JP5586136B2 - 超音波診断装置および超音波送受信プログラム - Google Patents

Description

本発明は、被検体内に超音波を送受信することによって、被検体内の生体情報を取得する超音波診断装置に係り、特に１回の超音波送信に対して同時に複数の超音波受信ビームを形成する並列同時受信を行うことが可能な超音波診断装置および超音波送受信プログラムに関する。

超音波診断装置は、被検体内に超音波を送受信することによって、被検体内の組織の断層像を無侵襲に得る画像診断装置である。

図９は、従来の超音波診断装置の回路構成図である。

図９に示すように、従来の超音波診断装置１は、複数の超音波振動子素子２を備える。各超音波振動子素子２には、それぞれパルサ３の出力側およびプリアンプ４の入力側が接続される。各プリアンプ４の出力側には、それぞれアナログまたはディジタルの遅延回路５の入力側が接続される。各遅延回路５の出力側には、それぞれApodization関数に応じた重み付けを行う重み付け回路６の入力側が接続される。各重み付け回路６の出力側には、共通の加算器７が接続される。

このような従来の超音波診断装置１では、各パルサ３においてそれぞれ生成された送信パルスが対応する各超音波振動子素子２に所定の遅延時間を伴って印加される。そうすると、各超音波振動子素子２から図示しない被検体内に超音波パルスが送信される。これにより被検体内において発生した超音波エコーは、各超音波振動子素子２により受信され、受信信号としてそれぞれ対応するプリアンプ４に出力される。

各プリアンプ４で増幅された受信信号は、それぞれ対応する遅延回路５に出力され、遅延回路５において、受信信号の時間遅延処理が行われる。これにより受信信号の位相が整えられる。各受信信号は、それぞれ遅延回路５から対応する重み付け回路６に出力され、重み付け回路６において、Apodization関数に応じた各受信信号の重み付けが行われる。重み付けされた各受信信号は、共通の加算器７に出力されて互いに加算される。これにより単一の受信信号が生成され、後段の図示しない信号処理系に出力される。

すなわち、複数の遅延回路５、重み付け回路６および加算器７により１つの受信ビームフォーマが構成され、１つの受信ビームフォーマにおいて１つの超音波受信ビームBeamが形成される。具体的には、各遅延回路５において対応する受信信号にそれぞれ所定の時間遅延を与えることによって超音波受信ビームBeamのフォーカス位置を決定するための合焦（フォーカシング：focusing)が行われる。また、各重み付け回路６において対応する受信信号にそれぞれApodization関数に応じた重み付けを行うことによって超音波受信ビームの形状を決定するためのアポダイゼーション(Apodization)が行われる。

このように超音波受信ビームBeamは、受信ビームフォーマにおけるフォーカシング、アポダイゼーションおよび受信信号の加算処理によって生成される。従って、受信ビームフォーマには、超音波振動子素子２の数と同数の遅延回路５および重み付け回路６が備えられる。

また、超音波診断装置には、リアルタイム性を向上するために１回の超音波送信に対して同時に複数の超音波受信ビームを形成し、複数の走査線からの受信信号を得る並列同時受信という技術がある（例えば特許文献１、特許文献２および特許文献３参照）。

図１０は、並列同時受信を行うことが可能な従来の超音波診断装置の回路構成図である。

図１０に示すように、並列同時受信を行う従来の超音波診断装置１Aには、形成する超音波受信ビームの数と同数の受信ビームフォーマが備えられる。図１０には、２つの超音波受信ビームBeam1, Beam2を形成する場合における従来の超音波診断装置１Aの回路構成を示している。従って、２つの受信ビームフォーマが設けられている。

すなわち、１つの超音波振動子素子２に対応するプリアンプ４の出力側には、２つの遅延回路５が並列接続される。各遅延回路５の出力側には、それぞれ対応する重み付け回路６が接続される。そして、各超音波振動子素子２にそれぞれ対応する一方の重み付け回路６、つまり一方の受信ビームフォーマに属する複数の重み付け回路６は共通の加算器７の入力側と接続される。また、各超音波振動子素子２にそれぞれ対応する他方の重み付け回路６、つまり他方の受信ビームフォーマに属する複数の重み付け回路６は共通の別の加算器７の入力側と接続される。

そして、共通の超音波振動子素子２から出力された受信信号を元に２つの受信ビームフォーマを用いてそれぞれ互いに異なる条件でフォーカシングおよびアポダイゼーションを行うことによって、互いに異なる超音波受信ビームBeam1, Beam2が形成される。形成された超音波受信ビームBeam1, Beam2の受信信号は、それぞれ対応する受信チャンネルを経て信号処理系に出力される。

このように、並列同時受信により得られる超音波受信ビームは、従来の超音波診断装置１Aの受信回路に受信チャンネルごとにそれぞれ備えられる受信ビームフォーマにより形成される。従って、従来の超音波診断装置１Aの受信回路には、超音波振動子素子２の数×超音波受信ビームの数に相当する遅延回路５および重み付け回路６が備えられる。
特開２０００−３１２６７６号公報 特開２０００−２５４１２０号公報 特開平５−１４６４４４号公報

しかしながら、従来の超音波診断装置における並列同時受信技術では、複数の超音波受信ビームを形成するために、受信チャンネルの数×並列同時受信により形成する超音波受信ビームの数に相当する数の受信ビームフォーマが必要となるという問題がある。例えば、並列同時受信により同時に２つの超音波受信ビームを形成する場合には、各受信チャンネルにそれぞれ２つの受信ビームフォーマを設ける必要がある。同様に、並列同時受信技術により同時に４つの超音波受信ビームを形成する場合には、各受信チャンネルにそれぞれ４つの受信ビームフォーマを設ける必要がある。このため、超音波受信ビームの数が増加するにつれて、受信回路の規模が比例的に増加することとなる。

本発明はかかる従来の事情に対処するためになされたものであり、より少ない受信ビームフォーマを用いて並列同時受信技術により同時により複数の超音波受信ビームを形成することが可能な超音波診断装置および超音波送受信プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る超音波診断装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、複数の超音波振動子を用いて被検体に超音波を送受することによって、１回の送信で複数の受信信号を得る超音波送受手段と、各々が、前記複数の受信信号それぞれに対して時間遅延を行い、時間遅延後の複数の受信信号それぞれに対して重み付けを行い、重み付け後の複数の受信信号同士を加算し、ビームフォーマ出力信号として出力する複数の受信ビームフォーマと、前記複数の受信ビームフォーマからの複数のビームフォーマ出力信号の少なくとも１つに時間遅延を与えた後、互いに加算することによって偏向させた超音波受信ビームを形成させる偏向手段と、を有し、前記複数の受信ビームフォーマのそれぞれは、同一の超音波振動子からの受信信号に対しては同一の時間遅延を行い、時間遅延後の複数の受信信号それぞれに対して受信ビームフォーマごとに異なる重み付けを行う、ことを特徴とするものである。

本発明に係る超音波診断装置および超音波送受信プログラムにおいては、より少ない受信ビームフォーマを用いて並列同時受信技術により同時に複数の超音波受信ビームを形成することができる。

本発明に係る超音波診断装置および超音波送受信プログラムの実施の形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る超音波診断装置の実施の形態を示す回路構成図である。

超音波診断装置１０は、プローブ１１、送信回路１２、受信回路１３を備えている。送信回路１２には、パルサ群１４が設けられる。プローブ１１には、複数の超音波振動子素子１５が設けられる。受信回路１３には、プリアンプ群１６、第１の受信ビームフォーマ１７A、第２の受信ビームフォーマ１７B、偏向ビーム生成系１８が設けられる。偏向ビーム生成系１８は、第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９A、第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９B、第１の偏向ビーム合成用増幅器２０A、第２の偏向ビーム合成用増幅器２０B、偏向ビーム合成用加算器２１を備えている。尚、偏向ビーム生成系１８は、形成する超音波受信ビームの数に応じて複数個備えることができる。

送信回路１２のパルサ群１４の各出力側および受信回路１３のプリアンプ群１６の各入力側は、それぞれプローブ１１内の対応する各超音波振動子素子１５と接続される。プリアンプ群１６の各出力側には、複数の、例えば２つの第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bの入力側が並列接続される。第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bの出力側には、それぞれ対応する第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aおよび第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bが接続される。第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aおよび第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bの出力側には、それぞれ対応する第１の偏向ビーム合成用増幅器２０Aおよび第２の偏向ビーム合成用増幅器２０Bが接続される。第１の偏向ビーム合成用増幅器２０Aおよび第２の偏向ビーム合成用増幅器２０Bの出力側には、共通の偏向ビーム合成用加算器２１の入力側が接続される。偏向ビーム合成用加算器２１の出力側には、図示しない信号処理系が接続される。

送信回路１２のパルサ群１４は、複数の送信パルスを生成し、対応する各超音波振動子素子１５に所定の遅延時間を伴って印加する。

プローブ１１の各超音波振動子素子１５は、それぞれパルサ群１４から印加された送信パルスを超音波パルスに変換し、図示しない被検体内に送信する一方、超音波パルスの送信によって被検体内で生じた超音波エコーを受信して電気信号である受信信号としてプリアンプ群１６に出力する。

受信回路１３のプリアンプ群１６は、各超音波振動子素子１５から取得した受信信号をそれぞれ増幅して第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bに出力する。

第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bは、それぞれプリアンプ群１６から取得した複数の受信信号に所定の時間遅延を行った後、所定のApodization関数に応じた重み付けを各受信信号に行う。さらに、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bは、それぞれ時間遅延、重み付け後の各受信信号の加算処理を行う。すなわち、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bは、それぞれ超音波受信ビームのフォーカシングおよびアポダイゼーションを行うことにより超音波受信ビームを形成する。第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bからの各ビームフォーマ出力は、それぞれ対応する第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aおよび第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bに出力される。

第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aおよび第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bは、それぞれ対応する第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bからビームフォーマ出力を取得して、それぞれビームフォーマ出力に対して所定の遅延時間τ₁,τ₂による時間遅延処理を行う。時間遅延処理後のビームフォーマ出力は、それぞれ対応する第１の偏向ビーム合成用増幅器２０Aおよび第２の偏向ビーム合成用増幅器２０Bに出力される。

第１の偏向ビーム合成用増幅器２０Aおよび第２の偏向ビーム合成用増幅器２０Bは、それぞれ対応する第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aおよび第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bから時間遅延処理後のビームフォーマ出力を取得して、それぞれ利得γ₁,γ₂を用いて増幅する。増幅後のビームフォーマ出力は、偏向ビーム合成用加算器２１に出力される。

偏向ビーム合成用加算器２１は、第１の偏向ビーム合成用増幅器２０Aおよび第２の偏向ビーム合成用増幅器２０Bから増幅後の各ビームフォーマ出力を取得して互いに加算する。加算によって得られた単一のビームフォーマ出力は図示しない信号処理系に出力される。

つまり受信回路１３は、プリアンプ群１６から取得した複数の受信信号を入力信号として第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bにより２つのビームフォーマ出力Partial Beam 1，Partial Beam 2を得て、各ビームフォーマ出力Partial Beam 1，Partial Beam 2にそれぞれ遅延時間τ₁，τ₂をかけた後、利得γ₁，γ₂で増幅して加算する。

このような構成の受信回路１３によれば、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bによりそれぞれ形成される超音波受信ビームの偏向角θから微小角Δθだけ偏向した超音波受信ビームを偏向ビーム合成用加算器２１からのビームフォーマ出力として得ることができる。第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７BのApodization関数、遅延時間τ₁，τ₂、利得γ₁，γ₂は、それぞれ超音波受信ビームを偏向させる微小角Δθの方向や大きさに応じて任意の方法で決定することができる。

ただし、Apodization関数は、受信開口を実質的に空間分割することにならない関数、すなわち複数の超音波受信ビームの形成に利用される共通の受信信号を受信するための超音波振動子素子１５が少なくとも１つ存在することとなる関数であることを想定している。

図２は、図１に示す受信回路１３において偏向される超音波受信ビームの微小角ΔθおよびApodization関数の一例を示す図である。

図２においてｘ軸は、プローブ１１の探査面方向、すなわち各超音波振動子素子１５の配置方向を示す。例えば、受信開口が0<x<Aである場合、すなわち、0<x<Aに配置される複数の超音波振動子素子１５を用いて超音波エコーを受信する場合、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bによりｘ軸に垂直な方向から偏向角θだけ中心線が傾いた超音波受信ビームPartial Beam 1，Partial Beam 2が形成される。

ここで、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７BのApodization関数を例えば図２に示すようなｘ＝０で最大値１をとりｘ＝Aで最小値０をとる関数Apod 1およびｘ＝０で最小値０をとりｘ＝Aで最大値１をとる関数Apod 2とする。そして、遅延時間τ₁，τ₂、利得γ₁，γ₂の値を決定すると、遅延時間τ₁，τ₂、利得γ₁，γ₂の値に応じて偏向角θから微小角Δθだけ偏向した超音波受信ビームBeamを信号処理によって等価的に得ることができる。

ここで、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bの各Apodization関数、遅延時間τ₁，τ₂並びに利得γ₁，γ₂の決定方法の一例について説明する。

受信信号が中心周波数ω₀のパルス波であり、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bの開口関数が任意の重み関数である場合について考える。また、フォーカシングのための遅延時間を制御せずに遠方指向性を決定するApodization関数のみを制御するものとする。さらに、Apodization関数は、実関数であり、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７BでそれぞれPartial Beam 1，Partial Beam 2が形成されるものとする。

受信開口に入射する超音波パルスの入射波面をρ(t，x)、フォーカシング用の遅延時間をτ(x)、Apodization関数をζ(x)とすると、一般的に受信ビームフォーマ１７のビームフォーマ出力r(t)は式(1)のように表すことができる。

ここで入射波面ρ(t，x)のフーリエ変換をP(ω,x)とすると、式(2-1)および式(2-2)が成立する。

従って、ビームフォーマ出力r(t)のスペクトルR(ω)は一般的に式(3)のように表すことができる。

ここで超音波受信ビームに偏向角θの指向性を持たせるための遅延時間τ(x)は式(4)で与えられる。

従って、超音波受信ビームに偏向角θの指向性を持たせる場合におけるビームフォーマ出力R(ω,θ)は式(5)のように求められる。

図１に示す受信回路１３において、第１の受信ビームフォーマ１７Aにおけるアポダイゼーション用のApodization関数をζ(x)α₁(x)の実関数とする。同様に、第２の受信ビームフォーマ１７Bにおけるアポダイゼーション用のApodization関数をζ(x)α₂(x)の実関数とする。そうすると、式(5)から第１の受信ビームフォーマ１７Aのビームフォーマ出力R₁(ω,θ)は式(6-1)で与えられる。同様に、第２の受信ビームフォーマ１７Bのビームフォーマ出力R₂(ω,θ)は式(6-2)で与えられる。

従って、第１の受信ビームフォーマ１７Aのビームフォーマ出力R₁(ω,θ)および第２の受信ビームフォーマ１７Bのビームフォーマ出力R₂(ω,θ)にそれぞれ時間遅延τ₁, τ₂をかけて利得γ₁，γ₂だけ増幅した後加算した加算器出力R₁₊₂(ω,θ)は式(7)のように求められる。

ここで、受信回路１３において生成目的とされる偏向角θ+Δθの超音波受信ビームに相当するビームフォーマ出力R(ω,θ+Δ)は式(5)より式(8)のように表される。

従って、偏向角θ+Δθの超音波受信ビームに相当するビームフォーマ出力R(ω,θ+Δ)と加算器出力R₁₊₂(ω,θ)が全ての波面に対して成立するように関数α₁(x)，α₂(x)、遅延時間τ₁，τ₂および利得γ₁，γ₂を決定すればよいことになる。つまり、式(9)が恒等的に成立するように関数α₁(x)，α₂(x)、遅延時間τ₁，τ₂および利得γ₁，γ₂を求めればよいことになる。

式(9)が全てのP(ω，x)について成立するためには式(9)の[]内が恒等的に0である必要がある。従って式(10)が導かれる。

従って、式(10)が全てのx,ωについて成立するような関数α₁(x)，α₂(x)、遅延時間τ₁，τ₂および利得γ₁，γ₂を求めれば良いことになる。しかし、関数α₁(x)，α₂(x)が実関数であるため式(10)は、全てのx,ωについて一般的には成立しない。そこでまず式(11)に示す近似を用いる。

ここではcosΔθ≒1となるほど微小角Δθが小さい場合について考える。そうすると式(10)は式(12)となる。

さらに狭帯域で周波数ωが受信信号の中心周波数ω₀の近傍の値をとる場合について考えると式(12)は式(13)となる。

ここで簡単のため例えば式(14)が成立するものとする。

さらに、式(13)の両辺に式(15)を乗じる。

そうすると、式(13)から式(16)が得られる。

式(16)において左辺の虚部は0であるから式(17)が得られる。

同様に式(13)の両辺に式(18)を乗じる。

そうすると、式(13)から式(19)が得られる。

式(17)および式(19)を整理すると、式(20-1)、式(20-2)および式(20-3)となる。

従って、式(20-1)、式(20-2)および式(20-3)を満たすように関数α₁(x)，α₂(x)、遅延時間τ₁，τ₂および利得γ₁，γ₂を決定することができる。

次に遅延時間τ₀の値の決定方法の一例について説明する。例えば、式(9)で表される誤差のエネルギが最小となるように遅延時間τ₀の値を決定することができる。すなわち、式(9)および式(12)を用いて誤差εを定義すると式(21)が得られる。

式(21)において関数ζ(x)および入射波面ρ(t，x)のフーリエ変換P(ω,x)を定義し、遅延時間τ₀で微分して誤差εが最小となるときの遅延時間τ₀の値を求めることができる。

このようにして決定したApodization関数ζ(x)α₁(x)，ζ(x)α₂(x)、遅延時間τ₁，τ₂および利得γ₁，γ₂を用いて超音波診断装置１０の具体的な回路構成を決定することができる。

図３は、図１に示す超音波診断装置１０の詳細回路構成の一例を示す図である。

図３に示すように、複数の超音波振動子素子１５には、それぞれ対応するパルサ１４Aの出力側およびプリアンプ１６Aの入力側が接続され、各プリアンプ１６Aの出力側に第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bの入力側が接続される。

ただし、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bにおいて、同一の超音波振動子素子１５からの受信信号に与えるフォーカシングのめの遅延時間は同一とされる。このため、各プリアンプ１６Aの出力側には、それぞれ単一のフォーカシング用遅延回路３０が接続される。一方、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bにおいて、遠方指向性を決定するApodization関数はそれぞれ個別に決定される。このため、各フォーカシング用遅延回路３０の出力側には、第１の受信ビームフォーマ１７AのApodization関数ζ(x)α₁(x)に応じた重み付けを行うための第１の重み付け回路３１Aの入力側と、第２の受信ビームフォーマ１７BのApodization関数ζ(x)α₂(x)に応じた重み付けを行うための第２の重み付け回路３１Bの入力側とが並列接続される。

第１の受信ビームフォーマ１７A側の複数の第１の重み付け回路３１Aの出力側には、共通の第１のビームフォーマ加算器３２Aが接続される。一方、第２の受信ビームフォーマ１７B側の複数の第２の重み付け回路３１Bの出力側には、共通の第２のビームフォーマ加算器３２Bが接続される。

そして、第１の受信ビームフォーマ１７Aでは、各超音波振動子素子１５からの受信信号に、各フォーカシング用遅延回路３０を用いた時間遅延処理、第１の重み付け回路３１Aを用いたApodization関数ζ(x)α₁(x)に応じた重み付けおよび第１のビームフォーマ加算器３２Aを用いた各受信信号の加算処理によってビームフォーマ出力Partial Beam 1が得られる。同様に、第２の受信ビームフォーマ１７Bでは、各超音波振動子素子１５からの受信信号に、対応するフォーカシング用遅延回路３０を用いた時間遅延処理、第２の重み付け回路３１Bを用いたApodization関数ζ(x)α₂(x)に応じた重み付けおよび第２のビームフォーマ加算器３２Bを用いた各受信信号の加算処理によってビームフォーマ出力Partial Beam 2が得られる。

このように、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bにおいて、同一の超音波振動子素子１５からの受信信号に与えるフォーカシングのめの遅延時間を同一とし、Apodization関数のみを個別に決定するようにすれば、フォーカシング用遅延回路３０の数を低減させることができる。すなわち、フォーカシング用遅延回路３０の数を増加させずに、重み付け回路３１およびビームフォーマ加算器３２のみ追加すれば、並列同時受信を行うことが可能である。

第１のビームフォーマ加算器３２Aおよび第２のビームフォーマ加算器３２Bの各出力側には、それぞれ第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aおよび第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bの各入力側が接続される。また、第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aおよび第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bの各出力側には、それぞれ第１の偏向ビーム合成用加算器２１Aおよび第２の偏向ビーム合成用加算器２１Bの各入力側が接続される。さらに、第１のビームフォーマ加算器３２Aの出力側は、第２の偏向ビーム合成用加算器２１Bの入力側とも接続される。一方、第２のビームフォーマ加算器３２Bの出力側は、第１の偏向ビーム合成用加算器２１Aの入力側とも接続される。

すなわち、図３に示す回路では、第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９A、第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９B、第１の偏向ビーム合成用加算器２１Aおよび第２の偏向ビーム合成用加算器２１Bでそれぞれ構成される２系統の第１の偏向ビーム生成系１８Aおよび第２の偏向ビーム生成系１８Bが備えられる。

尚、利得γ₁，γ₂をそれぞれ１に決定しているため図３に示す回路には、第１の偏向ビーム合成用増幅器２０A、第２の偏向ビーム合成用増幅器２０Bが設けられていない。また、遅延時間τ₁，τ₂の相対的な差分を遅延時間τとして各ビームフォーマ出力Partial Beam 1, Partial Beam 2の一方にかければ、各ビームフォーマ出力Partial Beam 1, Partial Beam 2の双方に遅延時間τ₁，τ₂をかけた場合と等価となる。従って、第１の偏向ビーム生成系１８Aには、第１の受信ビームフォーマ１７Aからのビームフォーマ出力Partial Beam 1に時間遅延τをかけるための第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aが設けられるが第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bは設けられていない。逆に、第２の偏向ビーム生成系１８Bには、第２の受信ビームフォーマ１７Bからのビームフォーマ出力Partial Beam 2に時間遅延τをかけるための第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bが設けられるが第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aは設けられていない。

そして、第１の偏向ビーム生成系１８Aの第１の偏向ビーム合成用加算器２１Aにおいて偏向した第１の超音波受信ビームBeam 1が生成されて後段の信号処理系に出力される。同様に、第２の偏向ビーム生成系１８Bの第２の偏向ビーム合成用加算器２１Bにおいて偏向した第２の超音波受信ビームBeam 2が生成されて後段の信号処理系に出力される。

このように２つの第１の偏向ビーム生成系１８Aおよび第２の偏向ビーム生成系１８Bを受信回路１３に設ければ、２つのビームフォーマ出力Partial Beam 1, Partial Beam 2から２つの偏向した第１、第２の超音波受信ビームBeam 1, Beam 2を形成することができる。尚、第１の超音波受信ビームBeam 1は、一方のビームフォーマ出力Partial Beam 1のみに時間遅延がかけられる。これに対し、第２の超音波受信ビームBeam 2は、他方のビームフォーマ出力Partial Beam 2のみに第１の超音波受信ビームBeam 1の形成に用いた遅延時間τと同一の遅延時間τだけ時間遅延がかけられる。従って、２つの偏向した第１、第２の超音波受信ビームBeam 1, Beam 2は、互いに対称な偏向角を有する超音波受信ビームとなる。

このように、複数の偏向ビーム生成系１８を受信回路１３に設ければ、偏向ビーム生成系１８の数だけ偏向した超音波受信ビームBeamを形成させることができる。また、形成させる超音波受信ビームBeamの偏向角に応じて、各偏向ビーム生成系１８における遅延時間の値を変えることもできる。

図４は、図１に示す超音波診断装置１０に複数の偏向ビーム生成系１８を設け、偏向ビーム生成系１８ごとに遅延時間の値を変えた場合における詳細回路構成の一例を示す図である。

図４に示すように、第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bの出力側に例えば５系統の第１、第２、第３、第４、第５の偏向ビーム生成系１８A、１８B、１８C、１８D、１８Eを設けることができる。各偏向ビーム生成系１８A、１８B、１８C、１８D、１８Eにそれぞれ属する各第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aの遅延時間は互いに異なり、それぞれの遅延時間は４τ、３τ、２τ、τ、０（第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aなし）に設定される。また、各偏向ビーム生成系１８A、１８B、１８C、１８D、１８Eにそれぞれ属する各第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bの遅延時間も互いに異なり、それぞれの遅延時間は０（第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aなし）、τ、２τ、３τ、４τに設定される。

各偏向ビーム生成系１８A、１８B、１８C、１８D、１８Eにおいて、それぞれ設定された時間遅延を掛けられた２つのビームフォーマ出力Partial Beam 1, Partial Beam 2が各偏向ビーム生成系１８A、１８B、１８C、１８D、１８Eの第１、第２、第３、第４、第５の偏向ビーム合成用加算器２１A、２１B、２１C、２１D、２１Eにおいてそれぞれ互いに加算されると、互いに異なる偏向角θ＋Δθに偏向した５つの第１、第２、第３、第４、第５の超音波受信ビームBeam 1, Beam 2, Beam 3, Beam 4, Beam 5を形成することができる。

図５は、図４に示す回路構成を有する超音波診断装置１０において形成される超音波受信ビームBeam 1, Beam 2, Beam 3, Beam 4, Beam 5の偏向角θ＋Δθを示す図である。

第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aの遅延時間４τ、３τ、２τ、τ、０が比例的に減少するように決定される一方、第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bの遅延時間０、τ、２τ、３τ、４τが比例的に増加するように決定されるため、形成される５つの第１、第２、第３、第４、第５の超音波受信ビームBeam 1, Beam 2, Beam 3, Beam 4, Beam 5は、図５に示すように、対称な偏向角を有する超音波受信ビームとなる。また隣接する超音波受信ビーム間の角度は等しくなる。

このように、超音波診断装置１０に形成させる超音波受信ビームの数と同数の複数の偏向ビーム生成系１８を設け、偏向ビーム生成系１８ごとに遅延時間の値を変えれば、２つの第１の受信ビームフォーマ１７Aおよび第２の受信ビームフォーマ１７Bのビームフォーマ出力Partial Beam 1, Partial Beam 2から所望の数の超音波受信ビームを形成することが可能となる。特に、第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aを設けない偏向ビーム生成系１８と第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bを設けない偏向ビーム生成系１８が存在する場合には、必要な偏向ビーム合成用遅延回路１９の数Dnが、超音波振動子素子１５の数Tnと形成させる超音波受信ビームの数Bnから式(22)で計算できる。
［数２２］
Dn = Tn + (Bn-1)×2 (22)

従って、形成させる超音波受信ビームの数Bnが増加したとしても、受信回路１３の回路規模の増加を少なく抑えることができる。換言すれば、より小規模な回路構成の受信回路１３で、より多数の超音波受信ビームを形成することが可能となる。

図６は、図１に示す受信回路１３において、７つの超音波受信ビームを形成する場合に設定される遅延時間の例を示す図である。

図６においてｘ軸は、各超音波振動子素子１５の配置方向を示す。図６に示すように受信開口が0<x<Aである場合、すなわち、0<x<Aに配置される複数の超音波振動子素子１５を用いて超音波エコーを受信する場合、比例的に変化する７つの遅延時間-3τ,-2τ,-τ,0,τ,2τ,3τを設定すると７つの超音波受信ビームを形成することが可能となる。尚、Apodization関数として図６に示すようなcos関数で近似した関数を用いることができる。

また、受信ビームフォーマ１７の数を３つ以上に増加させることによって、偏向可能な微小角Δθの範囲を大きくすることが可能となる。尚、受信信号の重み付けに用いられる重み関数の数によっても偏向可能な微小角Δθの範囲が決定されるため、必要な偏向角θ＋Δθに応じて重み関数の数を決定することができる。

図７は、図１に示す超音波診断装置１０に３つの受信ビームフォーマ１７A、１７B、１７Cを設けた場合における詳細回路構成の一例を示す図である。

図７に示すように受信回路１３には、３つの第１、第２、第３の受信ビームフォーマ１７A、１７B、１７Cを設けることができる。尚、同一の超音波振動子素子１５からの受信信号に対する遅延時間は同一とされるため、各超音波振動子素子１５には、それぞれ１つのフォーカシング用遅延回路３０が対応している。また、各フォーカシング用遅延回路３０の出力側には、それぞれ２つの重み付け回路３１、３１の入力側が並列接続される。

そして、一部の複数の超音波振動子素子１５に対応する重み付け回路３１では、それぞれ第１の受信ビームフォーマ１７AのApodization関数に応じた重み付けが行われ、別の一部の複数の超音波振動子素子１５に対応する重み付け回路３１では、それぞれ第２の受信ビームフォーマ１７BのApodization関数に応じた重み付けが行われる。さらに、別の一部の複数の超音波振動子素子１５に対応する重み付け回路３１では、それぞれ第３の受信ビームフォーマ１７CのApodization関数に応じた重み付けが行われる。

第１の受信ビームフォーマ１７AのApodization関数に応じた重み付けが行われる複数の重み付け回路３１の出力側には、共通の第１のビームフォーマ加算器３２Aが接続される。第２の受信ビームフォーマ１７BのApodization関数に応じた重み付けが行われる複数の重み付け回路３１の出力側には、共通の第２のビームフォーマ加算器３２Bが接続される。第３の受信ビームフォーマ１７CのApodization関数に応じた重み付けが行われる複数の重み付け回路３１の出力側には、共通の第３のビームフォーマ加算器３２Cが接続される。

ただし、３つの第１、第２、第３の受信ビームフォーマ１７A、１７B、１７Cのうち２つの受信ビームフォーマ１７、１７の各Apodization関数に応じた重み付けの対象となる受信信号を得るための共通の超音波振動子素子１５が必ず存在する回路構成とされる。つまり超音波振動子素子１５が空間分割されることなくApodization関数に応じた受信信号の重み付けと加算によって３つのビームフォーマ出力Partial Beam 1, Partial Beam 2, Partial Beam 3が得られるように構成されている。尚、第１、第２、第３のビームフォーマ加算器３２Cのいずれにも接続されない重み付け回路３１は省略してもよい。

第１、第２、第３の受信ビームフォーマ１７A、１７B、１７Cの出力側には、５つの第１、第２、第３、第４、第５の偏向ビーム生成系１８A、１８B、１８C、１８D、１８Eが設けられる。各偏向ビーム生成系１８A、１８B、１８C、１８D、１８Eにはそれぞれ３つのビームフォーマ出力Partial Beam 1, Partial Beam 2, Partial Beam 3が出力されるため、第１、第２、第３、第４、第５の各偏向ビーム生成系１８A、１８B、１８C、１８D、１８Eにはそれぞれ３つの第１、第２、第３の偏向ビーム合成用遅延回路１９A、１９B、１９Cが設けられる。ただし、偏向ビーム生成系１８間において、遅延時間が同一である偏向ビーム合成用遅延回路１９は共通化されている。また、遅延時間が0の場合には偏向ビーム合成用遅延回路１９が設けられない。第１、第２、第３、第４、第５の各偏向ビーム生成系１８A、１８B、１８C、１８D、１８Eに属する３つの第１、第２、第３の偏向ビーム合成用遅延回路１９A、１９B、１９Cの出力側には、それぞれ対応する第１、第２、第３、第４、第５の偏向ビーム合成用加算器２１A、２１B、２１C、２１D、２１Eの入力側と接続される。

そして、第１、第２、第３、第４、第５の偏向ビーム合成用加算器２１A、２１B、２１C、２１D、２１Eにおける時間遅延処理後の３つのビームフォーマ出力Partial Beam 1, Partial Beam 2, Partial Beam 3の加算処理によって互いに異なる偏向角θ＋Δθに偏向した５つの超音波受信ビームBeam 1, Beam 2, Beam 3, Beam 4, Beam 5が形成される。

３つの第１、第２、第３の偏向ビーム合成用遅延回路１９A、１９B、１９Cの遅延時間は、それぞれ形成させる超音波受信ビームBeam 1, Beam 2, Beam 3, Beam 4, Beam 5の偏向角に応じて設定される。図７に示す例では、各第１の偏向ビーム合成用遅延回路１９Aの遅延時間は、4τ,3τ,2τ,τ,0、第２の偏向ビーム合成用遅延回路１９Bの遅延時間は、共通の2τ、各第３の偏向ビーム合成用遅延回路１９Cの遅延時間は、0,τ,2τ,3τ,4τである。

図８は、図７に示す回路構成を有する超音波診断装置１０において形成される超音波受信ビームBeam 1, Beam 2, Beam 3, Beam 4, Beam 5の偏向角θ＋Δθを示す図である。

超音波受信ビームの分割数、つまりビームフォーマ出力Partial Beamの数を増加させると、図８に示すように、微小角Δθを大きくすることが可能となる。このため、偏向可能な超音波受信ビームBeam 1, Beam 2, Beam 3, Beam 4, Beam 5の偏向角θ＋Δθの範囲を大きくすることができる。

つまり以上のような超音波診断装置１０は、複数の受信ビームフォーマ１７からのビームフォーマ出力Partial Beamを遅延加算することによって微小角Δθだけ偏向した超音波受信ビームを形成できるようにしたものである。より具体的には、並列同時受信を行う場合に、まず超音波受信ビームの焦点が同一となるように受信信号に時間遅延をかけ、さらに互いに異なる重み関数で重み付けした受信信号を加算することによって、複数のビームフォーマ出力を得る。そして、各ビームフォーマ出力に遅延をかけて加算することによって、等価的に焦点を移動させた超音波受信ビームを合成することが可能である。このような原理に基づいて、より少ないビームフォーマ出力からより多くの走査線上のデータを得ることが可能となる。

このため、少なくとも受信チャンネル数×２の受信ビームフォーマ１７が超音波診断装置１０に設けられていれば、各受信ビームフォーマ１７からのビームフォーマ出力を用いて所望の数の異なる走査線からの走査線信号を等価的に得ることができる。

尚、以上の説明では、１次元アレイの超音波振動子素子１５を備えたプローブ１１を用いて走査する場合を想定したが、２次元アレイのプローブを用いた３次元走査の場合にも同様な原理に基づく拡張することが可能である。

本発明に係る超音波診断装置の実施の形態を示す回路構成図。 図１に示す受信回路において偏向される超音波受信ビームの微小角およびApodization関数の一例を示す図。 図１に示す超音波診断装置の詳細回路構成の一例を示す図。 図１に示す超音波診断装置に複数の偏向ビーム生成系を設け、偏向ビーム生成系ごとに遅延時間の値を変えた場合における詳細回路構成の一例を示す図。 図４に示す回路構成を有する超音波診断装置において形成される超音波受信ビームの偏向角を示す図。 図１に示す受信回路において、７つの超音波受信ビームを形成する場合に設定される遅延時間の例を示す図。 図１に示す超音波診断装置に３つの受信ビームフォーマを設けた場合における詳細回路構成の一例を示す図。 図７に示す回路構成を有する超音波診断装置において形成される超音波受信ビームの偏向角を示す図。 従来の超音波診断装置の回路構成図。 並列同時受信を行うことが可能な従来の超音波診断装置の回路構成図。

符号の説明

１０ 超音波診断装置
１１ プローブ
１２ 送信回路
１３ 受信回路
１４ パルサ群
１４A パルサ
１５ 超音波振動子素子
１６ プリアンプ群
１６A プリアンプ
１７、１７A、１７B、１７C 受信ビームフォーマ
１８、１８A、１８B、１８C、１８D、１８E 偏向ビーム生成系
１９、１９A、１９B、１９C 偏向ビーム合成用遅延回路
２０、２０A、２０B 偏向ビーム合成用増幅器
２１、２１A、２１B、２１C、２１D、２１E 偏向ビーム合成用加算器
３０ フォーカシング用遅延回路
３１、３１A、３１B 重み付け回路
３２、３２A、３２B、３２C ビームフォーマ加算器

Claims (7)

1. 複数の超音波振動子を用いて被検体に超音波を送受することによって、１回の送信で複数の受信信号を得る超音波送受手段と、
   各々が、前記複数の受信信号それぞれに対して時間遅延を行い、時間遅延後の複数の受信信号それぞれに対して重み付けを行い、重み付け後の複数の受信信号同士を加算し、ビームフォーマ出力信号として出力する複数の受信ビームフォーマと、
   前記複数の受信ビームフォーマからの複数のビームフォーマ出力信号の少なくとも１つに時間遅延を与えた後、互いに加算することによって偏向させた超音波受信ビームを形成させる偏向手段と、
   を有し、
   前記複数の受信ビームフォーマのそれぞれは、
   同一の超音波振動子からの受信信号に対しては同一の時間遅延を行い、時間遅延後の複数の受信信号それぞれに対して受信ビームフォーマごとに異なる重み付けを行う、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 前記偏向手段は、前記複数のビームフォーマ出力信号の少なくとも１つを対応する利得を用いて増幅するように構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
3. 前記偏向手段は、前記複数のビームフォーマ出力信号の少なくとも１つに互いに異なる複数の遅延時間を与えた後、与えた遅延時間ごとに加算することによって複数の偏向させた超音波受信ビームを形成させるように構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
4. ３つ以上の複数の受信ビームフォーマを備え、
   前記偏向手段は、前記複数の受信ビームフォーマからの前記複数のビームフォーマ出力信号の少なくとも１つに互いに異なる複数の遅延時間を与えた後、与えた遅延時間ごとに加算することによって複数の偏向させた超音波受信ビームを形成させるように構成されることを特徴とする請求項１記載の超音波診断装置。
5. 複数の超音波振動子を用いて被検体に超音波を送受することによって複数の受信信号を得る超音波送受手段と、
   同一の超音波振動子からの受信信号には単一の時間遅延回路を用いて同一の時間遅延を行った後、それぞれ対応する重み付け回路を用いて個別に重み付けを行うことにより、前記複数の受信信号から複数の超音波受信ビームを形成する複数の受信ビームフォーマと、
   前記複数の受信ビームフォーマからの複数のビームフォーマ出力信号の少なくとも１つに時間遅延を与えた後、互いに加算することによって偏向させた超音波受信ビームを形成させる偏向手段と、
   を有することを特徴とする超音波診断装置。
6. コンピュータに、
   複数の超音波振動子を用いて被検体に超音波を送受させることによって、１回の送信で複数の受信信号を得るステップ、
   前記複数の受信信号それぞれに対して時間遅延を行い、時間遅延後の複数の受信信号それぞれに対して重み付けを行い、重み付け後の複数の受信信号同士を加算して超音波受信ビームを出力する一連の処理を複数並行して行うことで複数の超音波受信ビームを形成するステップ、
   前記複数の超音波受信ビームの少なくとも１つに時間遅延を与えた後、互いに加算することによって偏向させた超音波受信ビームを形成させるステップ、
   を実行させ、
   前記超音波受信ビームを出力する一連の処理のそれぞれにおいて、
   同一の超音波振動子からの受信信号に対しては同一の時間遅延を行い、時間遅延後の複数の受信信号それぞれに対して、形成する超音波受信ビームごとに異なる重み付けを行う、
   超音波送受信プログラム。
7. コンピュータに、
   複数の超音波振動子を用いて被検体に超音波を送受させることによって複数の受信信号を得るステップ、
   同一の超音波振動子からの受信信号には単一の時間遅延回路を用いて同一の時間遅延を行った後、それぞれ対応する重み付け回路を用いて個別に重み付けを行うことにより、前記複数の受信信号から複数の超音波受信ビームを形成するステップ、
   前記複数の超音波受信ビームの少なくとも１つに時間遅延を与えた後、互いに加算することによって偏向させた超音波受信ビームを形成させるステップ、
   を実行させるための超音波送受信プログラム。

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