JP4717109B2 - 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、受信信号の処理に関する。

複数の振動素子で構成される振動素子列を備えたアレイ型の超音波振動子（アレイ振動子）が知られている。さらに、アレイ振動子を利用した超音波の送受信において、超音波ビームのサイドローブを低減させることなどを目的として、送信開口内や受信開口内における各振動素子の位置に応じて重み付けを施す技術が知られている。

例えば、特許文献１には、重み付けの分布を対称形とした受信重み付けの技術が記載されている。特許文献１においては、超音波ビームの位置に関わらず受信重み付けのピークの位置と受信開口の中心の位置とを一致させている（特許文献１の図９参照）。

ちなみに、特許文献２，３には、重み付けの分布を非対称形とした重み付けの技術が記載されている。例えば、特許文献２には、超音波ビーム方向を斜めに偏向した場合に、超音波の経路の変化に応じて各振動素子において信号にゲイン差が生じるため、それを補正することを目的として、非対称形の重み付けを利用する旨の技術が記載されている。また特許文献３には、非対称形の重み付けを交互に切り換えて探触子の温度上昇を抑制する旨の技術が記載されている。

特開平７−１１６１６３号公報 特開２００５−２５３６９９号公報 特開２００８−４３５３１号公報

重み付けの分布を対称形として、超音波ビームの位置に関わらず受信重み付けのピークの位置と受信開口の中心の位置とを一致させると、超音波ビームの位置から受信重み付けのピークの位置が大きくずれた場合に、感度の低下やグレーティングローブの増大などの問題が懸念される。もちろん、重み付けの分布を単純に非対称形とすることのみでは、当該問題に対応できない。

このような状況において、本願の発明者らは、アレイ振動子における重み付けについて研究開発を重ねてきた。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、アレイ振動子の受信重み付けに関する改良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、複数の振動素子を備えたアレイ振動子と、複数の振動素子に対して送信信号を出力する送信部と、受信開口内の複数の振動素子から得られる受信信号に対して、受信開口内における各振動素子の位置に応じた受信重み付けを施す受信部と、を有し、前記受信部は、受信ビームの移動に追従するように受信重み付けのピークの位置を受信開口内でシフトさせる、ことを特徴とする。

上記態様によれば、受信ビームの移動に追従するように受信重み付けのピークの位置を受信開口内でシフトさせるため、例えば、受信重み付けのピークの位置を受信開口の中心に固定する場合との比較において、受信感度の向上やグレーティングローブの低減などの効果が得られる。

望ましい態様において、前記受信部は、アレイ振動子の端部に配置された複数の振動素子からなる制約領域内とそれら以外の複数の振動素子からなる追従領域内で前記追従の態様を互いに異ならせる、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記受信部は、前記追従領域内で受信ビームの位置に一致するように受信重み付けのピークの位置を追従させる、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記受信部は、前記制約領域内で受信重み付けのピークの位置を固定する、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記受信部は、受信開口内における受信重み付けの総和を一定に維持しつつ受信重み付けのピークの位置をシフトさせる、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記受信部は、ベータ密度関数または三角形関数に基づいて受信重み付けを施す、ことを特徴とする。

望ましい態様において、前記受信部は、受信ビームの深さ方向に沿って深さに応じて受信開口の大きさを変化させる、ことを特徴とする。

本発明により、アレイ振動子の受信重み付けに関する改良技術が提供される。例えば、本発明の好適な態様によれば、受信ビームの移動に追従するように受信重み付けのピークの位置を受信開口内でシフトさせるため、例えば、受信重み付けのピークの位置を受信開口の中心に固定する場合との比較において、受信感度の向上やグレーティングローブの低減などの効果が得られる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。

図１には、本発明に係る超音波診断装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示す機能ブロック図である。

図１に示す超音波診断装置は、複数の振動素子１０で構成されるアレイ振動子を備えている。複数の振動素子１０は一次元的に配列されている。本実施形態では、複数の振動素子１０によって、例えばリニア型のプローブやコンベックス型のプローブが形成される。

複数の振動素子１０は、送信部９０から出力される送信信号に応じて振動し、例えば生体内に超音波を送波する。送信部９０は、複数の振動素子１０の各々に対して送信信号を供給する。その際に、各振動素子１０に応じて送信信号に対して遅延処理などが施され、超音波の送信ビームが形成される。こうして、送信ビームフォーミングが実現され、超音波の送信ビームが電子的に走査される。各振動素子１０は、超音波を送波することにより得られた受信信号を出力する。

複数の振動素子１０の各々には、遅延回路２０と重み付け回路３０が対応付けられている。遅延回路２０は、それに対応する振動素子１０から得られる受信信号に対して遅延処理を施す回路である。複数の遅延回路２０は、遅延制御部７０によって制御される。遅延回路２０により、対応する振動素子１０から得られる受信信号に対して、超音波の受信ビームを形成するための遅延処理が施される。

重み付け回路３０は、それに対応する振動素子１０に応じた重み付け処理を施す回路である。つまり、重み付け回路３０は、対応する遅延回路２０において遅延処理された受信信号に対して電圧の重み付け処理を施す。重み付け処理は、重み付け制御部８０の制御に基づいて行われる。本実施形態においては、例えば、受信感度の向上やグレーティングローブの低減といった効果が得られるように重み付け処理が実行される。本実施形態における重み付け処理については後に詳述する。

受信ビーム形成部４０は、複数の重み付け回路３０から出力される受信信号に基づいて超音波の受信ビームを形成する。受信ビーム形成部４０は、遅延処理と重み付け処理が施された複数の受信信号に対して、例えば整相加算処理を施して受信ビームフォーミングを実現する。こうして、送信ビームに対応した受信ビームが形成され、超音波ビーム（送信ビームと受信ビーム）が電子的に走査される。

信号処理部５０は、整相加算処理後の受信信号に対して検波や対数圧縮などの信号処理を施す。信号処理部５０においてドプラ情報の抽出処理などが実行されてもよい。信号処理部５０において処理された信号は、画像形成部６０に供給される。画像形成部６０は、入力される信号に対して座標変換や補間処理などを施して、Ｂモード画像などを形成する。また、ドプラ情報に基づいてドプラ波形やカラードプラ画像などを形成してもよい。こうして、画像形成部６０において形成された画像が表示部６２に表示される。

本実施形態の全体構成は以上のとおりである。次に、本実施形態における重み付け処理について詳述する。なお、以下の説明において、図１に示した部分（構成）については、図１の符号を利用する。

本実施形態においては、受信開口内の複数の振動素子１０から得られる受信信号に対して、受信開口内における各振動素子１０の位置に応じた受信重み付けが施され、さらに、受信ビームの移動に追従するように受信重み付けのピークの位置が受信開口内でシフトされる。なお、受信重み付けのピークの位置から、受信開口端に近づくに従って、受信重み付けの大きさを徐々に小さくすることが望ましい。

図２は、本実施形態における重み付け処理を説明するための図である。図２（Ａ）には複数の振動素子１０により構成されるアレイ振動子と、各振動素子１０に対する受信重み付けの大きさを示す重み付け関数１１２，１１４，１１６と、電子的に走査されて移動する受信ビーム１０２，１０４，１０６の概念図が示されている。図２（Ａ）に示す重み付け関数１１２，１１４，１１６は、ベータ（Ｂｅｔａ）密度関数である。ベータ密度関数ｙ（ｘ）は次式のように表現される。

数１式において、ｘはアレイ(開口)方向の座標である。つまり、一次元的に配列された振動素子１０の配列内における位置を示している。なお、数１式において、ｘは０〜１の範囲に規格化されている。つまり、一次元的に配列された振動素子１０の一端の位置が０に対応しており他端の位置が１に対応している。また、数１式において、ａはｙ（ｘ）の最大値を１とするための規格化係数である。そして、ｂ，ｃは、ｙ（ｘ）の歪度の絶対値、歪の方向、面積を制御するパラメータである。

図２（Ａ）においては、アレイ振動子を構成する全ての振動素子１０を利用して受信ビーム１０２，１０４，１０６が形成される。つまり、アレイ振動子の全域が受信開口となっている。そして、全ての振動素子１０が利用され、電子的な走査制御により、互いに異なる位置の受信ビーム１０２，１０４，１０６が形成される。

受信ビーム１０２は、重み付け関数１１２を利用して形成される。その重み付け関数１１２のピークの位置、つまり重み付けが最大である振動素子１０の位置は、受信ビーム１０２の位置となっている。また、受信ビーム１０４は、重み付け関数１１４を利用して形成され、その重み付け関数１１４のピークの位置は、受信ビーム１０４の位置となっている。また、受信ビーム１０６は、重み付け関数１１６を利用して形成され、その重み付け関数１１６のピークの位置は、受信ビーム１０６の位置となっている。

図２（Ａ）に示すように、本実施形態においては、電子的な走査による受信ビーム１０２，１０４，１０６の移動に追従するように、重み付け関数１１２，１１４，１１６のピークの位置が受信開口内でシフトされる。そのため、例えば、受信ビームの位置から受信重み付けのピークの位置が大きくずれる場合に比べて、本実施形態においては、感度が向上し、グレーティングローブが低減される。

なお、受信ビームの位置に応じて受信感度を変動させないために、受信重み付けの総和を一定に維持しつつ受信重み付けのピークの位置をシフトさせることが望ましい。例えば重み付け関数１１２，１１４，１１６の各関数の面積は、互いに等しいことが望ましい。

また、受信重み付け処理には、図２（Ｂ）に示すような三角形関数を利用してもよい。図２（Ｂ）には、複数の振動素子１０により構成されるアレイ振動子と、各振動素子１０に対する受信重み付けの大きさを示す重み付け関数１２２，１２４，１２６と、電子的に走査されて移動する受信ビーム１０２，１０４，１０６の概念図が示されている。

図２（Ｂ）に示す重み付け関数１２２，１２４，１２６は三角形関数であり、受信ビーム１０２は、重み付け関数１２２を利用して形成される。その重み付け関数１２２のピークの位置、つまり重み付けが最大である振動素子１０の位置は、受信ビーム１０２の位置となっている。また、受信ビーム１０４は、重み付け関数１２４を利用して形成され、その重み付け関数１２４のピークの位置は、受信ビーム１０４の位置となっている。また、受信ビーム１０６は、重み付け関数１２６を利用して形成され、その重み付け関数１２６のピークの位置は、受信ビーム１０６の位置となっている。

図２に示すように、受信ビームの位置が受信開口端に近づくにつれて、重み付け関数の歪みも徐々に大きくなる。重み付け関数の歪みが極めて大きい場合には、サイドローブの低減効果が弱まってしまう。そこで、本実施形態においては、アレイ振動子の端部に制約領域を設け、その制約領域内で受信重み付けのピークの位置を固定して、重み付け関数の歪みが極めて大きくなることを抑制している。

図３は、制約領域内における受信重み付け処理を説明するための図である。図３には、複数の振動素子１０により構成されるアレイ振動子と、各振動素子１０に対する受信重み付けの大きさを示す重み付け関数１１６と、電子的に走査されて移動する受信ビーム１０６，１０８の概念図が示されている。

制約領域は、アレイ振動子の端部に設けられる。例えば、一次元的に配列された複数の振動素子１０からなるアレイ振動子の一方端の位置を０とし他方端の位置を１とした規格化座標において、一方端側の０〜０．２までの範囲と他方端側の０．８〜１までの範囲を制約領域とする。そして、制約領域以外の領域、例えば規格化座標の０．２〜０．８までの範囲を追従領域とする。

図３において、受信ビーム１０６は、追従領域と制約領域の境界位置に形成される。つまり、規格化座標の０．８の位置に受信ビーム１０６が形成される。規格化座標の０．２〜０．８までの追従領域においては、受信ビームの移動に追従するように受信重み付けのピークの位置を受信開口内でシフトさせる（図２参照）。そのため、受信ビーム１０６に対応した重み付け関数１１６のピークの位置は受信ビーム１０６の位置と一致している。

一方、制約領域内においては、受信ビームの移動に関わらず、受信重み付けのピークの位置を固定する。例えば、規格化座標の０．８〜１までの制約領域においては、ピークの位置を固定したままの重み付け関数１１６が利用され、重み付け関数１１６を利用して受信ビーム１０８が形成される。なお、規格化座標の０〜０．２までの制約領域においては０．２の位置における重み付け関数が利用される。

上述のように、本実施形態では、追従領域内において受信重み付けのピークの位置をシフトさせている。さらに、受信ビームの深さ方向に沿って深さに応じて受信開口の大きさを変化させてもよい。

図４は、深さに応じた受信開口の制御を説明するための図である。図４（Ａ）には、複数の振動素子１０により構成されるアレイ振動子と、そのアレイ振動子によって形成される受信ビーム１０４が図示されている。さらに、図４（Ａ）には、各深さごとの受信重み付けの概念図が示されている。例えば、深度１では重み付け関数Ｗ１が利用され、深度２では重み付け関数Ｗ２が利用される。

図４（Ａ）における深度１から深度５までの重み付け関数Ｗ１〜Ｗ５は、深度４における重み付け関数Ｗ４をベースとして形成されている。深度４における重み付け関数Ｗ４は、例えば図２（Ａ）に示した重み付け関数１１４と同形である。

図４（Ａ）において最も浅い位置である深度１では、受信ビーム１０４の近傍のみに受信開口が狭められている。そして、深度１における開口部分に対応した関数部分を重み付け関数Ｗ４から切り取って、重み付け関数Ｗ１が形成されている。

深度１よりも深い深度２においては、深度１の場合よりも受信開口が広げられている。そして、深度２における開口部分に対応した関数部分を重み付け関数Ｗ４から切り取って、重み付け関数Ｗ２が形成されている。深度２よりも深い深度３においても、深度３の開口部分に対応した関数部分を重み付け関数Ｗ４から切り取って、重み付け関数Ｗ３が形成されている。

深度３よりも深い深度４においては、アレイ振動子の全域に受信開口が広げられており、アレイ振動子の全域に対応した重み付け関数Ｗ４が利用される。深度４よりも深い深度５においても、アレイ振動子の全域に受信開口が広げられている。そして、深度５においては、アレイ振動子の全域に亘って重み付け関数Ｗ４が一様に底上げされて重み付け関数Ｗ５が形成されている。深度５よりも深い深度においては、重み付け関数Ｗ５が利用されてもよいし、深さに応じて重み付け関数Ｗ５を底上げした関数を利用してもよい。

図４（Ａ）では、深度１から深度４までにおいて、深度に応じて受信開口の大きさを変化させている。深度１から深度３のように比較的浅い位置において、受信開口を受信ビーム１０４の近傍に狭めることにより、グレーティングローブを低減させることができる。なお、図４（Ａ）においても、各深度において、重み付け関数Ｗ１〜Ｗ５のピークの位置が受信ビーム１０４の位置に一致している。ちなみに、深度３から深度５においては、受信開口の中心位置Ｍと受信ビーム１０４の位置がずれている。

深さに応じて受信開口を変化させるにあたって、図４（Ｂ）に示すように、受信開口の大きさに応じて重み付け関数の幅を変化させてもよい。図４（Ｂ）には、各深さごとの受信重み付けの概念図が示されている。例えば、深度１では重み付け関数Ｗ１が利用され、深度２では重み付け関数Ｗ２が利用される。

図４（Ｂ）における深度１から深度５までの重み付け関数Ｗ１〜Ｗ５は、受信開口の大きさに応じて関数の幅を変化させている。ちなみに、深度４における重み付け関数Ｗ４は、例えば図２（Ａ）に示した重み付け関数１１４と同形である。

図４（Ｂ）においても、深度１では、受信ビーム１０４の近傍のみに受信開口が狭められている。そして、深度１における開口部分に対応した幅の重み付け関数Ｗ１が形成されている。深度１から深度４にかけて深さが増加するに従って、受信開口も段階的に広げられ、それに応じて重み付け関数Ｗ１〜Ｗ４まで、関数の幅が段階的に広げられている。

深度５においては、アレイ振動子の全域に亘って重み付け関数Ｗ４が一様に底上げされて重み付け関数Ｗ５が形成されている。深度５よりも深い深度においては、重み付け関数Ｗ５が利用されてもよいし、深さに応じて重み付け関数Ｗ５を底上げした関数を利用してもよい。ちなみに、図４（Ｂ）において、深度１と深度２では左右対称型の重み付け関数Ｗ１，Ｗ２が利用されており、深度３から深度５では、受信開口の中心位置Ｍと受信ビーム１０４の位置がずれている。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、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。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

本発明に係る超音波診断装置の全体構成を示す機能ブロック図である。 本発明における重み付け処理を説明するための図である。 制約領域内における受信重み付け処理を説明するための図である。 深さに応じた受信開口の制御を説明するための図である。

符号の説明

１０ 振動素子、２０ 遅延回路、３０ 重み付け回路、４０ 受信ビーム形成部、７０ 遅延制御部、８０ 重み付け制御部。

Claims (7)

1. 複数の振動素子を備えたアレイ振動子と、
   複数の振動素子に対して送信信号を出力する送信部と、
   受信開口内の複数の振動素子から得られる受信信号に対して、受信開口内における各振動素子の位置に応じた受信重み付けを施す受信部と、
   を有し、
   前記受信部は、走査される受信ビームの移動に追従するように受信重み付けのピークの位置を受信開口内でシフトさせる、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 複数の振動素子を備えたアレイ振動子と、
   複数の振動素子に対して送信信号を出力する送信部と、
   受信開口内の複数の振動素子から得られる受信信号に対して、受信開口内における各振動素子の位置に応じた受信重み付けを施す受信部と、
   を有し、
   前記受信部は、受信ビームの移動に追従するように受信重み付けのピークの位置を受信開口内でシフトさせ、さらに、アレイ振動子の端部に配置された複数の振動素子からなる制約領域内とそれら以外の複数の振動素子からなる追従領域内で前記追従の態様を互いに異ならせる、
   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、
   前記受信部は、前記追従領域内で受信ビームの位置に一致するように受信重み付けのピークの位置を追従させる、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項２または３に記載の超音波診断装置において、
   前記受信部は、前記制約領域内で受信重み付けのピークの位置を固定する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記受信部は、受信開口内における受信重み付けの総和を一定に維持しつつ受信重み付けのピークの位置をシフトさせる、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項５に記載の超音波診断装置において、
   前記受信部は、ベータ密度関数または三角形関数に基づいて受信重み付けを施す、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の超音波診断装置において、
   前記受信部は、受信ビームの深さ方向に沿って深さに応じて受信開口の大きさを変化させる、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
   

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