JP4421340B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、２次元アレイプローブを有し、被検体を３次元的に走査する超音波診断装置に関するものである。

従来の超音波診断装置は、図７に示すように、２次元アレイのサブアレイの遅延データを制御する制御回路が、フォーカスデータの増分ｋｘ値を保持するためのシフトレジスタ２５２と、増分ｋｙを保持するためのレジスタ２５４と、初期値レジスタ２５６と、遅延データを提供する２５個の加算素子２６８ｉと、送信トランスデューサと送信回路からなる送信セル２６０ｉ（Ｘを付して示す）と、受信トランスデューサと受信回路からなる受信セル２６４ｉ（Ｒが付される）とで構成されている。なお、便宜上全ての素子の内ｉ番目の素子にだけ符号を付している。

このような構成により、シリアルバスは、初期遅延値を初期値レジスタ２５６へ、増分ｋｘ値をシフトレジスタ２５２へ、増分ｋｙをレジスタ２５４へ提供し、加算素子２６８ｉは、初期遅延値と増分ｋｘ値を増分ｋｙを加算することによって、トランスデューサ素子に対する適切な遅延値を提供している。また、サブアレイの送信トランスデューサと受信トランスデューサは別々にランダムに配列されたランダムインタースパースアレイからなる。（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３３０８７号公報（第１５頁、第２７図）

しかしながら、従来の超音波診断装置においては、サブアレイのサイズが５×５であり、ランダムインタースパースアレイのランダムパターンがトランスデューサ５個毎の周期性を有するため、特にビーム指向性を大きく偏向する場合にはグレーティングローブを発生し、一方、サブアレイのサイズを大きくすると、フォーカスデータが１次関数で近似されているため、曲線状に変化する真のフォーカスデータからの誤差が大きくなる、という問題があった。また、送信のフォーカス位置と受信のフォーカス位置をずらし送信ビーム径を太くすることによる並列受信時の画質調整を行うことが難しい、という問題もあった。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたもので、真のフォーカスデータからの誤差を少なくし、また送信のフォーカス位置と受信のフォーカス位置をずらし送信ビーム径を太くすることによる並列受信時の画質調整ができ、かつグレーティングローブの発生を抑制することができる超音波診断装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明の超音波診断装置は、複数のトランスデューサより構成されたサブアレイが複数個少なくとも２次元に配列されて成り、サブアレイは、送信トランスデューサと受信トランスデューサとが別々にランダムに配列され、ランダムパターンが隣接するサブアレイ毎に異なるランダムインタースパースアレイとして構成された電気音響変換手段と、電気音響変換手段の内部の送信に関する相対のフォーカスデータと、サブアレイの内部の受信に関する相対のフォーカスデータを発生するフォーカスデータ発生部とを備えた構成を有している。

この構成により、真のフォーカスデータからの誤差を少なくし、また送信のフォーカス位置と受信のフォーカス位置をずらし並列受信を容易に行うことができ、かつ小さなサブアレイのサイズでありながらグレーティングローブの発生を抑制することができる。

また、前記の目的を達成するため、本発明の超音波診断装置は、複数のトランスデューサより構成されたサブアレイが複数個少なくとも２次元に配列されて成り、サブアレイは、送信トランスデューサと受信トランスデューサとが別々にランダムに配列され、ランダムパターンが隣接するサブアレイ毎に異なるランダムインタースパースアレイとして構成された電気音響変換手段と、サブアレイの送信に関する基準のフォーカスデータと、サブアレイの内部の送信に関する相対のフォーカスデータと、サブアレイの内部の受信に関する相対のフォーカスデータを発生するフォーカスデータ発生部とを備えた構成を有している。

この構成により、真のフォーカスデータからの誤差を少なくし、また送信のフォーカス位置と受信のフォーカス位置をずらし並列受信を容易に行うことができ、かつ小さなサブアレイのサイズでありながらグレーティングローブの発生を抑制することができる。

さらに、本発明の超音波診断装置は、送信に関するフォーカスデータと受信に関するフォーカスデータを記憶する複数の記憶ブロックと、記憶ブロックの出力データパスに接続され、送信に関するフォーカスデータと受信に関するフォーカスデータの各々に対応したデータ記憶手段とを備えた構成を有している。

この構成により、データ記憶手段へのフォーカスデータの書込みを短時間にできる。

さらに、本発明の超音波診断装置は、超音波エコー信号の受信期間中に、フォーカスデータ発生部から記憶ブロックへ送信に関するフォーカスデータと受信に関するフォーカスデータを転送し、受信期間と送信期間の間の期間に、記憶ブロックからデータ記憶手段へ送信に関するフォーカスデータと受信に関するフォーカスデータを転送する構成を有している。

この構成により、送受信の時間間隔を短くできる。

本発明によれば、真のフォーカスデータからの誤差を少なくし、また送信のフォーカス位置と受信のフォーカス位置をずらし送信ビーム径を太くすることによる並列受信時の画質調整ができ、かつグレーティングローブの発生を抑制することができる超音波診断装置を提供することが可能になる、という格別な効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る超音波診断装置の一構成例を示すブロック図である。

図１において、電気音響変換手段としての２次元アレイ２は、サブアレイＳＡ（１）、サブアレイＳＡ（ｎ）（ｎ＝１〜２５６）を含み、サブアレイを行方向に１６個、列方向に１６個配置する。１個のサブアレイの８個の送信トランスデューサはＸ、８個の受信トランスデューサはＲで示す。サブアレイＳＡ（１）の８個の送信トランスデューサＸには、８個の送信回路Ｐ（１、ｉ）（ｉ＝１〜８）が接続される。サブアレイＳＡ（ｎ）の８個の送信トランスデューサＸには、８個の送信回路Ｐ（ｎ、ｉ）が接続される。サブアレイＳＡ（１）の８個の受信トランスデューサＲには、受信サブビームフォーマＲＢ（１）が接続される。サブアレイＳＡ（ｎ）の８個の受信トランスデューサＲには、受信サブビームフォーマＲＢ（ｎ）が接続される。なお、図１には示されないが、２５６個のサブアレイには２５６個のサブビームフォーマが接続される。

受信サブビームフォーマＲＢ（ｎ）の出力データは、受信メインビームフォーマ４に供給される。フォーカスデータ発生部３の出力データは、データ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）に供給される。データ記憶手段Ｄ（１、ｉ）の出力データは、送信回路Ｐ（１、ｉ）に供給される。データ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）の出力データは、送信回路Ｐ（ｎ、ｉ）に供給される。プローブ１は、２次元アレイ２と、送信回路（ｎ、ｉ）と、データ記憶手段（ｎ、ｉ）と、受信サブビームフォーマＲＢ（ｎ）を含む。メインフレーム５は、フォーカスデータ発生部３と、受信メインビームフォーマ４を含む。

図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、本発明の第１の実施の形態における送信に関するフォーカスデータおよび受信に関するフォーカスデータの発生を説明するための模式図である。

図２Ａにおいて、２次元アレイ２には、基準座標（ＸＴｘ、ＸＴｙ）、および送信フォーカス位置（ＸＦｘ、ＸＦｙ、ＸＦｚ）が与えられる。図２Ｂにおいて、２次元アレイ２には、サブアレイＳＡ（ｎ）の基準座標（ＲＴ（ｎ）ｘ、ＲＴ（ｎ）ｙ）、および受信フォーカス位置（ＲＦｘ、ＲＦｙ、ＲＦｚ）が与えられる。

図３は、本発明の第１の実施の形態におけるデータ記憶手段の接続関係を示すブロック図である。

図３において、図１に示すフォーカスデータ発生部３からの送信フォーカスデータと受信フォーカスデータは、データ記憶手段Ｄ（１、１）に入力される。データ記憶手段Ｄ（１、１）から出力される送信フォーカスデータと受信フォーカスデータは、データ記憶手段Ｄ（１、２）に入力される。また、データ記憶手段Ｄ（１、１）から出力される送信フォーカスデータおよび受信フォーカスデータは、それぞれ、送信回路Ｐ（１、１）および受信サブビームフォーマＲＢ（１）に供給される。また、データ記憶手段Ｄ（１、２）から出力される送信フォーカスデータおよび受信フォーカスデータは、それぞれ、送信回路Ｐ（１、２）および受信サブビームフォーマＲＢ（１）に供給される。データ記憶手段Ｄ（１、１）、Ｄ（１、２）には、クロックが供給される。

図４Ａは、本発明の第１の実施の形態におけるサブアレイのランダムパターンを示す模式図で、図４Ｂは、２次元アレイ２内でのランダムパターンの配置図である。

図４Ａには、２次元アレイ２内で４×４個のトランスデューサからなるサブアレイが４個示されている。それぞれのサブアレイは、送信トランスデューサＸと受信トランスデューサＲに分かれたインタースパースアレイであり。送信トランスデューサＸと受信トランスデューサＲの配置を示すランダムパターンは上下左右の並行移動に関して重なることが無い。各ランダムパターンをＲＰ１１、ＲＰ１２、ＲＰ２１、ＲＰ２２で示す。図４Ｂには、２次元アレイ２のサブアレイのランダムパターンＲＰ１１、ＲＰ１２、ＲＰ２１、ＲＰ２２の配列の状態を示す。

次に、以上のように構成された超音波診断装置の動作について、図１、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４Ａ、および図４Ｂを参照して説明する。

まず、図１に示すフォーカスデータ発生部３においては、送信トランスデューサ用のフォーカスデータおよび受信トランスデューサ用のフォーカスデータが、それぞれ、図２Ａおよび図２Ｂに示す座標関係で計算される。図２Ａにおいて、送信フォーカス位置と２次元アレイ２の基準座標との間の距離と、送信フォーカス位置と送信の各トランスデューサの座標との間の距離との差が求められ、この差にはあるバイアス値ＴＢが加えられすべて正の値となるようにされた後、被検媒体の音速で除することにより、２次元アレイ２内の送信に関する相対のフォーカスデータとして求められる。また、図２Ｂにおいて、受信フォーカス位置とサブアレイＳＡ（ｎ）の基準座標との間の距離と、受信フォーカス位置とサブアレイＳＡ（ｎ）内の受信の各トランスデューサの座標との間の距離との差が求められ、この差にはあるバイアス値ＲＳＢが加えられすべて正の値となるようにされた後、媒体の音速で除することにより、サブアレイ内の受信に関する相対のフォーカスデータとして求められる。

送信フォーカス位置を関心領域（ＲＯＩ）より遠方に設定し、受信フォーカス位置を関心領域内に設定することが出来る。この場合、関心領域内において、送信のビーム径は受信のビーム径より太く、送信のビーム径内に複数の受信ビーム形を形成する並列受信が容易に行える。フォーカスデータ発生部３で発生した送信と受信のフォーカスデータは、図３に示すように、クロックに同期してデータ記憶手段Ｄ（１、１）に書き込まれる。データ記憶手段Ｄ（１、１）の出力データは、次のクロックの立ち上り（または、立ち下り）でデータ記憶手段Ｄ（１、２）に書き込まれる。この様にして、全てのデータ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）に対する送信と受信のフォーカスデータの書き込みが完了する。

この時点において、送信と受信のフォーカスデータは、従来方式の様に直線近似により得られるものではなく、各トランスデューサ毎に計算された値であり誤差が少ない。

送信と受信のフォーカスデータの書き込みが完了すると、送信回路Ｐ（ｎ、ｉ）は、送信フォーカスデータに基づき遅延された送信パルスを送信用トランスデューサＸに印加する。これに応じて、各送信用トランスデューサＸは超音波パルスを発生する。超音波エコー信号は、受信用トランスデューサＲで受信され受信信号に変換される。サブアレイＳＡ（ｎ）の受信信号は、受信サブビームフォーマＲＢ（ｎ）に供給される。受信サブビームフォーマＲＢ（ｎ）は、データ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）の受信フォーカスデータに基づき受信信号の整相加算を行う。受信サブビームフォーマＲＢ（ｎ）の出力データは、受信メインビームフォーマ４で遅延加算される。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、サブアレイのランダムパターンはＲＰ１１、ＲＰ１２、ＲＰ２１、ＲＰ２２からなり、隣接するサブアレイのランダムパターンは互いに異なっている。このような構成にすることにより、サブアレイは４×４のトランスデューサで構成され、受信サブビームフォーマの回路規模は小さく出来るが、ランダムパターンは８×８個のトランスデューサで構成されるので、サブアレイのサイズが小さい場合に起きるグレーティングローブの発生を回避できる。

以上のように、本実施の形態の超音波診断装置によれば、真のフォーカスデータからの誤差を少なくし、また送信のフォーカス位置と受信のフォーカス位置をずらし並列受信を容易に行うことが出来、かつ小さなサブアレイのサイズでありながらグレーティングローブの発生を抑制することが出来る。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る超音波診断装置の一構成例を示すブロック図である。なお、図５において、第１の実施の形態の説明で参照した図１と同じ構成および機能を有する部分については、同一の符号または記号を付して説明を省略する。

図５において、フォーカスデータ発生部３の出力データは、基準データ記憶手段ＳＤ（１）に供給される。基準データ記憶手段ＳＤ（１）の出力データは、データ記憶手段Ｄ（１、１）および基準トリガ発生手段ＳＴ（１）に供給される。基準トリガ発生手段ＳＴ（１）の出力信号は、送信回路Ｐ（１、１）、Ｐ（１、ｉ）に供給される。また、基準データ記憶手段ＳＤ（ｎ）の出力データは、データ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）および基準トリガ発生手段ＳＴ（ｎ）に供給される。基準トリガ発生手段ＳＴ（ｎ）の出力信号は、送信回路Ｐ（ｎ、ｉ）に供給される。

次に、以上のように構成された超音波診断装置の動作について、図５を参照して説明する。

まず、送信フォーカス位置とサブアレイの基準座標との間の距離が求められ、被検媒体の音速で除することにより、基準データが求められる。次に、送信フォーカス位置とサブアレイの基準座標との間の距離と、送信フォーカス位置と送信の各トランスデューサの座標との間の距離との差が求められ、この差にはあるバイアス値ＸＴＢが加えられすべて正の値となるようにされた後、被検媒体の音速で除することにより、サブアレイ内の送信に関する相対のフォーカスデータとして求められる。

サブアレイＳＡ（ｎ）の基準データは、基準データ記憶手段ＳＤ（ｎ）を介して基準トリガ発生手段ＳＴ（ｎ）に供給され、基準トリガ発生手段ＳＴ（ｎ）は、基準データに基づいた遅延時間を有する基準トリガを発生する。基準トリガ発生手段ＳＴ（ｎ）に接続された送信回路Ｐ（ｎ、ｉ）は、基準トリガを開始タイミングとしてデータ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）が供給するサブアレイ内の送信に関する相対のフォーカスデータに基づいた送信パルスを発生する。

サブアレイ内の送信に関する相対のフォーカスデータは、第１の実施の形態における２次元アレイ２内の送信に関する相対のフォーカスデータに比べ小さいので、データ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）および送信回路Ｐ（ｎ、ｉ）の回路規模を小さくすることが出来る。

以上のように、本実施の形態の超音波診断装置によれば、サブアレイ内の送信に関する相対のフォーカスデータを発生させることにより、データ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）および送信回路Ｐ（ｎ、ｉ）の回路規模を小さくすることが出来る。

（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る超音波診断装置の一構成例を示すブロック図である。なお、図６において、第１の実施の形態の説明で参照した図１と同じ構成および機能を有する部分については、同一の符号または記号を付して説明を省略する。

図６において、フォーカスデータ発生部３が発生するフォーカスデータは、記憶ブロックＭ（ｊ）（ｊ＝１〜１６）に供給される。記憶ブロックＭ（ｊ）の出力データは、データ記憶手段Ｄ（（ｊ−１）×１６＋１、１）に供給される。

次に、以上のように構成された超音波診断装置の動作について、図６を参照して説明する。

まず、受信期間中に、フォーカスデータ発生部３は、フォーカスデータを記憶ブロックＭ（ｊ）に供給する。受信期間の終了と同時に、記憶ブロックＭ（ｊ）はフォーカスデータをデータ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）に書き込む。フォーカスデータのデータ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）への書き込みが完了すると、送信回路Ｐ（ｎ、ｉ）は動作を開始し送信パルスを発生する。

以上のように、本実施の形態の超音波診断装置によれば、フォーカスデータをデータ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）に書き込む時間は、第１の実施の形態においてフォーカスデータをデータ記憶手段Ｄ（ｎ、ｉ）に供給する時間に比べ短いので、受信終了から送信開始までの時間が短く、送受信間隔を短くすることが出来る。

本発明に係る超音波診断装置は、真のフォーカスデータからの誤差を少なくし、また送信のフォーカス位置と受信のフォーカス位置をずらし送信ビーム径を太くすることによる並列受信時の画質調整ができ、かつグレーティングローブの発生を抑制することができるという利点を有し、２次元アレイプローブを有し、被検体を３次元的に走査する超音波診断装置等として有用である。

本発明の第１の実施の形態に係る超音波診断装置の一構成例を示すブロック図 本発明の第１の実施の形態における送信に関するフォーカスデータの発生を説明するための模式図 本発明の第１の実施の形態における受信に関するフォーカスデータの発生を説明するための模式図 本発明の第１の実施の形態におけるデータ記憶手段の接続関係を示すブロック図 本発明の第１の実施の形態におけるサブアレイのランダムパターンを示す模式図 ２次元アレイ内でのランダムパターンの配置図 本発明の第２の実施の形態に係る超音波診断装置の一構成例を示すブロック図 本発明の第３の実施の形態に係る超音波診断装置の一構成例を示すブロック図 従来の超音波診断装置における遅延データを制御する制御回路のブロック図

符号の説明

１ プローブ
２ ２次元アレイ
３ フォーカスデータ発生部
４ 受信メインビームフォーマ
５ メインフレーム
ＳＡ（ｎ） サブアレイ
Ｄ（ｎ、ｉ） データ記憶手段
Ｐ（ｎ、ｉ） 送信回路
ＲＢ（ｎ） 受信サブビームフォーマ
ＳＤ（ｎ） 基準データ記憶手段
ＳＴ（ｎ） 基準トリガ発生手段
Ｍ（ｊ） 記憶ブロック

Claims (4)

1. 複数のトランスデューサより構成されたサブアレイが複数個少なくとも２次元に配列されて成り、前記サブアレイは、送信トランスデューサと受信トランスデューサとが別々にランダムに配列され、ランダムパターンが隣接するサブアレイ毎に異なるランダムインタースパースアレイとして構成された電気音響変換手段と、
   前記電気音響変換手段の内部の送信に関する相対のフォーカスデータと、前記サブアレイの内部の受信に関する相対のフォーカスデータを発生するフォーカスデータ発生部とを備えた超音波診断装置。
2. 複数のトランスデューサより構成されたサブアレイが複数個少なくとも２次元に配列されて成り、前記サブアレイは、送信トランスデューサと受信トランスデューサとが別々にランダムに配列され、ランダムパターンが隣接するサブアレイ毎に異なるランダムインタースパースアレイとして構成された電気音響変換手段と、
   前記サブアレイの送信に関する基準のフォーカスデータと、前記サブアレイの内部の送信に関する相対のフォーカスデータと、前記サブアレイの内部の受信に関する相対のフォーカスデータを発生するフォーカスデータ発生部とを備えた超音波診断装置。
3. 送信に関するフォーカスデータと受信に関するフォーカスデータを記憶する複数の記憶ブロックと、
   前記記憶ブロックの出力データパスに接続され、前記送信に関するフォーカスデータと前記受信に関するフォーカスデータの各々に対応したデータ記憶手段とを備えた請求項１または２記載の超音波診断装置。
4. 超音波エコー信号の受信期間中に、前記フォーカスデータ発生部から前記記憶ブロックへ送信に関するフォーカスデータと受信に関するフォーカスデータを転送し、前記受信期間と送信期間の間の期間に、前記記憶ブロックから前記データ記憶手段へ送信に関するフォーカスデータと受信に関するフォーカスデータを転送する請求項３記載の超音波診断装置。

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