JP4751388B2

JP4751388B2 - 超音波撮像装置

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Publication number: JP4751388B2
Application number: JP2007521087A
Authority: JP
Inventors: 邦夫橋場; 晋一郎梅村; 裕鱒沢; 聡玉野
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-01-30
Also published as: JPWO2006134686A1

Description

本発明は、超音波撮像装置に関し、特に、電気音響変換素子（トランスデューサ素子）を２次元配列した２次元アレイを有し、当該２次元アレイにより超音波を送受して撮像範囲を走査し超音波３次元画像を生成する超音波撮像装置に関する。

生体に対してパルス状超音波を送信し、その反射波を受信して、その生体内部を撮像するパルスエコー法による超音波診断装置は、Ｘ線・ＭＲＩとともに医療診断に広く用いられている。
２次元アレイ型超音波トランスデューサを用いて医療診断用の３次元撮像を実現するためには、トランスデューサから引き出す信号線数が問題となる。すなわち、２次元アレイ全体で１０³個から１０⁴個程度の素子が必要となり、信号線をすべて独立に超音波トランスデューサから引き出したのでは、信号線の本数が増加し、接続ケーブルが太く、扱い難くなる。
この課題を解決するため、特開２００１−２８６４６７号公報では、２次元アレイ型超音波トランスデューサにスイッチ回路を搭載して、アレイを構成する素子同士をこのスイッチ回路により適宜接続してからケーブルに接続することにより、引き出すケーブル数を１桁から２桁少なくする方法が開示されている。焦点位置から発せられた超音波が、平面状の受信面に到達するときの位相分布は同心円状をなしている。そのため、特開２００１−２８６４６７号公報では、同じ同心円状にある素子同士を接続して、同じケーブルに接続し、信号を引き出すことが行われている。さらに、素子同士を接続するパターンはビーム形成方向によって変化するので、スイッチ回路によって接続パターンを変更している。

２次元アレイ型超音波トランスデューサを用いて３次元撮像を実現するための、他の課題は、複数ビームの同時形成である。超音波撮像の特徴である高い時間分解能を生かしながら、３次元画像を形成するために必要な大きな画像情報量を取得するには、高い情報取得スループットが必要であり、このために同時送受信ビームのマルチビーム化は必須である。ところが、特開２００１−２８６４６７号公報の素子接続パターンをそのまま用いたのでは、一つのパターンに対応して一つの送受信ビームを形成することしかできず、高速撮像に適さない。

例えば心臓の冠状動脈の血流の観察や拍出量の測定を行うなど、被検体の動的な部位の動態を立体的かつリアルタイムに把握するために、電気音響変換素子を面状に配置した２次元アレイを含む超音波探触子を用いて、３次元画像をリアルタイムに取得することが考えられた。しかしながら、視野の広さ（深度および視野角）、解像度の高さ、フレームレート（リアルタイム性）の高さは相反関係にあり、ある要素を向上させるには、他の要素を犠牲にしなければならなかった。

一例として、視野角を２次元アレイの長軸方向及び短軸方向に各６０度、走査線間隔を１．５度とすると、１フレームを構成する走査線の数は１６００本となる。また、例えば被検体の深度２０ｃｍ（超音波の行程として往復４０ｃｍ）までの画像を得ようとすれば、被検体内の一般的な部位の音速は１５３０ｍ／ｓ程度であることから、走査線１本あたりの走査時間は、少なくとも２６０μｓ程度かかる。したがって、この場合、フレーム周期は約０．４秒、フレームレートは約２．５Ｈｚとなり、心臓の動態の観察に必要な２０Ｈｚ〜３０Ｈｚ以上のフレームレートを達成できなかった。

そこで、例えば、特許第２９６１９０３号明細書（段落０００８〜０００９、図３）のように、２次元配列振動子を素子分割し、送信方向に対し、異なる微小角だけ受波ビームが偏向されるようにそれぞれ位相合わせを行って、送信方向に対して例えば４本の受波ビームを同時に形成する受波整相回路を有する超音波３次元撮像装置が提案されている。

また、特開２０００−３３０８７号公報（段落００９０、図１１）のように、トランスデューサアレイの３０００個のトランスデューサ素子を、各々のグループが２５個の素子を含む１２０個のサブアレイにまとめ、グループ内受信プロセッサにより個々のトランスデューサ信号を遅延して加算し、加算された信号を受信ビームフォーマのチャンネルの１つに提供する「グループ内プロセッサを有するフェーズドアレイ音響装置」が提案されている。

また、特開２００１−２８６４６７号公報（段落００２１、図３）のように、２次元配列振動子の同心円状の振動子群ごとに、フォーカス点までの距離に応じた遅延時間を付与し、各リング状振動子群から放射された超音波がフォーカス点で収束するとともに、フォーカス点から反射した超音波が各リング状振動子群へ向かうようにした超音波診断装置が提案されている。

従来の超音波３次元撮像装置では、１本の送信ビームに対し４本の受波ビームを同時形成すれば、撮像範囲の広さおよび解像度が同じならば、フレームレートは４倍になる。したがって、前記した例で２０Ｈｚ以上のフレームレートを達成するには、１本の超音波送信ビームに対し、８本以上の超音波受波ビームを形成すればよい。

しかしながら、一般に、充分な解像度の画像を得るためには、数千個の振動子を配列した２次元配列振動子を用いる必要がある。このため、前記従来の超音波撮像装置では、遅延手段や加算手段も数千個必要になり、受波整相回路の回路規模が膨大なものとなる。このため、製造費用が高いのみならず、装置を実現すること自体が困難であるという問題点があった。また、仮に製造したとしても、２次元配列振動子からの接続線の芯線数が数千本となり、撮像操作が現実的に行えないという問題点があった。

一般に、充分な分解能を得るには、２次元配列振動子の開口長をできるだけ大きくし、多数の電気音響変換素子を用いたほうがよいが、数千の入力チャンネルを有する受信ビームフォーマは、回路規模が非現実的となるため、電気音響変換素子の数千のチャンネルを、例えば、１００〜２００チャンネル程度に低減することが考えられた。

従来の「グループ内プロセッサを有するフェーズドアレイ音響装置」では、チャンネル数が低減されるため、回路規模が縮小され、操作性の向上が期待できるが、トランスデューサ素子をグループにまとめたサブアレイの形状によっては、グレーティングローブの発生などにより、充分な解像度やコントラストが得られなかったり、ノイズや偽像が発生したりして、所望の画質が得られないことがあるという問題点があった。また、グループ分けを細かくすれば、チャンネル数が増大し、回路規模が増大するとともに、所望のフレームレートが達成できないという問題点があった。

また、従来の超音波診断装置では、各リング状振動子群の幅を一定（２素子ピッチ）としている。このため、特に超音波ビームを振る方向によっては、各群の間隔がほぼ１波長（２素子ピッチ）となることがあるため、大きなグレーティングローブが発生して画質が劣化することがあり、グレーティングローブの発生を抑制するため、各群の間隔を狭くすれば、回路規模が増大するという問題点があった。また、内側のリングと外側のリングとで振動子の数が極端に異なるため、リングごとにインピーダンスなどの電気的特性が大きく異なり、補正のための回路規模が増大したり画質が低下したりするという問題点があった。あるいは、リングごとの電気的特性を等しくするため、振動子を間引いて用いれば、解像度が低下するという問題点があった。

このように、電気音響変換素子のチャンネルを束ねてチャンネル数低減を行う場合には、チャンネル数を低減することとグレーティングローブを抑制することとは相反関係にあり、チャンネル数を低減すると、得られる画像の画質が劣化するという問題があった。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、低コストで、広視野、高解像度、高フレームレートの超音波３次元画像を生成できる超音波撮像装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の超音波撮像装置は、複数のトランスデューサ素子を２次元配列した２次元アレイを有し、当該２次元アレイにより超音波を送受して撮像範囲を走査し超音波３次元画像を生成する超音波撮像装置であって、前記トランスデューサ素子を前記２次元アレイの配列面上の第１方向の寸法より第２方向の寸法が大きい第１素子ブロックと前記第２方向の寸法より前記第１方向の寸法が大きい第２素子ブロックとを含む複数の素子ブロックに区分けするとともに、前記撮像範囲に送信ビームと複数の受信ビームとを形成するように各々の前記素子ブロック内を所定数のグループに区分けし、当該グループごとに前記トランスデューサ素子の送受信チャンネルを集束して１チャンネルとする選択手段を具備したことを特徴とする。

本発明の超音波撮像装置によれば、低コストで、広視野、高解像度、高フレームレートのリアルタイム超音波３次元画像を生成できる。

トランスデューサ送受信面を基準とした焦点の位置と送受信面上の位相分布との関係を示す図である。複数ビームの焦点面状の配列と口径分割線の関係を示す図である。トランスデューサ受信面へ下した垂線上に複数ビームの焦点群を形成するためのアレイ素子接続パターンを示す図である。トランスデューサ受信面へ下した垂線に対して斜めな方向に複数ビームの焦点群を形成するためのアレイ素子接続パターンを示す図である。トランスデューサ受信面へ下した垂線に対して斜めな方向に複数ビームの焦点群を形成するためのアレイ素子接続パターンを示す図である。本実施形態の超音波診断装置の構成を示すブロック図である。焦点を方位方向にシフトさせた第１の受信ビームの焦点面上ビームパターンである。焦点を方位方向にシフトさせた第２の受信ビームの焦点面上ビームパターンである。焦点を方位方向にシフトさせた第３の受信ビームの焦点面上ビームパターンである。焦点を方位方向にシフトさせた第４の受信ビームの焦点面上ビームパターンである。口径分割線と素子分割線が０度を超え９０度未満の角度をなすように構成した２次元アレイの構成を示す図である。口径分割線に直交または平行する方位方向の受信ビームパターンである。素子分割線に直交または平行する方位方向の受信ビームパターンである。本発明による超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。２次元アレイのブロック分割の概念を示す説明図である。電気音響変換素子のグループ化方法を示す説明図である。選択部の構成を詳細に示すブロック図である。選択器からの受信信号を受信ビームフォーマで処理するまでの構成を詳細に示したブロック図である。本発明による別の超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。比較例による２次元アレイのブロック分割を示すパターン図である。比較例によるグループ化を示すパターン図である。フレネルゾーンプレートと２次元アレイとの関係を示す説明図である。本発明による２次元アレイのブロック分け例を示すパターン図である。本発明によるグループ化を示すパターン図である。本発明による２次元アレイの別のブロック分割例を示すパターン図である。２次元アレイをブロック分割した時の素子ブロックと、グループ化パターンを決定するためのフォーカス点との幾何学的な位置関係を示した概念図である。基本例のグループ化方法を説明するための、素子ブロック内の各電気音響変換素子に与えるべき遅延量の頻度分布を示すヒストグラムである。変形例のグループ化方法を説明するための、素子ブロック内の各電気音響変換素子に与えるべき遅延量の頻度分布を示すヒストグラムである。グループ化の比較例を示すパターン図である。グループ化の第１例を示すパターン図である。グループ化の第２例を示すパターン図である。グループ化の第３例を示すパターン図である。ビームプロファイルの表示座標系を示す説明図である。比較例のグループ化パターンを用いたときの（ｕ，ｖ）座標系におけるビームプロファイルを示す等高線図である。第１例のグループ化パターンを用いたときの（ｕ，ｖ）座標系におけるビームプロファイルを示す等高線図である。第２例のグループ化パターンを用いたときの（ｕ，ｖ）座標系におけるビームプロファイルを示した等高線図である。第３例のグループ化パターンを用いたときの（ｕ，ｖ）座標系におけるビームプロファイルを示した等高線図である。

＜第１の実施形態＞
次に、図１ないし図１３を参照して、本発明の第１の実施形態について詳細に説明する。
（基本原理）
Ｘ線・ＭＲＩなど他の画像診断モダリティにない超音波診断装置の最大の特長は、リアルタイム画像表示を可能とする撮像速度の速さにある。すなわち、ヒト視覚の時間分解能である約３０ｍｓ毎に画像更新可能な撮像速度の速さである。さらに、低速再生により心臓の弁の動きを診断することを目的に、１５ｍｓ毎に画像取得する時間分解能を実現することすら可能である。

一方、パルスエコー法による空間分解能のうち、深さ方向（ｚ方向）の距離分解能は、超音波パルスが反射物との間を往復するのに要する時間の分解能により得られる。生体中の超音波の伝播速度は、水中とほぼ等しく１５００ｍ／ｓであるので、超音波周波数が数ＭＨｚ以上であれば、１μs程度の時間分解能により１ｍｍ程度の距離分解能を容易に得ることができる。

これに直交する方向（ｘ，ｙ方向）の空間分解能、すなわち方位分解能は、送信波又は受信波をフォーカスすることにより高められる。超音波波長の数倍以下の方位分解能を得るには、口径と焦点距離の比であるＦナンバーが１にせまるほどの強いフォーカスが必要である。カメラの場合の被写界深度にあたる焦域深度は、その結果、数波長と小さくなってしまう。これは、超音波の往復伝播時間１μｓ程度に相当するが、近年の著しい高速電子回路技術の進歩によって、超音波がこの距離を伝播する間に受信焦点距離を変化させることが可能となった。このリアルタイム受信ダイナミックフォーカス技術により、受信については、常にフォーカスの合った撮像が実現できるようになった。

生体は元来３次元空間を占める存在であり、それに生ずる疾患に対応する病態の画像による観察は、本来、可能であれば３次元観察すべきものである。超音波撮像の特長である高い時間分解能を生かしながら、また、前記のようにして最近実現されるようになった高い空間分解能を維持しながら３次元撮像するためには、現在広く普及している１次元アレイ型超音波トランスデューサ（１次元探触子）を他の１次元について機械的に走査する方法は、３次元計測のために凹凸のある被検体の体表で探触子を体表に接触させながら手動で又は機械的に移動することが難しく、２次元アレイ型超音波トランスデューサを用いてすべての次元について電子的に走査する必要を生ずる。

２次元アレイ型超音波トランスデューサを用いて医療診断用の３次元撮像を実現するためには、大きな課題が少なくとも二つ存在する。一つは、アレイ型超音波トランスデューサから引き出す信号線数の問題である。
アレイ型トランスデューサによる送受信ビーム形成を自由に行うには、アレイを構成する素子の配列方向の寸法を半波長程度以下にする必要がある。この寸法は、超音波診断用として一般的な２ＭＨｚから３ＭＨｚの超音波周波数を用いるとき、０．２５ｍｍから０．３７ｍｍ程度である。一方、肋間から心臓を撮像するために方位分解能を多少犠牲にした小型の送受信口径であっても、１２ｍｍから２０ｍｍ程度の幅を持っている。

従って、２次元アレイ全体で１０³個から１０⁴個程度の素子が必要となり、これに接続される信号線をすべて独立に超音波トランスデューサから引き出したのでは、信号線の本数が増加し、ケーブルが太く、扱い難いものになる。これらの問題をケーブルによって解決するには、外径が小さいケーブルが必要であるが、このためには、現在でもすでに製造技術の限界に近いケーブル芯線をさらに細くする必要があり、実現困難である。また、多数の遅延回路を設ける必要が生じ、超音波トランスデューサ素子の電気容量がそれに接続されるケーブルの電気容量に比べて小さくなるため、受信信号電圧が低下してしまうという問題も発生する。

次に、焦点位置にある点反射源から発せられた超音波が、概ね平面状のトランスデューサ受信面に到達するときの位相分布に着目する。その等位相領域は、図１に示すように、点反射源からトランスデューサ受信面へ下した垂線の足を中心とする同心円状のフレネル分布をなしている。逆に、この同心円状の各領域の素子に同一の遅延時間を与えて送信すれば、焦点に収束する超音波が発生する。焦点がトランスデューサ受信面の正面にある場合には１００１ａ、斜め方向にある場合には１００１ｂや１００１ｃというように、素子同士を接続するパターンがビーム形成方向によって変化する。複数の受信ビームを形成するにあたり、複数の焦点それぞれについて、その位置にある点反射源から発せられた超音波がトランスデューサ受信面に到達するときの等位相領域に着目すると、それらは、複数焦点間の方位方向のシフト量に対応して、少しずつシフトしている。

従って、これら複数の受信ビームを同時形成するためには、まず、トランスデューサ受信面をいくつかのブロックに分けてから、それぞれのブロック内において、これら複数焦点の平均的な等位相領域接続パターンを用いて信号線を引き出すのが有効である。

図２に、複数ビームの焦点面上の配列と口径分割線の関係を示した。図２の上側にトランスデューサ受信面の口径を複数に分割する口径分割線を破線で記し、図２の下側に４本の受信ビームの焦点面上の配列とその中心位置（×で示された位置）を記した。言い換えれば、複数のビームの中心位置に焦点が形成されるように等位相領域の素子の信号線が接続されている。ここで、４本の受信ビームの配列間隔は、トランスデューサ受信面の大きさに比べて非常に短くなっている。

この図２を用いて、４本の受信ビームを同時形成する場合について、その焦点面上の配列と、それらを同時形成するのに最適な受信面分割パターンの関係について検討できる。焦点面上焦点付近の音場と送受信面上の音場とは、結晶中の原子配列とＸ線回折パターンの関係と同様、互いに一方をフーリエ変換すると他方となる関係にあることは、良く知られている。従って、焦点面における複数受信ビームの配列の逆格子を考え、それを分割線として受信口径を分割するのが最適と考えられる。図２では、４本の受信ビームが正方形の４頂点に位置しているが、これが、ｘ方向がｙ方向よりも長い長方形である場合には、その逆格子を考えて、ｙ方向の分割線間隔をx方向より長くすることにより、最適な口径分割パターンを得ることができる。

図３から図５は、このようにして得られた、４本の受信ビームを同時形成するためのアレイ素子の接続パターンを模式的に示したものである。この例では、受信口径全体を４×４のブロックに分けた上で、各ブロック内の素子を、４本の受信ビームの中央（図２中の×で示された位置）に焦点を形成フレネル分布の等位相領域接続パターンに従って接続した。言い換えれば、焦点面上の異なる位置に配列する複数のビームの中心位置に焦点を形成する際の等位相領域の素子を互いに接続した。図中では、隣り合うブロックが白黒反転するように各ブロックを白または黒に染めた。図３は、焦点がトランスデューサ受信面の正面にある図１中１００１ａの場合のパターンであり、図４は、焦点がトランスデューサ受信面の斜め横方向にある図１中１００１ｂの場合であり、ｙ方向に平行なパターンが各ブロック毎に連続している。また、図５は、図１中１００１ｃの場合のパターンであり、ｘ，ｙ軸に４５度傾斜したパターンが各ブロック毎に連続している。

以下，本発明の一実施形態である超音波診断装置（超音波撮像装置）について図を用いて説明する。
図６は、パルスエコー法を基本とする超音波診断装置の典型的な構成を示すブロック図である。送受信シークエンス制御部１０１２は、送信ビームフォーマ１０１３、受信ビームフォーマ１０２０、切り替えＳＷ群１０１１及び束ねＳＷ制御部１０１０を制御する。切り替えＳＷ群１０１１及び束ねＳＷ制御部１０１０は、超音波探触子を構成するアレイ型トランスデューサ素子群１００１をブロック毎に接続する束ねＳＷブロック（スイッチ）１００２に対して、それらの接続パターンを制御する信号を与える。

超音波送波時は、複数ビームでなく単一の超音波ビームを形成する。そのために、選択手段である束ねＳＷブロック１００２は、所定の焦点距離の超音波ビームを形成するようにアレイ型トランスデューサ素子群１００１の各素子をフレネルリング状に束ねる。すなわち、同時に駆動するアレイ型トランスデューサ素子が選択される。送信ビームフォーマ１０１３は、フレネル分布にしたがって遅延した波形を用いて、アレイ型トランスデューサ素子群１００１の各素子を駆動する。

一方、超音波受波時は、材料の音速と密度の積で表される音響インピーダンスの変化が大きなところで反射した反射波を受信する。このとき、複数ビームを受信することにより、時間分解能が高められる。受信ビームフォーマ１０２０では、束ねＳＷブロック１００２及び切り替えＳＷ群１０１１を介して受信したアレイ型トランスデューサ素子群１００１の各入力信号をプリアンプにより増幅の後、信号をサンプルし、Ａ／Ｄ変換後、一旦、メモリに蓄える。

より詳細には、プリアンプの直後に、送信からの経過時間に従って増幅率が漸増するよう制御されたＴＧＣ（TIME GAIN CONTROL）アンプを通した後、Ａ／Ｄ変換するのが一般的である。これは、生体中を伝播する超音波が、伝播距離にほぼ比例して減衰するのに対応して、受信信号の振幅が、送信からの経過時間にほぼ比例して減少するのを補償して、Ａ／Ｄ変換器入り口における信号振幅の大きさを一定の範囲に保つための処理である。これによりＡ／Ｄ変換における振幅量子化による信号ダイナミックレンジの低下を防ぐことができる。これに加えて、Ａ／Ｄ変換の前に帯域制限フィルタを通すことにより、Ａ／Ｄ変換における時間軸量子化によるエイリアシングを防ぐことができるのは周知の通りである。

受波指向性を得るためには、一旦、メモリに蓄えられた各素子の受波信号に、各素子の位置に応じた一種の遅延を与えた後に互いに加算して収束効果を得る必要がある。各素子の信号に与えるべき遅延時間の最適値は、受波焦点距離により変化する。また、良好なパルスエコー像を得るための受波焦点距離の最適値は、送信からの経過時間と音速に比例して長くなる。従って、各素子の信号に与える遅延時間を送信からの経過時間に応じて変化させるダイナミックフォーカス受信方式を用いることが望ましい。この方式は、各素子の受波信号を一旦メモリに書き込んでから再び読み出して互いに加算する構成であれば、読み出し時あるいは書き込み時の制御により、比較的容易に実現することができる。

受信ビームフォーマ１０２０の出力信号は、複数の受信ビーム毎に受波メモリ１０２１に蓄えられる。本実施形態では４つの受信ビームを形成するので、受波メモリ１０２１は４つ設けられている。これらのメモリに蓄えられた信号は、選択ＳＷ１０２２により順次選択され、読み出される。さらに、読み出された信号は、フィルタ１０２３を通過後、包絡線信号検出器１０２４において、サンプル＆ホールドされ包絡線信号が検出される。また、この包絡線信号を対数的に圧縮して表示信号とする。これをスキャンコンバータ１０２５で２次元像あるいは３次元像に変換し、ＣＲＴあるいは液晶を基本要素とする表示部１０２６に画像を表示する。

（シミュレーション例）
次に、本実施形態の超音波診断装置を用いて形成される受信音場の例を以下に示す。
図７から図１０は、焦点を方位方向にシフトさせた第１から第４の受信ビームの焦点面上ビームパターンである。これらの図は、ｘ，ｙ方向（方位方向）の１０ｍｍまでについて、受信感度を規格化している。超音波周波数３ＭＨｚ、６４×６４個の素子よりなる１６ｍｍ×１６ｍｍの受信口径を４行×４列に等分割して、受信面から６０ｍｍ離れた焦点面上４ｍｍ四方の正方形の各頂点に受信ビームを同時形成した。いずれの受信ビームについてもサイドローブが見られるものの、その主ビームに対する相対感度０．２程度は、実用上問題のない範囲にある。

これらの受信ビームの−６ｄＢビーム幅は、約５ｍｍである。同時形成される受信ビームの隣接ビーム間の中心距離は、この例のように、−３〜−６ｄＢビーム幅の程度に設定するのが妥当である。これよりも間隔が狭いと、エコー信号として各受信ビームより得られる情報の独立性が小さくなってしまい、並列受信する価値が低くなってしまう。逆に、これよりも隣接受信ビーム間の間隔を狭く設定すると、隣接する受信ビームの中間に存在する反射源からのエコーを検出し落とす可能性が増えることになる。受信口径を４行×４列に等分割すると、この例のように、−３〜−６ｄＢビーム幅の程度に離れた複数の受信ビームを同時形成することができる。

分割数がこれより少ないと、−３〜−６ｄＢビーム幅の程度に離れた複数の受信ビームを同時形成するときに生ずるサイドローブの強度を許容範囲に抑えるのが困難となる。逆に、分割数をこれより増加すれば、サイドローブの強度を抑えながら、−３〜−６ｄＢビーム幅の程度に離れた複数の受信ビームを同時形成することは容易になるが、引き出す必要のある信号線の本数が増えてしまう。

この２次元超音波トランスデューサを構成する６４個×６４個のトランスデューサ素子は、１６個×１６個のトランスデューサ素子を有する４行×４列の各ブロックに等分割され、各ブロックは、１６よりも少ない数１５本の引き出しケーブルを持ち、各ブロックのトランスデューサ素子は、１６入力１５出力のマルチプレクサスイッチ１６個によって引き出しケーブルに接続されている。これを一般化すると、２次元超音波トランスデューサは、ｎ，Ｍ，Ｎを自然数とするとき、Ｍ１，Ｍ２，…，Ｍｎ個のトランスデューサ素子に分割されたものであり、各トランスデューサ素子は、Ｍｎよりも少ないＮｎ本の引き出し線を持つｎ個のブロックに分割され、ｎ番目のブロックの素子に１入力Ｎｎ出力のマルチプレクサスイッチＭｎ個が接続されている、といえる。

受信口径を複数のブロックに分割したのち、ブロック内で各素子を等位相領域に着目した接続パターンに従ってスイッチにより接続する方式を矩形受信口径に適用した場合の実用上の問題として、ブロックの一辺に比べて寸法の長い対角線の方向の素子間隔が、辺方向の素子間隔より細かいため、受信口径対角線方向に受信ビームを偏向するに必要な引き出し線の数が、受信口径辺方向に受信ビームを偏向するに必要な引き出し線の数の２倍程度になってしまう点がある。

この問題は、図１１に示すように、トランスデューサ素子の分割線が、受信口径またはそれを分割したブロックの対角線に平行となるように、アレイ型トランスデューサを構成することにより解決する。図１２及び図１３は、このようなアレイ型トランスデューサを用いて、それぞれ口径分割方向と素子分割方向に受信ビームを４５度偏向した場合の受信ビームパターンである。この例では、超音波周波数２ＭＨｚ、４８個×４８個の素子よりなる５ｍｍ×５ｍｍの受信口径を４行×４列に１６分割して、焦点距離５７．３ｍｍの受信ビームを形成した。この距離においては、ｍｍ単位の方位方向の距離とｄｅｇ単位の角度の数値が一致する。素子分割方向に主ビームを偏向したとき、偏向方向と反対側９０度方向にグレーティングローブが生じているが、実用上、視野外と考えられるので、実質的問題にはならない。

以上説明したように、本実施形態によれば、引き出しケーブル線数を抑えながら複数の受信ビームを同時形成できるので、太すぎないケーブルで接続された超音波プローブを用いて、心臓の撮像などにも適する実時間３次元撮像を実現することができる。従って、医療ならびに工業における意義は大きいということができる。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
（１）前記実施形態は、送信時に単一のビームを形成して所定の焦点位置に収束させたが、複数ビームを形成して送信することもできる。
（２）前記実施形態は、４×４の矩形形状に１６分割したが、同心円の角度方向に等分割することもできる。

＜第２の実施形態＞
次に、図１４ないし図３７を参照して、本発明の第２の実施形態について詳細に説明する。
図１４は、本発明による超音波撮像装置１００Ａの構成を示すブロック図である。

超音波撮像装置１００Ａは、被検体に対し超音波を送受して走査を行い、撮像領域のリアルタイム超音波３次元画像を得るものであり、２次元アレイ１と、選択部２と、送受分離スイッチ３と、送信ビームフォーマ４と、増幅部５と、受信ビームフォーマ６と、信号処理部７と、３次元メモリ８と、表示部９と、制御部１０とを具備している。

２次元アレイ１は、多数の電気音響変換素子（トランスデューサ素子）を平面状または曲面状に配列したものであり、個々の電気音響変換素子は、送信ビームフォーマ４により駆動され超音波を送信するとともに、被検体から反射した超音波を受信して電気信号に変換する。

選択部２は、２次元アレイ１の各々の電気音響変換素子に対応した多数の入出力チャンネルを後記するように集束し、２次元アレイ１の入出力チャンネル数を低減して、送受分離スイッチ３へ接続する。

送受分離スイッチ３は、制御部１０の制御により、被検体へ超音波を送信するときは送信ビームフォーマ４と選択部２とを接続し、被検体からのエコーを受信するときは選択部２と増幅部５とを接続することにより、送信時と受信時とで、送信系（送信ビームフォーマ４）と、受信系（増幅部５から表示部９まで）とを分離する。

送信ビームフォーマ４は、２次元アレイ１を電気駆動することにより、送信ビームＴを形成させるとともに、制御部１０の制御により、送信ビームＴの方向をずらしながら撮像領域全体の走査を行う。

増幅部５は、２次元アレイ１からの受信信号を増幅して、受信ビームフォーマ６へ出力する。
受信ビームフォーマ６は、選択部２で集束された各々の信号に遅延処理および加算処理を施して、送信ビームＴに対して複数（例えば、４本）の受信ビームＲ１〜Ｒ４に係るエコー信号を同時に生成する。
信号処理部７は、受信ビームフォーマ６からのエコー信号に前処理（対数変換処理、フィルタ処理、ガンマ補正など）を施す。
３次元メモリ８は、デジタルスキャンコンバータ（ＤＳＣ）および画像メモリとしての機能を有する。すなわち、信号処理部７からのエコー信号をデジタル変換して蓄積し、３次元画像データを形成するとともに蓄積し、表示部９の表示形態に合わせて出力する。
表示部９は、３次元メモリ８から３次元画像データを読み出し、被検体の３次元画像または断層画像を表示する。

制御部１０は、選択部２、送受分離スイッチ３、送信ビームフォーマ４、増幅部５、受信ビームフォーマ６、信号処理部７、３次元メモリ８および表示部９を制御する。

なお、超音波探触子（図示せず）は、２次元アレイ１と選択部２とを含んで構成されていて、送受分離スイッチ３以降の他の構成要素は、本体（図示せず）側に設けられている。この超音波探触子と本体とは、ケーブルで接続されているが、後記するように２次元アレイ１の入出力チャンネル数が選択部２により低減されているため、このケーブルの芯線数も低減される。このため、ケーブルの径を細くでき、超音波撮像装置１００Ａの操作性を向上させることができる。

次に、２次元アレイ１を４個の素子ブロックに区分けするとともに、各々の素子ブロックに４チャンネルを割り当てて、２次元アレイ１全体のチャンネル数を１６チャンネルに低減する例について、その概念を説明する。なお、本発明による素子ブロックの区分けは、例えば、図２３を参照して後記するように行うが、ここでは、素子ブロック分割とグループ分割の概念を説明する都合上、短軸方向（図の縦方向；請求項１の第１方向）の寸法より長軸方向（図の横方向；請求項１の第２方向）の寸法が長い素子ブロック（請求項１の第１素子ブロック）に区分けした場合について説明する。

図１５は、２次元アレイ１のブロック分割の概念を示す説明図である。
２次元アレイ１は、４ｎ個の電気音響変換素子をマトリクス状に配列したものである。配列面が平面である場合について説明するが、配列面は曲面であってもよい。この２次元アレイ１を、短軸方向（図の縦方向；請求項１の第１方向）に２つに分割し、長軸方向（図の横方向；請求項１の第２方向）に２つに分割することにより、各々ｎ個の電気音響変換素子からなる４つの素子ブロック１１〜１４とする。図示するように、素子ブロック１１は、電気音響変換素子１１１〜１１ｎからなり、素子ブロック１２は、電気音響変換素子１２１〜１２ｎからなり、素子ブロック１３は、電気音響変換素子１３１〜１３ｎからなり、素子ブロック１４は、電気音響変換素子１４１〜１４ｎからなる。

なお、矩形の電気音響変換素子をマトリクス状に配列した例について説明するが、例えば、矩形ではなく三角形や六角形などの他の形状の電気音響変換素子を用いたり、マトリクス状ではなくハニカム状やランダム状など異なる配列を行ってもよい。

図１６は、電気音響変換素子１１１〜１１ｎ，１２１〜１２ｎ，１３１〜１３ｎ，１４１〜１４ｎのグループ化方法を示す説明図である。なお、隣り合うグループとなる範囲を、網掛けおよび白抜きによって区別して図示してある。

素子ブロック１１〜１４内の電気音響変換素子１１１〜１１ｎ，１２１〜１２ｎ，１３１〜１３ｎ，１４１〜１４ｎは、３つの同心円１５１〜１５３によって区分けされることにより、グループ化される。

すなわち、素子ブロック１１は、４個のグループａ１〜ｄ１にグループ分けされ、グループａ１〜ｄ１の各々に１チャンネルずつが割り当てられる。同様に、素子ブロック１２は、４個のグループａ２〜ｄ２にグループ分けされ、グループａ２〜ｄ２の各々に１チャンネルずつが割り当てられ、素子ブロック１３は、４個のグループａ３〜ｄ３にグループ分けされ、グループａ３〜ｄ３の各々に１チャンネルずつが割り当てられ、素子ブロック１４は、４個のグループａ４〜ｄ４にグループ分けされ、グループａ４〜ｄ４の各々に１チャンネルずつが割り当てられる。

なお、２次元アレイ１の正面方向に送信ビームＴを形成するとともに、送信ビームＴの近傍に受信ビームＲ１〜Ｒ４を形成するように、４つの素子ブロック１１〜１４のそれぞれについて電気音響変換素子をグループ化したため、同心円１５１〜１５３の中心が、２次元アレイ１の中心と一致している。したがって、短軸方向へビームを偏向する場合は、同心円１５１〜１５３の中心が短軸方向へずれ、長軸方向へビームを偏向する場合は、同心円１５１〜１５３の中心が長軸方向へずれることとなる。

すなわち、被検体を走査するにあたって、ビーム方向を変えるためにグループ化の範囲を変化させるが、ブロック化の範囲は変化させなくてよい。

図１７は、選択部２の構成を詳細に示すブロック図である。
選択部２は、前記した電気音響変換素子のグループ化を実現する機能を有し、素子ブロック１１と接続された選択器２１と、素子ブロック１２と接続された選択器２２と、素子ブロック１３と接続された選択器２３と、素子ブロック１４と接続された選択器２４とを含んでいる。

図１７（ａ）に示すように、選択器２１は、素子ブロック１１を形成する電気音響変換素子１１１〜１１ｎのそれぞれを、グループａ１〜ｄ１に係る４本のチャンネルのいずれかと導通させるためのスイッチ２１１〜２１ｎを含んでいる。スイッチ２１１〜２１ｎは制御部１０の制御に従い、電気音響変換素子１１１〜１１ｎを、走査方向によりグループａ１〜ｄ１に係るいずれかのチャンネルに接続し、前記したグループ化を行う。

図１７（ｂ）に示すように、選択器２２は、素子ブロック１２を形成する電気音響変換素子１２１〜１２ｎのそれぞれを、グループａ２〜ｄ２に係る４本のチャンネルのいずれかと導通させるためのスイッチ２２１〜２２ｎを含んでいる。スイッチ２２１〜２２ｎは制御部１０の制御に従い、電気音響変換素子１２１〜１２ｎを、走査方向によりグループａ２〜ｄ２に係るいずれかのチャンネルに接続し、前記したグループ化を行う。

図１７（ｃ）に示すように、選択器２３は、素子ブロック１３を形成する電気音響変換素子１３１〜１３ｎのそれぞれを、グループａ３〜ｄ３に係る４本のチャンネルのいずれかと導通させるためのスイッチ２３１〜２３ｎを含んでいる。スイッチ２３１〜２３ｎは制御部１０の制御に従い、電気音響変換素子１３１〜１３ｎを、走査方向によりグループａ３〜ｄ３に係るいずれかのチャンネルに接続し、前記したグループ化を行う。

図１７（ｄ）に示すように、選択器２４は、素子ブロック１４を形成する電気音響変換素子１４１〜１４ｎのそれぞれを、グループａ４〜ｄ４に係る４本のチャンネルのいずれかと導通させるためのスイッチ２４１〜２４ｎを含んでいる。スイッチ２４１〜２４ｎは制御部１０の制御に従い、電気音響変換素子１４１〜１４ｎを、走査方向によりグループａ４〜ｄ４に係るいずれかのチャンネルに接続し、前記したグループ化を行う。

図１８は、選択部２の選択器２１〜２４からの受信信号を受信ビームフォーマ６で処理するまでの構成を詳細に示したブロック図である。
送受分離スイッチ３は、被検体からの反射波を受信するとき、制御部１０の制御により、選択器２１，２２，２３，２４のグループａ１〜ｄ１，ａ２〜ｄ２，ａ３〜ｄ３，ａ４〜ｄ４に係る各チャンネルを、増幅部５に接続する。

増幅部５は、前記した各チャンネルにより伝送される受信信号を、制御部１０の制御により、チャンネルごとに所定の利得で増幅し、受信ビームフォーマ６へ出力する。

受信ビームフォーマ６は、４つの受信ビームＲ１〜Ｒ４を形成する機能を有し、バスライン６１と、遅延器６２１〜６２４と、加算器６３１〜６３４とを含んでいる。

バスライン６１は、グループａ１〜ｄ１、ａ２〜ｄ２、ａ３〜ｄ３、ａ４〜ｄ４に係るチャンネルをそれぞれ４本ずつに分岐し、分岐したチャンネルを遅延器６２１〜６２４へ接続する。したがって、遅延器６２１〜６２４のいずれへも、同じ信号が入力される。

遅延器６２１〜６２４は、制御部１０の制御により、偏向方向に関しては受信ビームＲ１〜Ｒ４を形成するように、深さ方向に対してはダイナミックフォーカシング受信を行うように、チャンネルごとに異なる遅延量により遅延する。具体的には、連続的に受信される受信信号に対し、あるフォーカス点に対する遅延と、受信ビームＲ１〜Ｒ４の偏向に係る遅延とをあわせたものを遅延器６２１〜６２４で与え、これと異なるフォーカス点に対しても、前記処理を繰り返し行うことによって、ダイナミックフォーカス受信を行う。

加算器６３１〜６３４は、遅延器６２１〜６２４からの各チャンネルを、受信ビームＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に係るものごとに加算し、加算した信号を信号処理部７（図１４参照）へ出力する。

図１４に戻り、信号処理部７は、加算器６３１〜６３４からの受信ビームＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に係る各信号に、フィルタ処理、補間処理、検波などの信号処理を施して、３次元メモリ８へ出力する。
３次元メモリ８は、３次元画像データを生成して蓄積する。表示部９は、この３次元画像データを用いて、３次元表示あるいは任意断面表示する。

２次元アレイ１のチャンネル数（４ｎチャンネル）を１６チャンネルに低減する例について説明したが、現実的には、要求される画質などの撮像性能、装置の規模、コストおよび取り扱いの都合などを考慮し、電気音響変換素子の数と、低減後のチャンネル数を決定し、例えば、数千個の電気音響変換素子（数千チャンネル）を有する２次元アレイ１を用いて、チャンネル数を１００〜２００チャンネル程度に低減する。なお、グレーティングローブを抑制する観点からは、低減後のチャンネル数は多いほうが好ましいが、回路規模を縮小するとともに接続線の芯線数を減らして操作性を向上させる観点からは、低減後のチャンネル数は少ないほうが好ましい。

図１９は、本発明による別の超音波撮像装置１００Ｂの構成を示すブロック図である。
この超音波撮像装置１００Ｂは、選択部２の代わりに、送信用選択部２Ｔおよび受信用選択部２Ｒを備えているほかは、前記した超音波撮像装置１００Ａと実質的に同様の構成である。

送受分離スイッチ３は、超音波の送信時は、送信用選択部２Ｔと２次元アレイ１とを接続し、超音波の受信時は、２次元アレイ１と受信用選択部２Ｒとを接続する。

送信用選択部２Ｔは、実質的に選択部２と同様の構成であり、２次元アレイ１の各々の電気音響変換素子に対応した送受分離スイッチ３への多数の入力チャンネルを集束し、素子ブロック１１〜１４ごとに電気音響変換素子をグループ化する。送信用選択部２Ｔの入力端子には、送信ビームフォーマ４の出力端子が接続されている。

受信用選択部２Ｒは、実質的に選択部２と同様の構成であり、２次元アレイ１の各々の電気音響変換素子に対応した送受分離スイッチ３からの多数の出力チャンネルを集束し、送信用選択部２Ｔとは異なるパターンで素子ブロック１１〜１４ごとに電気音響変換素子をグループ化する。受信用選択部２Ｒの出力端子には、増幅部５の入力端子が接続されている。

超音波撮像装置１００Ｂによれば、送信時と受信時で、異なるパターンのグループ化が可能となるため、送信時と受信時とでグレーティングローブの発生場所を変えることができ、画質を向上させることができる。

図２０は、比較例による２次元アレイ１のブロック分割を示すパターン図である。
この比較例では、２次元アレイ１は、短軸方向（図の縦方向）に４分割され、長軸方向（図の横方向）に４分割されている。したがって、２次元アレイ１は、１６個の素子ブロックに分割されている。各素子ブロック内では、電気音響変換素子は、短軸方向に１２素子、長軸方向に１６素子並べられているものとする。したがって、１素子ブロックあたりの電気音響変換素子は、１９２素子であり、２次元アレイ１全体では、３０７２素子である。２次元アレイ１の入出力チャンネル（３０７２チャンネル）を、１２８チャンネルに束ねることとすると、１素子ブロックに割り当てるチャンネル数は、８チャンネルとなる。

図２１は、比較例によるグループ化を示すパターン図であり、図２１（ａ）は、２次元アレイ１の正面方向にビームを形成した場合を示し、図２１（ｂ）は、長軸方向（図の横方向）へビームを偏向させた場合を示す。

図２１（ａ）および図２１（ｂ）に示した２次元アレイ１の素子ピッチは、グレーティングローブを抑制するために、送受する超音波の半波長以下とすることが好ましい。例えば超音波の中心周波数が２．５ＭＨｚであれば、素子ピッチは０．３ｍｍとすればよい。この場合、２次元アレイ１の寸法は、長軸方向に１９．２ｍｍ、短軸方向に１４．４ｍｍとなる。なお、心臓を体外から撮像する場合には、肋骨間からの撮像となるため、２次元アレイ１の短軸方向の代表寸法は、最大２０数ｍｍ程度とする必要がある。

図２１（ａ）は、フォーカス距離Ｆを５０ｍｍとし、２次元アレイに正対する方向にビームを指向する場合のパターンを示し、図２１（ｂ）は、同様にフォーカス距離Ｆを５０ｍｍとし、２次元アレイ１に正対する方向から長軸方向に３０°傾いた方向にビームを偏向させる場合のパターンを示す。いずれの場合も、ビームの軸を中心とした同心円状または円弧状のパターンとなる。

図２２は、フレネルゾーンプレート３０と２次元アレイ１との関係を示す説明図である。
このフレネルゾーンプレート３０は、２次元アレイ１から正面方向へ送信する場合の送信ビームの中心軸Ａを中心として、１，２，３，…の平方根に比例する長さを半径とする同心円によって画定される環状領域を、１つおきに超音波に対して不透明にしたものである。したがって、環状領域の幅は、中心軸Ａから離れたものほど狭くなる。図２２では、フレネルゾーンプレート３０のハッチングで示す部分を超音波に対して不透明とし、白抜きで示す部分が透明とするが、ハッチングで示す部分を透明とし、白抜きで示す部分を不透明としてもよい。

なお、フレネルゾーンプレート３０の同心円の大きさ、すなわち２次元アレイ１におけるグループ化パターンは、フォーカス距離によって決定される。図２２では、フォーカス距離を５０ｍｍとし、２次元アレイ１の寸法を、長軸方向に１９．２ｍｍ、短軸方向に１４．４ｍｍとした場合について示してある。

グレーティングローブを発生させないためには、２次元アレイ１のグループ化のパターンを、フレネルゾーンプレート３０の環状領域のパターンよりも細かくすればよい。したがって、２次元アレイ１の相対位置が、フレネルゾーンプレート３０の中心軸Ａに近いほど、２次元アレイ１のグループ化パターンを粗くすることができる。反対に、フレネルゾーンプレート３０の中心軸Ａから離隔しているほど、２次元アレイ１のグループ化パターンを細かくしたほうがよい。

図２２に示すように、例えば、正面方向にビームを形成する場合には、フレネルゾーンプレート３０における２次元アレイ１の相対位置は、範囲１ａのようになる。したがって、フレネルゾーンプレート３０の環状領域の幅が広いことから、２次元アレイ１のグループ数は少なくてよい。しかし、正面方向から偏向したビームを形成する場合には、フレネルゾーンプレート３０における２次元アレイ１の相対位置は、範囲１ｂのようになる。したがって、フレネルゾーンプレート３０の環状領域の幅が狭いことから、この環状領域に合わせて細かく２次元アレイ１を環状にグループ分けしないと、グレーティングローブが発生してしまう。

ところが、２次元アレイ１における素子ピッチを細かくするのには限界があり、２次元アレイ１の各素子ブロックに割り当てられるチャンネル数には制限がある。したがって、ビームを大きく偏向すると、フレネルゾーンプレート３０の環状領域で示すパターンより細かく電気音響変換素子をグループ化できなくなるため、グレーティングローブの影響を受けることになる。

グレーティングローブを抑制する観点からは、長軸方向にビームを偏向した場合は、長軸方向には隣接するグループの間隔を１素子ピッチとするのが望ましい。しかし、例えば図２１（ｂ）に示す例では、素子ブロックごとに８チャンネルを割り当てているため、隣接するグループの間隔がほぼ２素子ピッチとなっている。このため、大きなグレーティングローブが発生して画像を劣化させる要因となる。

前記したように、電気音響変換素子のブロック分けを行い、さらにグループ分けを行ってチャンネル数を低減し多点同時受信を行う場合には、チャンネル数の低減とグレーティングローブ抑制が相反関係となる。

次に、このような相反関係の下で、より高画質のリアルタイム３次元超音波画像を得るため、２次元アレイ１のブロック分割とグループ化パターンの設定とを行って、グレーティングローブの抑制を行う概念について、詳細に説明する。

図２３は、本発明による２次元アレイ１のブロック分け例を示すパターン図である。
この例では、２次元アレイ１は、短軸方向（図の縦方向）の寸法が長軸方向（図の横方向）の寸法に比較して短い（横長の）素子ブロック１１ａ，１１ｂと長軸方向の寸法が短軸方向の寸法に比較して短い素子ブロック１２ａ〜１２ｆとが混在するとともに、長軸方向および短軸方向のいずれにも線対称にブロックが配置されている。

ここで、１個の素子ブロックに割り当てるチャンネル数をｋ、素子ブロック１１ａ，１１ｂの長軸方向（図の横方向）の素子数をｍ１、短軸方向（図の縦方向）の素子数をｍ２とし、素子ブロック１２ａ〜１２ｆの長軸方向（図の横方向）の素子数をｍ３、短軸方向（図の縦方向）の素子数をｍ４とする。

この場合、望ましくはｍ３≦ｋとする。なぜなら、長軸方向にビームを偏向しても、短軸方向に細長い素子ブロック１２ａ〜１２ｆでは、チャンネルごとに束ねられたグループの間隔がほぼ素子ピッチと等しくなり、グレーティングローブを抑制することができるからである。
また、この場合、望ましくはｍ２≦ｋとする。なぜなら、短軸方向にビームを偏向しても、短軸方向に短い素子ブロック１１ａ、１１ｂでは、チャンネルごとに束ねられたグループの間隔がほぼ素子ピッチと等しくなり、グレーティングローブを抑制することができるからである。

図２４は、本発明によるグループ化を示すパターン図であり、図２４（ａ）は、２次元アレイ１の正面方向にビームを形成した場合を示し、図２４（ｂ）は、長軸方向（図の横方向）へビームを偏向させた場合を示す。
グループ化を行った条件は、ブロック分割が異なるほかは、前記した比較例（図２１（ａ）および図２１（ｂ）参照）と同様である。

比較例によるものと、本発明によるものとを比較すると、チャンネル数が同じであっても、本発明によるブロック分割方法によれば、同心円状のグループの間隔が細かくなり、ビーム形成時の遅延量制御をより適切に制御できることが分かる。

図２５は、本発明による２次元アレイ１の別のブロック分割例を示すパターン図である。
図２５（ａ）〜図２５（ｅ）に示す２次元アレイ１において、長軸方向（図の横方向）に比べて短軸方向（図の縦方向）が長い（縦長の）素子ブロックと、短軸方向に比べて長軸方向が長い（横長の）素子ブロックとが混在するとともに、これらの素子ブロックが長軸方向および短軸方向に対称となるように配置される。素子ブロックは、矩形のもののほか、図２５（ｅ）に示すように、例えばかぎ形など、非矩形の素子ブロックを組み合わせてもよい。２次元アレイ１が矩形である場合について例示したが、２次元アレイ１は、例えば楕円形など、他の形状を有するものでもよい。

次に、本発明による各素子ブロック内におけるグループ化パターン決定方法について、図２６〜図２８を用いて詳細に説明する。

図２６は、２次元アレイ１をブロック分割したときの素子ブロック１１と、グループ化パターンを決定するためのフォーカス点Ｒとの幾何学的な位置関係を示した概念図である。
素子ブロック１１内の電気音響変換素子のうち、フォーカス点Ｒと最も遠距離にある電気音響変換素子に与えるべき遅延量をτｍａｘ、フォーカス点Ｒと最も近距離にある電気音響変換素子に与えるべき遅延量をτｍｉｎとする。

図２７は、比較例のグループ化方法を説明するための、素子ブロック１１内の各電気音響変換素子に与えるべき遅延量の頻度分布を示すヒストグラムである。
このグループ化方法では、遅延量ごとの出現頻度にかかわらず、チャンネル間の遅延量間隔（ステップ）が等しくなるように、素子ブロック１１内でグループを形成する。すなわち、素子ブロック１１内で与えられる最大遅延量をτｍａｘ、最小遅延量をτｍｉｎとすると、隣接するチャンネル間の遅延量間隔ΔτがΔτ＝（τｍａｘ−τｍｉｎ）／４となるように、素子ブロック１１の電気音響変換素子を４個のグループａ１〜ｄ１に区分けする。図２１（ａ）、図２１（ｂ）、図２４（ａ）、図２４（ｂ）に示したグループ化パターンは、この方法により、各素子ブロック内におけるチャンネル間の遅延量間隔を均等にして得たものである。

このグループ化では、同一のビームを形成するにあたって、遅延量を与える頻度（素子数）が多くビーム形成への影響が比較的大きいグループｂ１やグループｃ１に係るチャンネルと、遅延量を与える頻度（素子数）が多くビーム形成への影響が比較的小さいグループａ１やグループｄ１に係るチャンネルとで、加算する際に同じ重みが与えられる。

すなわち、素子数が多いグループｂ１やグループｃ１に係るチャンネルの重みを大きくし、素子数が少ないグループａ１やグループｄ１に係るチャンネルの重みを小さくすべきであるところ、前記した要因により、グループｂ１やグループｃ１に係るチャンネルの影響が相対的に小さくなり、グループａ１やグループｄ１に係るチャンネルの影響が相対的に大きくなってしまう。このため、グループ化による効果が充分にあらわれないことがある。

また、素子数が非常に多いグループｃ１と、素子数が非常に少ないグループａ１とでは、チャンネルごとにインピーダンスなどの電気的特性が異なってしまうため、各チャンネルで電気音響変換素子の駆動条件がばらつき、補正のための回路が複雑化したり、画像が劣化したりすることがある。

図２８は、本実施形態のグループ化方法を説明するための、素子ブロック１１内の各電気音響変換素子に与えるべき遅延量の頻度分布を示すヒストグラムである。
このグループ化では、遅延量ごとの出現頻度をグループごとの遅延量の範囲で積分した量Ｓが、素子ブロック１１内のグループａ１〜ｄ１に係る各チャンネルにおいて等しくなるように、すなわち、チャンネルごとに図２８に示すヒストグラムの面積が等しくなるように、電気音響変換素子のグループ化を行う。

具体的には、各電気音響変換素子の寸法および形状が同じであれば、各グループに属する電気音響変換素子の数が等しくなるように、与えるべき遅延量の小さいもの（または大きいもの）から、順にグループ化を行う。

このグループ化では、形成ビームに大きな影響を及ぼす頻度の多いグループｂ１やグループｃ１はより細かく遅延量を制御するため、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、各チャンネルにグループ化される電気音響変換素子数が実質的に等しくなるため、各チャンネルのインピーダンスなどの電気的特性を均等にでき、回路規模を縮小できるとともに画質の向上を図ることができる。

本実施形態の超音波撮像装置１００Ａおよび１００Ｂによれば、２次元アレイの電気音響変換素子からの信号チャンネル数を低減すると共に、図２３に示したような２次元アレイの適切なブロック分割と、図３０および図３２に示すような図２８に示す方法に基づく各素子ブロック内における適切なグループ化を行うことにより、グレーティングローブを抑制しつつ、３次元画像を高速に撮像するための同時受信が可能となるため、低コストでリアルタイムな３次元画像を高画質で得ることができる。

本発明による超音波撮像装置におけるグレーティングローブ抑制効果をビームシミュレーションによって確かめた。
２次元アレイは、３０７２個の正方形状の電気音響変換素子を、長軸方向に６４素子、短軸方向に４８素子、マトリクス状に配列した矩形状のものを用いた。素子ピッチは０．３ｍｍとしたので、２次元アレイの寸法は、長軸方向に１９．２ｍｍ、短軸方向に１４．４ｍｍとなった。

チャンネル数は、３０７２チャンネルを１２８チャンネルへ低減するものとし、走査線方向を２次元アレイの中心軸から斜め４５度（後述する図３３においてθ_j＝φ_j＝４５°）、グループ化パターンを決定するためのフォーカス距離Ｆｄを５０ｍｍとした。送信波は、中心周波数が２．５ＭＨｚ、帯域幅が１ＭＨｚ、パルス幅が２μｓのパルス波とした。

図２９は、グループ化の比較例を示すパターン図である。
この比較例では、まず、２次元アレイ１を短軸方向に４分割し長軸方向に４分割してマトリクス状に１６個の素子ブロック分けを行い、各素子ブロックに８チャンネルを割り当てた。そして、各素子ブロックを、図２７に示すように遅延量の差が均等になるように８個にグループ分けし、各グループの電気音響変換素子のチャンネルを集束して１チャンネルを割り当て、２次元アレイ１のチャンネル数を１２８チャンネルとした。

図３０は、グループ化の第１例を示すパターン図である。
この第１例では、まず、比較例と同様に１６個にブロック分けを行い、各素子ブロックに８チャンネルを割り当てた。そして、各素子ブロックを、図２８に示すように遅延量の出現頻度が均等になるように８個にグループ分けし、各グループの電気音響変換素子のチャンネルを集束して１チャンネルを割り当て、２次元アレイ１のチャンネル数を１２８チャンネルとした。

図３１は、グループ化の第２例を示すパターン図である。
この第２例では、まず、図２３に示すように、短軸方向の寸法が長軸方向の寸法より長い素子ブロックと、長軸方向の寸法が短軸方向の寸法より長い素子ブロックとが混在するように、８個にブロック分けを行い、各素子ブロックに１６チャンネルを割り当てた。そして、各素子ブロックを、図２８に示すように遅延量の差が均等になるように１６個にグループ分けし、各グループの電気音響変換素子のチャンネルを集束して１チャンネルを割り当て、２次元アレイ１のチャンネル数を１２８チャンネルとした。

図３２は、グループ化の第３例を示すパターン図である。
この第３例では、まず、第２例と同様に８個にブロック分けを行った。そして、各素子ブロックを、図２８に示すように遅延量の出現確率が均等になるように１６個にグループ分けし、各グループの電気音響変換素子のチャンネルを集束して１チャンネルを割り当て、２次元アレイ１のチャンネル数を１２８チャンネルとした。

比較例および第１例〜第３例のグループ化パターンそれぞれについて、フォーカス距離５０ｍｍを半径とした半球状の受信ビームプロファイルを計算した。ビームのレベルは、パルス幅当たりの音圧実効値として求めた。

図３３は、ビームプロファイルの表示座標系を示す説明図である。
中心軸をｚ軸として、直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）のｘｙ面に２次元アレイ１を置き、フォーカス距離Ｆを半径、ｘ＝ｙ＝ｚ＝０を中心とする半球面Ｑでのビームパターンを、（ｘ，ｙ）座標系においてフォーカス距離Ｆで正規化した（ｕ，ｖ）座標系に投影した。半球面Ｑ上のフォーカス点Ｒの座標を（ｘ_j，ｙ_j，ｚ_j）とし、このフォーカス点Ｒをフォーカス距離Ｆ、ｚ軸からの回転角θ_j、ｘ軸からの回転角φ_jで表される（Ｆ，θ_j，φ_j）座標系で表すことができる。このとき、フォーカス点Ｒの（ｕ，ｖ）座標系への変換は、ｕ_j＝sinθ_jsinφ_j、ｖ_j＝sinθ_jcosφ_jと表すことができる。前記した正面方向に対し、斜め４５°（θ_j＝φ_j＝４５°）へ偏向させた走査線方向に対応する（ｕ，ｖ）座標系上での位置は、ｕ＝ｖ＝０．５に相当する。

図３４は、比較例のグループ化パターンを用いたときの（ｕ，ｖ）座標系におけるビームプロファイルを示す等高線図である。
比較例のグループ化パターンを用いた場合、正面方向にフォーカス点Ｒと同レベルの大きなグレーティングローブが発生していることがわかる。

図３５は、第１例のグループ化パターンを用いたときの（ｕ，ｖ）座標系におけるビームプロファイルを示す等高線図である。
第１例のグループ化パターンを用いた場合、遅延量ヒストグラムの出現確率を均等にしてグループ化を行ったため、比較例と比較すると、グレーティングローブが抑制されたことが分かった。

図３６は、第２例のグループ化パターンを用いたときの（ｕ，ｖ）座標系におけるビームプロファイルを示した等高線図である。
第２例のグループ化パターンを用いた場合、短軸方向の寸法が長軸方向の寸法に比べて長い素子ブロックと長軸方向の寸法が短軸方向の寸法に比べて長い素子ブロックとを混在させてブロック分けを行ったため、比較例と比較すると、グレーティングローブが抑制されたことが分かった。

図３７は、第３例のグループ化パターンを用いたときの（ｕ，ｖ）座標系におけるビームプロファイルを示した等高線図である。
第３例のグループ化パターンを用いた場合、短軸方向の寸法が長軸方向の寸法に比べて長い素子ブロックと長軸方向の寸法が短軸方向の寸法に比べて長い素子ブロックとを混在させてブロック分けを行うとともに、遅延量ヒストグラムの出現確率を均等にしてグループ化を行ったため、第１例および第２例と比較すると、グレーティングローブが抑制されたことが分かった。

このシミュレーションによれば、次の効果が確認された。
（１）短軸方向の寸法が長軸方向の寸法に比べて長い素子ブロックと長軸方向の寸法が短軸方向の寸法に比べて長い素子ブロックとを混在させてブロック分けを行えば、グレーティングローブを抑制できる。
（２）遅延量ヒストグラムの出現確率を均等にしてグループ化を行えば、グレーティングローブを抑制できる。
（３）（１）および（２）を併用すれば、グレーティングローブ抑制効果をさらに高めることができる。

Claims

複数のトランスデューサ素子を２次元配列した２次元アレイを有し、当該２次元アレイにより超音波を送受して撮像範囲を走査し超音波３次元画像を生成する超音波撮像装置であって、
前記トランスデューサ素子を前記２次元アレイの配列面上の第１方向の寸法より第２方向の寸法が大きい第１素子ブロックと前記第２方向の寸法より前記第１方向の寸法が大きい第２素子ブロックとを含む複数の素子ブロックに区分けするとともに、前記撮像範囲に送信ビームと複数の受信ビームとを形成するように各々の前記素子ブロック内を所定数のグループに区分けする分割手段と、
当該グループごとに前記トランスデューサ素子の送受信チャンネルを集束して１チャンネルとする選択手段と、
を具備したことを特徴とする超音波撮像装置。
複数のトランスデューサ素子を２次元配列した２次元アレイを有し、当該２次元アレイにより超音波を送受して撮像範囲を走査し超音波３次元画像を生成する超音波撮像装置であって、
前記トランスデューサ素子を形状が異なるものを含む複数の素子ブロックに区分けするとともに、前記撮像範囲に送信ビームと複数の受信ビームとを形成するように各々の前記素子ブロック内を所定数のグループに区分けする分割手段と、
当該グループごとに前記トランスデューサ素子の送受信チャンネルを集束して１チャンネルとする選択手段と、
を具備したことを特徴とする超音波撮像装置。
前記素子ブロックは、矩形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の
超音波撮像装置。
前記素子ブロックは、前記第１方向および前記第２方向について対称に配置されたこと
を特徴とする請求項１に記載の超音波撮像装置。
前記選択手段は、前記送信ビームの形成時と前記受信ビームの形成時とで前記グループのパターンを変えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波撮像装置。
前記第１素子ブロックの前記第１方向の素子数が前記素子ブロックあたりのチャンネル数以下であり、前記第２素子ブロックの前記第２方向の素子数が前記素子ブロックあたりのチャンネル数以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波撮像装置。
前記選択手段は、前記トランスデューサ素子へ与えるべき遅延量ごとの出現頻度を前記グループごとの前記遅延量の範囲において積分した量が当該グループごとに均等になるように、各々の前記素子ブロック内を前記所定数の前記グループに区分けすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波撮像装置。
複数のトランスデューサ素子を２次元配列した２次元アレイを有し、当該２次元アレイにより超音波を送受して撮像範囲を走査し超音波３次元画像を生成する超音波撮像装置であって、
前記トランスデューサ素子を前記２次元アレイの配列面に係る短軸方向の幅または長軸方向の幅が異なるものを含む複数の素子ブロックに区分けするとともに、前記撮像範囲に送信ビームと複数の受信ビームとを形成するように各々の前記素子ブロック内を所定数のグループに区分けする分割手段と、
当該グループごとに前記トランスデューサ素子の送受信チャンネルを集束して１チャンネルとする選択手段と、
を具備したことを特徴とする超音波撮像装置。