JP4383094B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体に対して超音波を送受信して得たエコー信号に基づき、超音波画像を生成する超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波診断装置は、超音波を患者（被検体）の診断対象部位に送信し、診断対象部位からのエコー信号を受信するものであり、超音波プローブを内視鏡の処置具挿通用チャンネルに挿通して先端部を目的部位まで到達させ、腫瘍の浸潤度合いを観察するものがある。
今日、超音波プローブは、普及に伴って大腫瘍の深達度診断、粘膜下腫瘍診断、リンパ節への浸潤等も簡便に利用したいとの要望が上がっている。
【０００３】
しかしながら、従来の超音波プローブは、振動子開口が狭く、また、周波数が高いこともあって、深達度が不足してしまっていた。
また、従来の超音波プローブは、単純に周波数を低く設定しても、超音波ビームが広がってしまい、深達度が向上しても、方位分解能が劣化するといった相反する現象があった。
【０００４】
一方、これに対して、従来の超音波診断装置は、例えば、特開平７−２３９５７号公報や特許第３２４１７０４号公報や特許第３２４４５３６号公報又は米国特許第５，３３１，８５５号公報や米国特許第６，１５９，１５３号公報に記載されているように複数の振動子エレメントで形成した超音波振動子アレイ（フェイズドアレイとも言う）を超音波振動子として用いたものが提案されている。
【０００５】
上記特開平７−２３９５７号公報に記載の超音波診断装置は、古野方式の電子走査型の原理に加え、超音波振動子アレイに送信する送信波をＦＭ信号として更に圧縮率を向上したものが提案されている。
また、上記特許第３２４１７０４号公報に記載の超音波診断装置は、超音波振動子アレイに送信する送信波の低周波成分よりも高周波成分に対する実質的開口が狭くなるように駆動回路を制御して分解能を向上したものが提案されている。
【０００６】
また、上記特許第３２４４５３６号公報に記載の超音波診断装置は、超音波振動子アレイの各エレメント毎に異なる周波数で駆動して超音波振動子アレイに送信波を送信するものが提案されている。
また、上記米国特許第５，３３１，８５５号公報に記載の超音波診断装置は、超音波振動子アレイで超音波走査して高速に超音波探傷するものが提案されている。
【０００７】
また、上記米国特許第６，１５９，１５３号公報に記載の超音波診断装置は、超音波振動子アレイに送信する送信波を異なる周波数ｆで異なる方向に送信し、一方の超音波の送受信を時間を待たず、他方の超音波の送信を行い、これら双方の受信データを交互にフレームライン上で合成して画像化することで、分解能を考慮せずフレームレートを向上するものが提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−２３９５７号公報
【０００９】
【特許文献２】
特許第３２４１７０４号公報
【００１０】
【特許文献３】
特許第３２４４５３６号
【００１１】
【特許文献４】
米国特許第５，３３１，８５５号公報
【００１２】
【特許文献５】
米国特許第６，１５９，１５３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の超音波診断装置においても、超音波プローブを用いる場合、診断可能な深達度の達成や内視鏡の処置具挿通用チャネル径に挿入可能なチャネル径に形成するために限界がある。
【００１４】
本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、開口面積が制限されている超音波プローブを用いる場合においても、深達度の向上及び遠点方向の分解能の向上が可能な超音波診断装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の超音波診断装置は、回転駆動される回転方向に所定のピッチで複数の振動子エレメントを配列して形成し、前記複数の振動子エレメントの配列により前記回転方向に所定の開口幅を有する超音波振動子アレイと、
前記超音波振動子アレイを回転駆動する回転駆動部と、
前記超音波振動子アレイを回転駆動した場合における前記回転駆動部による前記所定のピッチに対応する回転角度の移動量に同期してタイミング信号を発生するタイミング信号発生回路と、
前記タイミング信号発生回路で発生したタイミング信号に基づき、前記回転角度の移動量の複数回分に相当する所定期間における前記回転角度の移動量毎となる複数回のタイミングにおいて、同一の１音線を形成するように前記超音波振動子アレイを形成する前記複数の振動子エレメントそれぞれに、超音波送信させる送信信号を出力する送信回路と、
前記超音波振動子アレイを形成する前記複数の振動子エレメントによる超音波受信して得た被検体からのエコー信号を前記タイミング信号発生回路で発生したタイミング信号に基づいて合成する場合、前記所定期間における前記同一の１音線を形成するように前記複数回の超音波送信に用いた前記複数の振動子エレメントを用いて受信した前記複数回のエコー信号を、１音線のエコー信号に合成する受信回路と、
を具備し、前記複数の振動子エレメントを用いて１音線当たりでの超音波送受信に用いた前記超音波アレイによる前記所定の開口幅から、前記所定期間における前記同一の１音線を形成するように前記複数回の超音波送信及び該複数回の超音波送信に対応した前記複数回の超音波受信に用いた前記超音波振動子アレイにおける前記回転方向の開口幅を拡大可能にしたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の１実施の形態を説明する。
図１ないし図１３は本発明の１実施の形態に係わり、図１は本発明の１実施の形態を備えた超音波診断装置を示す全体構成図、図２は図１の超音波プローブ及び超音波観測装置の回路構成を示す回路ブロック図、図３は図２の振動子アレイを示す外観斜視図、図４は従来の超音波振動子及び図３の振動子アレイの広がり角を示す説明図であり、図４（ａ）は図３の振動子アレイの広がり角を示す説明図、図３（ｂ）は従来の超音波振動子の広がり角を示す説明図、図５は図２の送信回路の回路構成を示す回路ブロック図、図６は振動子アレイの回転移動位置を示す説明図であり、図６（ａ）は移動前の振動子アレイの回転移動位置を示す説明図、図６（ｂ）は１ピッチ移動後の振動子アレイの回転移動位置を示す説明図、図６（ｃ）は２ピッチ移動後の振動子アレイの回転移動位置を示す説明図、図６（ｄ）は３ピッチ移動後の振動子アレイの回転移動位置を示す説明図、図６（ｅ）は４ピッチ移動後の振動子アレイの回転移動位置を示す説明図、図６（ｆ）は５ピッチ移動後の振動子アレイの回転移動位置を示す説明図、図６（ｇ）は６ピッチ移動後の振動子アレイの回転移動位置を示す説明図、図７は振動子アレイに印加する送信信号を示す説明図であり、図７（ａ）は一番上のエレメントの位置から超音波ビームを形成する際の振動子アレイに印加する送信信号を示す説明図、図７（ｂ）は真ん中のエレメントの位置から超音波ビームを形成する際の振動子アレイに印加する送信信号を示す説明図、図７（ｃ）は一番下のエレメントの位置から超音波ビームを形成する際の振動子アレイに印加する送信信号を示す説明図、図８は図７の振動子アレイで受信したエコー信号を入力される受信回路の動作を示す説明図、図９は隣合う音線に対しても走査する際の振動子アレイに印加する送信信号を示す説明図であり、図９（ａ）は３方向に超音波ビームを走査する際の送信信号を示す説明図、図９（ｂ）は同図（ａ）の送信信号をエレメント毎に合成した際の送信信号を示す説明図、図１０は図９の送信信号による振動子アレイで受信したエコー信号を入力される受信回路の動作を示す説明図、図１１は各音線毎に周波数を異ならせた際の振動子アレイに印加する送信信号を示す説明図であり、図１１（ａ）は３方向に超音波ビームを走査する際の送信信号を示す説明図、図１１（ｂ）は同図（ａ）の送信信号をエレメント毎に合成した際の送信信号を示す説明図、図１２は図１１の送信信号による振動子アレイで受信したエコー信号を入力される受信回路の動作を示す説明図、図１３はコード化送信（チャープ送信）を行う際の送受信信号の波形を示すグラフであり、図１３（ａ）は送信信号の波形を示すグラフ、図１３（ｂ）は受信信号（近距離（近点））の波形を示すグラフ、図１３（ｃ）は受信信号（遠距離（遠点））の波形を示すグラフ、図１３（ｄ）は同図（ａ）の送信波形の瞬時周波数を示すグラフ、図１３（ｅ）は同図（ｂ）の受信信号（近距離（近点））のフィルタリング後の波形を示すグラフ、図１３（ｆ）は同図（ｃ）の受信信号（遠距離（遠点））のフィルタリング後の波形を示すグラフである。
【００１７】
図１に示すように本発明の１実施の形態の超音波診断装置１は、被検体内に挿入され、超音波の送受を行う超音波プローブ（超音波探触子とも言う）２と、この超音波プローブ２が着脱自在に接続され、超音波画像を構築する処理を行う超音波観測装置３と、この超音波観測装置３から出力される映像信号が入力されることにより超音波画像を表示するＣＲＴや液晶モニタなどの表示装置であるモニタ４と、超音波観測装置３に対する設定指示等を行う操作設定部５とから構成される。
【００１８】
超音波プローブ２は、被検体内等に挿入し易いように細長に形成した挿入部６と、この挿入部６の後端に設けた操作部（把持部）７とを有し、挿入部６の先端部８には超音波振動子として後述するように複数の振動子エレメント（以下、単にエレメント）で形成した超音波振動子アレイ（以下、振動子アレイ）９が内蔵されている。
超音波プローブ２は、挿入部６内を挿通したフレキシブルシャフト１１の先端側に振動子アレイ９が取り付けられている。フレキシブルシャフト１１は、この後端が操作部７に設けた回動駆動部１２に接続されている。
【００１９】
回動駆動部１２は、振動子アレイ９を機械的に回転させる図示しないモータを有し、フレキシブルシャフト１１を回転させることで振動子アレイ９を回動駆動する。
また、超音波プローブ２は、挿入部先端部８付近において、フレキシブルシャフト１１の軸受け１３で回転自在に支持された硬質のシャフト１４を介して振動子アレイ９に接続されている。
【００２０】
尚、超音波プローブ２は、挿入部先端部８が超音波を透過する音響キャップ１５で覆われている。そして、振動子アレイ９の周囲は、超音波を伝達（伝播）する図示しない超音波伝播媒体で満たされている。尚、軸受け１３は、超音波伝播媒体を音響キャップ１５から後方側に漏れるのを防止するシール機能も有する。
超音波プローブ２は、フレキシブルシャフト１１内部を挿通する信号線を介して振動子アレイ９が超音波観測装置３に電気的に接続されている。
【００２１】
図２に示すように超音波プローブ２は、このプローブの種類を判定するためのコード情報を記憶したコード発生回路２１を有している。そして、超音波プローブ２が超音波観測装置３に接続された際に、コード発生回路２１は、そのコード情報を超音波観測装置３に出力するようになっている。
【００２２】
そして、超音波プローブ２は、超音波観測装置３からのパルス状の送信信号を出力されると、この送信信号をリニアアンプ等の信号増幅回路２２で線形増幅し、スリップリング等の信号伝達部２３で振動子アレイ９に伝達される。そして、超音波プローブ２は、振動子アレイ９で発生する超音波を被検体側に送信し、被検体側で反射された反射超音波を受信して超音波エコー信号（以下、エコー信号）に変換し、このエコー信号を信号伝達部２３で受信して信号増幅回路２２で線形増幅し、超音波観測装置３に出力するようになっている。
【００２３】
また、超音波プローブ２は、回動駆動部１２内のモータの回転角度を検出するエンコーダ等の回転位置検出部２４で回転角度をセンシングし、駆動制御回路２５に出力するようになっている。
駆動制御回路２５は、回転位置検出部２４からのセンシング信号により、回動駆動部１２の回転速度を一定に保つように、フィードバック制御する、所謂、サーボ回路を構成している。駆動制御回路２５は、同時に超音波観測装置３の後述する制御部３２に回転位置検出部２４からのセンシング信号を出力するようになっている。
【００２４】
超音波観測装置３は、超音波プローブ２のコード発生回路２１から出力されるコード情報に基づき、プローブの種類を判別するコード判別回路３１と、このコード判別回路３１で判別した結果に基づき、装置全体を制御する制御部３２を有して構成される。
超音波観測装置３の制御部３２は、超音波プローブ２の回転位置検出部２４からのセンシング信号に同期してタイミング信号を発生するようにタイミング信号発生回路（以下、ＴＧ）３３を制御する。そして、ＴＧ３３からのタイミング信号に基づき、送信回路３４は、パルス状の送信信号を振動子アレイ９の各エレメントに送信する。
【００２５】
そして、振動子アレイ９の各エレメントからのエコー信号を受信した受信回路３５は、ＴＧ３３からのタイミング信号に基づいてエコー信号を合成し、この合成信号をデジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣと略記）３６に出力する。
ＤＳＣ３６は、スキャンコンバート（放射状の走査から所望のテレビジョン方式の画像信号に変換）してモニタ４に出力し、このモニタ４の表示画面に超音波画像を表示させる。尚、超音波観測装置３は、操作設定部５の操作によって、振動子アレイ９におけるフォーカスポイントの設定をユーザが自在にコントロール可能となっている。
【００２６】
本実施の形態では、振動子アレイ９は、例えば、図３に示すように回転方向に対して３つの振動子エレメント９ａ〜９ｃで３分割に形成されている。この振動子アレイ９は、回転軸方向に対してアレイ形状に形成されているので、回転させることにより、後述するように同一音線を複数回送受信できるようになっている。
【００２７】
振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃは、それぞれ挿入軸方向に対して厚みが不均一になるようにプラノコンケーブ（平凹）形状に形成されている。このプラノコンケーブ（平凹）形状は、図４（ａ）に示すように挿入軸方向の中心位置近辺が相対的に薄く、端辺が相対的に厚くなっている。
ここで、従来の超音波振動子１０１は、図４（ｂ）に示すように挿入軸方向に対し、均一の振動子であるため、近距離（近点）での開口面積が大きくなってしまう。
【００２８】
ここで、従来の超音波プローブを図１４及び図１５に示す。
図１４は、従来の超音波プローブの先端側を示す断面図、図１５は図１４の超音波振動子の超音波指向性（ビームプロファイル）を示し、図１５(ａ）は超音波プローブの回転方向に対する超音波指向性（ビームプロファイル）を示す説明図、図１５(ｂ）は超音波プローブの挿入軸方向に対する超音波指向性（ビームプロファイル）を示す説明図である。
【００２９】
図１４に示すように従来の超音波プローブ１００は、超音波を透過する略円筒状の音響キャップ１００ａ内に単一の超音波振動子１０１が配設されている。この音響キャップ１００ａは、超音波振動子１０１の周囲を例えば水等の超音波伝播媒体で充填されている。
【００３０】
そして、超音波振動子１０１は、超音波観測装置（不図示）からの送信信号により図に示す通り円周方向に超音波ビームを送受信するようになっている。
【００３１】
そして、超音波診断装置は、超音波振動子で受信した例えば、１周０〜５１１までの５１２音線データを取得し、超音波観測装置により超音波画像を得るようになっている。
【００３２】
ここで、超音波振動子は、超音波指向性（ビームプロファイル）が図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示すようになっている。
図１５（ａ）に示すように超音波振動子は、回転方向に対する超音波指向性（ビームプロファイル）がθ１である。また、図１５（ｂ）に示すように超音波振動子は、挿入軸方向に対する超音波指向性（ビームプロファイル）がθ２である。
【００３３】
この超音波ビームの広がり角度θ１，θ２は、次式のようになる。
θ１，θ２＝Ｃ／（ｆ×ｄ）…（１）
Ｃ：音速、ｆ＝駆動周波数、ｄ＝開口幅
ここで、超音波振動子は、外形を例えば、２ｍｍ（回転方向）×４（挿入方向）ｍｍとする。
【００３４】
また、深達度を向上させるために、超音波振動子の駆動周波数を５ＭＨｚと設定した場合、振動子での回転方向の広がり角度θ１は、
θ１＝１５３０ｍ／ｓ ／ （５ＭＨｚ・２ｍｍ）
＝８．８度
となる。
但し、水中での音速は１５３０ｍ／ｓとする。
【００３５】
そして、超音波画像を構成するラジアル方向の音線数を５１２本とした場合の走査線の角度は、
θｒ＝３６０° ／５１２
＝０．７度
となる。
【００３６】
すると、超音波ビームは、近距離（近点）では問題なく収束するが、遠距離（遠点）では発散してしまう。
このため、従来の超音波診断装置は、単一の超音波振動子を用いる場合、広がり角度θを小さくする必要がある。
【００３７】
従って、従来の超音波診断装置は、単一の超音波振動子を用いる場合、広がり角度θを小さくするため、駆動周波数ｆを大きくするか、開口幅ｄを大きくする必要がある。
しかしながら、超音波診断装置は、超音波プローブを用いる場合、診断可能な深達度の達成や内視鏡の処置具挿通用チャネル径に挿入可能なチャネル径に形成するために限界がある。
【００３８】
一般に、超音波プローブ２は、挿入軸方向に関しては、回転軸方向より自由度が高く、ある程度長さを取ることが可能である。
ここで、挿入軸方向の振動子長を約６ｍｍとする。開口径６ｍｍ、周波数５ＭＨｚとすると、広がり角θ１は、上述した式（１）により、θ１＝２．９度となる。これは、超音波内視鏡の広がり角度とほぼ同じであり、遠方でのビームの広がりを許容できる。
【００３９】
しかしながら、開口が６ｍｍと大きくなると、従来の超音波振動子１０１は、近距離（近点）での超音波ビームの形状が広がり、超音波プローブの近距離（近点）分解能の良さが欠如してしまう。
このため、本実施の形態の振動子アレイ９は、超音波プローブ２の挿入軸方向に対して、各エレメント９ａ〜９ｃの厚みが不均一になるプラノコンケーブ形状を採用している。
【００４０】
このことにより、振動子アレイ９は、各エレメント９ａ〜９ｃの挿入軸方向の厚みが部分的に異なるので、それぞれの共振周波数が異なるように形成できる。そして、振動子アレイ９は、送信時広帯域周波数で送信し、受信時に周波数的に重み付けを行うことで、受信開口を可変し、近距離（近点）から遠距離（遠点）まで細いビーム形状により走査可能となる。
このため、振動子アレイ９は、近距離（近点）では、高い周波数で受信し、遠距離（遠点）では、低い周波数で受信することで、振動子開口を近距離（近点）では小さく、遠距離（遠点）では大きくすることが可能となる。
【００４１】
従って、超音波観測装置３は、回転軸方向に対して振動子アレイ９の実質開口を拡大可能であり、且つ受信回路３５での後述するフィルタ処理を各エレメント９ａ〜９ｃのプラノコンケーブ（平凹）形状に合わせることにより、振動子アレイ９の開口を挿入軸方向に対して可変可能となっている。
【００４２】
そして、本実施の形態では、後述するように送信回路３４は１音線に対して複数回の超音波送信を行うように振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃに対してそれぞれ送信信号を出力するようになっていると共に、受信回路３５は振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃで受信して得た、１音線に対する複数回の超音波送信による被検体からのエコー信号を合成するようになっている。
【００４３】
図５に示すように受信回路３５は、受信したエコー信号を周波数分離して所望の周波数のエコー信号を取り出すＢＰＦ（ Band Pass Filter ）回路４１と、このＢＰＦ回路４１で分離されたエコー信号を図示しないＡ／ＤコンバータでＡ／Ｄ変換後、ダイナミックフォーカスするために遅延するＤＬ（ Delay Line ）４２と、このＤＬ４２で遅延されたエコー信号を合成加算する加算器４３と、この加算器４３で合成した信号を周波数毎に選択するセレクタ４４と、このセレクタ４４で選択された信号を周波数毎に重み付けするＷｅｉｇｈｔ回路４５と、このＷｅｉｇｈｔ回路４５で重み付けされた信号を一時、格納保持するＳＬＭ（ Sub Line Memory ）４６と、このＳＬＭ４６で把持された信号を周波数毎に合成加算する加算器４７と、この加算器４７で合成した信号を各エレメント９ａ〜９ｃ毎に選択するセレクタ４８と、このセレクタ４８で選択された信号を音線毎に格納するＬＭ（ Line Memory ）４９とで構成されている。
【００４４】
また、振動子アレイ９は、図６（ａ）〜図６（ｇ）に示すように回転方向のビーム開口を広げるようになっている。図６（ａ）〜図６（ｇ）は、振動子アレイ９が少しずつ５１２分割の角度で回転し、移動している様子を示す。説明を単純化するために、振動子アレイ９のピッチと、機械的な回転のラジアルピッチをｄとし同一にする。
【００４５】
そして、振動子アレイ９は、図６（ｃ）の位置で両端のエレメント９ａ，９ｃを同位相に制御すれば、図６（ｃ）のエレメント９ｂの位置に超音波ビームが形成されるようになっている。この図６（ｃ）の状態で、実線矢印位置に超音波ビームを形成するためには、各エレメント９ａ〜９ｃの位相をコントロールする必要がある。尚、位相のコントロール方法については、後述する。
【００４６】
図６（ｃ）の位置で、振動子アレイ９は、先ず位相制御され、実線矢印位置に超音波ビームを形成する。そして、図６（ｄ）の位置で、振動子アレイ９は、アレイの中心位置（実線矢印）に位相制御されて、超音波ビームを形成する。
また、次の図６（e）の位置で、振動子アレイ９は、アレイの中心位置（実線矢印）に位相制御されて、超音波ビームを形成する。
【００４７】
このように振動子アレイ９は、図６（ｃ）〜図６（ｅ）までの間で実線矢印で示すように、図６（ｃ）ではエレメント９ａの位置で、図６（ｄ）ではエレメント９ｂの位置で、図６（ｅ）ではエレメント９ｃの位置で、同一音線上に３本の超音波ビームを形成するようになっている。一点鎖線及び点線の矢印も、実線矢印の場合と同等の関係を示している。
尚、これら超音波ビームの合成方法は後述するが、上記同一音線データを合成することにより、振動子アレイ９の移動を含めた開口幅（開口とも言う）をＤ１の大きさに拡大できる。
本実施の形態では、上記のように振動子アレイ９をメカニカルに回転移動させることで、３つのエレメントの場合の開口Ｄからより大きい開口Ｄ１に拡大可能となっている。
【００４８】
次に、実際に上記における超音波ビームの広がり角度を比較する。
振動子アレイ９の開口Ｄを２ｍｍ、送信周波数を５ＭＨｚとした場合、広がり角度θｄは、
θｄ＝音速／（周波数・開口）＝８．８度
となる。
【００４９】
ここで、開口がＤからＤ１に拡大されると、実施開口は１．６７倍に拡大される。よって、開口Ｄ１時の超音波ビームの広がり角度θｄｌは、５．３度と開口の拡大に応じて、広がり角度が縮小される。
そして、上記音線位置に超音波ビームを形成するために、各エレメント９ａ〜９ｃに対する送信信号のタイミングを図示したようにコントロールする必要がある。
【００５０】
次に、図７を用いて、振動子アレイ９に印加する送信信号の位相制御について説明する。図７（ａ）〜図７（ｃ）は、振動子アレイ９に印加する送信信号を示す。
これら図７（ａ）〜図７（ｃ）は、図６（ｂ）〜図６（ｄ）の一点鎖線矢印方向に超音波ビームを形成する方法を示しており、一点鎖線矢印の同一ライン上において、図７（ａ）は図６（ｂ）に対応し、図７（ｂ）は図６（ｃ）に対応し、図７（ｃ）は、図６（ｄ）に対応している。
【００５１】
図７（ａ）に示すように振動子アレイ９は、送信回路３４からの送信信号を一番下のエレメント９ｃに比べて一周期遅れで真ん中のエレメント９ｂに送信し、且つ真ん中のエレメント９ｂに比べて二周期遅れで一番上のエレメント９ａに送信することで、一番上のエレメント９ａの位置から超音波ビームを形成するようになっている。
【００５２】
また、図７（ｂ）に示すように振動子アレイ９は、送信回路３４からの送信信号を両端のエレメントと同じ周期で、且つこれら両端のエレメントに比べて一周期遅れで真ん中のエレメント９ｂに送信することで、真ん中のエレメント９ｂの位置から超音波ビームを形成するようになっている。
【００５３】
更に、図７（ｃ）に示すように振動子アレイ９は、送信回路３４からの送信信号を一番上のエレメント９ａに比べて一周期遅れで真ん中のエレメント９ｂに送信し、且つ真ん中のエレメント９ｂに比べて二周期遅れで一番下のエレメント９ｃに送信することで、一番下のエレメント９ｃの位置から超音波ビームを形成するようになっている。
【００５４】
そして、送信回路３４は、図６（ａ）の走査位置（回転位置）から図６（ｂ）の走査位置（回転位置）に振動子アレイ９が物理的に移動した際に、図７（ａ）に示すように位相制御して超音波ビームの送受信制御を行うようになっている。
【００５５】
また、送信回路３４は、図６（ｂ）の走査位置（回転位置）から図６（ｃ）の走査位置（回転位置）に振動子アレイ９が物理的に移動した際に、図６（ｂ）と図６（ｃ）とで作る音線位置が同一になったとき、図７（ｂ）に示すように位相制御して超音波ビームの送受信制御を行うようになっている。
【００５６】
更に、送信回路３４は、図６（ｃ）の走査位置（回転位置）から図６（ｄ）の走査位置（回転位置）に振動子アレイ９が物理的に移動した際に、図６（ｂ）と図６（ｃ）と図６（ｄ）とで作る音線位置が同一になったとき、図７（ｃ）に示すように位相制御して超音波ビームの送受信制御を行うようになっている。
【００５７】
そして、超音波診断装置１は、上述したように送信回路３４が振動子アレイ９に印加する送信信号を位相制御することで、図７（ａ）〜図７（ｃ）の動作により、振動子アレイ９が１音線に対して超音波ビームを送信する。そして、超音波診断装置１は、被検体から反射してきたそれぞれの超音波ビームを振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃで受信して１音線に対するエコー信号を得るようになっている。
そして、超音波診断装置１は、１音線に対する３つの超音波ビームのそれぞれに対して得たエコー信号を受信回路３５で合成するようになっている。
【００５８】
次に、図８を用いて、１音線に対するエコー信号の合成方法について説明する。図８は、受信回路３５の１音線に対する合成動作を説明するための概略説明図である。
図８に示すように受信回路３５は、先ず、１音線に対する１番目の走査位置（回転位置）において、振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃで受信して得たエコー信号をそれぞれＡ／Ｄ変換してＤＬ４２（ＤＬ0〜ＤＬ2）に入力する。ＤＬ４２（ＤＬ0〜ＤＬ2）では、時間に応じて位相制御して遅延し、次段の加算器４３でこれら各エレメント９ａ〜９ｃからのエコー信号を合成加算する。そして、合成されたエコー信号は、セレクタ４４で選択されてＳＬＭ0４６に一時、格納保持される。
【００５９】
同様に、受信回路３５は、１音線に対する２番目の走査位置（回転位置）において、振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃで受信して得たエコー信号をＡ／Ｄ変換後、ＤＬ４２（ＤＬ0〜ＤＬ2）で遅延して次段の加算器４３で合成加算し、セレクタ４４で選択してＳＬＭ1４６に一時、格納保持する。
【００６０】
同様に、受信回路３５は、１音線に対する３番目の走査位置（回転位置）におおいて、振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃで受信して得たエコー信号をＡ／Ｄ変換後、ＤＬ４２（ＤＬ0〜ＤＬ2）で遅延して次段の加算器４３で合成加算し、セレクタ４４で選択してＳＬＭ2４６に一時、格納保持する。
【００６１】
そして、これらＳＬＭ４６（ＳＬＭ0〜ＳＬＭ2）に格納保持された上記時分割され、同一音線にて受信されたエコー信号を次段の加算器４７で合成加算することで、受信回路３５は１音線に対するエコー信号を得るようになっている。そして、受信回路３５は、合成した１音線分のエコー信号をＬＭ４９に格納する。
【００６２】
このように超音波観測装置３は、振動子アレイ９を物理的に移動させ、時分割になっている同一音線上のデータを加算合成して、１音線データを生成するようになっている。このことにより、超音波観測装置３は、振動子アレイ９の実質開口を拡大することが可能となる。
尚、上記図８までは、１音線に特化して説明したが、実際には隣合う音線に対しても走査する必要がある。
【００６３】
次に、図９及び図１０を参照して、実際での走査方法を説明する。
図９（ａ）に示すように振動子アレイ９は、一点鎖線、実線、点線矢印の３方向に超音波ビームを走査する。
点線矢印に超音波ビームを発生させる場合、送信回路３４は、一点鎖線のタイミングで振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃに送信信号を印加する必要がある。
【００６４】
同時に、実線の超音波ビームを発生させる場合、送信回路３４は、実線で示すタイミングで送信信号を印加する。また、点線の矢印方向に超音波ビームを発生させる場合、送信回路３４は、点線で示すタイミングで送信信号を印加する。
尚、フレームレートを遅くして良い場合には、送信回路３４は、図９（ｂ）に示すように３音線を形成して同時に多方向へ超音波ビームを生成するようにそれぞれの送信信号を合成して振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃに印加すれば良い。
【００６５】
そして、受信回路３５は、図１０に示すように一点鎖線、実線、点線矢印の３方向に１音線に対する３つの超音波ビームのそれぞれに対して得たエコー信号を合成するようになっている。
尚、これら一点鎖線、実線、点線矢印の３方向からのエコー信号の合成は、ＬＭ４９（ＬＭ0〜ＬＭ2）へ入力される際にセレクタ４８で入力方向を選択される以外は、上述した図８とほぼ同様な動作であるので説明を省略する。
【００６６】
次に、図１１及び図１２を用いて、同時多方向へ超音波ビームを送受信する方法を説明する。尚、この場合、基本的には図９及び図１０と同じであるが、合成送信信号による合成受信信号を分離するために、各音線毎に周波数を異ならせ、受信時に周波数を分離することにより、同時送信可能とする。
【００６７】
図１１（ａ）に示すように振動子アレイ９は、周波数５ＭＨｚで生成された一点鎖線の送信信号が送信回路３４から入力されて各エレメント９ａ〜９ｃを駆動され、一点鎖線矢印方向へ超音波ビームを形成するようになっている。
また、振動子アレイ９は、周波数１０ＭＨｚで生成された実線の送信信号が送信回路３４から入力されて各エレメント９ａ〜９ｃを駆動され、実線矢印方向へ超音波ビームを形成するようになっている。
【００６８】
更に、振動子アレイ９は、周波数７．５ＭＨｚで生成された点線の送信信号が送信回路３４から入力されて各エレメント９ａ〜９ｃを駆動され、点線矢印方向へ超音波ビームを形成するようになっている。
そして、送信回路３４は、上記一点鎖線、実線、点線矢印の送信信号を図１１（ｂ）に示すように合成し、この合成送信信号を振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃに出力して振動子アレイ９を駆動するようになっている。
【００６９】
以上のように、合成された送信信号は、複数の音線を形成する。
図１１に示すように受信回路３５は、振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃで受信して得たエコー信号をそれぞれＢＰＦ回路４１により周波数分離を行い、所望の周波数をとり出す。
【００７０】
ここで、一点鎖線の音線を合成するには、５ＭＨｚの周波数成分を取り出し、ＤＬ４２（ＤＬ0〜ＤＬ2）により受信してダイナミックフォーカスを行う。
そして、５ＭＨｚのみを取り出して合成加算した受信信号は、他の１０，７．５ＭＨｚ成分が取り除かれ、指向特性が改善されてＳ／Ｎの良い信号となる。
【００７１】
尚、図示はしないが、合成受信信号を分離する方法として、合成送信信号をコード化して送信を行っても良い。この場合、周波数分離時に周波数を変更したのと同様にコードを変更する必要がある。また、受信時には、畳み込みを行うために、送信時のコードで畳み込み処理を行う。上記のようにコード化された信号は、Ｓ／Ｎ良く復調され、ＤＬ４２にて位相整合されるようになっている。
【００７２】
加算合成されたエコー信号は、セレクタ４４によりＳＬＭ0４６が選択される。ＳＬＭ0４６の前段には、Ｗｅｉｇｈｔ回路４５が設けられ、重み付けがされる。本実施の形態では、重み付けは、例えば時間的に増幅率の係数が変化するように設定されている。
Ｗｅｉｇｈｔ回路４５により、例えば、時間的に早い段階では、１０ＭＨｚの信号に重きが置かれ、時間の経過と共に、７．５ＭＨｚ、１０ＭＨｚと重み付けが変化するようになっている。
【００７３】
このように重み付けの変化を持たせるために、セレクタ４４では、以下のような選択処理が施される。
・５ＭＨｚ（振動子端部音線）→時間経過と共に、重み付けは大きくなる。→ＳＬＭ0４６を選択する。
・１０ＭＨｚ（振動子中央音線 振動子移動時、次の音線）→時間経過と共に重み付けは減少→ＳＬＭ2４６を選択する。
・７．５ＭＨｚ（振動子端部音線 振動子移動時、次の次の音線）→時間経過に関わらず重み付けはほぼ一定。→ＳＬＭ1４６を選択する。
【００７４】
上記のようにＷｅｉｇｈｔ回路４５で重み付けされたエコー信号は、セレクタ４４によりＳＬＭ４６（ＳＬＭ0〜ＳＬＭ2）のどれかにそれぞれ選択され、振動子アレイ９の移動と共にデータが格納される。
そして、受信回路３５は、ＳＬＭ４６（ＳＬＭ0〜ＳＬＭ2）までにデータを格納した時点で、これらデータを次段の加算器４７で合成し、（セレクタ４８で選択して）ＬＭ2４９に格納する。
【００７５】
次に、振動子アレイ９は、メカニカル機構により物理的位置が移動され、次の音線上に位置される。次の音線上に位置された場合でも、振動子アレイ９は、位相制御され、前と同じ音線（同一音線）上を走査する。そして、振動子アレイ９は、１音線に対してそれぞれ３回同じ音線を走査し、３データをＳＬＭ０〜２に格納する。そして、受信回路３５は、振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃで受信した３音線データを、ＳＬＭ４６（ＳＬＭ0〜ＳＬＭ2）に格納する。ＳＬＭ４６（ＳＬＭ0〜ＳＬＭ2）にデータが全て格納されると、受信回路３５は、各ＳＬＭ４６（ＳＬＭ0〜ＳＬＭ2）からのデータを合成し、（セレクタ４８で選択して）ＬＭ1４９に合成データを格納する。
【００７６】
同様に、振動子アレイ９は、メカニカル機構により物理的位置が移動され、３番目の音線上に位置され、前と同じ音線（同一音線）上を走査する。そして、振動子アレイ９は、それぞれ３回同じ音線を走査する。そして、受信回路３５は、振動子アレイ９の各エレメント９ａ〜９ｃで受信した３音線データを、ＳＬＭ４６（ＳＬＭ0〜ＳＬＭ2）に格納する。ＳＬＭ４６（ＳＬＭ0〜ＳＬＭ2）にデータが全て格納されると、受信回路３５は、各ＳＬＭ４６（ＳＬＭ0〜ＳＬＭ2）からのデータを合成し、（セレクタ４８で選択して）ＬＭ0４９に合成データを格納する。
【００７７】
そして、受信回路３５は、ＬＭ４９（ＬＭ0〜ＬＭ2）に格納されたデータを１フレーム分蓄えて保持し、ＤＳＣ３６へ出力する。
ＤＳＣ３６は、受信回路３５からの１フレーム分のエコー信号をスキャンコンバート（放射状の走査から所望のテレビジョン方式の画像信号に変換）してモニタ４に出力する。モニタ４は、スキャンコンバートされたデータを表示処理して表示画面に超音波画像を表示する。
【００７８】
尚、送信回路３４は、上述したように周波数分離の他に、コード化送信（チャープ波送信含む）を行うことにより、単一方向のみならず、多方向に同時送信可能な構成となっている。
従来の一般的な送信信号は単一周波数であり、この単一周波数を送受信して画像形成している。
【００７９】
送信回路３４は、コード化送信として例えば、図１３（ａ）に示すようなチャープ送信を行っている。チャープ送信は、所定帯域を有する周波数を時間と共に遷移させた送信信号であり、例えば、送信開始時は周波数が低く、送信終了時は周波数が高くなっている。尚、図１３（ｄ）は、図１３図（ａ）の送信信号の瞬時周波数を示している。
【００８０】
この場合、受信回路３５は、近距離（近点）では図１３（ｂ）に示すように受信し、遠距離（遠点）では図１３（ｃ）に示すように受信している。
そして、受信回路３５は、図１３（ａ）の送信信号と同じ形の参照波形を用いて受信信号の参照波との一致性を演算（コンボリューション）処理してフィルタリングし、近距離（近点）では図１３（ｅ）に示すように受信信号を得、遠距離（遠点）では図１３（ｆ）に示すように受信信号を得る。
これにより、超音波診断装置１は、時間的に長い信号でも分解能良い超音波画像を得られる。
【００８１】
尚、本実施の形態では、受信回路３５は、同一音線データを複数回取得し、合成加算可能な構成とし、振動子アレイ９の回転方向開口を実質より拡大可能として遠距離（遠点）での超音波ビームの方位分解能を改善するように構成しているが、本発明はこれに限定されず、送信回路３４で送信信号の周波数をＢＰＦ回路４１により分離するようにし、分離した音線データを時間軸をパラメータとして重み付け、加算し近距離（近点）から遠距離（遠点）までの超音波ビームの特性を改善するように構成しても良い。この場合、受信回路３５は、コード化送信による、各音線毎のデータの分離において、畳み込みによりデータ圧縮して、位相整合、加算合成を行う。
【００８２】
また、本実施の形態では、簡単化のために振動子アレイ９のピッチと、メカニカルな回転移動量とを同じにしたが、これらが決して同じ必要はなく、エンコーダ信号及び、既知の振動子形状から音線合成することは簡単である。
この場合、回動駆動部１２は、ステップ動作のモータが好ましく、一定位置に振動子アレイ９を保持することが可能であれば、決して同時送信する必要はない。
【００８３】
この結果、本実施の形態の超音波診断装置１は、プローブの回転軸方向に対して、振動子開口の拡大ができ、遠距離（遠点）方向の分解能の向上が可能となる。また、本実施の形態の超音波診断装置１は、プローブの挿入軸方向に対して、振動子開口の可変可能で、感度向上のため長径拡大しても、近距離（近点）分解能の向上が図れる。
これにより、本実施の形態の超音波診断装置１は、開口面積が制限されている超音波プローブを用いる場合においても、深達度の向上及び遠点方向の分解能の向上が可能となる。
【００８４】
尚、本実施の形態では、３つの振動子エレメント９ａ〜９ｃで３分割に形成されている振動子アレイ９を用いて構成しているが、本発明はこれに限定されず、３つ以上の振動子エレメントで振動子アレイを形成しても構わない。
また、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
【００８５】
［付記］
（付記項１） 複数の振動子エレメントで形成した超音波振動子アレイと、
前記超音波振動子アレイを回動駆動する回動駆動部と、
前記回動駆動部による回転角度に同期してタイミング信号を発生するタイミング信号発生回路と、
前記タイミング信号発生回路で発生したタイミング信号に基づき、１音線に対して複数回の超音波送信を行うように前記超音波振動子アレイの各振動子エレメントに対してそれぞれ送信信号を出力する送信回路と、
前記超音波振動子アレイの各振動子エレメントで受信して得た被検体からのエコー信号を前記タイミング信号発生回路で発生したタイミング信号に基づいて合成する受信回路と、
を具備し、前記超音波振動子アレイの実質開口を拡大可能に構成したことを特徴とする超音波診断装置。
【００８６】
（付記項２） 前記超音波振動子アレイの各振動子エレメントは、プラノコンケーブ形状を有することを特徴とする付記項１に記載の超音波診断装置。
【００８７】
（付記項３） 複数の振動子エレメントが順次並べられた超音波振動子アレイと、
前記超音波振動子アレイを回転駆動して生成される各音線毎に所定のタイミングで複数回の超音波の送信を行う送信回路と、
前記送信回路により複数回送信のなされた前記音線の超音波エコー信号を前記タイミングに基づいて前記超音波振動子アレイの開口に対して実質開口を拡大可能に合成する受信回路と、
を具備したことを特徴とする超音波診断装置。
【００８８】
（付記項４） 前記超音波振動子アレイの各振動子エレメントは、プラノコンケーブ形状を有することを特徴とする付記項１に記載の超音波診断装置。
【００８９】
（付記項５） 超音波プローブと、
複数のエレメントにより構成した超音波振動子アレイと、
前記超音波振動子アレイを回転させる駆動部と、
回転角度に同期するタイミング信号発生回路と、
前記タイミング信号発生回路により、１音線に対して複数回送信を行う送信回路と、
前記複数回送信を行った音線からのエコーを合成する受信回路と、
を具備し、
前記超音波振動子アレイの開口より実質開口を拡大可能としたことを特徴とする超音波診断装置。
【００９０】
（付記項６） 前記超音波振動子アレイに対し送信を行う送信タイミングは、複数のエレメントに対し、て同時に送信することを特徴とする付記項５に記載の超音波診断装置。
【００９１】
（付記項７） 前記超音波アレイの各振動子エレメントは、厚みが不均一であるプラノコンケーブ形状を有することを特徴とする付記項５に記載の超音波診断装置。
【００９２】
（付記項８） 前記送信回路は、任意周波数選択可能であり、
前記プラノコンケーブ形状を持つ超音波振動子アレイに対して可変開口可能な構造とする付記項７に記載の超音波診断装置。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、開口面積が制限されている超音波プローブを用いる場合においても、深達度の向上及び遠点方向の分解能の向上が可能な超音波診断装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態の超音波診断装置を示す全体構成図
【図２】図１の超音波プローブ及び超音波観測装置の回路構成を示す回路ブロック図
【図３】図２の振動子アレイを示す外観斜視図
【図４】従来の超音波振動子及び図３の振動子アレイの広がり角を示す説明図
【図５】図２の送信回路の回路構成を示す回路ブロック図
【図６】振動子アレイの回転移動位置を示す説明図
【図７】振動子アレイに印加する送信信号を示す説明図
【図８】図７の振動子アレイで受信したエコー信号を入力される受信回路の動作を示す説明図
【図９】隣合う音線に対しても走査する際の振動子アレイに印加する送信信号を示す説明図
【図１０】図９の送信信号による振動子アレイで受信したエコー信号を入力される受信回路の動作を示す説明図
【図１１】各音線毎に周波数を異ならせた際の振動子アレイに印加する送信信号を示す説明図
【図１２】図１１の送信信号による振動子アレイで受信したエコー信号を入力される受信回路の動作を示す説明図
【図１３】コード化送信（チャープ送信）を行う際の送受信信号の波形を示すグラフ
【図１４】従来の超音波プローブの先端側を示す断面図
【図１５】図１４の超音波振動子の超音波指向性（ビームプロファイル）を示す図
【符号の説明】
１…超音波診断装置
２…超音波プローブ
３…超音波観測装置
４…モニタ
５…操作設定部
９…振動子アレイ（超音波振動子アレイ）
３１…コード判別回路
３２…制御部
３３…ＴＧ（タイミング信号発生回路）
３４…送信回路
３５…受信回路
３６…ＤＳＣ（デジタルスキャンコンバータ）
４１…ＢＰＦ（ Band Pass Filter ）回路
４２…ＤＬ（ Delay Line ）
４３，４７…加算器
４４，４８…セレクタ
４５…Ｗｅｉｇｈｔ回路
４６…ＳＬＭ（ Sub Line Memory ）
４９…ＬＭ（ Line Memory ）

Claims (2)

1. 回転駆動される回転方向に所定のピッチで複数の振動子エレメントを配列して形成し、前記複数の振動子エレメントの配列により前記回転方向に所定の開口幅を有する超音波振動子アレイと、
   前記超音波振動子アレイを回転駆動する回転駆動部と、
   前記超音波振動子アレイを回転駆動した場合における前記回転駆動部による前記所定のピッチに対応する回転角度の移動量に同期してタイミング信号を発生するタイミング信号発生回路と、
   前記タイミング信号発生回路で発生したタイミング信号に基づき、前記回転角度の移動量の複数回分に相当する所定期間における前記回転角度の移動量毎となる複数回のタイミングにおいて、同一の１音線を形成するように前記超音波振動子アレイを形成する前記複数の振動子エレメントそれぞれに、超音波送信させる送信信号を出力する送信回路と、
   前記超音波振動子アレイを形成する前記複数の振動子エレメントによる超音波受信して得た被検体からのエコー信号を前記タイミング信号発生回路で発生したタイミング信号に基づいて合成する場合、前記所定期間における前記同一の１音線を形成するように前記複数回の超音波送信に用いた前記複数の振動子エレメントを用いて受信した前記複数回のエコー信号を、１音線のエコー信号に合成する受信回路と、
   を具備し、前記複数の振動子エレメントを用いて１音線当たりでの超音波送受信に用いた前記超音波アレイによる前記所定の開口幅から、前記所定期間における前記同一の１音線を形成するように前記複数回の超音波送信及び該複数回の超音波送信に対応した前記複数回の超音波受信に用いた前記超音波振動子アレイにおける前記回転方向の開口幅を拡大可能にしたことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記超音波振動子アレイの各振動子エレメントは、プラノコンケーブ形状を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波診断装置。

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