JP6400433B2 - 超音波診断装置、補間処理ユニットおよび補間処理方法 - Google Patents

Description

本発明の一態様としての実施形態は、超音波診断装置、補間処理ユニットおよび補間処理方法に関する。

医療分野では、超音波プローブの複数の振動子（圧電振動子）を用いて発生させた超音波を利用して、被検体内部を画像化する超音波診断装置が使用されている。振動子が発生させた超音波は被検体内で反射され、それぞれの振動子で受信信号として取得される。特にデジタルビームフォーミングでは、各振動子で取得される受信信号を所定のサンプリング間隔でサンプリングしてデジタルデータである受信データに変換する。そして、各振動子で取得した受信データを合成して受信ビームを形成する。各振動子で受信される受信データは、受信ビームの指向方向、および振動子と焦点位置との距離に応じて異なった遅延時間を持って受信される。そこで、デジタルビームフォーミングでは、各振動子で受信した受信データの遅延時間をそろえたうえで、各受信データを加算して受信ビームを形成する。

従来の超音波診断装置は振動子毎に設けられているＦＩＦＯ（First In First Out）メモリに、受信した順に時系列で受信データを格納する。そしてＦＩＦＯメモリからの読み出し位置を制御することによって、振動子毎に異なっている遅延時間を、サンプリング間隔の単位で粗調整してそろえる（たとえば、特許文献１等）。さらに、ＦＩＲ（有限インパルス応答 Finite Impulse Response）フィルタなどにより、サンプリング間隔の間のデータを補間することによって、各振動子の遅延時間をサンプリング間隔以下の精度で微調整してそろえている。その後、各受信データを加算して受信ビームを形成していた（たとえば、特許文献２等）。

特開２０１０−１１５４１８号公報 特開２０１３−３１６５４号公報

上記のように、従来の超音波装置では、ＦＩＦＯメモリから読み出した複数のサンプリングデータ（たとえば連続した４つのサンプリングデータ）を、複数のタップ（たとえば、４タップ）のＦＩＲフィルタに時系列に入力して補間データを生成していた。この補間データは、振動子毎、即ち、受信チャネル毎に生成され、各受信チャネルで生成された補間データを加算して受信ビームを形成している。しかしながら、各振動子の遅延時間をサンプリング間隔以下の精度で微調整するために必要となる受信データが、時系列順にならない場合がある。たとえば、ＦＩＲフィルタに「５」、「６」、「７」、「８」の４つのサンプリングデータが入力された場合、「６」から「７」の間のデータ（たとえば、６．３など）が補間可能であるとする。次に補間するデータが「８」から「９」の間（たとえば、８．５など）にある場合、必要となるデータは「７」、「８」、「９」、「１０」となる。ＦＩＦＯメモリには時系列順にデータが格納されているため、「５」、「６」、「７」、「８」の次に取得できるサンプリングデータは「６」、「７」、「８」、「９」である。このように、従来のＦＩＲフィルタでは、補間したいデータが１以上離れている場合は、必要なデータが読み込めず補間データが算出できない場合があった。

従来の超音波診断装置では、サンプリング間隔を広くすることで、ＦＩＲフィルタに読み込まれたサンプリングデータの範囲内で補間データが算出されるようにしていた。しかしながら、サンプリング間隔を大きくすることは、最終的に生成される超音波画像の画質劣化の原因となっていた。

そこで、サンプリング間隔を大きくすることなく、補間に必要な受信データを一括同時に取得可能な超音波診断装置、補間処理ユニットおよび補間処理方法が要望されている。

本実施形態に係る超音波診断装置は、超音波を送信し、被検体内部からの反射波を受信する複数の振動子と、時系列に連続する複数の受信データを順に記憶するとともに、前記時系列とは異なる順の読出位置の指定が可能なメモリと、複数の振動子のそれぞれの振動子からの受信データごとに設定すべき遅延時間を計算し、前記遅延時間に基づいて、前記メモリから補間データの算出に用いる複数の前記受信データを取得するための読出位置を算出する遅延計算部と、前記メモリから取得した複数の前記受信データに基づき補間データを算出するデータ補間部と、前記補間データを利用して形成された受信ビームに基づいて超音波画像を生成する画像生成部と、を備えたことを特徴とする。

実施形態に係る超音波診断装置の一例を示す概念的な構成図。 実施形態に係る超音波診断装置の受信ビームフォーマの機能構成例を示す機能ブロック図。 第１の実施形態に係る超音波診断装置の動作の一例を示すフローチャート。 超音波診断装置の遅延時間を説明する図。 受信ビーム形成におけるデータ補間の必要性を説明する図。 従来の超音波診断装置におけるデータ補間方法を説明する図。 実施形態に係る超音波診断装置のメモリにおけるデータ入出力を説明する図。 第１の実施形態に係る超音波診断装置のデータ補間方法を説明する図。 第２の実施形態に係る超音波診断装置の動作の一例を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る超音波診断装置のデータ補間方法を説明する図。

以下、超音波診断装置、補間処理ユニットおよび補間処理方法の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

（１）構成
図１は、実施形態に係る超音波診断装置１の一例を示す概念的な構成図である。図１に示すように、超音波診断装置１は、超音波プローブ２、装置本体３、表示部７０、入力部８０を備えて構成される。

超音波プローブ２は装置本体３とケーブル等で接続されており、被検体の体表に先端を接触させることで被検体内に超音波を送信する。超音波プローブ２は先端に超音波信号を送受信する複数の振動子１０（１０ａ、１０ｂ・・・１０ｎ）を備えている。

振動子１０は、超音波プローブ２の先端部に複数個（Ｎ個）１次元に配列されている。この振動子１０は電気音響変換素子であり、送信時には電気パルスを超音波パルス（送信超音波）に変換し、又、受信時には超音波反射波（受信超音波）を電気信号（受信信号）に変換する機能を有している。なお、振動子の配列は１次元に限定されず、２次元に配列される場合もある。

装置本体３は、制御部２０、送信部３０、受信部４０、受信ビームフォーマ５０、画像生成部６０を備えて構成される。

制御部２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、および記憶装置を備え、超音波診断装置１の各部を統括的に制御する。

送信部３０は、制御部２０の制御に応じて、送信超音波を放射するための送信信号を生成する。生成された送信信号に基づいてそれぞれの振動子１０を駆動することで送信超音波が生体に放射される。

受信部４０は、それぞれの振動子１０（１０ａ、１０ｂ・・・１０ｃ）から受信した生体からの受信信号を増幅器４１（４１ａ、４１ｂ・・・４１ｃ）に入力し、増幅された受信信号をＡ／Ｄ変換器４３（４３ａ、４３ｂ・・・４３ｃ）によりデジタルデータに変換する。

なお、図１の例では、振動子１０と信号の授受を行う送信部３０と受信部４０および、受信ビームフォーマ５０は装置本体３に構成されているが、超音波プローブ２内に構成されていてもよい。

受信ビームフォーマ５０は、受信部４０でサンプリングされた受信データから遅延時間に応じて補間データを算出し、整相加算により受信ビームを形成する。以下、受信データに基づいて遅延時間をそろえたデータを補間データと呼ぶこととする。受信ビームフォーマ５０は、焦点位置毎にすべての補間データを加算し、受信ビームの指向方向毎の受信ビームを形成する。

画像生成部６０は、Ｂモード処理部６１およびカラーモード処理部６３を備えており、得られた受信ビームに基づいて、Ｂモードデータ、カラードプラデータ、およびドプラスペクトラムなどの超音波画像を生成する。画像生成部６０は、Ｂモードデータおよびカラードプラデータを走査方向に対応させて保存することで、超音波画像としてのＢモード画像およびカラードプラ画像を生成すると共に、所定走査方向に対して得られたドプラスペクトラムおよびＢモードデータを時系列的に保存することで、超音波画像としてのドプラスペクトラム画像およびＭモード画像を生成する。

表示部７０は、生成された超音波画像などを制御部２０の制御にしたがってディスプレイに表示する。

入力部８０は、操作者からの各種指示、条件、関心領域（ＲＯＩ）の設定指示、種々の画質条件設定指示等を超音波診断装置１に取り込むための各種スイッチ、ボタン、トラックボール、タッチパネル、マウス、およびキーボード等を有する。

図２は、実施形態に係る超音波診断装置１の受信ビームフォーマ５０の機能構成例を示す機能ブロック図である。受信ビームフォーマ５０は、遅延制御部１００（１００ａ、１００ｂ・・・１００ｎ）と、加算器２００とを備えて構成される。受信ビームフォーマ５０には、振動子１０の個数に対応する数の遅延制御部１００が構成される。

遅延制御部１００は、メモリ１０１、遅延計算部１０３、データ補間部１０５から構成される。受信ビームフォーマ５０は図示しないがデジタル回路で構成されており、遅延計算部１０３、データ補間部１０５、加算器２００は、デジタル回路により実現する機能である。なお、遅延計算部１０３、データ補間部１０５、および加算器２００のそれぞれの機能は、所定のメモリに保存されたプログラムをプロセッサに実行させるソフトウェアによって実現することもできる。

メモリ１０１は、受信ビームの形成に必要な補間データを、時系列に連続する複数の受信データに基づいて算出するために、受信データを補間データの算出に必要な受信データ数に分割して記憶する。受信部４０で受信した受信信号は増幅器４１で増幅されたのち、Ａ／Ｄ変換器４３でデジタルデータに変換され、受信データとしてメモリ１０１に蓄積される。メモリ１０１はデータ補間部１０５で必要なデータが同時に一括で読み出せるように受信データをデータセット毎に分割して記憶する。メモリ１０１への受信データの格納方法については後述する。

遅延計算部１０３は、受信ビームの指向方向および、各焦点位置と各振動子１０との距離に応じた遅延時間を計算し、遅延時間に基づいてメモリ１０１から必要な受信データを取得するための読出位置を算出する。遅延時間は形成する受信ビームの指向方向に加えて、焦点位置と信号を受信するそれぞれの振動子１０との距離に応じて変わる。それぞれの受信ビームは、振動子１０毎に受信した受信データの遅延時間をそろえて加算することで形成される。なお、図２では、遅延制御部１００毎に遅延計算部１０３が存在する例を示したが、遅延計算部１０３は、すべての遅延制御部１００に共通な構成として存在してもよい。遅延時間については後述する。

データ補間部１０５は、メモリから取得した複数の受信データをそれぞれの係数で重み付けした後に加算して補間データを算出する補間フィルタを備える。遅延時間に応じて受信データを形成するために加算するデータをそろえる場合に、デジタルデータである受信データを補間する必要が生じる。データ補間部１０５は受信データのうち、いくつかの受信データ（以下、サンプリングデータとよぶ）を取得し、補間データを算出する。補間データの算出については後述する。

加算器２００は、各焦点位置において算出された補間データを加算して、各焦点位置における受信ビームを形成する。このように形成された受信ビームに基づいて画像生成部６０で超音波画像が生成される。

（２）動作
以下、受信データのメモリへの格納方法とデータ補間方法を「第１の実施形態」とし、第１の実施形態に加えて、メモリから取得する受信データが重複する場合に、その差分のみをメモリから取得して補間する方法を「第２の実施形態」として説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態は受信データのメモリへの格納方法とデータ補間方法に関する。

図３は、第１の実施形態に係る超音波診断装置１の動作の一例を示すフローチャートである。

ＳＴ１０１では、各振動子１０から超音波信号が送信される。

ＳＴ１０３では、各振動子１０が受信信号を取得する。

ＳＴ１０５では、各振動子１０が受信した信号が増幅器４１で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４３でデジタル変換された受信データが取得される。

ＳＴ１０７では、メモリ１０１が受信データを分割して格納する。

ＳＴ１０９では、遅延計算部１０３が遅延時間を算出する。

ＳＴ１１１では、遅延計算部１０３が遅延時間に応じて受信データのメモリ１０１からの読み出し位置を特定する。

図４は、超音波診断装置１の遅延時間を説明する図である。図４（ａ）は焦点位置Ａの場合、図４（ｂ）は焦点位置Ｂの場合を示しており、焦点位置Ａと焦点位置Ｂとは被検体の体表面からの距離が異なる。図４（ａ）および図４（ｂ）には振動子１０から送信された超音波が示されている。図４（ａ）および図４（ｂ）の上部には基準振動子と振動子Ａが示されている。基準振動子は遅延時間を算出する際に基準となる振動子であり、図４では、振動子Ａは基準振動子を基準とした他の振動子１０である。図４では、基準振動子と振動子Ａの遅延時間について説明する。

図４（ａ）は、焦点位置Ａから基準振動子までの距離（Ｒ１）と、焦点位置Ａから振動子Ａまでの距離（Ｒ２）とが示されている。図４（ａ）下部に示したＲ１およびＲ２の矢印の長さが示すように、振動子１０の位置に応じて焦点位置Ａからの距離は異なる。たとえば、基準振動子から送信された超音波を基準振動子と振動子Ａとが受信する場合、基準振動子の遅延時間はＲ１＋Ｒ１、振動子Ａの遅延時間はＲ１＋Ｒ２となる。すなわち、基準振動子と比較して振動子Ａの受信タイミングはＲ２−Ｒ１の分だけ遅くなる。このように、焦点位置から振動子１０までの距離が異なると、それぞれの振動子１０で受信信号を受信するタイミングが異なることとなる。超音波診断装置１は、このような各振動子１０で異なる受信タイミングの違いを遅延時間に基づき調整する。

図４（ｂ）は、焦点位置Ｂから基準振動子までの距離（Ｒ１）と焦点位置Ｂから振動子Ａまでの距離（Ｒ２）が示されている。焦点位置Ｂは図４（ａ）に示した焦点位置Ａより深い位置にある。図４（ｂ）も図４（ａ）と同様に、焦点位置と振動子の距離に応じて遅延時間が異なることを示している。

図４（ａ）および図４（ｂ）の下部に示した矢印は、振動子間の焦点位置から振動子までの距離の差（すなわち、受信タイミングの違い）を示している。図４（ａ）の下部に示した矢印では、焦点位置Ａから基準振動子までの距離Ｒ１と焦点位置Ａから振動子Ａまでの距離Ｒ２の差ａを示している。同様に、図４（ｂ）の下部は焦点位置Ｂから基準振動子までの距離Ｒ１と焦点位置Ｂから振動子Ａまでの距離Ｒ２の差ｂを示している。

図４（ａ）および図４（ｂ）の下部に示すように、焦点位置が深い場合（焦点位置Ｂ）、焦点位置から各振動子までの距離の差が、焦点位置が浅い場合（焦点位置Ａ）に比べて小さくなる。このように、振動子間に生じる遅延時間は一定ではなく、焦点位置によって異なっている。

デジタルビームフォーミングでは、複数の指向方向および、複数の深さの焦点位置からの受信信号を、各振動子が並列同時受信して超音波画像を生成している。したがって、遅延計算部１０３は、指向方向毎に複数存在する焦点位置毎の遅延時間を計算している。たとえば、図４の例では、基準振動子の遅延時間（Ｒ１＋Ｒ１）と振動子Ａの遅延時間（Ｒ１＋Ｒ２）を計算し、この遅延時間に基づいて各振動子１０の受信データをそろえて受信ビームを形成している。しかしながら、受信データはデジタルデータであり、サンプリング定理に従ったサンプリング間隔に応じて取得されているため、基準振動子のサンプリングデータに対応するデータが他の振動子１０ではサンプリングデータ間のデータとなる場合がある。そのような場合、サンプリングデータに基づいてデータを補間により求める必要がある。

図５は、受信ビーム形成におけるデータ補間の必要性を説明する図である。図５は、図４に例示した基準振動子および振動子Ａが受信した受信信号を、一定時間間隔でサンプリングした場合の例を示している。それぞれのグラフの縦軸は受信信号の信号強度を、横軸は遅延時間（距離）を示している。ここで、距離とは振動子１０から焦点位置までの深さ方向の距離のことである。図４で説明したとおり、遅延時間は焦点位置と振動子１０との距離に応じて異なる。なお、横軸の数値はサンプリング点を示しており、以下の説明で「」内の数値は、距離（即ち焦点位置の被検体の深さ方向の距離）に対応する受信データのサンプリング番号を示している。したがって、「５」のデータとは、「距離５」に対応するサンプリングデータ（受信データ）のことを意味している。

図５の上段は図４で示した基準振動子のサンプリングデータを示している。たとえば、図５の「５」のデータは、図４（ａ）で示した焦点位置Ａにおける基準振動子の遅延時間（Ｒ１＋Ｒ１）に対応するサンプリング点であり、図５の「６」は、図４（ｂ）で示した焦点位置Ｂにおけるサンプリング点であるとする。

同様に、図５の下段は、図４で示した振動子Ａのサンプリングデータを示している。図５の下段では、基準振動子のサンプリング点「５」に対応する振動子Ａのデータは、サンプリング点「６」と「７」の間（たとえば、６．６）の位置となる。同様に、基準振動子のサンプリング点「６」に対応する振動子Ａのデータは、サンプリング点「８」と「９」の間（たとえば、８．３）の位置である。

受信ビームは、各振動子の焦点位置毎の受信データを遅延時間でそろえて加算することで形成される。振動子Ａの「６．６」の位置のデータおよび「８．３」の位置のデータは、サンプリング点とサンプリング点との間に位置するため、サンプリングデータに含まれていない。そのため、これらのデータは補間処理により算出する必要がある。

たとえば、４つのデータを用いて補間データを算出する場合、補間処理は算出する補間データを中心として前後２つずつのデータに基づいて行われる。すなわち、図５では、振動子Ａの「６．６」の位置のデータを補間するため、「５」、「６」、「７」、「８」のサンプリング点の受信データを用いる（矢印Ａの範囲）。同様に、振動子Ａの「８．３」の位置のデータを補間するには、「７」、「８」、「９」、「１０」の受信データを用いる（矢印Ｂの範囲）。

このように遅延時間算出部１０３は、各振動子１０の遅延時間を算出し（ＳＴ１０９）、算出した遅延時間に応じて必要な補間データの位置を特定する。さらに、その前後のサンプリングデータを特定することで、メモリ１０１からの読み出し位置を特定している（ＳＴ１１１）。

図３に戻って補間データの算出方法および受信ビームの形成について説明を続ける。

ＳＴ１１３では、データ補間部１０５が、受信データをメモリ１０１から読み出す。

ＳＴ１１５では、データ補間部１０５が、補間データを算出する。

ＳＴ１１７では、加算器２００で算出された補間データを加算し、受信ビームを形成する。受信ビームは焦点位置毎に形成される。ある焦点位置の受信ビームが形成されると、順に次の焦点位置の受信ビームが形成される。

ＳＴ１１９では、画像生成部６０で、生成された受信ビームに基づいて超音波画像が生成される。受信ビームは複数の方向、複数の深度（焦点位置）に基づいて形成されており、それらの受信ビームから超音波画像が生成される。

ＳＴ１２１では、表示部７０に超音波画像が表示される。

以下、補間データを算出し受信ビームを形成する方法について説明する。受信ビームは焦点位置毎に形成されるが、たとえば、図４に示した焦点位置Ａの次に焦点位置Ｂの受信ビームが形成される場合、まず、基準振動子の「５」のサンプリングデータと振動子Ａの「６．６」の位置のデータが加算されて焦点位置Ａにおける受信ビームが形成される。次に、基準振動子のサンプリング点「６」のデータと、振動子Ａの「８．３」の位置のデータを加算して焦点位置Ｂにおける受信ビームが形成される。したがって、補間データを算出する場合、「６．６」の補間データを算出するために、「５」、「６」、「７」、「８」のサンプリングデータを使用した後、次の補間データである「８．３」の補間データを算出するために「７」、「８」、「９」、「１０」のデータが必要である。

図６は、従来の超音波診断装置におけるデータ補間方法を説明する図である。

図６（ａ）左図に示すように、振動子Ａの「６．６」の位置の補間データは「６」と「７」の間のデータであり、「５」、「６」、「７」、「８」のサンプリング点の受信データに基づいて算出される。同様に、図６（ａ）右図に示すように振動子Ａの「８．３」の位置の補間データは、「８」と「９」との間のデータであり、「７」、「８」、「９」、「１０」のサンプリング点の受信データから算出される。

図６（ｂ）に示すように、従来の超音波診断装置ではＦＩＦＯメモリにサンプリング点毎の受信データが格納されていた。ＦＩＦＯメモリは入力された順に右端から格納されてゆき、入力された順に取り出すことができるメモリである。たとえば、「４」の受信データが取り出されると、次に取り出されるデータは「５」の受信データとなる。したがって、振動子Ａの「６．６」の位置の補間データを「５」、「６」、「７」、「８」で算出した後、次にＦＩＦＯメモリから取得できるデータは「６」、「７」、「８」、「９」である。したがって、次に算出される振動子Ａの「８．３」の補間データの算出に必要な「７」、「８」、「９」、「１０」の受信データを、メモリから同時に一括で取得することができない。このように、焦点位置毎に順に受信ビームを形成するにあたり、従来の超音波診断装置では、補間に必要な受信データを取得できない場合があった。

図６（ｃ）は、ＦＩＲフィルタのデジタル回路の例を示している。図６（ｃ）はタップ数が４であるＦＩＲフィルタの例が示されている。Ｓ０からＳ２は単位遅延回路を示しており、ｍ０からｍ３は入力した受信データに係数を乗算する乗算回路を示しており、ｃ０からｃ３は乗算回路の係数を示している。ＦＩＦＯメモリから読み込まれた受信データは、単位遅延回路により、サンプリングされた順に乗算回路（ｍ０、ｍ１、ｍ２、ｍ３）に入力する。乗算回路にはそれぞれ係数が設定されており、設定された係数により入力された受信データは重み付けされる。乗算回路により重み付けされた受信データは、加算回路（ａ１、ａ２、ａ３）に入力され、加算され、補間データとして出力される。たとえば、「５」「６」、「７」、「８」のサンプリング点の受信データから「６．６」の補間データを算出する場合（ｎが「８」の場合）、右端のｍ３には「５」の受信データ（ｎ−３）が、ｍ２には「６」の受信データ（ｎ−２）が、ｍ１には「７」の受信データ（ｎ−１）が、ｍ０には「８」の受信データ（ｎ）がそれぞれ入力される。入力された受信データは、それぞれの乗算回路ｍ０からｍ３に設定された係数ｃ０からｃ３によってそれぞれ重み付けされたのち、加算回路ａ１からａ３で加算され、「６．６」の補間データが出力される。

上述したが、焦点位置Ａにおける振動子Ａの「６．６」の補間データが算出された後は焦点位置Ｂにおける振動子Ａの「８．３」の補間データを算出する必要がある。したがって、「５」、「６」、「７」、「８」で算出した後、次にＦＩＲフィルタで必要なデータは「７」、「８」、「９」、「１０」である。

しかしながら、「５」、「６」、「７」、「８」のサンプリング点が読み込まれた後、ＦＩＦＯメモリから次に取り出されるデータはサンプリング点「９」のデータである。したがって、ＦＩＲフィルタには「６」、「７」、「８」、「９」のデータが入力される。そのため従来の超音波診断装置では、「６．６」を算出した後、「８．３」のように前の補間データから１サンプリング点以上離れた位置にあるデータを補間するために必要な受信データを一括同時に読み込むことができなかった。このような場合を回避するため、従来の超音波診断装置では、画質を犠牲としてサンプリング間隔を広くすることで、時系列にしたがってＦＩＦＯメモリに入力されたサンプリングデータを用いて補間データを算出できるようにしていた。

一方、本実施形態に係る超音波診断装置１は、ＦＩＦＯメモリとは異なる方法で受信データをメモリに格納することで、同時に一括でデータを取り出し補間フィルタに受信データを入力するデータ補間方法により上述の問題を解決するものである。

図７は、実施形態に係る超音波診断装置１のメモリにおけるデータ入出力を説明する図である。図７（ａ）は、図６（ａ）と同様に、図６で説明した振動子Ａの焦点位置Ａにおける補間データ（「６．６」）と焦点位置Ｂにおける補間データ（「８．３」）を算出する場合に必要となるサンプリングデータを示している。たとえば、４つの受信データに基づいて補間データを算出する補間フィルタを用いる場合、図７（ａ）左図に示すように「６」と「７」との間の補間データ「６．６」は「５」、「６」、「７」、「８」のサンプリングデータに基づいて算出される。同様に、図７（ａ）右図に示すように「８」と「９」との間に位置する「８．３」の補間データは「７」、「８」、「９」、「１０」のサンプリングデータから算出される。

図７（ｂ）はメモリ１０１から「５」、「６」、「７」、「８」のサンプリング点を取り出す方法を説明した図である。本実施形態に係る超音波診断装置１は、メモリ１０１に補間フィルタで使用するデータ数に応じて、受信データを分割して格納している。すなわち、４つの受信データに基づいて補間データが算出される場合、データの間隔が４になるようにメモリに格納する。具体的には、図７（ｂ）のメモリ１０１の１段目に示すように、サンプリング点「０」、「４」、「８」、「１２」、「１６」・・・を１つのデータセットとし、同様に、サンプリング点「１」、「５」、「９」、「１３」、「１７」・・・を１つのデータセットとしてメモリ領域に格納する。このように格納することで、それぞれのデータセットから必要なデータを１つずつ読み出すことで、一括同時に取得することができる。

図７（ｃ）はメモリ１０１から「７」、「８」、「９」、「１０」のサンプリング点を取り出す方法を説明した図である。補間に必要な受信データは各データセットに１つずつ格納されている。そのため、時系列に並んだ複数の受信データを、時系列順に１つずつ読み出す必要がなく、一括同時に取得することが可能である。すなわち、実施形態のメモリ１０１の構成によれば、従来の超音波診断装置のように「５」、「６」、「７」、「８」と読み出した後、「６」、「７」、「８」、「９」と受信データを１サンプリング点ずつシフトさせて読み出すという拘束がない。したがって、「５」、「６」、「７」、「８」と読み出した後、１サンプリング点飛ばして「７」、「８」、「９」、「１０」と一括同時に読み出すこともできるし、２サンプリング点飛ばして「８」、「９」、「１０」、「１１」と読み出すこともできる。

図８は、第１の実施形態に係る超音波診断装置１のデータ補間方法を説明する図である。図８は、データ補間部１０５が備えた補間フィルタの例を示している。補間フィルタは、タップ制御回路、マルチプレクサ、乗算回路、加算回路を備えて構成される。

タップ制御回路は、メモリ１０１から読み込まれた複数の受信データが時系列順に乗算回路に入力されるようにマルチプレクサを制御する。

マルチプレクサはタップ制御回路の制御に基づいて、複数の受信データのなかから乗算回路に入力する受信データを選択する。

乗算回路は、マルチプレクサから入力された受信データに係数を乗算し、加算回路は、乗算回路で算出された結果をそれぞれ加算した補間データを出力する。

図８の例では、Ｓ０からＳ３は単位遅延回路、ｍ０からｍ３は乗算回路、ｃ０からｃ３は乗算回路における係数、台形はマルチプレクサを示している。メモリ１０１から読み込まれたサンプリングデータは、一括してそれぞれのマルチプレクサに入力される。一方、乗算回路にはタップ制御回路の制御によりマルチプレクサで選択された１つのサンプリングデータが入力される。乗算回路は係数（ｃ０、ｃ１、ｃ２、ｃ３）が設定されており、入力されたサンプリングデータは係数により重み付けされたのち、加算回路で加算され、補間データが算出される。

図８では太線で示す経路によりメモリ１０１から各乗算回路にデータが入力される例が示されている。なお、図８の例では単位遅延回路を示したが、マルチプレクサを用いてサンプリングデータを乗算回路に入力できるため、省略可能である。

図８の例は焦点位置Ａにおける振動子Ａの補間データ（「６．６」）を算出する場合を示している。遅延計算部１０３は、補間データ（「６．６」）の算出に必要なサンプリングデータを「５」、「６」、「７」、「８」と特定し、メモリ１０１における読み出し位置を特定する。遅延計算部１０３で補間に必要なサンプリングデータが特定されると、同時にメモリ１０１からのサンプリングデータの読出位置が決定する。図８のメモリ１０１に網掛けで示したように、遅延計算部１０３は、メモリ１０１上のサンプリング点「５」、「６」、「７」、「８」に対応するアドレスを特定し、データ補間部１０５のタップ制御回路に伝達する。

図８に太線で示すように、タップ制御回路は入力されたサンプリングデータをメモリから読み出して乗算回路ｍ０からｍ３に入力する。たとえば、「５」、「６」、「７」、「８」のサンプリングデータがデータ補間部１０５に入力される場合、ｍ３からｍ０にこれら４つのサンプリングデータが入力される。マルチプレクサには「５」、「６」、「７」、「８」のすべてのサンプリングデータが入力されるが、タップ制御回路の制御により、サンプリングデータが選択され乗算回路に入力される。このような制御により、サンプリングデータｍ３には「５」、ｍ２には「６」、ｍ１には「７」、ｍ０には「８」がそれぞれ入力される。乗算回路（ｍ０、ｍ１、ｍ２、ｍ３）に入力されたサンプリングデータは、乗算回路に設定された係数（ｃ０、ｃ１、ｃ２、ｃ３）で重み付けされたのち、加算回路（ａ１、ａ２、ａ３）で加算され補間データが生成される。なお、乗算回路に設定される係数は、補間するデータのサンプリング点からの位置などに応じて様々に設定可能である。たとえば、「５」、「６」、「７」、「８」のサンプリングデータを用いて「６」と「７」との間のデータを補間する場合、補間するデータの位置がサンプリング点「６」に近い場合（たとえば、６．２のような場合）は、中央の２つのサンプリンデータ（「６」、「７」）に対する係数（ｃ１、ｃ２）のうち、「６」のデータに乗算される係数ｃ１を係数ｃ２よりも大きく設定する。一方、補間するデータの位置がサンプリング点「７」に近い場合（たとえば、６．８のような場合）は、「７」のデータに乗算される係数ｃ２を係数ｃ１よりも大きく設定する。

なお、上述の例では基準振動子のデータはサンプリングデータに存在するため、補間処理は省略可能である。

このように焦点位置毎に算出されたすべての補間データを加算器２００で加算し、受信ビームを形成する。たとえば、図５の例では、焦点位置Ａについて基準振動子の「５」と振動子Ａの「６．６」についてそれぞれ補間データが算出される。これらの補間データが加算され、焦点位置Ａの受信ビームが形成される。さらに、次の焦点位置である焦点位置Ｂについても同様に、基準振動子の「６」と振動子Ａの「８．３」についてそれぞれ補間データが算出され、これらの補間データが加算されて受信ビームが形成される。

このようにして、ある指向方向の受信ビームが含む複数の焦点位置それぞれについて、補間データが算出され（ＳＴ１１５）、受信ビームが形成される（ＳＴ１１７）。形成された受信ビームに基づいて超音波画像が生成され（ＳＴ１１９）、表示部７０に表示される（ＳＴ１２１）。

このように、第１の実施形態に係る超音波診断装置１は、受信データを分割してメモリ１０１に格納することで、メモリから一括同時に受信データを取得することができる。また、直前の補間から１サンプリング点以上離れたデータを補間するために、必要なサンプリングデータをメモリから読み出し、補間データを算出することができる。したがって、適正なサンプリング間隔でデータを取得することができ、画像劣化を防止することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は第１の実施形態に加えて、メモリから取得する受信データが重複する場合に、その差分のみをメモリから取得して補間する方法に関する。

図９は、第２の実施形態に係る超音波診断装置１の動作の一例を示すフローチャートである。第１の実施形態と同じ動作を行うステップについては同じ番号を示している。

ＳＴ２０１では、遅延計算部１０３が、今回の補間に使用する受信データが前回の補間で使用した受信データと重複するかどうか判定する。重複しない（Ｎｏ）場合は、ＳＴ１１５で第１の実施形態で説明した方法で補間データが生成される。一方、重複する（Ｙｅｓ）場合、遅延計算部１０３は差分となる受信データの読出位置を特定し、データ補間部１０５に伝達する。

ＳＴ２０３では、データ補間部１０５が差分の受信データのみをメモリ１０１から読み出す。

図１０は、第２の実施形態に係る超音波診断装置１のデータ補間方法を説明する図である。図８の例と同様に、図１０に示したデータ補間部１０５は、タップ制御回路、マルチプレクサ、乗算回路、加算回路を備えて構成される。

図１０の例では、単位遅延回路Ｓ０からＳ３の左上に前回の補間で使用したサンプリング点の数字が記載されており、「６．６」位置の補間データが算出された後の状態を示している。すなわち、図７（ａ）に例示した「６．６」補間に使用した受信データ「５」は単位遅延回路Ｓ３に、「６」は単位遅延回路Ｓ２に、「７」は単位遅延回路Ｓ１に、「８」は単位遅延回路Ｓ０にそれぞれ格納されている。

次に算出されるデータが「８．３」の位置の補間データである場合、「７」、「８」、「９」、「１０」のサンプリングデータがデータ補間部１０５に読み込まれる必要がある。ここで、遅延計算部１０３は前回の補間と今回の補間とで「７」、「８」のサンプリングデータが重複することから、新たにメモリ１０１から読み込む必要があるデータは「９」、「１０」のサンプリングデータであると判断する。

そこで、図１０に破線で示すように、データ補間部１０５のタップ制御回路は重複する「７」と「８」のデータのうち、「７」を単位遅延回路Ｓ１から単位遅延回路Ｓ３に移動させ、「８」を単位遅延回路Ｓ０から単位遅延回路Ｓ２に移動させるように、単位遅延回路Ｓ２およびＳ３の左側に位置するマルチプレクサを制御する。このような制御により重複する「７」および「８」のサンプリングデータは、単位遅延回路Ｓ２およびＳ３にそれぞれ格納される。

一方、メモリ１０１から新たに「９」、「１０」のサンプリングデータが読み出され、単位遅延回路Ｓ０およびＳ１に格納される。図１０に太線で示しように、「９」は単位遅延回路Ｓ１に格納され、「１０」は単位遅延回路Ｓ０に格納される。このように、タップ制御回路の制御に基づいて、単位遅延回路Ｓ１およびＳ０の左側に位置するマルチプレクサにより選択的に「９」、「１０」が単位遅延回路Ｓ１およびＳ０に入力される。

単位遅延回路Ｓ０からＳ３に格納されたそれぞれのサンプリングデータは、乗算回路ｍ０からｍ３に入力される。乗算回路にはそれぞれ係数（ｃ０、ｃ１、ｃ２、ｃ３）が設定されており、サンプリングデータはこれらの係数で重み付されたのち、加算回路（ａ１、ａ２、ａ３）で加算され補間データ（「８．３」）が算出される。

このように、前回の補間で使用したサンプリングデータを次の補間処理で再利用することで、データ補間部１０５がメモリ１０１から読み出すデータ数が減るため、データ補間部１０５での処理を高速化できる。また、メモリ１０１へのアクセスが減少するため、消費電力を抑えることもできる。

なお、第１の実施形態および第２の実施形態では、超音波診断装置１を例に説明したが、超音波診断装置１の遅延制御部１００と同等の構成を持った補間処理ユニットや補間処理方法を、画像処理や音声処理など信号処理に適用してもよい。

たとえば、画像処理の１つとして画像の圧縮処理がある。圧縮処理のアルゴリズムには、直前の補間から１以上離れたデータを補間により求めるようなアルゴリズムが存在する。具体的には、受信データとしてそれぞれの画素を入力し、画素の画像上の位置関係などに応じて必要なサンプリング点を決定し補間データを作成する方法がある。このような場合に、本実施形態に係る超音波診断装置１で説明した遅延制御部１００と同様の方法を適用することが可能である。このように、連続的に収集された数値や、画像、動画および音声などの様々なデータを補間する信号処理において、本実施形態に係る補間処理ユニットおよび補間処理方法は適用可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 超音波診断装置
２ 超音波プローブ
３ 装置本体
１０ 振動子
２０ 制御部
３０ 送信部
４０ 受信部
５０ 受信ビームフォーマ
６０ 画像生成部
７０ 表示部
８０ 入力部
１００ 遅延制御部
１０１ メモリ
１０３ 遅延計算部
１０５ データ補間部
２００ 加算器

Claims (10)

1. 超音波を送信し、被検体内部からの反射波を受信する複数の振動子と、
   所定サンプリング間隔でサンプリングされた時系列に連続する複数の受信データを順に記憶するとともに、前記時系列とは異なる順の読出位置の指定が可能なメモリと、
   前記複数の振動子のそれぞれの振動子からの受信データごとに設定すべき遅延時間を計算し、前記遅延時間に基づいて、前記メモリから補間データの算出に用いる複数の前記受信データを取得するための読出位置を算出する遅延計算部と、
   前記メモリから取得した複数の前記受信データに基づき補間データを算出するデータ補間部と、
   前記補間データを利用して形成された受信ビームに基づいて超音波画像を生成する画像生成部と、
   を備え、
   前記遅延計算部は、
   直前の補間データの算出に用いられた複数の受信データに対し今回の補間データの算出に用いる複数の受信データが前記所定サンプリング間隔で２以上シフトする場合は、前記所定サンプリング間隔で２以上シフトした前記複数の受信データを取得するための読出位置を算出する、
   超音波診断装置。
2. 超音波を送信し、被検体内部からの反射波を受信する複数の振動子と、
   時系列に連続する複数の受信データを順に記憶するとともに、前記時系列とは異なる順の読出位置の指定が可能なメモリと、
   前記複数の振動子のそれぞれの振動子からの受信データごとに設定すべき遅延時間を計算し、前記遅延時間に基づいて、前記メモリから補間データの算出に用いる複数の前記受信データを取得するための読出位置を算出する遅延計算部と、
   前記メモリから取得した複数の前記受信データに基づき補間データを算出するデータ補間部と、
   前記補間データを利用して形成された受信ビームに基づいて超音波画像を生成する画像生成部と、
   を備え、
   前記データ補間部は、前回の補間処理で使用した受信データと今回の補間処理で必要な受信データとが重複する場合、前記前回の補間処理で使用した受信データと前記今回の補間処理で必要な受信データと差分のみを前記メモリから取得する一方、重複する受信データを流用する、
   超音波診断装置。
3. 前記画像生成部は、前記受信データそのものと前記補間データとを利用して形成された受信ビームに基づいて前記超音波画像を生成する、
   請求項１または２に記載の超音波診断装置。
4. 前記画像生成部により生成された前記超音波画像を表示する表示部、
   をさらに備えた請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
5. 前記メモリは、前記時系列に連続する複数の受信データを、前記データ補間部が各補間データの算出に用いる前記受信データの個数に応じた個数のデータセットに分割して記憶する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
6. 前記データ補間部は、算出される前記補間データと隣接する受信データの位置に応じた係数に基づいて前記補間データを算出する、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
7. 前記データ補間部は、
   タップ制御回路と、
   マルチプレクサと、
   乗算回路と、
   加算回路と、
   を備え、
   前記タップ制御回路は、前記マルチプレクサと接続し、前記メモリから読み込まれた前記複数の受信データが時系列順に前記乗算回路に入力されるように前記マルチプレクサを制御し、
   前記マルチプレクサは、前記乗算回路と接続し、前記タップ制御回路の制御に基づいて、前記複数の受信データのなかから前記乗算回路に入力する前記受信データを選択し、
   前記乗算回路は、前記加算回路と接続し、前記マルチプレクサから入力された前記受信データのそれぞれに対し対応する係数を乗算し、
   前記加算回路は、前記乗算回路で算出された結果をそれぞれ加算し、前記補間データを出力する、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波診断装置。
8. 時系列に連続して収集されたデータの一部を補間する補間処理ユニットであって、
   前記時系列に連続して所定サンプリング間隔で収集されたデータを順に記憶するとともに、前記時系列とは異なる順の読出位置の指定が可能なメモリと、
   前記メモリから前記時系列に連続して収集されたデータのうち補間データの算出に用いる複数のデータを取得するための読出位置を算出する遅延計算部と、
   前記メモリから取得した前記複数のデータに基づき補間データを算出するデータ補間部と、
   を備え、
   前記遅延計算部は、
   直前の補間データの算出に用いられた複数の受信データに対し今回の補間データの算出に用いる複数の受信データが前記所定サンプリング間隔で２以上シフトする場合は、前記所定サンプリング間隔で２以上シフトした前記複数の受信データを取得するための読出位置を算出する、
   補間処理ユニット。
9. 前記データ補間部は、
   タップ制御回路と、
   マルチプレクサと、
   乗算回路と、
   加算回路と、
   を備え、
   前記タップ制御回路は、前記マルチプレクサと接続し、前記メモリから読み込まれた前記複数のデータが時系列順に前記乗算回路に入力されるように前記マルチプレクサを制御し、
   前記マルチプレクサは、前記乗算回路と接続し、前記タップ制御回路の制御に基づいて、前記複数のデータのなかから前記乗算回路に入力する前記データを選択し、
   前記乗算回路は、前記加算回路と接続し、前記マルチプレクサから入力された前記データのそれぞれに対し対応する係数を乗算し、
   前記加算回路は、前記乗算回路で算出された結果をそれぞれ加算し、前記補間データを出力する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の補間処理ユニット。
10. 時系列に連続して収集されたデータの一部を補間する補間処理方法であって、
    前記時系列に連続して所定サンプリング間隔で収集されたデータをメモリに順に記憶させるとともに、前記メモリは前記時系列とは異なる順の読出位置の指定が可能であるステップと、
    前記メモリから前記時系列に連続して収集されたデータのうち補間データの算出に用いる複数のデータを取得するための読出位置を算出するステップと、
    前記メモリから取得した前記複数のデータに基づき補間データを算出するステップと、
    を備え、
    前記読出位置を算出するステップは、
    直前の補間データの算出に用いられた複数の受信データに対し今回の補間データの算出に用いる複数の受信データが前記所定サンプリング間隔で２以上シフトする場合は、前記所定サンプリング間隔で２以上シフトした前記複数の受信データを取得するための読出位置を算出するステップを含む、
    補間処理方法。

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