JP6369289B2 - 超音波測定装置、超音波診断装置及び超音波測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波測定装置、超音波診断装置及び超音波測定方法等に関する。

超音波測定装置（超音波診断装置）において、超音波画像を広い領域で良好な分解能を得るため、観察領域全域にフォーカスを形成することが可能な開口合成処理が用いられている。この手法は少ない送受信回数でフォーカス形成が可能であり、高フレームレートかつ高分解能を狙える処理となっている。

この開口合成処理の中で、送信波に平面波を用いる手法が知られている。例えば特許文献１には、超音波の回折特性を考慮して開口合成処理を行う手法が開示されており、送信波として平面波を用いるものとしている。また非特許文献１では、開口合成処理とは異なる従来手法として知られる多段フォーカス処理と同等の分解能を取得し、且つ高フレームレートを実現する手法が開示されている。具体的には、非特許文献１では、ビームを集束させない平面波を送信し開口合成を行うことで、少ない送信回数で従来の多段フォーカス処理と同等の分解能を実現するものとしている。

特開２００３−２２００５９号公報

Gabriel Montaldo, "Coherent Plane-Wave Compounding for Very High Frame Rate Ultrasonography and Transient Elastography," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 56, no. 3, 2009.

非特許文献１に開示されているように、送信波に平面波を用いることで、平面波を用いない手法に比べて少ない送信回数で同程度の解像度の超音波画像を取得することが可能になる。しかし、素子アレイ（超音波トランスデューサー素子アレイ）から平面波を送信する場合、所定領域に対しては平面波が送信されるが、他の領域に対しては平面波以外の波（例えば球面波）が送信される。

非特許文献１の手法では、平面波以外の波の信号を捉えることができていない。そのため当該手法では送信の実効的な開口幅が小さくなり、結果として得られる画像の分解能が低下するという課題がある。

本発明の幾つかの態様によれば、信号処理対象点が平面波伝搬領域にあるか球面波伝搬領域にあるかに応じて異なる整相処理を行うことで、取得される信号（画像）の分解能を向上させる超音波測定装置、超音波診断装置及び超音波測定方法等を提供することができる。

本発明の一態様は、超音波を所与の送信角度で送信する処理を行う送信処理部と、送信した前記超音波に対する超音波エコーの、第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の超音波トランスデューサーにおける受信処理を行う受信処理部と、前記第１〜第Ｎの超音波トランスデューサーに対応する第１〜第Ｎの受信信号に対して処理を行う処理部と、を含み、前記処理部は、前記第１〜第Ｎの受信信号の各受信信号に対する整相処理として、信号処理対象点が、前記超音波が平面波として伝搬する平面波伝搬領域にある場合には第１の整相処理を行い、前記信号処理対象点が、前記超音波が球面波として伝搬する球面波伝搬領域にある場合には第２の整相処理を行う超音波測定装置に関係する。

本発明の一態様では、信号処理対象点が平面波伝搬領域にあるか球面波伝搬領域にあるかに応じて、整相処理を変更する。平面波を送信する場合であっても球面波が伝搬する領域が生じるが、そのような球面波伝搬領域に対応する情報も出力信号の生成処理に適切に利用できるため、信号（画像）の分解能を向上させること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記平面波伝搬領域と前記球面波伝搬領域とは、前記送信処理部における前記超音波の前記送信角度に応じて異なる領域であってもよい。

これにより、超音波の送信角度に応じて平面波伝搬領域と球面波伝搬領域を決定すること等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記第１の整相処理は、平面波伝搬モデルによって得られた平面波伝搬時間による整相処理であり、前記第２の整相処理は、球面波伝搬モデルによって得られた球面波伝搬時間による整相処理であってもよい。

これにより、平面波伝搬モデル又は球面波伝搬モデルを用いることで、異なる整相処理を行うこと等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記処理部は、前記信号処理対象点が、前記平面波伝搬領域と前記球面波伝搬領域のいずれにあるかの領域判別処理を行ってもよい。

これにより、領域判別処理を行うことが可能になる。

また、本発明の一態様では、所与の前記信号処理対象点に対して、前記送信処理部からの前記超音波の複数の前記送信角度の各送信角度において、前記平面波伝搬領域と前記球面波伝搬領域のいずれに前記信号処理対象点があるかを表す情報が対応付けられたテーブルデータを記憶する記憶部をさらに含み、前記処理部は、前記テーブルデータに基づいて、前記領域判別処理を行ってもよい。

これにより、記憶したテーブルデータに基づいて領域判別処理を行うこと等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記処理部は、前記第１〜第Ｎの超音波トランスデューサーのうち、開口端に対応する第１の超音波トランスデューサーと前記信号処理対象点を結ぶ第１の方向と、前記第１〜第Ｎの超音波トランスデューサーのうち、他の開口端に対応する第Ｎの超音波トランスデューサーと前記信号処理対象点を結ぶ第２の方向と、前記超音波の前記送信角度と、に基づいて、前記領域判別処理を行ってもよい。

これにより、種々の方向の情報を用いることで領域判別処理を行うこと等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記送信処理部は、第１〜第Ｋ（Ｋは２以上の整数）の送信角度で第１〜第Ｋの超音波を送信する処理を行い、前記処理部は、第ｉ（ｉは１≦ｉ≦Ｋの整数）の送信角度と前記信号処理対象点の位置とに基づいて、前記信号処理対象点が第ｉの超音波に対応する第ｉの平面波伝搬領域と第ｉの球面波伝搬領域のいずれにあるかを判別する前記領域判別処理を行ってもよい。

これにより、送信角度を変えながら複数回の送信処理が行われる場合に、各送信処理に対して領域判別処理を行うこと等が可能になる。

また、本発明の一態様では、前記処理部は、前記第ｉの領域判別処理の結果に基づいて、前記第ｉの超音波に対応する前記第１〜第Ｎの受信信号の前記整相処理を行い、前記整相処理後の前記第１〜第Ｎの受信信号を合成して、前記信号処理対象点にフォーカスが設定された第１の解像度の第ｉの合成信号を生成し、第１の解像度の第１〜第Ｎの合成信号を合成して、前記信号処理対象点にフォーカスが設定され、前記第１の解像度に比べて解像度の高い第２の解像度の出力信号を生成してもよい。

これにより、複数の素子の各素子で取得された受信信号を合成して合成信号を求める処理、及び複数の送信処理の各送信処理に対応して求められた前記合成信号を合成して出力信号を求める処理を行うことが可能になる。

また、本発明の一態様では、前記処理部は、前記整相処理後の前記第１〜第Ｎの受信信号を合成して、前記信号処理対象点にフォーカスが設定された合成画像を生成してもよい。

これにより、複数の素子の各素子で取得された受信信号を合成して合成信号を求める処理を行うこと等が可能になる。

また、本発明の他の態様は、上記の超音波測定装置を含む超音波診断装置に関係する。

また、本発明の他の態様は、超音波を所与の送信角度で送信する処理を行い、送信した前記超音波に対する超音波エコーの、第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の超音波トランスデューサーにおける第１〜第Ｎの受信信号の受信処理を行い、前記第１〜第Ｎの受信信号の各受信信号に対する整相処理として、信号処理対象点が、前記超音波が平面波として伝搬する平面波伝搬領域にある場合には第１の整相処理を行い、前記信号処理対象点が、前記超音波が球面波として伝搬する球面波伝搬領域にある場合には第２の整相処理を行う超音波測定方法に関係する。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）は信号処理対象点の位置に応じて反射波の受信タイミングが異なることを説明する図。 異なる信号処理対象点からの信号が同タイミングで受信される例。 整相処理の説明図。 Ｎ個の素子で受信されるＮ個の受信信号の合成処理を説明する図。 送信角度を変えて複数回の送信が行われることの説明図。 Ｋ回の送信波の送信によってＮ個の素子で受信されるＫ×Ｎ個の受信信号の合成処理を説明する図。 平面波送信時の音場モデル。 図８（Ａ）は従来手法での幾何モデル、図８（Ｂ）は本実施形態で用いる幾何モデル。 本実施形態に係る超音波測定装置の構成例。 超音波測定装置を含む超音波診断装置の構成例。 図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）は超音波診断装置の具体例。 図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は超音波トランスデューサー素子の構成例。 超音波トランスデューサーデバイスの構成例。 図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）は各チャンネルに対応して設けられる超音波トランスデューサー素子群の構成例。 平面波伝搬領域及び球面波伝搬領域の説明図。 図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）は領域判別処理の説明図。 図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）はテーブルデータの例。 平面波伝搬モデルの例。 図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）は球面波伝搬モデルの例。 反射波（受信波）の伝搬を表す伝搬モデルの例。 従来手法と本実施形態の手法での分解能の評価結果を表すグラフ。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．本実施形態の手法
まず本実施形態の手法について説明する。超音波測定装置で信号の送受信を行う手法において、超音波信号の送信時に所与の測定点にフォーカスを合わせる手法が知られていた。例えば、複数の超音波トランスデューサー素子１０を含む素子アレイ（例えば後述する図１３〜図１４（Ｂ）の超音波トランスデューサーデバイスに対応）の各素子に対して、駆動時にそれぞれの素子に対応した遅延を与えるものである。このような手法で送信された超音波は所定の測定点に対してフォーカスするため、当該超音波の反射波を素子アレイで受信すれば、当該測定点にフォーカスがあった超音波信号（狭義には超音波画像）を取得することが可能である。

しかしこのような手法では、超音波信号の送信時点でフォーカスする測定点が決まってしまう。そのため、複数の測定点（狭義には画像中の全ての点）にフォーカスがあった超音波画像を生成しようとすると、当該複数の測定点分の素子アレイの駆動、及び超音波信号の送受信を行う必要がある。

現在広く用いられている開口合成という手法では、上記のように送信時に所定の測定点にフォーカスを合わせておく必要がない。具体的には、所与の送信波を送信しておき、当該送信波の反射波を複数の素子で受信する。フォーカスを合わせたい位置（複数であってよく、狭義には超音波画像を形成した場合に画像全域にわたる点）である信号処理対象点を設定し、仮に、送信波が設定した全信号処理対象点に到達する（伝搬する）ものとすれば、超音波トランスデューサー素子が受信する受信信号には、全ての信号処理対象点における反射波の情報が含まれていることになる。例えば、信号処理対象点としてｒ_１〜ｒ_ＭのＭ個の信号処理対象点を想定している場合、所与の超音波トランスデューサー素子の受信信号ｓ（ｔ）は、ｒ_１〜ｒ_Ｍからの反射波を全て反映した情報である。なお、ここでのｔは時刻、或いはサンプリングタイミングを表す変数である。

受信信号ｓは、上述したように時系列でその値（振幅値）が変化する関数であるが、ｒ_１〜ｒ_Ｍからの反射波はその全てが同一のタイミングで取得されるものではない。仮に、送信波が素子アレイの中心点から発生するものとすれば、図１（Ａ）に示したようにｒ_１に対応する信号はＲ_１に示した送受信経路により素子で受信されるし、ｒ_２に対応する信号はＲ_２に示した送受信経路により素子で受信されるといったように、信号処理対象点の位置に応じて超音波の伝搬経路が異なる。そして伝搬経路の長さが異なれば、素子において反射波の信号が受信されるタイミングが異なる。つまり、図１（Ａ）に示したようにＲ_１の長さ＜Ｒ_２の長さである場合、図１（Ｂ）に示したように信号処理対象点ｒ_１に対応する信号は対象としている素子の受信信号ｓ（ｔ）の比較的ｔが小さい（時間的に早い）信号として現れ、信号処理対象点ｒ_２に対応する信号は受信信号ｓ（ｔ）の比較的ｔが大きい（時間的に遅い）信号として現れることになる。

よって、ｒ_１からの反射波が受信された時刻ｔ_１と、ｒ_２からの反射波が受信された時刻ｔ_２を特定することができれば、ｓ（ｔ_１）はｒ_１からの反射波の信号を含んでいるし、ｓ（ｔ_２）はｒ_２からの反射波の信号を含んでいると考えられる。ここで上述したようにｔ_１＜ｔ_２である。

しかし、１つの素子だけを考慮した場合、図２のｒ_３とｒ_４に示した信号処理対象点では、伝搬経路はＲ_３とＲ_４で異なるものの、Ｒ_３の長さ＝Ｒ_４の長さとなるため、ｓ（ｔ_３）はｒ_３からの反射波の信号とｒ_４からの反射波の信号の両方を含んでいる。つまり、１つの素子だけからでは特定の１つの信号処理対象点からの情報だけを分離することは容易でない。そもそも開口幅が狭くなれば受信信号の分解能（超音波画像の分解能）も下がるため、超音波測定装置では複数の素子を並べて素子アレイを形成することが通常である。

よって開口合成では、当然の処理として複数の素子での受信信号を用いることになる。具体的には超音波測定装置が第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の超音波トランスデューサー素子を含む場合、所与の送信波の送信により受信信号は各素子において取得されるため、ｓ_１（ｔ）〜ｓ_Ｎ（ｔ）のＮ個の受信信号を取得可能である。そして、Ｎ個の受信信号のそれぞれが、複数の信号処理対象点（上記仮定のもとではｒ_１〜ｒ_Ｍの全て）からの情報を含んでいる。この際、各素子の位置が異なることから、第１の素子１０−１でのｒ_１に対応する伝搬経路Ｒ_１１と、第２の素子１０−２でのｒ_１に対応する伝搬経路Ｒ_１２が異なるように、Ｒ_１１〜Ｒ_１Ｎは素子に応じた経路となり、ｒ_１からの反射波が受信された時刻についてもｔ_１１〜ｔ_１Ｎという素子毎の値が得られる。

この場合、特定の信号処理対象点からの受信信号を適切に求めるためには、図３に示したように受信タイミングのズレ、すなわち受信信号ｓにおける位相のズレをそろえる整相処理を行えばよい。なお、図３は各素子の受信信号ｓのうち、所望の信号処理対象点に対応する信号を抜き出したものを横軸方向に記載している。信号処理対象点がｒ_１の例であれば、上述したｔ_１１〜ｔ_１Ｎに相当する情報を求め、ｓ_１（ｔ_１１）＋ｓ_２（ｔ_１２）＋・・・＋ｓ_Ｎ（ｔ_１Ｎ）を求めればよい。

この際、例えばｓ_１（ｔ_１１）には図２を用いて上述したように他の信号処理対象点ｒ_ｍに対応する情報が含まれているかもしれない。しかし、第１の素子を考えた場合に、Ｒ_１１の長さ＝Ｒ_１ｍの長さとなったとしても、第２〜第Ｎの素子まで全て考えれば、Ｒ_１２とＲ_１ｍ、Ｒ_１３とＲ_１ｍ、・・・Ｒ_１ＮとＲ_１ｍの全てが一定の関係（例えば大きさが等しい）となるとは考えられない。つまり、ｔ_１２、ｔ_１３・・・ｔ_１Ｎといった時刻は、信号処理対象点ｒ_ｍに対応する情報ではなく、ｓ_１（ｔ_１１）＋ｓ_２（ｔ_１２）＋・・・＋ｓ_Ｎ（ｔ_１Ｎ）という信号は、信号処理対象点ｒ_ｍとは無相関である。そのためｓ_１（ｔ_１１）＋ｓ_２（ｔ_１２）＋・・・＋ｓ_Ｎ（ｔ_１Ｎ）全体で考えれば、信号処理対象点ｒ_ｍに関する情報は打ち消しあって０（或いはそれに十分近いと考えられる値）となることが想定される。

以上の手法によれば、送信時点において所与の信号処理対象点にフォーカスを合わせる必要がなく、受信信号に対して適切な整相処理を行って複数の素子の信号を合成することで、所与の信号処理対象点にフォーカスがあった受信信号を取得することが可能になる。具体的には信号処理対象点ｒ_１での信号（例えば超音波画像におけるｒ_１に対応する画素位置での画素値）として、ｓ_１（ｔ_１１）＋ｓ_２（ｔ_１２）＋・・・＋ｓ_Ｎ（ｔ_１Ｎ）を用いれば、ｒ_１の部分でフォーカスがあった信号が取得できる。上述した合成のイメージを図示したものが図４である。図４は１つの信号処理対象点ｒを設定した場合の例であるため、複数の信号処理対象点にフォーカスを合わせたいのであれば、図４に示した合成処理を信号処理対象点の数だけ実行することになる。

しかし以上の説明は、送信波が所望の信号処理対象点に対して十分な強度で到達し、各信号処理対象点に対応する情報が各素子の受信信号として取得可能である、という仮定に基づいている。そしてこのような仮定は現実的とは言えない。一例としては、送信波の指向性を高めることで信号強度等を向上させる制御を行う場合、送信波は１ライン分（超音波画像を生成した場合の奥行き方向の１ライン）の範囲の信号処理対象点にしか到達しないこともある。この場合、送信波の反射波は、当該ラインに含まれる信号処理対象点でしか発生しないため、整相処理及びｓ_１〜ｓ_Ｎの合成処理を行ったとしても、フォーカスを合わせられるのはラインに含まれる信号処理対象点に限定されてしまう。結果として、多数のラインから構成される超音波画像を出力したければ、ライン数に相当する回数の送信波の出力が必要となり、１枚の超音波画像を形成するまでの時間が長くなってしまう。

これに対する手法の１つが、特許文献１や非特許文献１にみられる平面波を送信する手法である。平面波は横方向（素子ラインの方向に沿った方向）の広い範囲で送信されるものであり、且つ奥行き方向（素子ラインの方向に直交する方向）が深くなっても波の強度、すなわち音圧の減衰が小さいという特性がある。つまり平面波を用いることで、１回の送信でも広い範囲に十分な強度で信号を到達させることができるため、各素子も多くの信号処理対象点からの情報を十分な強度で受信可能である。そのため、平面波を用いない場合（例えば上述した１ラインに絞って送信波を送信する場合）に比べて、少ない送信回数で、同程度の解像度の信号を出力することが可能である。

送信波の送信が図５に示したように送信角度を変えながらＫ回行われる場合、１回の送信に対して、素子数に対応するＮ個の受信信号ｓが取得され、それらを図３に示したように整相処理後、合成することで第１解像度信号Ｌが取得される。これは図４の合成に相当する。そして、所与の１つの信号処理対象点に着目した場合、１回の送信で第１解像度信号Ｌが取得されるのであるから、Ｋ回送信が行われれば、Ｋ個の第１解像度信号Ｌが取得可能である。これらは、いずれも現在着目している１つの信号処理対象点での情報を表すのであるから、このＫ個の第１解像度信号Ｌをさらに合成することで、より高解像度の第２解像度信号ｓ’を求めることができる。この流れを示したものが図６であり、図６の横方向での合成は図４の合成、すなわち第１解像度信号Ｌの合成に対応し、図６の縦方向での合成が第２解像度信号ｓ’の合成に相当する。図６は、図４と同様に１つの信号処理対象点ｒを設定した場合の例であるため、複数の信号処理対象点にフォーカスを合わせたいのであれば、図６に示した合成処理を信号処理対象点の数だけ実行することになる。

以上が開口合成、及びその送信波として平面波を用いる従来手法の概略的な処理例である。しかし、非特許文献１等の従来手法では、平面波以外の波の信号を考慮していない。図７は素子アレイから平面波を送信した場合の、素子アレイ周辺での音場モデルを示す。図７のＤＲ３が平面波の送信方向を表すが、素子アレイに対するＤＲ３方向では、確かに同一位相となる波面が直線的であり、平面波が伝搬していることがわかる。具体的には、素子アレイの２つの端点（開口端）を起点として、ＤＲ３に平行な直線を引いた場合に、その２本の直線の間の領域では平面波が伝搬していると言える。しかし、それ以外の領域では、図７から明らかなように同一位相となる波面が曲線的であり、この領域では球面波が伝搬していると考えられる。つまり、素子アレイから平面波を送信しているという状況でも、実際には平面波が伝搬する領域（以下、平面波伝搬領域）と、球面波が伝搬する領域（以下、球面波伝搬領域）とが存在することになる。

そのため、上述した開口合成を用いた手法において、平面波伝搬領域だけを処理対象とすれば、送信の実効的な開口幅が小さくなってしまうため、結果として得られる画像の分解能が低下するという課題がある。一方、球面波伝搬領域を処理対象とした場合、従来手法では図８（Ａ）に示したように当該領域に対しても平面波が伝搬していると考えざるを得ない。球面波と平面波では、図１８〜図１９（Ｂ）を用いて後述するように送受信における超音波の伝搬モデルが異なる。そのため、上述した伝搬経路Ｒが異なり、算出される伝搬時間（遅延時間）ｔも異なるものになる。

上述したように、整相処理は受信信号ｓから所望の信号処理対象点の情報を取り出すために重要な処理であり、そのためにはｔは精度よく求められる必要がある。特に、ｒ_ｍを用いて上述したように、遅延時間ｔが信号処理対象点に対応しないものとなった場合、当該信号処理対象点に関する情報は、他の素子での受信信号ｓと打ち消しあってしまう可能性があり、演算結果に反映されない。結果として、球面波伝搬領域の信号処理対象点に対して、平面波が伝搬するとの仮定の下で演算を行ってしまうと、当該信号処理対象点にフォーカスを合わせることができない。

そこで本出願人は、図８（Ｂ）に示したように、平面波送信時にも平面波以外の波が伝搬する領域が在ることを考慮した開口合成処理を行う。具体的には、本実施形態に係る超音波測定装置１００は図９に示したように、超音波を所与の送信角度で送信する処理を行う送信処理部１１０と、送信した超音波に対する超音波エコーの、第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の超音波トランスデューサーにおける受信処理を行う受信処理部１２０と、第１〜第Ｎの超音波トランスデューサーに対応する第１〜第Ｎの受信信号ｓ_１〜ｓ_Ｎに対して処理を行う処理部１３０を含む。そして処理部１３０は、第１〜第Ｎの受信信号ｓ_１〜ｓ_Ｎの各受信信号に対する整相処理として、信号処理対象点ｒが、超音波が平面波として伝搬する平面波伝搬領域にある場合には第１の整相処理を行い、信号処理対象点ｒが、超音波が球面波として伝搬する球面波伝搬領域にある場合には第２の整相処理を行う。

ここで送信処理部１１０により制御される送信角度とは、狭義には平面波が送信される方向であり、図７の方向ＤＲ３を表す角度である。一例として、後述する図１５のように素子アレイに対して垂直な方向を基準とし、当該方向とＤＲ３のなす角度αを送信角度と定義してもよい。上述したように、平面波を用いた場合にも送信波は複数回送信されることが想定されるため、ここでの所与の送信角度とは１つの角度に限定されるものではなく、当該送信角度を変化させつつ複数回の送信処理が行われてもよい。

また、ここでの整相処理とは、図３に示したように複数の受信信号ｓ_１〜ｓ_Ｎの位相をそろえる処理であり、少なくとも位相のずれ量（狭義には遅延時間）を求める処理を含む。つまり、第１の整相処理、第２の整相処理とは、位相のずれ量の求め方が異なる２つの処理であるといってもよい。

このようにすれば、平面波送信時に、平面波以外の波が伝搬する領域の信号についても処理に用いることが可能になる。そのため、送信の実効的な開口幅が小さくならないため、画像の分解能の低下を抑止可能である。その際、球面波伝搬領域に対しても、平面波伝搬領域とは異なる処理、すなわち球面波に対応した処理を行うことが可能であるため、球面波伝搬領域に位置する信号処理対象点からの信号も適切に処理に利用可能となる。

以下、本実施形態に係る超音波測定装置１００の具体的なシステム構成例について説明した後、所与の信号処理対象点が平面波伝搬領域と球面波伝搬領域のいずれに位置するかを判別する領域判別処理について説明する。その後、領域判別処理の結果を用いた整相処理の具体例、及び整相処理後の合成処理の具体例について説明する。

２．システム構成例
本実施形態に係る超音波測定装置１００の構成例は図９に示したとおりである。本実施形態に係る超音波測定装置を含む超音波診断装置の具体的な構成例を図１０に示す。超音波診断装置は、超音波測定装置１００と、超音波プローブ２００と、表示部３００を含む。また、図１０に示したように、本実施形態に係る超音波測定装置１００は、送信処理部１１０と、受信処理部１２０と、処理部１３０と、送受信切替スイッチ１４０と、ＤＳＣ（Digital Scan Convertor）１５０と、制御回路１６０を含んでもよい。

本実施形態の手法は、図９に示した超音波測定装置１００に適用するものに限定されず、図１０に示したように超音波測定装置１００を含む超音波診断装置に適用することができる。

なお、超音波測定装置１００及びこれを含む超音波診断装置は、図９及び図１０の構成に限定されず、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したりするなどの種々の変形実施が可能である。また、本実施形態の超音波測定装置１００及びこれを含む超音波診断装置の一部又は全部の機能は、通信により接続されたサーバーにより実現されてもよい。

超音波プローブ２００は、超音波トランスデューサーデバイスを含む。そして、超音波トランスデューサーデバイスは、走査面に沿って対象物をスキャンしながら、対象物に対して超音波ビームを送信すると共に、超音波ビームによる超音波エコーを受信する。圧電素子を用いるタイプを例にとれば、超音波トランスデューサーデバイスは、複数の超音波トランスデューサー素子（超音波素子アレイ）と、複数の開口がアレイ状に配置された基板とを有する。そして、超音波トランスデューサー素子としては、薄手の圧電素子と金属板（振動膜）を貼り合わせたモノモルフ（ユニモルフ）構造を用いたものを用いる。超音波トランスデューサー素子（振動素子）は、電気的な振動を機械的な振動に変換するものであるが、この場合には、圧電素子が面内で伸び縮みすると貼り合わせた金属板（振動膜）の寸法はそのままであるため反りが生じる。

また、超音波トランスデューサーデバイスでは、近隣に配置された数個の超音波トランスデューサー素子で一つのチャンネルを構成し、１回に複数のチャンネルを駆動しながら、超音波ビームを順次移動させるものであってもよい。

なお、超音波トランスデューサーデバイスとしては、圧電素子（薄膜圧電素子）を用いるタイプのトランスデューサーを採用できるが、本実施形態はこれに限定されない。例えばｃ‐ＭＵＴ（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducers）などの容量性素子を用いるタイプのトランスデューサーを採用してもよいし、バルクタイプのトランスデューサーを採用してもよい。超音波トランスデューサー素子及び超音波トランスデューサーデバイスのさらに詳細な説明については、後述する。

送信処理部１１０は、対象物に対して超音波を送信する処理を行う。また、図１０に示したように送信処理部１１０は、送信パルス発生器１１１と、送信遅延回路１１３とを含んでもよい。

送信パルス発生器１１１は、送信パルス電圧を印加させ、超音波プローブ２００を駆動させる。送信遅延回路１１３は、送信パルス電圧の印加タイミングに関して、チャンネル間で時間差を与え、複数の振動素子から発生した超音波の伝搬方向を決定する。このように、遅延時間を変化させることにより、平面波の送信方向ＤＲ３（送信角度α）を制御することが可能である。

また、送受信切替スイッチ１４０は、超音波の送受信の切り替え処理を行う。送受信切替スイッチ１４０は、送信時の振幅パルスが受信回路に入力されないように保護し、受信時の信号を受信回路に通す。

一方で、受信処理部１２０は、送信した超音波に対する超音波エコーの受信処理を行う。図１０に示したように、受信処理部１２０は、メモリ１２５を含んでもよく、メモリ１２５により超音波プローブ２００からの受信信号（狭義にはｓ_１〜ｓ_Ｎ）を記憶するとともに、受信信号を処理部１３０に出力する。メモリ１２５の機能はＲＡＭ等のメモリやＨＤＤなどにより実現できる。

処理部１３０は、受信処理部１２０からの受信信号に対して処理を行う。処理部１３０の機能は、各種プロセッサー（ＣＰＵ等）、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などのハードウェアや、プログラムなどにより実現できる。図１０に示したように、処理部１３０は、領域判別処理部１３１と、整相処理部１３２と、第１のビームフォーミング係数算出部１３３と、第１解像度信号合成部１３４と、第２のビームフォーミング係数算出部１３５と、第２解像度信号合成部１３６を含む。

領域判別処理部１３１は、処理対象としている信号処理対象点、すなわちフォーカスを合わせる対象となる点が、平面波伝搬領域と球面波伝搬領域のいずれに位置するかを判別する領域判別処理を行う。領域判別処理の詳細については後述する。

整相処理部１３２は、信号処理対象点が平面波伝搬領域にあるか、球面波伝搬領域にあるかに応じて、整相処理を行う。具体的には平面波、球面波それぞれの伝搬モデルを用いて遅延時間（位相のずれ量）を求めればよい。整相処理部１３２の処理については、図１８等を用いて後述する。

第１のビームフォーミング係数算出部１３３は、整相処理後の受信信号ｓ_１〜ｓ_Ｎを合成する際の係数である第１のビームフォーミング係数を算出する。なお、本実施形態では上述したように全ての係数を１としたり、あらかじめ設定された固定値を用いてもよい。その場合、第１のビームフォーミング係数を適応的に求める処理は不要であるため、第１のビームフォーミング係数算出部１３３を省略してもよい。

第１解像度信号合成部１３４は、整相処理後の受信信号ｓ_１〜ｓ_Ｎと、第１のビームフォーミング係数とに基づいて、１つの送信波に対するＮ個の素子の受信信号の合成処理を行う。具体的には、図４を用いて上述した処理を行って第１解像度信号Ｌを求めればよい。

第２のビームフォーミング係数算出部１３５は、送信回数分だけ（Ｋ個）の第１解像度信号Ｌに基づいて、第２解像度信号ｓ’を合成する際の係数である第２のビームフォーミング係数を算出する。なお、第２のビームフォーミング係数についても全ての係数を１としたり、あらかじめ設定された固定値を用いてもよく、第２のビームフォーミング係数算出部１３５は省略可能である。

第２解像度信号合成部１３６は、第１解像度信号合成部１３４で求められたＫ個の第１解像度信号Ｌと、第２のビームフォーミング係数とに基づいて、Ｋ回の送信波の送信、及びＮ個の素子の全ての情報を用いて、所与の信号処理対象点についての信号を求める。具体的には、図６を用いて上述した処理を行って第２解像度信号ｓ’を求めればよい。

ＤＳＣ１５０は、Ｂモード画像データに走査変換処理を行う。例えば、ＤＳＣ１５０は、バイリニアなどの補間処理により、ライン信号を画像信号に変換する。制御回路１６０は、超音波測定装置１００の各部と相互に接続され、接続された各部の制御を行う。

表示部３００は、第２解像度信号ｓ’を用いてＤＳＣ１５０において生成された表示用画像データを表示する。表示部３００は、例えば液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ、電子ペーパーなどにより実現できる。

ここで、本実施形態の超音波診断装置（広義には電子機器）の具体的な機器構成の例を図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）に示す。図１１（Ａ）はハンディタイプの超音波診断装置の例であり、図１１（Ｂ）は据置タイプの超音波診断装置の例である。図１１（Ｃ）は超音波プローブ２００が本体に内蔵された一体型の超音波診断装置の例である。

図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）の超音波診断装置は、超音波プローブ２００と超音波測定装置本体１０１（広義には電子機器本体）を含み、超音波プローブ２００と超音波測定装置本体１０１はケーブル２１０により接続される。超音波プローブ２００の先端部分には、プローブヘッド２２０が設けられており、超音波測定装置本体１０１には、画像を表示する表示部３００が設けられている。図１１（Ｃ）では、表示部３００を有する超音波測定装置１００に超音波プローブ２００が内蔵されている。図１１（Ｃ）の場合、超音波測定装置１００は、例えばスマートフォンなどの汎用の携帯情報端末により実現できる。

図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に、超音波トランスデューサーデバイスの超音波トランスデューサー素子１０の構成例を示す。この超音波トランスデューサー素子１０は、振動膜（メンブレン、支持部材）５０と圧電素子部とを有する。圧電素子部は、第１電極層（下部電極）２１、圧電体層（圧電体膜）３０、第２電極層（上部電極）２２を有する。

図１２（Ａ）は、基板（シリコン基板）６０に形成された超音波トランスデューサー素子１０の、素子形成面側の基板６０に垂直な方向から見た平面図である。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のＡ−Ａ’に沿った断面を示す断面図である。図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）のＢ−Ｂ’に沿った断面を示す断面図である。

第１電極層２１は、振動膜５０の上層に例えば金属薄膜で形成される。この第１電極層２１は、図１２（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子１０に接続される配線であってもよい。

圧電体層３０は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）薄膜により形成され、第１電極層２１の少なくとも一部を覆うように設けられる。なお、圧電体層３０の材料は、ＰＺＴに限定されるものではなく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）などを用いてもよい。

第２電極層２２は、例えば金属薄膜で形成され、圧電体層３０の少なくとも一部を覆うように設けられる。この第２電極層２２は、図１２（Ａ）に示すように素子形成領域の外側へ延長され、隣接する超音波トランスデューサー素子１０に接続される配線であってもよい。

振動膜（メンブレン）５０は、例えばＳｉＯ２薄膜とＺｒＯ２薄膜との２層構造により開口４０を塞ぐように設けられる。この振動膜５０は、圧電体層３０及び第１、第２電極層２１、２２を支持すると共に、圧電体層３０の伸縮に従って振動し、超音波を発生させることができる。

開口４０は、基板６０（シリコン基板）の裏面（素子が形成されない面）側から反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によりエッチングすることで形成される。この開口４０の開口部４５のサイズによって超音波の共振周波数が決定され、その超音波は圧電体層３０側（図１２（Ａ）において紙面奥から手前方向）に放射される。

超音波トランスデューサー素子１０の下部電極（第１電極）は、第１電極層２１により形成され、上部電極（第２電極）は、第２電極層２２により形成される。具体的には、第１電極層２１のうちの圧電体層３０に覆われた部分が下部電極を形成し、第２電極層２２のうちの圧電体層３０を覆う部分が上部電極を形成する。即ち、圧電体層３０は、下部電極と上部電極に挟まれて設けられる。

図１３に、超音波トランスデューサーデバイス（素子チップ）の構成例を示す。本構成例の超音波トランスデューサーデバイスは、複数の超音波トランスデューサー素子群ＵＧ１〜ＵＧ６４、駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４（広義には第１〜第ｎの駆動電極線。ｎは２以上の整数）、コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８（広義には第１〜第ｍのコモン電極線。ｍは２以上の整数）を含む。なお、駆動電極線の本数（ｎ）やコモン電極線の本数（ｍ）は、図１３に示す本数には限定されない。

複数の超音波トランスデューサー素子群ＵＧ１〜ＵＧ６４は、第２の方向Ｄ２（スキャン方向）に沿って６４列に配置される。ＵＧ１〜ＵＧ６４の各超音波トランスデューサー素子群は、第１の方向Ｄ１（スライス方向）に沿って配置される複数の超音波トランスデューサー素子を有する。

図１４（Ａ）に、超音波トランスデューサー素子群ＵＧ（ＵＧ１〜ＵＧ６４）の例を示す。図１４（Ａ）では、超音波トランスデューサー素子群ＵＧは第１〜第４の素子列により構成される。第１の素子列は、第１の方向Ｄ１に沿って配置される超音波トランスデューサー素子ＵＥ１１〜ＵＥ１８により構成され、第２の素子列は、第１の方向Ｄ１に沿って配置される超音波トランスデューサー素子ＵＥ２１〜ＵＥ２８により構成される。第３の素子列（ＵＥ３１〜ＵＥ３８）、第４の素子列（ＵＥ４１〜ＵＥ４８）も同様である。これらの第１〜第４の素子列には、駆動電極線ＤＬ（ＤＬ１〜ＤＬ６４）が共通接続される。また、第１〜第４の素子列の超音波トランスデューサー素子にはコモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８が接続される。

そして図１４（Ａ）の超音波トランスデューサー素子群ＵＧが、超音波トランスデューサーデバイスの１チャンネルを構成する。即ち、駆動電極線ＤＬが１チャンネルの駆動電極線に相当し、送信回路からの１チャンネルの送信信号は駆動電極線ＤＬに入力される。また駆動電極線ＤＬからの１チャンネルの受信信号は駆動電極線ＤＬから出力される。なお、１チャンネルを構成する素子列数は図１４（Ａ）のような４列には限定されず、４列よりも少なくてもよいし、４列よりも多くてもよい。例えば図１４（Ｂ）に示すように、素子列数は１列であってもよい。

図１３に示すように、駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４（第１〜第ｎの駆動電極線）は、第１の方向Ｄ１に沿って配線される。駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４のうちの第ｊ（ｊは１≦ｊ≦ｎである整数）の駆動電極線ＤＬｊ（第ｊのチャンネル）は、第ｊの超音波トランスデューサー素子群ＵＧｊの超音波トランスデューサー素子が有する第１の電極（例えば下部電極）に接続される。

超音波を出射する送信期間には、送信信号ＶＴ１〜ＶＴ６４が駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４を介して超音波トランスデューサー素子に供給される。また、超音波エコー信号を受信する受信期間には、超音波トランスデューサー素子からの受信信号ＶＲ１〜ＶＲ６４が駆動電極線ＤＬ１〜ＤＬ６４を介して出力される。

コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８（第１〜第ｍのコモン電極線）は、第２の方向Ｄ２に沿って配線される。超音波トランスデューサー素子が有する第２の電極は、コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８のうちのいずれかに接続される。具体的には、例えば図１３に示すように、コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８のうちの第ｉ（ｉは１≦ｉ≦ｍである整数）のコモン電極線ＣＬｉは、第ｉ行に配置される超音波トランスデューサー素子が有する第２の電極（例えば上部電極）に接続される。

コモン電極線ＣＬ１〜ＣＬ８には、コモン電圧ＶＣＯＭが供給される。このコモン電圧ＶＣＯＭは一定の直流電圧であればよく、０Ｖ、即ちグランド電位（接地電位）でなくてもよい。

そして送信期間では、送信信号電圧とコモン電圧との差の電圧が超音波トランスデューサー素子に印加され、所定の周波数の超音波が放射される。

なお、超音波トランスデューサー素子の配置は、図１３に示すマトリックス配置に限定されず、いわゆる千鳥配置等であってもよい。

また図１４（Ａ）〜図１４（Ｂ）では、１つの超音波トランスデューサー素子が送信素子及び受信素子の両方に兼用される場合について示したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば送信素子用の超音波トランスデューサー素子、受信素子用の超音波トランスデューサー素子を別々に設けて、アレイ状に配置してもよい。

３．領域判別処理
次に処理部１３０の領域判別処理部１３１で行われる領域判別処理について説明する。図１５に示したように、所与の送信角度αが決定された場合に、平面波は当該送信角度αと、超音波トランスデューサー素子アレイの幅（開口幅）により決定される領域に対して送信され、当該領域が平面波伝搬領域となる。また、平面波伝搬領域の外部が球面波伝搬領域となる。

つまり、平面波伝搬領域と球面波伝搬領域とは、送信処理部１１０における超音波の送信角度に応じて異なる領域である。言い換えれば、送信角度αが決定されれば、当該αにおける平面波伝搬領域と球面波伝搬領域とを決定可能となる。

そのため、図５等に示したように送信角度が第１〜第Ｋの送信角度のＫ個の値をとりうる場合には、第１の送信角度に対応する第１の平面波伝搬領域及び第１の球面波伝搬領域が決定され、第２の送信角度に対応する第２の平面波伝搬領域及び第２の球面波伝搬領域が決定される、といったようにＫ個の平面波伝搬領域及び球面波伝搬領域を考えることができる。

しかし、平面波伝搬領域及び球面波伝搬領域だけでは処理内容は確定できず、処理対象である信号処理対象点がどのような位置にあるかも問題となる。例えば、所与の送信角度が決定され、図１５のように平面波伝搬領域と球面波伝搬領域が決定されたとする。その場合にも、信号処理対象点が図１５のＡ１に示した位置ならば、当該信号処理対象点は平面波伝搬領域にあるが、信号処理対象点がＡ２に示した位置ならば、当該信号処理対象点は球面波伝搬領域にある。

つまり処理部１３０は、フォーカスを合わせたい対象である信号処理対象点の位置を取得する必要がある。その上で、処理部１３０は、信号処理対象点が、平面波伝搬領域と球面波伝搬領域のいずれにあるかの領域判別処理を行うことになる。

具体的には、送信処理部１１０は、第１〜第Ｋ（Ｋは２以上の整数）の送信角度で第１〜第Ｋの超音波を送信する処理を行い、処理部１３０は、第ｉ（ｉは１≦ｉ≦Ｋの整数）の送信角度と信号処理対象点の位置とに基づいて、信号処理対象点が第ｉの超音波に対応する第ｉの平面波伝搬領域と第ｉの球面波伝搬領域のいずれにあるかを判別する前記領域判別処理を行えばよい。

このようにすれば、信号処理対象点を所与の１点に決定した場合に、送信角度の個数（送信の回数）であるＫ回の領域判別処理が行われ、Ｋ個の領域判別処理結果が取得されることになる。ここで領域判別処理結果とは、信号処理対象点が平面波伝搬領域にあるか球面波伝搬領域にあるかを表す情報であり、例えば平面波伝搬領域にある場合に１，球面波伝搬領域にある場合に０となる２値の情報であってもよい。

上述したように、信号処理対象点も複数設定されることが一般的であるため、実際には信号処理対象点の設定数Ｍと、送信角度の個数Ｋを乗じたＭ×Ｋ個だけの領域判別処理結果が取得されることになる。

信号処理対象点の位置及び送信角度が決定された場合の具体的な領域判別処理の手法は種々考えられる。一例としては、処理部１３０は、第１〜第Ｎの超音波トランスデューサーのうち、開口端に対応する第１の超音波トランスデューサーと信号処理対象点ｒを結ぶ第１の方向ＤＲ１と、第１〜第Ｎの超音波トランスデューサーのうち、他の開口端に対応する第Ｎの超音波トランスデューサーと信号処理対象点ｒを結ぶ第２の方向ＤＲ２と、超音波の送信角度α（広義には送信方向ＤＲ３）とに基づいて、領域判別処理を行ってもよい。

図７や図１５を用いて上述したように、平面波伝搬領域と球面波伝搬領域との境界は、開口端を通り平面波の送信方向ＤＲ３と同じ方向となる２本の直線Ｌ１，Ｌ２となる。つまり、図１６（Ａ）に示したように、信号処理対象点がＬ１上に位置する場合が、信号処理対象点が平面波伝搬領域に含まれる場合の一方の限界に対応し、図１６（Ｂ）に示したように、信号処理対象点がＬ２上に位置する場合が、信号処理対象点が平面波伝搬領域に含まれる場合の他方の限界に対応する。

そして図１６（Ａ）において、Ｌ１はＤＲ３の方向の（ＤＲ３に平行な）直線であるから、信号処理対象点がＬ１上にある場合とは、第１の超音波トランスデューサーと信号処理対象点ｒを結ぶ第１の方向ＤＲ１と、超音波の送信方向ＤＲ３が一致する場合となる。同様に、図１６（Ｂ）に示したように、信号処理対象点がＬ２上にある場合とは、第Ｎの超音波トランスデューサーと信号処理対象点ｒを結ぶ第２の方向ＤＲ２と、超音波の送信方向ＤＲ３が一致する場合となる。つまり、ＤＲ１とＤＲ３の関係、及びＤＲ２とＤＲ３の関係を判定することで、領域判別処理を行うことが可能である。

方向の比較処理の手法も種々考えられるが、例えば所与の基準方向に対する角度の大きさの比較処理を行えばよい。基準方向として素子アレイに垂直な方向（奥行き方向ｚ）を設定した場合、図１５に示したようにＤＲ１に対応する角度θ１、ＤＲ２に対応する角度θ２，及びＤＲ３に対応する角度αを規定することができる。

図１６（Ａ）に示した状況ではθ１＝αであり、図１６（Ｂ）に示した状況ではθ２＝αである。そして、図１６（Ｃ）に示したように信号処理対象点が平面波伝搬領域にある状況では、αはθ１とθ２の間の値となり、図１６（Ｃ）の例のようにθ１＞θ２の例であれば、θ２＜α＜θ１である。つまり、図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）の例であれば、θ２≦α≦θ１が満たされる場合に信号処理対象点が平面波伝搬領域にあると判定し、α＜θ２又はθ１＜αの場合には信号処理対象点が球面波伝搬領域にあると判定すればよい。

基準方向をどのように設定するか、或いはθ１とθ２の大小関係がどのようになっているかに応じて具体的な判定式は変化するものの、上述したようにＤＲ１、ＤＲ２、ＤＲ３の関係性から領域判別処理を行うことが可能である。

なお、本実施形態では上述した式等を用いて、処理タイミング毎に領域判別処理を行ってもよいがこれには限定されない。例えば、超音波プローブ２００の種類は１種類、或いは複数であるが少数に特定することが可能と想定される。つまり、超音波トランスデューサー素子アレイの構成は事前に知ることができるため、開口端の位置も既知である。また、送信角度をどの程度の範囲でどの程度の角度変化幅を用いて走査するかも種々の変形実施が可能であるが、ある程度のパターンに限定されるはずであり、送信角度αについても事前に知ることができる。さらに、取得する超音波画像のサイズ等を考慮すれば、フォーカスを合わせたい信号処理対象点の設定（信号処理対象点の個数、位置等）も事前に特定可能と言える。

上述したように、信号処理対象点と角度、開口端の位置が決まれば領域判別処理が可能であるところ、その全てを事前に取得しておくことが可能と言える。この場合、上述した式等を用いた判定を毎回行って結果を取得するのではなく、当該判定を事前に行っておき、その結果だけをテーブルデータとして保持しておいてもよい。

つまり、超音波測定装置１００は、所与の信号処理対象点に対して、送信処理部１１０からの超音波の複数の送信角度の各送信角度において、平面波伝搬領域と球面波伝搬領域のいずれに信号処理対象点があるかを表す情報が対応付けられたテーブルデータを記憶する記憶部（図９等には不図示）をさらに含み、処理部１３０は、テーブルデータに基づいて、領域判別処理を行ってもよい。

このようにすれば、具体的な演算等をその都度行う必要がなく、領域判別処理をテーブルデータの参照により実現可能であるため、処理負荷の軽減、領域判別処理の高速化等が可能になる。

テーブルデータの例を図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）に示す。上述してきたように、平面波伝搬領域と球面波伝搬領域のいずれにあるかを決定するには、信号処理対象点ｒと送信角度αが決定されている必要がある。図１７（Ａ）は所与の１つの信号処理対象点ｒ_ｐに対して、Ｋ個の送信角度のそれぞれについて平面波伝搬領域にあることを表す情報（図１７（Ａ）であれば”１”というデータ）と、球面波伝搬領域にあることを表す情報（図１７（Ａ）であれば”０”というデータ）のいずれかが対応付けられている。よって信号処理対象点が複数（Ｍ個）設定される場合には、図１７（Ａ）に示したようなテーブルデータをＭ個保持する、或いは、図１７（Ｂ）に示したようにＭ×Ｋ個の情報を有するテーブルデータを用いることになる。

さらにいえば、超音波プローブ２００が交換可能であり、開口幅が異なる複数の超音波プローブ２００が接続される可能性がある場合には、開口幅に応じて領域判別処理の結果が異なるものになるため、各開口幅に応じたテーブルデータを保持しておく必要がある。例えば、図１７（Ｂ）に示したようなテーブルデータを、想定される超音波プローブ２００の種類分だけ保持しておいてもよい。

或いは、全てのテーブルデータを保持しておくのではなく、一部のテーブルデータ、例えば使用頻度が高いと想定される開口幅、信号処理対象点、送信角度でのテーブルデータだけを保持しておいてもよい。その場合、テーブルデータに対応する開口幅、信号処理対象点、送信角度が用いられている状況では、領域判別処理はテーブルデータを用いて行えばよいし、それ以外の状況ではその都度、上述した判定式等を用いて領域判別処理を行えばよい。或いは、上述した判定式等を用いて領域判別処理を行った場合に、その判別処理の結果をテーブルデータとして保存してもよい。この場合、例えば同一の開口幅、信号処理対象点、送信角度を用いた処理が２回以上行われる際に、初回の処理では判定式等を用いて領域判別処理を行ってその結果をテーブルデータとして保存し、２回目以降では当該テーブルデータを用いて領域判別処理を行うことになる。

４．処理の詳細
上述した領域判別処理により、処理対象としている信号処理対象点が平面波伝搬領域と球面波伝搬領域のいずれにあるかを判別できた。よって整相処理部１３２では、平面波伝搬領域にあると判定された場合には平面波用の処理である第１の整相処理を行い、球面波伝搬領域にあると判定された場合には球面波用の処理である第２の整相処理を行う。

具体的には、第１の整相処理は、平面波伝搬モデルによって得られた平面波伝搬時間による整相処理であり、第２の整相処理は、球面波伝搬モデルによって得られた球面波伝搬時間による整相処理である。

なお、図１９（Ａ）〜図２０を用いて後述するように球面波伝搬モデルとして送信波のモデルと反射波（受信波）のモデルの２つを考えることができるが、ここでの球面波伝搬モデルとは狭義には送信波のモデルを指す。また平面波伝搬時間とは、下式（３）で求められる平面波の送信伝搬時間ｔ_ｅｍｔであるが、当該ｔ_ｅｍｔと下式（１）から求められる伝搬時間（総伝搬時間）であってもよい。同様に、球面波伝搬時間とは、下式（７）で求められる球面波の送信伝搬時間ｔ_ｅｍｔであるが、当該ｔ_ｅｍｔと下式（１）から求められる伝搬時間であってもよい。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）を用いて上述したように、１つの信号処理対象点での反射による反射波（超音波エコー）であっても、素子の位置等に応じて伝搬経路Ｒが異なるため、当該反射波が受信されるタイミングが異なる。そして整相処理とは、図３に示したようにそのタイミングのずれ、すなわち波形における位相のズレを低減する（狭義にはなくす）処理である。つまり、各素子において処理対象である信号処理対象点からの反射波がどのタイミングで取得されたかが特定できれば整相処理が可能であり、具体的には素子アレイから照射された波がどれだけの時間で信号処理対象点まで伝搬し、且つどれだけの時間で信号処理対象点から各素子まで伝搬したかを特定すればよい。具体的には、下式（１）により伝搬時間ｔ_ＴｏＦを求め、受信信号ｓのうち伝搬時間ｔ_ＴｏＦに対応するタイミングの信号を抽出する。
ｔ_ＴｏＦ＝ｔ_ｅｍｔ＋ｔ_ｒｅｖ ・・・・・（１）

上式（１）において、ｔ_ｅｍｔとは素子アレイから照射された送信波が信号処理対象点に伝搬するまでの時間である送信伝搬時間を表し、ｔ_ｒｅｖとは信号処理対象点からの反射波（受信波）が各素子に伝搬するまでの時間である受信伝搬時間を表す。

ｔ_ｅｍｔ及びｔ_ｒｅｖは、波の伝搬の幾何モデルを用いて求めることが可能である。そのうち、ｔ_ｅｍｔについては信号処理対象点が平面波伝搬領域にあるか球面波伝搬領域にあるかに応じて用いる幾何モデルを変える必要がある。信号処理対象点が平面波伝搬領域にあれば、平面波がどのように伝搬するかを表す幾何モデルである平面波伝搬モデルを用いるし、信号処理対象点が球面波伝搬領域にあれば球面波がどのように伝搬するかを表す幾何モデルである球面波伝搬モデルを用いる。また、送信波が平面波であれ球面波であれ、当該送信波が信号処理対象点で反射された反射波は、信号処理対象点を点波源とする球面波として伝搬すると考えてよい。つまり、ｔ_ｒｅｖについては領域判別処理の結果によらず、球面波伝搬モデルを用いればよい。

以下、平面波伝搬モデルによりｔ_ｅｍｔを求める例、球面波伝搬モデルによりｔ_ｅｍｔを求める例、球面波伝搬モデルによりｔ_ｒｅｖを求める例を、それぞれ説明する。なお、以下では、時刻ｔ＝０において、ｘ＝０，ｚ＝０の位置（素子アレイの中心）から波が発生するものと定義する。

平面波伝搬モデルの例を図１８に示す。平面波では同位相となる波面が送信方向ＤＲ３に垂直な線分となり、当該線分は超音波の速度ｃによりＤＲ３の方向に移動していく。ここで、信号処理対象点ｒ_ｍの座標を極座標によりｒ_ｍ＝（ｒ，θ）とする。上述したように、ｔ＝０で素子アレイの中心から波が発生するものとしているため、ｔ＝０では波の到達位置は図１８のＢ１に示した線分となる。また、平面波が信号処理対象点ｒ_ｍに到達したタイミングでは、信号処理対象点ｒ_ｍが線分上に位置することになるため、当該タイミングでの波の到達位置は図１８のＢ２に示した線分となる。つまり、平面波が所与の信号処理対象点ｒ_ｍに到達するには、平面波はｄ_ｅｍｔに示した送信波伝搬距離だけ伝搬することになる。

ここで、ｒ_ｍの座標が（ｒ，θ）であり、送信角度がαであるため、送信波伝搬距離ｄ_ｅｍｔは、下式（２）で求めることができる。そして、超音波の速度ｃを用いて、この場合の送信伝搬時間ｔ_ｅｍｔは下式（３）となる。
ｄ_ｅｍｔ＝ｒｃｏｓ（α−θ） ・・・・・（２）
ｔ_ｅｍｔ＝ｄ_ｅｍｔ／ｃ ・・・・・（３）

次に送信波での球面波伝搬モデルを図１９（Ａ）に示す。図１９（Ａ）のモデルは、球面波伝搬領域では、素子アレイのうち端部（開口端）に位置する第１の素子、或いは反対側の端部に位置する第Ｎの素子を波源とする球面波が伝搬するものとしている。素子アレイに含まれる他の素子からも波は出力されるが、それらは球面波伝搬領域では相互に打ち消し合って、端部からの波に比べて十分強度が小さいと考えられる。つまり、端部の素子を波源とする球面波を考慮すれば、十分な精度でｔ_ｅｍｔを求めることが可能である。

ここで、端部の素子の座標を（ｘ_ｉ，０）とすれば、球面波は（ｘ_ｉ，０）を波源として信号処理対象点ｒ_ｍまで到達することになる。よって、図１９（Ａ）に示したようにこの場合の送信波伝搬距離ｄ_ｅｍｔは余弦定理を用いて下式（４）により求めることができる。

ｄ_ｅｍｔを速度ｃで割れば、（ｘ_ｉ，０）から出力された球面波が信号処理対象点ｒ_ｍに到達するまでの時間を求めることができる。ただし、ここでは上述したようにｔ＝０で素子アレイの中心から波が発生するものとしている。送信処理部１１０では、送信角度αで平面波を出力する処理を行うのであるから、ｔ＝０での平面波の到達位置は図１９（Ｂ）のＣ１に示した線分の状態となっている。そしてＣ１に示した波面を実現するためには、端部の素子はｔ＝０よりも前のタイミングで駆動を開始している必要がある。具体的には、素子アレイのうち、図１９（Ｂ）において中心よりも左側の素子についてはｔ＝０よりも前のタイミングで駆動している必要があるし、中心よりも右側の素子についてはｔ＝０よりも後のタイミングで駆動する必要がある。言い換えれば、送信角度αが０度以外の角度をとるためには、送信角度に応じて各素子の駆動タイミングを異ならせる必要がある。つまり、端部の素子はα＝０の場合を除いてｔ＝０とは異なるタイミングで駆動しているのであるから、ｔ_ｅｍｔは上式（４）をｃで割って単純に求められるものではなく、当該タイミングのズレを表すオフセット時間ｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}を反映しなくてはならない。

図１９（Ｂ）のＣ１に示した波面を実現するためには、端部の素子から出力された波が、ｔ＝０の段階で図１９（Ｂ）のｄ_{ｏｆｆｓｅｔ}に示した距離だけ伝搬していなくてはならない。そしてこの距離ｄ_{ｏｆｆｓｅｔ}は下式（５）により求めることができるため、オフセット時間は下式（６）となる。
ｄ_{ｏｆｆｓｅｔ}＝ｘ_ｉｓｉｎα ・・・・・（５）
ｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}＝ｄ_{ｏｆｆｓｅｔ}／ｃ ・・・・・（６）

上式（４）、（６）の結果を用いて、球面波伝搬モデルを用いた場合の送信伝搬時間ｔ_ｅｍｔは、下式（７）により求めることができる。なお、図１９（Ｂ）等では図面右方向をｘ軸正方向としているため、上式（５）、（６）で求められるｄ_{ｏｆｆｓｅｔ}、ｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}は負の値である。よって下式（７）でｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}を加算することで送信伝搬時間ｔ_ｅｍｔは短くなる。
ｔ_ｅｍｔ＝ｄ_ｅｍｔ／ｃ＋ｔ_{ｏｆｆｓｅｔ} ・・・・・（７）

反射波（受信波）の球面波伝搬モデルを図２０に示す。上述したように、反射波は信号処理対象点を点波源とする球面波を考慮すればよい。そのため、受信伝搬距離ｄ_ｒｅｖは、信号処理対象点と対象としている素子の直線距離を考慮すればよく、素子の座標値がわかれば容易に計算可能である。また、受信伝搬時間ｔ_ｒｅｖについても、求められたｄ_ｒｅｖを速度ｃで除算すればよい。

以上の処理により、各素子での位相差（遅延時間）が求められた。例えば、所与の信号処理対象点、所与の送信角度に着目した場合、第１〜第Ｎの超音波トランスデューサーに対応する第１〜第Ｎの受信信号ｓ_１〜ｓ_Ｎが受信され、それぞれに対応するＮ個の遅延時間ｔ_ＴｏＦが求められたことになる。処理部１３０は、整相処理後の第１〜第Ｎの受信信号を合成して、信号処理対象点にフォーカスが設定された合成画像を生成する。

具体的には、処理部１３０は、第ｉ（ｉは１≦ｉ≦Ｋの整数）の領域判別処理の結果に基づいて、第ｉの超音波に対応する第１〜第Ｎの受信信号の整相処理を行い、整相処理後の第１〜第Ｎの受信信号を合成して、信号処理対象点にフォーカスが設定された第１の解像度の第ｉの合成信号を生成する。以上の処理は図６の横方向での合成処理に対応し、第１解像度信号合成部１３４により行われればよい。そして処理部１３０は、第１の解像度の第１〜第Ｎの合成信号を合成して、信号処理対象点にフォーカスが設定され、第１の解像度に比べて解像度の高い第２の解像度の出力信号を生成する。以上の処理は、図６の縦方向での合成処理に対応し、第２解像度信号合成部１３６により行われればよい。

以上の流れを数式を用いて説明する。上述した整相処理及び整相処理後の合成処理を表す式が下式（８）である。下式（８）において、ｓ’（ｒ_ｐ）は、信号処理対象点ｒ_ｐにおける信号値（出力信号）であり、ｒ_ｐは信号処理対象点の位置を表すベクトルである。Ｋは送信波の総送信回数、Ｎは素子数、ｋは送信番号、ｎは受信素子番号を表す。ａ_ｎはアポダイゼーションの窓関数であり、具体的には上述した第１のビームフォーミング係数である。ａ_ｋもアポダイゼーションの窓関数であるが、こちらは具体的には上述した第２のビームフォーミング係数である。ｓ_ｋ,ｎはｋ番目の送信波に対応するｎ番目の素子での受信信号を表す。上述してきたｓ_１〜ｓ_Ｎとは、送信波を所与の１つの波に特定した場合のｎ＝１〜Ｎでのｓ_ｋ,ｎに対応する。

上式（８）において、ｔ_ＴｏＦ（ｒ_ｐ，ｋ，ｎ）は伝搬時間（遅延時間）を算出する関数であり、実際には上述した領域判別処理、及び領域判別処理の結果に基づく伝搬時間の算出処理に対応する。この関数の出力は、ｋ回目の送信で得られた、素子ｎの受信信号ｓ_ｋ,ｎのうち、信号処理対象点ｒ_ｐに対応する信号の時刻（サンプリングタイミング、サンプリング番号）となる。

そしてｓ_ｋ,ｎ（ｔ_ＴｏＦ）は整相処理を実行する関数であり、各受信信号ｓ_ｋ,ｎから所望のサンプリング番号の信号値を抽出する。

また、下式（９）によりＬ（ｒ_ｐ）を定義すれば、Ｌ（ｒ_ｐ）は受信フォーカス処理に対応する。

具体的には、ｒ_ｐで表される信号処理対象点に対してフォーカスがあった第１解像度信号を合成する処理である。この第１解像度信号は信号処理対象点ｒ_ｐを変え、観察領域全域で取得し画像化を行った場合には、受信フォーカスのみが得られ、送信フォーカスが得られない画像が得られるため、後述する第２解像度信号よりも解像度が低い低解像度信号である。なぜなら、Ｌ（ｒ_ｐ）を求めた段階では、送信角度は所与の１つの角度であるため、複数の送信角度の中から特定の信号処理対象点に対して送信時点でフォーカスが合っているような送信波を選択するといった処理ができない。つまり、複数の送信角度の信号を合成してないという点で、送信フォーカスを得ることはできない。なお、第１のビームフォーミング係数ａ_ｎは、図４等を用いた説明では全て１の例を示したが、boxcarやhanningといった一般的なアポダイゼーション窓関数を用いてもよいし、適応的ビームフォームによって得られる適応型の重みを用いてもよい。

一方、Ｌ（ｒ_ｐ）を上記定義とすれば、上式（８）は下式（１０）のように変形できる。

上式（１０）からわかるように、ｓ’（ｒ_ｐ）は第１解像度信号を、第２のビームフォーミング係数を用いて合成した信号であり、信号処理対象点ｒ_ｐに対し送信、受信のフォーカスが得られた第２解像度信号である。第２解像度信号は信号処理対象点ｒ_ｐを変え、観察領域全域で取得し画像化を行った場合には、受信フォーカスと送信フォーカスを画像全域で得ることができるため、上記第１解像度信号に比べて解像度が高い高解像度信号である。なぜなら、ｓ’（ｒ_ｐ）ではＬ（ｒ_ｐ）とは異なり複数の送信角度の信号を合成するためである。なお、第２のビームフォーミング係数ａ_ｋについても、上述の説明では全て１の例を示したが、boxcarやhanningといった一般的なアポダイゼーション窓関数を用いてもよいし、適応的ビームフォームによって得られる適応型の重みを用いてもよい。

図２１に、従来手法による平面波合成を行った場合と、本実施形態の手法により平面波合成を行った場合の２点分解能を示す。ここでの２点分解能とは、異なる２つの点がどの程度離れた距離にあれば、それらを識別可能であるかを表す数値であり、値が小さいほど点が近くても識別できるため、分解能が高いことになる。

図２１から明らかなように、５つ設定された全ての観察深度において、本実施形態の手法は従来手法に比べて分解能が向上していることが確認された。つまり本実施形態の手法を用いることで、従来手法において課題となっていた送信の実効的な開口幅の減少を抑止し、画像の分解能を向上させることが可能になる。

なお、以上のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また超音波測定装置、超音波診断装置等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

ＵＥ１１−ＵＥ４８ 超音波トランスデューサー素子、
ＵＧ１−ＵＧ６４ 超音波トランスデューサー素子群、
１０ 超音波トランスデューサー素子、２１ 第１電極層、２２ 第２電極層、
３０ 圧電体層、４０ 開口、４５ 開口部、５０ 振動膜、６０ 基板、
１００ 超音波測定装置、１０１ 超音波測定装置本体、１１０ 送信処理部、
１１１ 送信パルス発生器、１１３ 送信遅延回路、１２０ 受信処理部、
１２５ メモリ、１３０ 処理部、１３１ 領域判別処理部、１３２ 整相処理部、
１３３ 第１のビームフォーミング係数算出部、１３４ 第１解像度信号合成部、
１３５ 第２のビームフォーミング係数算出部、１３６ 第２解像度信号合成部、
１４０ 送受信切替スイッチ、１５０ ＤＳＣ、１６０ 制御回路、
２００ 超音波プローブ、２１０ ケーブル、２２０ プローブヘッド、３００ 表示部

Claims (11)

1. 超音波を所与の送信角度で送信する処理を行う送信処理部と、
   送信した前記超音波に対する超音波エコーの、第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の超音波トランスデューサーにおける受信処理を行う受信処理部と、
   前記第１〜第Ｎの超音波トランスデューサーに対応する第１〜第Ｎの受信信号に対して処理を行う処理部と、
   を含み、
   前記処理部は、
   前記第１〜第Ｎの受信信号の各受信信号に対する整相処理として、信号処理対象点が、前記超音波が平面波として伝搬する平面波伝搬領域にある場合には第１の整相処理を行い、前記信号処理対象点が、前記超音波が球面波として伝搬する球面波伝搬領域にある場合には第２の整相処理を行うことを特徴とする超音波測定装置。
2. 請求項１において、
   前記平面波伝搬領域と前記球面波伝搬領域とは、
   前記送信処理部における前記超音波の前記送信角度に応じて異なる領域であることを特徴とする超音波測定装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記第１の整相処理は、平面波伝搬モデルによって得られた平面波伝搬時間による整相処理であり、
   前記第２の整相処理は、球面波伝搬モデルによって得られた球面波伝搬時間による整相処理であることを特徴とする超音波測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記処理部は、
   前記信号処理対象点が、前記平面波伝搬領域と前記球面波伝搬領域のいずれにあるかの領域判別処理を行うことを特徴とする超音波測定装置。
5. 請求項４において、
   所与の前記信号処理対象点に対して、前記送信処理部からの前記超音波の複数の前記送信角度の各送信角度において、前記平面波伝搬領域と前記球面波伝搬領域のいずれに前記信号処理対象点があるかを表す情報が対応付けられたテーブルデータを記憶する記憶部をさらに含み、
   前記処理部は、
   前記テーブルデータに基づいて、前記領域判別処理を行うことを特徴とする超音波測定装置。
6. 請求項４又は５のいずれかにおいて、
   前記処理部は、
   前記第１〜第Ｎの超音波トランスデューサーのうち、開口端に対応する第１の超音波トランスデューサーと前記信号処理対象点を結ぶ第１の方向と、
   前記第１〜第Ｎの超音波トランスデューサーのうち、他の開口端に対応する第Ｎの超音波トランスデューサーと前記信号処理対象点を結ぶ第２の方向と、
   前記超音波の前記送信角度と、
   に基づいて、前記領域判別処理を行うことを特徴とする超音波測定装置。
7. 請求項４乃至６のいずれかにおいて、
   前記送信処理部は、
   第１〜第Ｋ（Ｋは２以上の整数）の送信角度で第１〜第Ｋの超音波を送信する処理を行い、
   前記処理部は、
   第ｉ（ｉは１≦ｉ≦Ｋの整数）の送信角度と前記信号処理対象点の位置とに基づいて、前記信号処理対象点が第ｉの超音波に対応する第ｉの平面波伝搬領域と第ｉの球面波伝搬領域のいずれにあるかを判別する前記領域判別処理を行うことを特徴とする超音波測定装置。
8. 請求項７において、
   前記処理部は、
   前記第ｉの領域判別処理の結果に基づいて、前記第ｉの超音波に対応する前記第１〜第Ｎの受信信号の前記整相処理を行い、前記整相処理後の前記第１〜第Ｎの受信信号を合成して、前記信号処理対象点にフォーカスが設定された第１の解像度の第ｉの合成信号を生成し、
   第１の解像度の第１〜第Ｎの合成信号を合成して、前記信号処理対象点にフォーカスが設定され、前記第１の解像度に比べて解像度の高い第２の解像度の出力信号を生成することを特徴とする超音波測定装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかにおいて、
   前記処理部は、
   前記整相処理後の前記第１〜第Ｎの受信信号を合成して、前記信号処理対象点にフォーカスが設定された合成画像を生成することを特徴とする超音波測定装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の超音波測定装置を含むことを特徴とする超音波診断装置。
11. 超音波を所与の送信角度で送信する処理を行い、
    送信した前記超音波に対する超音波エコーの、第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の超音波トランスデューサーにおける第１〜第Ｎの受信信号の受信処理を行い、
    前記第１〜第Ｎの受信信号の各受信信号に対する整相処理として、信号処理対象点が、前記超音波が平面波として伝搬する平面波伝搬領域にある場合には第１の整相処理を行い、前記信号処理対象点が、前記超音波が球面波として伝搬する球面波伝搬領域にある場合には第２の整相処理を行う、
    ことを特徴とする超音波測定方法。