方向へ振ることで、送信ビームを走査させることができる。

二次元のアレイ振動子により送信ビームを走査させる場合、例えば、アレイ振動子の横方向に直線的に（一次元的に）走査させ、これを縦方向に繰り返して行う二次元的な走査が考えられる。あるいは、円を描くように円錐状に送信ビームを走査し、円の半径を徐々に小さくしながら走査させてもよい。

図７は、円錐状に送信ビームを走査する場合の開口形状の模式図である。図７において、矢印２０は、送信ビーム方向を振動子面上に投影したものであり、矢印２０の矢の向き側にビーム焦点が形成される。そして、矢印２２は、開口の回転方向であり、矢印２２の向きに開口を回転させることによって、送信ビームの方向を回転させることができる。さらに、送信ビームの方向を回転させながら、徐々にその回転半径を小さくすることにより、二次元的な走査が実施され、深さ方向を加えた三次元の走査空間が形成される。

図８は、本超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。アレイ振動子１０は、二次元的に配列された複数の振動素子を有している。各振動素子に対する送信波形は、波形生成回路４４で生成される。波形生成回路４４は、送信制御部３６の制御に基づいて送信波形を生成し、送信用ディレイライン４２へ出力する。送信用ディレイライン４２は、ディレイ量制御部３４の制御に基づいて、対応する送信波形に遅延処理を施して、処理後の送信波形を対応する送信アンプ４０へ出力する。そして、送信アンプ４０で増幅処理された送信波形は、開口制御スイッチ３８へ供給される。

開口制御スイッチ３８は、アレイ振動子１０の複数の振動素子のうち、送信ビームの形成に利用される振動素子、つまり開口内の振動素子を選択し、選択された複数の振動素子と複数の送信アンプ４０とを接続する回路である。送信ビームの形成に利用される振動素子は、数１から数６を利用して説明したように、フォーカス番号やフォーカスの座標に応じて決定される開口形状から求められる。

例えば、中央制御部５４において開口形状が求められ、送信制御部３６において開口形状に応じた振動素子が選択され、ディレイ量制御部３４によって選択された各振動素子に対するディレイ量が設定され、スイッチ制御回路３２によって開口制御スイッチ３８が制御され、選択された振動素子と送信アンプ４０が接続される。そして、選択された振動素子から所定のディレイ量が施された送信波形で超音波が送波され、送信ビームが形成される。

受信アンプ４６は、アレイ振動子１０の複数の振動素子の受信信号を増幅処理し、アナログデジタルコンバータ４８において、受信信号がデジタル化される。さらに、整相加算回路５０において、各振動素子に応じたディレイ量で整相加算処理が施され、整相加算後の受信信号（エコーデータ）が受信処理部５２へ供給される。受信処理部５２は、整相加算後のエコーデータに対して、検波処理やログ圧縮処理などを施して、ラインメモリ５６に記憶する。そして、スキャンコンバータ５８において、ディスプレイ６０の走査方式に応じてラインメモリ５６からデータが読み出され、ディスプレイ６０に超音波画像（例えば三次元画像）が表示される。なお、本超音波診断装置内の各部は、中央制御部５４によって集中制御され、例えば、図示しない操作パネルなどを介して入力されるユーザの指示などに基づいて装置全体の動作が制御される。

以上、本発明の好適実施の形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明に係る超音波診断装置により形成される送信ビームを説明するための図である。 送信ビームをアレイ振動子の直下方向に形成する場合の開口形状を示す図である。 送信ビームを傾けた際の開口形状を示す図である。 送信ビームを傾けた際の開口形状を示す図である。 送信ビームを傾けた際の開口形状を示す図である。 送信ビームを傾けた際の開口形状を示す図である。 円錐状に送信ビームを走査する場合の開口形状の模式図である。 本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示すブロック図である。 送信多段フォーカスの原理を説明するための図である。 送信ビームの走査を説明するための図である。

符号の説明

１０ アレイ振動子、１２ 拡張振動子群、１４ ペンシルビーム、３６ 送信制御部、３８ 開口制御スイッチ。

Claims (5)

1. 複数の振動素子を利用して、送信多段フォーカスにより形成した送信ビームを複数方向へ走査する超音波診断装置において、
   直下方向の送信ビームのビーム軸を中心軸とし、斜め方向へ送信ビームを走査する際に、中心軸からみてビーム焦点側の開口よりもビーム焦点反対側の開口が大きくなるように開口制御し、さらに、各振動素子に対する遅延パターンを制御することにより、複数方向の送信ビームに対応した複数のビーム軸が固定された支点で交差するように送信ビームを走査する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、
   前記複数の振動素子は２Ｄアレイ振動子を構成し、
   複数のビーム軸が固定された支点で交差するように二次元的に送信ビームを走査する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２に記載の超音波診断装置において、
   前記固定された支点は、２Ｄアレイ振動子の振動子面の中心点である、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項３に記載の超音波診断装置において、
   斜め方向へ送信ビームを走査する際の開口が楕円形状である、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項４に記載の超音波診断装置において、
   前記振動子面の中心点を頂点として円錐状に送信ビームを走査する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
   
   

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