JP6634331B2 - 超音波撮像装置および超音波送受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波撮像装置および超音波送受信方法に関する。

超音波撮像装置は、超音波素子から超音波ビームを撮像領域に亘って走査し、それぞれの送信により、撮像領域内で生じたエコーを受信する。各送信で受信したエコーは、複数の超音波素子により受信され、複数の受信信号に変換される。複数の受信信号は、受信焦点に応じて超音波素子毎に設定された遅延時間によって遅延（整相）されたのち加算され、目的の撮像領域における焦点データへと変換される。遅延時間の決定方法としては、特許文献１に記載されているように、超音波ビームの焦点位置を仮想音源として、仮想音源から球面形状の波面が伝搬していると仮定して遅延時間を決定する仮想音源法が知られている。さらに、同一位置の受信焦点について、異なる方向に向けた超音波ビームによってそれぞれ得られた焦点データを合成する送信間開口合成技術も知られている（特許文献２）。送信間開口合成により、仮想音源からの複数の波面を合成することができるため、高画質化の効果が得られる。

特開平１１−２２１２１４号公報 特開平１０−２７７０４２号公報

異なる超音波ビームの送信について、特許文献１に記載の仮想音源法により得られたそれぞれの焦点データを特許文献２に記載の送信間開口合成により合成すると、異なる仮想音源からの複数の波面を合成する作用により高画質化の効果が得られる反面、意図しない方向へも波面合成作用が生じ、本来は存在しない像（偽像）を生じることがある。意図しない方向への波面合成作用は、合成グレーティングローブと呼ばれ、画質を低下させる。

本発明の目的は、仮想音源法により整相を行った焦点データを送信間開口合成して画像を生成する超音波送受信技術において、合成グレーティングローブの発生を抑制することにある。

本発明の超音波撮像装置は、複数の振動子が２次元に配列され、超音波を送信および受信する超音波探触子と、超音波探触子から被検体内の３次元撮像領域に複数の超音波ビームを順次送信させる送信部と、送信ごとに、被検体から戻る超音波を受信した超音波探触子の複数の振動子が出力する受信信号を、予め設定された複数の受信焦点ごとにそれぞれ設定された遅延時間ずつ遅延させた後加算し、受信焦点ごとに焦点データを生成する受信部と、異なる送信において前記受信部が生成した、同一の前記受信焦点についての焦点データを加算する合成部と、送信部に前記複数の超音波ビームの送信焦点の位置を設定する送信焦点設定部と、を有する。送信焦点設定部が設定する複数の超音波ビームの送信焦点の配置は、ランダムである。

本発明によれば、合成グレーティングローブの発生が抑圧され、偽像の発生を抑えることができる。

第一実施形態の超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、超音波撮像装置から３次元撮像領域に送信される超音波ビームを示す説明図であり、（ｂ）は、超音波ビームのビーム形状を示す図であり、（ｃ）および（ｄ）は、送信焦点の位置の分布を示す説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は、送信間開口合成を説明する図である。 ランダムに配置された送信焦点の位置を示す図である。 （ａ）は、超音波撮像装置から３次元撮像領域に送信される別の形状の超音波ビームを示す説明図であり、（ｂ）は、送信超音波ビームのビーム形状を示す図である。 （ａ）は、超音波撮像装置から３次元撮像領域に送信される超音波ビームの別の例を示す説明図であり、（ｂ）および（ｃ）は、送信焦点の深さ（ｚ）を変えた場合の送信焦点の間隔を示す図である。 （ａ）は、超音波撮像装置から３次元撮像領域に送信される超音波ビームのさらに別の例を示す説明図であり、（ｂ）および（ｃ）は、送信焦点の深さ（ｚ）を変えた場合の送信焦点の間隔を示す図である。 ユーザに設定された深さ範囲に３次元に送信焦点をランダムに配置することを示す説明図である。 第二実施形態の超音波撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 第二実施形態の受付部が表示部に表示させる画面の例である。 超音波ビームを送信した開口（振動子）の中心から所定の範囲に整相範囲を設定することを示す説明図である。 仮想音源法による遅延時間の演算方法を示す説明図である。 第二実施形態の超音波撮像装置の動作を示すフローチャートである。 第二実施形態の超音波撮像装置の動作を示すフローチャートである。 第二実施形態の送信焦点設定部が表示部に表示させる画面の例である。 （ａ）は、規則的に配置された送信焦点の位置を示す図であり、（ｂ）は、ランダムに配置された送信焦点の位置を示す図である。

本発明の一実施形態の超音波撮像装置について説明する。

＜＜第一実施形態＞＞
図１等を用いて、第一実施形態の超音波撮像装置（超音波送受信装置）について説明する。図１は、本実施形態の超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。図２（ａ）は、超音波撮像装置から３次元撮像領域に送信される超音波ビームを示し、図２（ｂ）は、超音波ビームのビーム形状を示し、図２（ｃ）および（ｄ）は、送信焦点の位置の分布を示す説明図である。図３（ａ）〜（ｄ）は、送信間開口合成を説明する図である。図４は、ランダムに配置された送信焦点の位置を示す図である。図１６（ａ）は、規則的に配置された送信焦点の位置を示す図であり、図１６（ｂ）は、ランダムに配置された送信焦点の位置を示す図である。

図１のように、第一実施形態の超音波撮像装置１００は、超音波探触子１０８と、送信部１０２と、受信部１０５と、合成部２５と、送信焦点設定部１０３とを備えている。超音波探触子１０８は、複数の超音波振動子（以下、「振動子」と呼ぶ。）１０９が１次元もしくは２次元に配列され、それぞれの振動子１０９は、電気信号を超音波へ、超音波を電気信号へと変換して超音波を送信および受信するトランスデューサである。送信部１０２は、超音波探触子１０８から被検体１２０内の３次元の撮像領域１２０ａに図２（ａ）および図３（ａ）のように複数の超音波ビーム３−１〜３−Ｎを順次送信させる。例えば、送信部１０２は、複数の振動子１０９にそれぞれ所定量ずつ遅延させた送信信号を受け渡すことにより、所定の位置に送信焦点を有する超音波ビーム３−１〜３−Ｎを順次送信させることができる。超音波探触子１０８の複数の振動子１０９は、送信ごとに、被検体１２０から戻る超音波を受信する。受信部１０５は、遅延加算部２１を備える。遅延加算部２１は、超音波探触子１０８の複数の振動子１０９の出力する受信信号を、超音波画像を構築するための複数の点が集合した線である受信走査線２４１上に予め設定された、超音波画像を構築するための各点である複数の受信焦点５２（図３（ｂ）、（ｃ）参照）ごとにそれぞれ設定された遅延時間ずつ遅延させた後加算し、受信焦点５２ごとに整相範囲３５の焦点データを生成する。合成部２５は、異なる送信において受信部１０５が生成した、同一の受信焦点５２についての焦点データを加算することにより、送信間開口合成を行う（図３（ｄ）参照）。例えば、遅延加算部２１は、超音波ビーム３−（Ｎ−１）に対応した整相範囲３５−（Ｎ−１）と超音波ビーム３−Ｎに対応した整相範囲３５−Ｎのそれぞれにおいて、焦点データを生成し、合成部２５は、整相範囲３５−（Ｎ−１）と整相範囲３５−Ｎとが重なる範囲１３５―Ｎにおいて、整相範囲３５−（Ｎ−１）と整相範囲３５−Ｎのそれぞれの焦点データ同士を加算して送信間開口合成を行う。
また、合成部２５は、送信間開口合成により合成した焦点データである合成後データを別の装置（不図示）や、超音波撮像装置１００内の後段の機能部に送信する。

送信焦点設定部１０３は、送信部１０２に、複数の超音波ビーム３−１〜３−Ｎの送信焦点３０−１〜３０−Ｎの位置を設定する。このとき、送信焦点設定部１０３が設定する複数の超音波ビーム３−１〜３−Ｎの送信焦点３０−１〜３０−Ｎの配置は、ランダムである。

ここでいうランダムとは、３次元空間における複数の送信焦点３０−Ｎ〜３０−（Ｎ−１）の間隔に規則性がない配置もしくは非周期的な配置であることを言う。例えば、連続して送信する送信焦点の距離が不等間隔であることを言う。距離に規則性がなければ、３次元空間のいずれかの面や方向において、送信焦点３０−１〜３０−Ｎが並んでいても構わない。例えば、図２（ｃ）のように、ｘｙ平面から見た送信焦点３０−１〜３０−Ｎの配置がランダムであるが、図２（ｄ）のようにｚｘ平面から見た送信焦点３０−１〜３０−Ｎが所定のｚ深さに並んでいても構わない。

送信焦点設定部１０３は、設定したランダムな送信焦点位置に応じて、仮想音源法により定めた遅延時間を受信部１０５に設定することができる。

このように、送信焦点３０−１〜３０Ｎをランダムに配置することにより、異なる送信によって得られた焦点データを送信間開口合成により合成しても、意図しない方向へ波面合成作用が生じること（合成グレーティングローブ）を抑制でき、合成後のデータに、偽像の発生を防ぐことができる。よって、偽像の発生を防ぎながら、本来の開口合成の作用である、複数の仮想音源からの複数の波面を合成する作用により高画質化の効果が得られる。

送信焦点設定部１０３は、複数の超音波ビーム３−１〜３−Ｎの送信焦点３０−１〜３０−Ｎはいずれも、最も近くに位置する送信焦点との距離が超音波ビーム３−１〜３−Ｎの波長よりも小さいことが望ましい。これにより、合成グレーティングローブをより効果的に抑制することができる。なお、波長とは、各素子から送信された超音波パルスの周波数帯域と、トランスデューサの持つ感度周波数帯域の畳みこみで得られる周波数帯域のうち、画像に影響する周波数成分をから成る音波波形の時間長を指す。

より具体的には、ランダムに配置された送信焦点３０−１〜３０−Ｎについて以下のように求めた距離の平均が超音波ビーム３−１〜３−Ｎの波長よりも小さいことが望ましい。すなわち、図４にランダムに配置された送信焦点３０−１〜３０−Ｎを示したように、ある送信焦点３０−１と、その最も近くに位置する送信焦点３０−５とを結ぶ直線４１を設定し、この直線４１に対して直交する方向に位置する別の１以上の送信焦点３０−２，３０−７のうち、直線４１に最も近い送信焦点３０−７を選択する。この送信焦点３０−７から直線４１に垂線４２を下し、その垂線４２と直線４１との交点Ｏによって直線４１を分割し、２つの線分ＡＯ、ＢＯを設定する。２つの線分ＡＯ、ＢＯの長さをそれぞれ求める。この動作を、すべての送信焦点３０−１〜３０−Ｎについて行い、得られたすべての線分の長さの平均を算出する。求めた平均値が、超音波ビーム３−１〜３−Ｎの波長よりも小さくなるように送信焦点３０−１〜３０−Ｎの配置を設定することにより、合成グレーティングローブをより効果的に抑制することができる。

また、以下のように求めた距離の平均値が超音波ビーム３−１〜３−Ｎの波長よりも小さいことでもよい。ある送信焦点３０−１に最も近い距離に配置される送信焦点３０−２までの距離を求める。この動作を全ての送信焦点３０−１〜３０−Ｎについて行い、得られたすべての距離の平均値が、超音波ビーム３−１〜３−Ｎの波長よりも小さくなるように送信焦点３０−１〜３０−Ｎの配置を設定することにより、合成グレーティングローブをより効果的に抑制することができる。

このように送信焦点３０−１〜３０−Ｎをランダムに配置することで、図１６（ａ）に示すような送信焦点の間隔dxを波長よりも短く規則的に配置した条件ではなく、例えば図１６（ｂ）のような配置が可能となる。これにより、少ない送信焦点数で合成グレーティングローブを抑圧させた送信開口合成ができるため、撮像時間の短縮に繋がり、フレームレートを向上させることができる。

図５（ａ）は、超音波撮像装置から３次元撮像領域に送信される別の形状の超音波ビームを示し、図５（ｂ）は、送信超音波ビームのビーム形状を示す。図６（ａ）は、超音波撮像装置から３次元撮像領域に送信される超音波ビームの別の例を示し、図６（ｂ）および（ｃ）は、送信焦点の深さ（ｚ）を変えた場合の送信焦点の間隔を示す。図７（ａ）は、超音波撮像装置から３次元撮像領域に送信される超音波ビームのさらに別の例を示し、図７（ｂ）、（ｃ）は、送信焦点の深さ（ｚ）を変えた場合の送信焦点の間隔を示す。図８は、ユーザに設定された深さ範囲に３次元に送信焦点をランダムに配置することを示す説明図である。

送信焦点設定部１０３が設定する送信焦点３０−１〜３０−Ｎは、図２（ａ）のように、被検体１２０内の３次元撮像領域１２０ａ内に位置する場合に限定されない。例えば、図５（ａ）、（ｂ）のように、送信焦点設定部１０３が、超音波探触子１０８から被検体１２０内でビーム形状が拡大する超音波ビーム３−１〜３−Ｎを送信させる場合には、被検体１２０よりもマイナスのＺ方向の空間に仮想的に送信焦点３０−１〜３０−Ｎを設定する。

なお、超音波ビーム３−１〜３−Ｎの送信方向は、図２（ａ）および図５（ａ）のように、平行であってもよいし、図６(ａ)および図７（ａ）のように、超音波ビーム３−１〜３−Ｎの送信方向が所定の角度をなす配置であってもよい。超音波ビーム３−１〜３−Ｎの送信方向が所定の角度をなす配置である場合、送信焦点の深さ（ｚ）を変えることにより、図６（ｂ）、（ｃ）ならびに図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、送信焦点間の距離が変わる。よって、深さ変更後の送信焦点の距離が超音波ビーム３−１〜３−Ｎの波長よりも小さいことが望ましい。

なお、本実施形態の超音波撮像装置は、ユーザ（操作者）から送信焦点３０−１〜３０−Ｎの深さ範囲８１の設定を受け付ける受付部１２１をさらに備えてもよい。この場合、送信焦点設定部１０３は、受付部１２１が受け付けた送信焦点の深さ範囲８１を受け付けるたびに、図８に示すように、設定された深さ範囲８１に３次元に送信焦点３０−１〜３０−Ｎをランダムに配置して、その位置を決定する構成にしてもよい。また、受付部１２１が受付可能な送信焦点の深さ（ｚ）ごとに、予め定められた送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンを記憶する記憶部１０３ａ（不図示）を超音波撮像装置が備える構成としてもよい。その場合、送信焦点設定部１０３は、受付部１２１が受け付けた送信焦点の深さ（ｚ）に対応する送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置を記憶部１０３ａから読みだして、送信部１０２に設定してもよい。

以上のように、本実施形態の超音波撮像装置は、複数の超音波ビーム３−１〜３−Ｎの送信焦点３０−１〜３０−Ｎの配置をランダムにして超音波ビームを送信することで、波面合成作用による合成グレーティングローブの発生を抑制し、超音波画像上の偽像の発生を抑えることができる。また、送信焦点間隔を適度に拡大させることもできるため、少ない送信焦点数で送信開口合成ができる。これより、撮像時間の短縮に繋がり、フレームレートを向上させることができる。

＜＜第二実施形態＞＞
第二実施形態により、本発明の超音波撮像装置の具体的な構成例について説明する。

＜装置の全体構成＞
第二実施形態の超音波撮像装置１００の全体構成について図９を用いて説明する。図９は、第二実施形態の超音波撮像装置の全体構成を示すブロック図である。図９において、第一実施形態の図１の構成と同様の構成は、同じ符号を付している。超音波撮像装置１００は、第一実施形態と同様に、超音波探触子１０８と送信部１０２と受信部１０５と合成部２５と送信焦点設定部１０３と受付部（ユーザインタフェース：ＵＩ）１２１を備え、これらに加えて、第二実施形態では、制御部１０６と、送受切替部１０１と、画像処理部１０７と、表示部１２２とを備えている。また、受信部１０５には、遅延加算部２１の他に、仮想音源法遅延時間設定部１０４と、メモリ４０が配置されている。

制御部１０６は、全体の動作を制御する。受付部１２１は、ユーザからの指示、各種パラメータの入力等を受け付けるインタフェースである。仮想音源法遅延時間設定部１０４は、送信焦点３０−１〜３０−Ｎの位置を送信焦点設定部１０３から取り込んで、その位置を仮想音源の位置として、受信焦点５２ごとの遅延時間を遅延時間加算部２１に設定する。送受切替部１０１は、超音波探触子１０８を超音波送信時には送信部１０２と接続し、超音波受信時には受信部１０５と接続するよう送信部１０２または受信部１０５を選択する切り替えを制御部１０６の制御下で行う。画像処理部１０７は、合成部２５が送信開口合成後の焦点データ（合成後データ）を用いて、超音波画像の画像データを生成し、表示部１２２へ送信する。表示部１２２は、送信された画像データを基に超音波画像を表示する。また、表示部１２２は、制御部１０６を介した受付部１２１からの制御により種々の画面を表示する。

超音波探触子１０８は、所定の配列で１次元もしくは２次元に配列された振動子１０９を複数個備える。配列された複数の振動子１０９は、複数の所定の方向へ超音波を送信（照射）する振動子１０９の領域である送信開口に仮想的もしくは物理的に分割されている。超音波探触子１０８は、振動子１０９が配置された面（超音波送受面）を撮像対象１２０に接触させて使用するのに適した外形に仕立てられている。

＜受付部１２１＞
図１０は、受付部１２１が表示部１２２に表示させる画面１０の例である。図１０のように、受付部１２１は、送信焦点３０−１〜３０−Ｎの深度、画角、超音波ビーム３−１〜３−Ｎの周波数、フレームレートおよび超音波ビームの向き、それぞれの情報をユーザから受け付けるオブジェクトである領域１０ａ〜１０ｅを含む画面１０を表示する。ユーザは、領域１０ａ〜１０ｅの１以上の値や方向を入力することにより、これらの１以上の設定値を設定する。また、画面１０には、３次元撮像領域１２０ａについて生成した超音波画像を表示する領域１０ｆも備えられている。

＜送信焦点設定部１０３＞
送信焦点設定部１０３は、超音波撮像装置が受付可能な送信焦点の深さ（ｚ）、画角（３次元撮像領域１０２ａ）の大きさ、超音波ビームの周波数、および、超音波ビームの向きの組み合わせごとに、予め定められた、または、求められた送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンを記憶する記憶部１０３ａを内蔵する。受付部１２１を介して送信焦点の深さ範囲８１の設定を受け付けるたびに、もしくは、設定を受け付けなかった場合には、送信焦点設定部１０３は、デフォルトの送信焦点の深さ（ｚ）に対応する送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンを記憶部１０３ａから読み出し、送信部１０２に設定する。また、記憶部１０３ａに送信焦点のランダム配置のパターンが記憶されていない送信焦点の深さ（ｚ）をユーザから受付部１２１を介して受け付けた場合、送信焦点設定部１０３は、設定された深さ（ｚ）の３次元空間にランダムな点を発生し、各点を送信焦点３０−１〜３０−Ｎとして、送信部１０２に設定する。また、送信焦点設定部１０３は、設定した送信焦点のランダム配置のパターンに対応する送信焦点の位置を仮想音源法遅延時間設定部１０４に送信してもよい。

＜送信部１０２＞
送信部１０２は、制御部１０６からの指示に従って、超音波探触子１０８の送信開口を超音波ビームの送信ごとに選択する。送信部１０２は、送信信号の波形種類、遅延時間、振幅変調、重み付け等を決定し、それに応じた送信信号を生成する。このとき、送信開口から送信される超音波ビーム（例えば３−１）が、送信焦点設定部１０３から設定された送信焦点（例えば３０−１）の位置に送信焦点をもつように、振動子１０９ごとの送信信号の遅延時間を設定する。送信部１０２は、生成した送信信号を、送受切替部１０１を介して、送信開口内の複数の振動子１０９に出力（送信）する。これにより、例えば図２（ａ）のように、送信焦点３０−１をもつ超音波ビーム３−１が３次元撮像領域１２０ａ内に送信される。送信部１０２は、この動作を、制御部１０６が設定した所定の送信間隔で繰り返し、送信焦点３０−１〜３０−Ｎをもつ超音波ビーム３−１〜３−Ｎを順次送信する。

＜受信部１０５＞
超音波ビーム３−１〜３−Ｎが３次元撮像領域１２０ａに送信されるたびに、３次元撮像領域１２０ａではエコー等が生じる。超音波探触子１０８の各振動子１０９は、超音波探触子１０８に戻ったエコー等を受信し、電気信号に変換して受信信号として送受切替部１０１を介して受信部１０５に出力（送信）する。超音波ビームの送信のたびに受信信号を受信した受信部１０５は、得られた受信信号を受信部１０５内のメモリ４０に一旦格納する。遅延加算部２１は、メモリ４０から受信信号を読み出し、制御部１０６が設定した受信走査線２４１上の受信焦点５２ごとに、仮想音源法遅延時間設定部１０４が設定した遅延時間ずつ振動子１０９の受信信号を遅延させた後、加算する。これにより、所定の受信焦点５２に焦点を結んだ焦点データを生成する（受信ビームフォーミング）。受信部１０５は、生成した焦点データを合成部２５に受け渡す。受信ビームフォーミングには、超音波探触子１０８のすべての振動子１０９の受信信号を用いてもよいし、所定の受信開口（アクティブチャネル）内のチャネルの受信信号のみを用いてもよい。

仮想音源法遅延時間設定部１０４は、送信焦点設定部１０から送信焦点３０−１〜３０−Ｎの位置を送信焦点設定部１０３から取り込んで、その位置を仮想音源の位置として、受信焦点ごとの遅延時間を求め、遅延時間加算部２１に設定する。仮想音源法による遅延時間の演算方法は、広く知られた方法であるので、図１２を用いて簡単に説明する。図１２は、仮想音源法による遅延時間の演算方法を示す説明図である。送信された音波は振動子１０９から散乱体まで伝搬していき、散乱体で反射して再び振動子１０９まで伝搬してく。伝搬に要する時間をそれぞれ往路伝搬時間、復路伝搬時間とする。仮想音源法遅延時間設定部１０４は、超音波ビーム３−１等の送信開始トリガから受信焦点５２等までの往路伝搬時間と、受信焦点５２等からそれぞれの振動子１０９までの復路伝搬時間とを求め、両者を合算することにより遅延時間を算出する。往路伝搬時間は、受信焦点５２が送信焦点３０−１よりも超音波探触子１０８側にある場合(例えば図１２の受信焦点５２−１の場合）には、送信開口の中心の振動子１０９−１から送信焦点３０−１までの伝搬時間から、送信焦点３０−１から受信焦点５２−１までの伝搬時間を減算することにより算出する。受信焦点５２が送信焦点３０−１よりも超音波探触子１０８から遠い位置にある場合(例えば受信焦点５２−２の場合）には、送信開口の中心の振動子１０９−１から送信焦点３０−１までの伝搬時間に、送信焦点３０−１から受信焦点５２−２までの伝搬時間を加算することにより往路伝搬時間を算出する。このように仮想音源法では、送信焦点３０−１から受信焦点５２までの距離に応じて往路伝搬時間が決まり、送信焦点３０−１を中心とした同心円の円弧２０４、２０５が同位相の波面となる。同じ波面上の受信焦点５２の往路伝搬時間はすべて同じ値となる。

仮想音源法遅延時間設定部１０４は、送信焦点設定部１０から送信焦点３０−１〜３０−Ｎの位置を送信焦点設定部１０３から取り込むたびに、受信走査線２４１上のすべての受信焦点５２の遅延時間を演算し、遅延加算部２１に設定する。もしくは、送信焦点３０および受信焦点５２の位置の組み合わせごとに予め求めておいた遅延時間を内蔵するメモリ内に格納しておき、送信焦点設定部１０から送信焦点３０−１〜３０−Ｎの位置を送信焦点設定部１０３から取り込むたびに、取り込んだ送信焦点３０の位置に対応する遅延時間をメモリから読みだして、遅延時間加算部２１に設定してもよい。

図１１は、超音波ビームを送信した開口（振動子）の中心から所定の範囲に整相範囲を設定することを示す説明図である。制御部１０６は、超音波ビーム３−１〜３−Ｎを送信した開口（振動子１０９）の中心から所定の範囲に整相範囲３５−１〜３５−Ｎを図３（ｃ）、図１１のように設定し、この整相範囲３５に複数の受信走査線２４１を設定し、受信走査線２４１上のすべての受信焦点５２について、焦点データを遅延加算部２１に生成させる。これにより、少なくとも隣合う超音波ビーム３−１〜３−Ｎの整相範囲３５−１〜３５−Ｎが重なりあう範囲１３５（図３に図示）においては、受信走査線２４１および受信焦点５２が重なるため、合成部２５が焦点データを加算することができる。

＜合成部２５＞
合成部２５は、図３（ｄ）のように、同じ座標の受信焦点５２の複数の焦点データを加算することにより範囲１３５において合成する。撮像領域１０２ａのすべての受信走査線２４１の合成後の焦点データがそろった後、合成後データは画像処理部１０７に受け渡され、画像処理部１０７は、表示用としてデータを加工して超音波画像の画像データを生成し、表示部１２２に送信して超音波画像を表示させる。

つぎに、本実施形態の超音波撮像装置の動作を図１３及び図１４を用いて説明する。図１３は、制御部１０６、送信焦点設定部１０３、送信部１０２、受信部１０５、合成部１０５および画像処理部１０７の動作を示すフローチャートである。図１４は、送信焦点設定部１０３動作を示すフローチャートである。これらをそれぞれ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）とメモリにより構成し、ＣＰＵがメモリに予め格納されているプログラムを読み込んで実行することにより、図１３の動作をソフトウエアにより実現することが可能である。また、その一部または全部を、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）等のカスタムＩＣやＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等のプログラマブルＩＣのようなハードウエアにより実現することももちろん可能である。

受付部１２１は、図１０に示したような受付用画面１０を表示部１２２に表示させる。受付部１２１は、画面１０内の領域１０ａ〜１０ｅにおいて、ユーザからパラメータとして、送信焦点の深度、画角（３次元撮像領域１０２ａ）、超音波ビームの周波数、フレームレート、および、超音波ビームの向きの１以上の設定を受け付け、ＵＩからパラメータを決定する（ステップ１３１）。送信焦点の深度は、特定のｚ値、または、所定の範囲のｚ値の設定を受け付ける。超音波ビームの向きは、角度を入力することにより、図２（ａ）や図５（ａ）のように超音波ビーム３−１〜３−Ｎがｚ方向に平行な向き（０度）である場合と、図６（ａ）や図７（ａ）のように隣り合う超音波ビーム３−１〜３−Ｎが所定の角度をなす配置を設定することができる。また、使用する超音波探触子１０８の種類に応じて、受付部１２１が超音波ビームの向きを選択する構成にしてもよい。また、受付部１２１は、設定を受け付けなかったパラメータは、予め定めておいたデフォルト値が設定されているものとして扱う。

送信焦点設定部１０３は、受付部１２１から送信焦点の深度、画角（３次元撮像領域１０２ａ）、超音波ビームの周波数、フレームレート、および、超音波ビームの向きの設定を受け取って、フレームレート以外の一部のパラメータを満たす（パラメータに合致する）送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンが記憶部１０３ａ内にあるかどうか探索する（ステップ１３２）。

ステップ１３２において、合致するパターンが１以上ある場合、送信焦点設定部１０３は、その１以上のパターンを読み出す。そして、送信焦点設定部１０３は、読みだした１以上のランダム配置のパターンについて、そのパターンのＮ個の送信焦点３０−１〜３０−Ｎに向かって、予め定めた時間間隔で超音波ビーム３−１〜３−Ｎを順に送信して、画角（３次元撮像領域１２０ａ）の画像（１フレーム）を生成した場合のフレームレートを算出する。読み出した２以上のランダム配置のパターンそれぞれから算出したフレームレートが、いずれもユーザから受け付けたフレームレート以上である場合、送信焦点設定部１０３は、いずれか１つのランダム配置のパターンを選択し、選択したランダム配置のパターンの送信焦点の数Ｎとこのランダム配置のパターンで達成されるフレームレートとを表示部１２２に表示させる（ステップ１３３）。また、送信焦点設定部１０３は、読み出した各ランダム配置のパターンの送信焦点の数Ｎを比較してランダム配置のパターンを選択してもよい。例えば、送信焦点設定部１０３は、読み出した各ランダム配置のパターンの送信焦点の数Ｎを比較し、フレームレートを向上させるために最もＮの数が小さいランダム配置のパターン、すなわち、送信焦点３０−１〜３０−Ｎの数が最も少ないランダム配置のパターンを選択してもよい。

また、読み出したランダム配置のパターンが１の場合、送信焦点設定部１０３は、読み出した１のランダム配置のパターンについて、フレームレートを算出し、ユーザから受け付けたフレームレート以上である場合、そのランダム配置のパターンを選択し、選択したランダム配置のパターンの送信焦点の数Ｎとそのランダム配置のパターンで達成されるフレームレートとを表示部１２２に表示させる（ステップ１３３）。

また、ステップ１３２において、受付部１２１から受け取った送信焦点の深度、画角（３次元撮像領域１０２ａ）、超音波ビームの周波数、および、超音波ビームの向きに合致する送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンが記憶部１０３ａ内にない場合、送信焦点設定部１０３は、これらのランダム配置のパラメータを満たす送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンを生成し、表示部１２２に表示させる（ステップ１３４）。

ステップ１３４を図１４のフローを用いて、送信焦点設定部１０３による送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンの生成を詳しく説明する。まず、送信焦点設定部１０３は、受付部１２１に設定されたフレームレートを満たすように送信焦点３０−１〜３０−Ｎの数Ｎを算出する（ステップ１１４１）。例えば、送信焦点設定部１０３は、Ｎの最大値を求める。送信焦点設定部１０３は、Ｎ個の送信焦点のランダム配置のパターンを所定の深さ範囲に発生させ、送信焦点３０−１〜３０−Ｎを設定する（ステップ１１４２）。例えば、送信焦点設定部１０３は、図８のように、受付部１２１から受け取った送信焦点の深度（または深度の範囲）および画角（３次元撮像領域１０２ａ）内に、乱数等により発生させたＮ個のランダムな送信焦点３０−１〜３０−Ｎを設定する（ステップ１１４２）。そして、送信焦点設定部１０３は、ランダムに配置された送信焦点３０−１〜３０−Ｎについて以下のように距離の平均を算出する（ステップ１１４３）。

すなわち、図４に示したように、送信焦点設定部１０３は、ある送信焦点３０−１と、その最も近くに位置する送信焦点３０−５とを結ぶ直線４１を設定し、この直線４１に対して直交する方向に位置する別の１以上の送信焦点３０−２，３０−７のうち、直線４１に最も近い送信焦点３０−７を選択する。この送信焦点３０−７から直線４１に垂線４２を下し、その垂線４２と直線４１との交点Ｏによって直線４１を分割し、２つの線分ＡＯ、ＢＯを設定する。２つの線分ＡＯ、ＢＯの長さをそれぞれ求める。送信焦点設定部１０３は、この動作を、すべての送信焦点３０−１〜３０−Ｎについて行い、得られたすべての線分の長さの平均値（距離の平均値）を算出する。

送信焦点設定部１０３は、算出した距離の平均値と、受付部１２１が受け付けた超音波ビーム３−１〜３−Ｎの周波数から求めた波長λと、を比較する（ステップ１１４４）。距離の平均値が波長λよりも小さければ、ユーザから受け付けたパラメータを満たす送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンが生成されているので、送信焦点設定部１０３は、送信焦点の数Ｎおよびフレームレートを表示部１２２に表示させ（ステップ１１４５）、ステップ１３５に進む。

一方、ステップ１１４４において、算出した線分の長さの平均値（距離の平均値）が波長λ以上である場合には、ユーザから受け付けたパラメータを満たしていないので、送信焦点設定部１０３は、画角を狭めてもよいか、フレームレートを下げてもよいか、超音波ビーム同士が角度をなしている場合、焦点深度をより浅い方向に移動させてもよいかなどの設定をユーザから受けつける画面１５を表示部１２２に表示させる（ステップ１１４６）。図１５は、ステップ１１４６において、送信焦点設定部１０３が表示部１２２に表示させる画面１５の例である。画面１５の各設定１５ａ〜１５ｃがユーザに示され、送信焦点設定部１０３は、入力を受け付けるオブジェクトであるラジオボックス１５ｄによってユーザからの設定を受け付ける。

例えば、送信焦点設定部１０３は、ユーザが、画角を狭めてもよいと設定した場合には、パラメータの画角を所定量狭め、フレームレートを下げてもよいと設定した場合には、パラメータのフレームレートを所定量下げ、焦点深度をより浅い方向に移動させてもよいと設定した場合には、パラメータの焦点深度を所定量だけ浅い方向に移動させる。そして、送信焦点設定部１０３は、ステップ１１４１〜１１４４に戻って、ステップ１１４６で変更後のパラメータを用いて、再びランダムなパターンを発生する。これにより、ユーザが許容できるパラメータの値を変更して、そのパラメータを満たす送信焦点３０−１〜３０−Ｎのパターンを生成することができる。なお、超音波ビーム同士が角度をなす配置の場合、焦点深度をより浅い方向に移動させるのは、図６（ｂ）、（ｃ）や、図７（ｂ）のように焦点深度を浅くすることによって、送信焦点３０−１〜３０−Ｎの間隔を近づけることができるためである。

送信焦点設定部１０３は、送信焦点３０−１〜３０−Ｎのうち、送信焦点３０−ｍ（ｍ＝１）の位置を送信部１０２に設定し、制御部１０６は、送信開口を送信部１０２に指示して、送信部１０２はスキャンを開始する（ステップ１３５）。送信部１０２は、超音波ビーム３−ｍを超音波探触子１０９に送信させる（ステップ１３６）具体的には、送信部１０２は、送信開口の複数の振動子１０９から、送信焦点３０−ｍ（ｍ＝１）に焦点を結ぶ超音波ビーム３−ｍを送信させるために、所定の遅延時間を与えた送信信号を振動子１０９ごとに生成する。送信信号は、送受切替部１０１を介して超音波探触子１０９の選択された送信開口内の２以上の振動子１０９に受け渡される。これにより、超音波探触子１０８から送信焦点３０−ｍ（ｍ＝１）に焦点を結ぶ超音波ビーム３−ｍが３次元撮像領域１２０ａに向かって、例えば図２（ａ）のように送信される（ステップ１３６）。

３次元撮像領域１２０ａで生じたエコー等は、超音波探触子１０８の振動子１０９に到達して受信され、受信信号に変換される（ステップ１３７）。仮想音源法遅延時間設定部１０４は、送信焦点設定部１０３から送信焦点３０−ｍ（ｍ＝１）の位置を受け取り、制御部１０６が設定した受信走査線２４１上の複数の受信焦点５２等ごとに、送信焦点３０−ｍ（ｍ＝１）を仮想音源とする仮想音源法による遅延時間を算出または内蔵するメモリから読み出して、遅延加算部２１に設定する。受信部１０５は、各振動子１０９の受信信号をメモリ４０に格納する。遅延加算部２１は、設定された遅延時間を用いて、振動子１０９ごとの受信信号を遅延させ加算する（受信ビームフォーミング）（ステップ１３８）。これにより、遅延加算部２１は、受信焦点５２等ごとに焦点データを得て、メモリ４０に保存（格納）する（ステップ１３９）。送信焦点設定部１０３は、ｍとＮとを比較する（ステップ１４０）。ｍとＮが等しくない場合、送信焦点設定部１０３は、ｍ＝ｍ＋１＝２（ステップ１４１）とし、ステップ１３６に戻って、次の送信焦点３０−ｍ（ｍ＝２）について、ステップ１３６〜１４０を繰り返し、Ｎ個すべての送信焦点３０−Ｎについて超音波ビームの送受信を繰り返す（ステップ１４０）。

ステップ１４０においてｍとＮが等しい場合、合成部２５は、メモリ４０から超音波ビーム３−１〜３−Ｎの送信で得られたすべての焦点データを読み出し、同一の受信焦点５２等についての焦点データを加算し、開口合成する（ステップ１４２）。開口合成後の焦点データを用いて、画像処理部１０７は超音波画像の画像データを生成し、表示部１２２に超音波画像を表示させる（ステップ１４３）。これにより、３次元撮像領域１２０ａ全体の画像（１フレーム）が表示される。

つぎに、ユーザからパラメータの変更を受け付け（ステップ１４４）、変更がない場合は、送信焦点設定部１０３は、ステップ１３５に戻って、前回と同じ送信焦点３０−１〜３０−Ｎのパターンでステップ１３５〜１４３を繰り返し、次のフレームの３次元撮像領域１２０ａ全体の超音波画像を取得し、画像を更新する。

一方、ステップ１４４において、パラメータの変更がある場合には、ステップ１３１〜１３４に戻って、受付部１２１は、ＵＩからパラメータを決定し（ステップ１３１）、送信焦点設定部１０３は、変更後のパラメータを満たす送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンを選択（ステップ１３３）または生成し（ステップ１３４）、ステップ１３５以降を繰り返して、次のフレームの画像を撮像する。これにより、フレームごとに、送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンを変更できる。

このように、送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンをフレームごとに変更することにより、送信焦点３０−１〜３０−Ｎのパターンになんらかの偏りがある場合であっても、毎回の超音波ビーム送信毎にランダム配置のパターンが変更されることにより、表示される超音波画像（毎秒数十フレーム）にランダム配置のパターンの偏りがほとんど影響を与えないという効果が得られる。

なお、ステップ１４４で毎回ランダム配置のパターンを変更する場合、ユーザから毎回異なるパラメータの設定を受け付ける方法に限らず、予めパラメータのセットについて２種類以上の値を受け付けておき、それぞれのパラメータセットごとに、送信焦点３０−１〜３０−Ｎのランダム配置のパターンを生成し、これらのランダム配置のパターンを交互に用いるように構成してもよい。これにより、ユーザの手を煩わせずに、ランダム配置のパターンの偏りが表示する超音波画像に影響を与えるのを抑制する効果を得られる。

本実施形態では、送信焦点設定部１０３がランダムな送信焦点３０−１〜３０−Ｎを設定するため、送信間開口合成を行いつつ、合成グレーティングローブを抑制することができ、ランダム配置のパターンの偏りによる超音波画像（毎秒数十フレーム）に与える影響を小さくすることできる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えばＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）のような集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD（Solid State Drive）等の記録装置、または、IC(Integrated Circuit)カード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。

「記憶する」「格納する」の表現にて記憶部に各情報を記録することを説明したが、「登録する」または「設定する」と表現されてもよい。

また、制御線や情報線、接続線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

３−１〜３−Ｎ 超音波ビーム
３０−１〜３０−Ｎ 送信焦点
１００ 超音波撮像装置
１０８ 超音波探触子
１０９ 振動子
１０２ 送信部
１０３ 送信焦点設定部
１０４ 仮想音源法遅延時間設定部
１０５ 受信部
２１ 遅延加算部
２５ 合成部
１２０ 被検体
２４１ 受信走査線

Claims (10)

1. 複数の振動子が２次元に配列され、超音波を送信および受信する超音波探触子と、
   前記超音波探触子から被検体内の３次元撮像領域に複数の超音波ビームを順次送信させる送信部と、
   前記送信ごとに、前記被検体から戻る超音波を受信した前記超音波探触子の前記複数の振動子が出力する受信信号を、予め設定された複数の受信焦点ごとにそれぞれ設定された遅延時間ずつ遅延させた後加算し、前記受信焦点ごとに焦点データを生成する受信部と、
   異なる送信において前記受信部が生成した、同一の前記受信焦点についての前記焦点データを加算する合成部と、
   前記送信部に前記複数の超音波ビームの送信焦点の位置を設定する送信焦点設定部と、を有し、
   前記送信焦点設定部が設定する前記複数の超音波ビームの送信焦点の配置は、ランダムであり、
   前記複数の超音波ビームの前記送信焦点はいずれも、最も近くに位置する送信焦点との距離が前記超音波ビームの波長よりも小さいことを特徴とする超音波撮像装置。
2. 請求項１に記載の超音波撮像装置において、前記ランダムは、３次元空間における前記複数の送信焦点間の距離に規則性がない配置であることを特徴とする超音波撮像装置。
3. 請求項１に記載の超音波撮像装置において、前記送信焦点設定部は、設定した前記送信焦点位置に応じて、仮想音源法により定めた前記遅延時間を前記受信部に設定することを特徴とする超音波撮像装置。
4. 複数の振動子が２次元に配列され、超音波を送信および受信する超音波探触子と、
   前記超音波探触子から被検体内の３次元撮像領域に複数の超音波ビームを順次送信させる送信部と、
   前記送信ごとに、前記被検体から戻る超音波を受信した前記超音波探触子の前記複数の振動子が出力する受信信号を、予め設定された複数の受信焦点ごとにそれぞれ設定された遅延時間ずつ遅延させた後加算し、前記受信焦点ごとに焦点データを生成する受信部と、
   異なる送信において前記受信部が生成した、同一の前記受信焦点についての前記焦点データを加算する合成部と、
   前記送信部に前記複数の超音波ビームの送信焦点の位置を設定する送信焦点設定部と、を有し、
   前記送信焦点設定部が設定する前記複数の超音波ビームの送信焦点の配置は、ランダムであり、
   前記複数の超音波ビームの前記送信焦点は、一つの前記送信焦点と、その最も近くに位置する前記送信焦点とを結ぶ直線に対して直交する方向に位置する別の１以上の前記送信焦点であって、前記直線に最も近い送信焦点から前記直線に垂線を下したとき、その垂線によって前記直線を分割することにより得られる２つの線分の長さをそれぞれ求める動作を、すべての前記送信焦点について行って得たすべての線分の長さの平均が、前記超音波ビームの波長よりも小さいことを特徴とする超音波撮像装置。
5. 複数の振動子が２次元に配列され、超音波を送信および受信する超音波探触子と、
   前記超音波探触子から被検体内の３次元撮像領域に複数の超音波ビームを順次送信させる送信部と、
   前記送信ごとに、前記被検体から戻る超音波を受信した前記超音波探触子の前記複数の振動子が出力する受信信号を、予め設定された複数の受信焦点ごとにそれぞれ設定された遅延時間ずつ遅延させた後加算し、前記受信焦点ごとに焦点データを生成する受信部と、
   異なる送信において前記受信部が生成した、同一の前記受信焦点についての前記焦点データを加算する合成部と、
   前記送信部に前記複数の超音波ビームの送信焦点の位置を設定する送信焦点設定部と、を有し、
   前記送信焦点設定部が設定する前記複数の超音波ビームの送信焦点の配置は、ランダムであり、
   前記送信焦点設定部が設定する前記送信焦点は、前記被検体内の３次元撮像領域内に位置する送信焦点、および、前記超音波探触子が前記被検体内で拡大する超音波ビームを送信する場合の前記被検体の外部に仮想的に設定される送信焦点を含むことを特徴とする超音波撮像装置。
6. 請求項１に記載の超音波撮像装置において、操作者から送信焦点の深さ範囲の設定を受け付ける受付部をさらに有し、
   前記送信焦点設定部は、前記受付部が受け付けた送信焦点の深さ範囲に、３次元に前記送信焦点をランダムに配置することを特徴とする超音波撮像装置。
7. 請求項１に記載の超音波撮像装置において、操作者から送信焦点の深さの設定を受け付ける受付部と、前記受付部が受付可能な送信焦点の深さごとに、予め定められた前記送信焦点のランダム配置を記憶する記憶部とを有し、
   前記送信焦点設定部は、前記受付部が受け付けた前記送信焦点の深さに対応する前記送信焦点のランダム配置を前記記憶部から読みだして、前記送信部に設定することを特徴とする超音波撮像装置。
8. 複数の振動子が２次元に配列され、超音波を送信および受信する超音波探触子と、
   前記超音波探触子から被検体内の３次元撮像領域に複数の超音波ビームを順次送信させる送信部と、
   前記送信ごとに、前記被検体から戻る超音波を受信した前記超音波探触子の前記複数の振動子が出力する受信信号を、予め設定された複数の受信焦点ごとにそれぞれ設定された遅延時間ずつ遅延させた後加算し、前記受信焦点ごとに焦点データを生成する受信部と、
   異なる送信において前記受信部が生成した、同一の前記受信焦点についての前記焦点データを加算する合成部と、
   前記送信部に前記複数の超音波ビームの送信焦点の位置を設定する送信焦点設定部と、
   操作者から送信焦点の深さ範囲の設定を受け付ける受付部と
   を有し、
   前記送信焦点設定部が設定する前記複数の超音波ビームの送信焦点の配置は、ランダムであり、
   前記送信焦点設定部は、前記受付部が受け付けた送信焦点の深さ範囲に、３次元に前記送信焦点をランダムに配置し、
   前記送信焦点設定部は、前記受付部が受け付けた送信焦点の深さ範囲に配置した複数の前記送信焦点について、前記送信焦点間の距離の平均を算出し、前記距離の平均が前記超音波ビームの波長より大きい場合、送信焦点の深さ範囲を浅く変更することを特徴とする超音波撮像装置。
9. 請求項１記載の超音波撮像装置において、前記送信焦点設定部は、前記複数の超音波ビームの送信焦点の配置を、前記３次元撮像領域にすべての前記超音波ビームの送信が終了するたびに変更することを特徴とする超音波撮像装置。
10. 複数の振動子が２次元に配列された超音波探触子から、被検体内の３次元撮像領域に複数の超音波ビームを順次送信するステップと、
    前記送信ごとに、前記被検体から戻る超音波を前記超音波探触子の前記複数の振動子で受信し、得られた受信信号を、予め設定された複数の受信焦点ごとにそれぞれ設定された遅延時間ずつ遅延させた後加算し、前記受信焦点ごとに焦点データを生成するステップと、
    異なる送信において前記受信部が生成した、同一の前記受信焦点についての前記焦点データを加算するステップと、を有し、
    前記複数の超音波ビームの送信焦点の位置の配置が、ランダムであり、
    前記複数の超音波ビームの前記送信焦点はいずれも、最も近くに位置する送信焦点との距離が前記超音波ビームの波長よりも小さいことを特徴とする超音波送受信方法。

Images