JP6747108B2 - 超音波信号処理装置、超音波信号処理方法、及び、超音波診断装置 - Google Patents
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Description
発明者は、合成開口法を用いる超音波診断装置において、音響線信号の空間分解能及びS/N比(以下、「音響線信号の品質」と呼ぶ)の低下を抑止しながら演算量を削減するために各種の検討を行った。
一般に、集束型の送信ビームフォーミングでは、被検体のある深さ(以下、「フォーカス深さ」と呼ぶ)で超音波ビームがフォーカスを結ぶよう波面を集束させる。そのため、1度の超音波の送信(送信イベント)によって、超音波送信に用いられる複数の振動子(以下、「送信振動子列」とする)から、超音波主照射領域に主として超音波が照射される。送信フォーカス点が1点である場合には、超音波主照射領域は、送信振動子列を底辺とし、底辺の両端のそれぞれから送信フォーカス点を通る2つの直線で囲まれる砂時計形状の領域となり、波面は、送信フォーカス点を中心とした円弧状となる。なお、必ずしも超音波ビームが1点でフォーカスを結ぶとは限らず、例えば、振動子1.5個分から数個分程度にフォーカスした領域に集束するだけの場合もあるが、この場合、超音波主照射領域はフォーカス深さまでは列方向の幅が狭まり、フォーカス深さでフォーカス領域の列方向の幅となり、フォーカス深さより深い領域では再び列方向が広がる形状となる。なお、この場合においては、フォーカス深さにおける、フォーカス領域の中心点を便宜上「フォーカス点」と規定する。すなわち、超音波主照射領域は、1点フォーカスであるか否かにかかわらず、フォーカス深さではフォーカス点またはその近傍に集束し、それ以外の深さでは、フォーカス深さまでの距離が遠いほど列方向(素子の並び方向)の幅が広がる形状となる。
≪実施の形態≫
<全体構成>
以下、実施の形態に係る超音波診断装置100について、図面を参照しながら説明する。
超音波診断装置100は、プローブ101の複数ある振動子101aのうち、送信又は受信の際に用いる振動子を各々に選択し、選択された振動子に対する入出力を確保するマルチプレクサ部102、超音波の送信を行うためにプローブ101の各振動子101aに対する高電圧印加のタイミングを制御する送信ビームフォーマ部103と、プローブ101で受信した超音波の反射波に基づき、複数の振動子101aで得られた電気信号を増幅し、A/D変換し、受信ビームフォーミングして音響線信号を生成する受信ビームフォーマ部104を有する。また、受信ビームフォーマ部104からの出力信号に基づいて超音波画像(Bモード画像)を生成する超音波画像生成部105、受信ビームフォーマ部104が出力する音響線信号及び超音波画像生成部105が出力する超音波画像を保存するデータ格納部107と、各構成要素を制御する制御部108を備える。
超音波診断装置100を構成する各要素、例えば、マルチプレクサ部102、送信ビームフォーマ部103、受信ビームフォーマ部104、超音波画像生成部105、制御部108は、それぞれ、例えば、FPGA(Field Programmable Gate Array)、ASIC(Aplication Specific Ingegrated Circuit)などのハードウエア回路により実現される。あるいは、プロセッサなどのプログラマブルデバイスとソフトウェアにより実現される構成であってもよい。プロセッサとしてはCPU(Central Processing Unit)やGPGPUを用いることができ、GPUを用いる構成はGPGPU(General−Purpose computing on Graphics Processing Unit)と呼ばれる。これらの構成要素は一個の回路部品とすることができるし、複数の回路部品の集合体にすることもできる。また、複数の構成要素を組合せて一個の回路部品とすることができるし、複数の回路部品の集合体にすることもできる。
なお、本実施の形態に係る超音波診断装置100は、図1で示した構成の超音波診断装置に限定されない。例えば、マルチプレクサ部102がなく、送信ビームフォーマ部103と受信ビームフォーマ部104とが直接、プローブ101の各振動子101aに接続されていてもよい。また、プローブ101に送信ビームフォーマ部103や受信ビームフォーマ部104、またその一部などが内蔵される構成であってもよい。これは、本実施の形態に係る超音波診断装置100に限られず、後に説明する他の実施の形態や変形例に係る超音波診断装置でも同様である。
実施の形態1に係る超音波診断装置100は、プローブ101の各振動子101aから超音波送信を行わせる送信ビームフォーマ部103と、プローブ101での超音波反射波の受信から得た電気信号を演算して超音波画像を生成するための音響線信号を生成する受信ビームフォーマ部104に特徴を有する。そのため、本明細書では、主に、送信ビームフォーマ部103及び受信ビームフォーマ部104について、その構成及び機能を説明する。なお、送信ビームフォーマ部103及び受信ビームフォーマ部104以外の構成については、公知の超音波診断装置に使われるものと同じ構成を適用可能であり、公知の超音波診断装置のビームフォーマ部に本実施の形態に係るビームフォーマ部を置き換えて使用することが可能である。
1.送信ビームフォーマ部103
送信ビームフォーマ部103は、マルチプレクサ部102を介してプローブ101と接続され、プローブ101から超音波の送信を行うためにプローブ101に存する複数の振動子101aの全てもしくは一部に当たる送信振動子列からなる送信開口Txに含まれる複数の振動子の各々に対する高電圧印加のタイミングを制御する。送信ビームフォーマ部103は送信部1031から構成される。
送信ビームフォーマ部103において、送信開口Txの中心に位置する振動子ほど送信タイミングを遅らせるように各振動子の送信タイミングを制御する。これにより、送信開口Tx内の振動子列から送信された超音波送信波は、被検体のある深度(Focal depth)において、波面がある一点、すなわち送信フォーカス点F(Focal point)で、フォーカスがあう(集束する)状態となる。送信フォーカス点Fの深さ(Focal depth)(以下、「フォーカス深さ」とする)は、任意に設定することができる。送信フォーカス点Fで合焦した波面は、再び拡散し、送信開口Txを底とし送信フォーカス点Fを節とする交差する2つの直線で区切られた砂時計型の空間内を超音波送信波が伝播する。すなわち、送信開口Txで放射された超音波は、次第にその空間上での幅(図中の横軸方向)を小さくし、送信フォーカス点Fでその幅を最小化し、それよりも深部(図中では上部)に進行するにしたがって、再び、その幅を大きくしながら拡散し、伝播することとなる。この砂時計型の領域が超音波主照射領域Axである。なお、上述したように、超音波主照射領域Axは、1点の送信フォーカス点Fの近傍に集束するように超音波送信波を送信してもよい。
受信ビームフォーマ部104は、プローブ101で受信した超音波の反射波に基づき、複数の振動子101aで得られた電気信号から音響線信号を生成する。なお、「音響線信号」とは、ある観測点に対する、整相加算処理がされた後の信号である。整相加算処理については後述する。図3は、受信ビームフォーマ部104の構成を示す機能ブロック図である。図3に示すように、受信ビームフォーマ部104は、受信部1040、整相加算部1041、合成部1140を備える。
(1)受信部1040
受信部1040は、マルチプレクサ部102を介してプローブ101と接続され、送信イベントに同期してプローブ101での超音波反射波の受信から得た電気信号を増幅した後AD変換した受信信号(RF信号)を生成する回路である。送信イベントの順に時系列に受信信号を生成しデータ格納部107に出力し、データ格納部107に受信信号を保存する。
送信イベントでは、上述のとおり、送信部1031は、プローブ101に存する複数の振動子101a中、送信開口Txに含まれる複数の振動子の各々に超音波ビームを送信させる。これに対し、受信部1040は、送信イベントに同期してプローブ101に存する複数の振動子101aの一部又は全部にあたる振動子の各々が得た反射超音波に基づいて、各振動子に対する受信信号の列を生成する。ここで、反射超音波を受波する振動子を「受波振動子」と称呼する。受波振動子の数は、送信開口Txに含まれる振動子の数よりも多いことが好ましい。また、受波振動子の数はプローブ101に存する振動子101aの全数としてもよい。
(2)整相加算部1041
整相加算部1041は、送信イベントに同期して、被検体内においてサブフレーム音響線信号の生成を行う対象線群Bxを設定する。次に、対象線群Bx上に存する複数の観測点Pij各々について、観測点から各受信振動子Rkが受信した受信信号列を整相加算する。そして、各観測点における音響線信号の列を算出することによりサブフレーム音響線信号を生成する回路である。図4は、整相加算部1041の構成を示す機能ブロック図である。図4に示すように、整相加算部1041は、対象線群設定部1042、受信開口設定部1043、送信時間算出部1044、受信時間算出部1045、遅延量算出部1046、遅延処理部1047、重み算出部1048、及び加算部1049を備える。
i)対象線群設定部1042
対象線群設定部1042は、被検体内においてサブフレーム音響線信号の生成を行う対象線群Bxを設定する。「対象線群」とは、送信イベントに同期して被検体内においてサブフレーム音響線信号の生成が行われるべき信号上の領域であり、対象線群Bx上の観測点Pijについて音響線信号が生成される。対象線群Bxは、音響線信号の生成が行われる観測対象点の集合として、1回の送信イベントに同期して計算の便宜上設定される。
図5は、対象線群Bxを示す模式図である。図5に示すように、対象線群Bxは、超音波主照射領域Ax内に存在し、複数の対象線BL1〜BL7からなる。各対象線は、フォーカス点Fまたはその近傍を通過する直線である。なお、対象線BL1およびBL7は、それぞれ超音波主照射領域Axの外郭線に該当し、対象線BL4は送信開口中心軸Txo上に存在する。なお、超音波主照射領域Axの外郭線は便宜上、送信開口Txの一端とフォーカス点Fとを通過する直線、および、送信開口Txの他端とフォーカス点Fとを通過する直線、の2つであるものとする。また、各対象線BL1〜BL7において、隣接する対象線がなす角は概ね等しい。すなわち、フォーカス点Fを中心とする円弧上に存在する観測点は等間隔に並ぶ。また、Pijとフォーカス点Fとの距離が所定距離未満である場合を除き、同一の対象線BL2上の隣接する観測点PijとPi(j+1)との間の距離djは、隣接する対象線BL2、BL3上のそれぞれの観測点PijとP(i+1)jとの間の距離diよりも小さい。なお、距離djは、少なくとも距離diの2倍であり、好ましくは4倍以上、より好ましくは8倍以上である。このようにすることで、観測点は深さ方向に高密度、振動子の並ぶ方向(フォーカス点Fを中心とした円周方向)には低密度となるように、超音波主照射領域Axのほぼ全域に均等に配置される。ここで、所定距離とは、対象線上の点と隣接する対象線上の点との距離が、対象線に沿った観測点の間隔より小さくなる範囲を示す。例えば、隣接する対象線のなす角をθとした場合、所定距離dpは以下の式を満たす。
なお、対象線群Bxの形状は、上述の場合に限られず、例えば、各対象線BL1〜BL7において、送信振動子列と接する位置の距離が等間隔である、としてもよい。また、対象線群Bxは7本の対象線からなるが、これは一例であり、対象線の数は、3以上の範囲内であれば、任意に設定してよい。
y=(1000/33)・(x−31)
この時、例えば、y=1500の深さに観測点を設けようとすると、(80.5,1500)となる。この場合、観測点を(81,1500)としてもよい。このようにすることで、整相加算においてx=81の振動子を基準とすることができ、音響線信号の品質を向上させることができる。なお、観測点を実際に設ける位置は上述した場合に限られず、対象線群Bx上に設けるべき観測点について、その座標の値を丸めて計算上好ましい近接点を実際の観測点とする限りにおいて、任意に行ってよい。
ii)受信開口設定部1043
受信開口設定部1043は、制御部108からの制御信号と、送信ビームフォーマ部103からの送信開口Txの位置を示す情報とに基づき、プローブ101に存する複数の振動子の一部に当たり、列中心が送信開口Txに含まれる振動子列の列中心と合致する振動子列(受信振動子列)を受信振動子として選択して受信開口Rxを設定する回路である。
受信開口Rxの設定は、送信イベントに対応して、少なくとも送信イベントと同じ回数だけ行われる。また、受信開口Rxの設定は、送信イベントに同期して漸次行われる構成であってもよく、あるいは、全ての送信イベントが終了した後に、各送信イベントに対応した受信開口Rxの設定が送信イベントの回数分まとめて行われる構成であってもよい。
データ格納部107は、受信開口Rxの位置を示す情報と受信振動子に対応する受信信号とを、送信時間算出部1044、受信時間算出部1045、遅延処理部1047、重み算出部1048に出力する。
送信時間算出部1044は、送信された超音波が被検体中の観測点Pに到達する送信時間を算出する回路である。送信イベントに対応して、データ格納部107から取得した、送信開口Txに含まれる振動子の位置を示す情報と、対象線群設定部1042から取得した超音波主照射領域Axを含む対象線群Bxの位置を示す情報とに基づき対象線群Bx上に存在する任意の観測点Pijについて、送信された超音波が被検体中の観測点Pijに到達する送信時間を算出する。
送信開口Txから放射された送信波は、経路401を通って送信フォーカス点Fにて波面が集束し、再び、拡散する。送信波が集束または拡散する途中で観測点Pijに到達し、観測点Pijで音響インピーダンスに変化があれば反射波を生成し、その反射波がプローブ101における受信開口Rx内の受信振動子Rkに戻っていく。送信フォーカス点Fは送信ビームフォーマ部103の設計値として規定されているので、送信フォーカス点Fと任意の観測点Pijとの間の経路402の長さは幾何学的に算出することができる。
まず、観測点Pijの深さがフォーカス深さ以上の場合について、図7(a)を用いて説明する。観測点Pijの深さがフォーカス深さ以上の場合は、送信開口Txから放射された送信波が、経路401を通って送信フォーカス点Fに到達し、送信フォーカス点Fから経路402を通って観測点Pijに到達したものとして算出する。したがって、送信波が経路401を通過する時間と、経路402を通過する時間を合算した値が、送信時間となる。具体的な算出方法としては、例えば、経路401の長さと経路402の長さとを加算した全経路長を、被検体内における超音波の伝搬速度で除算することで求められる。
iv)受信時間算出部1045
受信時間算出部1045は、観測点Pからの反射波が、受信開口Rxに含まれる受信振動子Rkの各々に到達する受信時間を算出する回路である。送信イベントに対応して、データ格納部107から取得した受信振動子Rkの位置を示す情報と、対象線群設定部1042から取得した対象線群Bxの位置を示す情報とに基づき対象線群Bx上に存在する任意の観測点Pijについて、送信された超音波が被検体中の観測点Pijで反射され受信開口Rxの各受信振動子Rkに到達する受信時間を算出する。
v)遅延量算出部1046
遅延量算出部1046は、送信時間と受信時間とから受信開口Rx内の各受信振動子Riへの総伝播時間を算出し、当該総伝播時間に基づいて、各受信振動子Rkに対する受信信号の列に適用する遅延量を算出する回路である。遅延量算出部1046は、送信時間算出部1044から送信された超音波が観測点Pijに到達する送信時間と、観測点Pijで反射して各受信振動子Rkに到達する受信時間を取得する。そして、送信された超音波が各受信振動子Rkへ到達するまでの総伝播時間を算出し、各受信振動子Rkに対する総伝播時間の差異により、各受信振動子Rkに対する遅延量を算出する。遅延量算出部1046は、対象線群Bx上に存在する全ての観測点Pijについて、各受信振動子Riに対する受信信号の列に適用する遅延量を算出して遅延処理部1047に出力する。
遅延処理部1047は、受信開口Rx内の受信振動子Rkに対する受信信号の列から、各受信振動子Rkに対する遅延量に相当する受信信号を、観測点Pijからの反射超音波に基づく各受信振動子Rkに対応する受信信号として同定する回路である。
遅延処理部1047は、送信イベントに対応して、受信開口設定部1043から受信振動子Rkの位置を示す情報、データ格納部107から受信振動子Rkに対応する受信信号、対象線群設定部1042から取得した対象線群Bxの位置を示す情報、遅延量算出部1046から各受信振動子Rkに対する受信信号の列に適用する遅延量を入力として取得する。そして、各受信振動子Rkに対応する受信信号の列から、各受信振動子Rkに対する遅延量を差引いた時間に対応する受信信号を観測点Pijからの反射波に基づく受信信号として同定し、加算部1049に出力する。
重み算出部1048は、受信開口Rxの列方向の中心に位置する振動子に対する重みが最大となるよう各受信振動子Rkに対する重み数列(受信アボダイゼーション)を算出する回路である。
図6に示すように、重み数列は受信開口Rx内の各振動子に対応する受信信号に適用される重み係数の数列である。重み数列は、送信フォーカス点Fを中心として対称な分布をなす。重み数列の分布の形状は、ハミング窓、ハニング窓、矩形窓などを用いることができ、分布の形状は特に限定されない。重み数列は、受信開口Rxの列方向の中心に位置する振動子に対する重みが最大となるように設定され、重みの分布の中心軸は、受信開口中心軸Rxoと一致する。重み算出部1048は、受信開口設定部1043から出力される受信振動子Rkの位置を示す情報を入力として、各受信振動子Rkに対する重み数列を算出し加算部1049に出力する。
加算部1049は、遅延処理部1047から出力される各受信振動子Rkに対応して同定された受信信号を入力として、それらを加算して、観測点Pijに対する整相加算された音響線信号を生成する回路である。あるいは、さらに、重み算出部1048から出力される各受信振動子Rkに対する重み数列を入力として、各受信振動子Rkに対応して同定された受信信号に、各受信振動子Rkに対する重みを乗じて加算して、観測点Pijに対する音響線信号を生成する構成としてもよい。遅延処理部1047において受信開口Rx内に位置する各受信振動子Rkが検出した受信信号の位相を整えて加算部1049にて加算処理をすることにより、観測点Pijからの反射波に基づいて各受信振動子Rkで受信した受信信号を重ね合わせてその信号S/N比を増加し、観測点Pijからの受信信号を抽出することができる。
加算部1049により、送信イベントに同期して対象線群Bx上に存在する全ての観測点Pijに対するサブフレームの音響線信号が生成される。生成されたサブフレームの音響線信号は、データ格納部107に出力され保存される。
合成部1140は、送信イベントに同期して生成されるサブフレーム音響線信号からフレーム音響線信号を合成する回路である。図8は、合成部1140の構成を示す機能ブロック図である。図8に示すように、合成部1140は、加算処理部11401、増幅処理部11402を備える。
i)加算処理部11401
加算処理部11401は、フレーム音響線信号を合成するための一連のサブフレーム音響線信号の生成が終了したのち、データ格納部107に保持されている複数のサブフレーム音響線信号を読み出す。そして、各サブフレーム音響線信号に含まれる音響線信号が取得された観測点Pijの位置を指標として複数のサブフレーム音響線信号を加算することにより、各観測点に対する合成音響線信号を生成してフレーム音響線信号を合成する。そのため、複数のサブフレーム音響線信号に含まれる同一位置の観測点に対する音響線信号は加算されて合成音響線信号が生成される。
なお、各サブフレーム音響線信号に含まれる音響線信号が取得された観測点Pijの位置を指標として加算する際に、観測点Pijの位置を指標として重みづけしながら加算してもよい。
ii)増幅処理部11402
上述のとおり、合成音響線信号の値は被検体の深さ方向において変化する。これを補うために、増幅処理部11402は、フレーム音響線信号に含まれる合成音響線信号の合成において、加算が行われた回数に応じて決定した増幅率を各合成音響線信号に乗じる増幅処理を行う。
なお、生成した各観測点に対する合成音響線信号に増幅処理を施した信号をフレーム音響線信号としてもよい。
以上の構成からなる超音波診断装置100の動作について説明する。
図11は、受信ビームフォーマ部104のビームフォーミング処理動作を示すフローチャートである。
先ず、ステップS101において、送信部1031は、プローブ101に存する複数の振動子101a中送信開口Txに含まれる各振動子に超音波ビームを送信させるための送信信号を供給する送信処理(送信イベント)を行う。
次に、観測点同期型ビームフォーミング処理(ステップS220(S221〜S228))に進む。ステップS220では、まず、観測点Pijの位置を示す座標ijを対象線群Bx上の最小値に初期化し(ステップS221、S222)、受信開口設定部1043は、列中心が観測点Pijに最も空間的に近接する振動子Xkと合致するよう受信開口Rx振動子列を選択する(ステップS223)。
ここで、ステップS204における、観測点Pijについて音響線信号を生成する動作について説明する。図12は、受信ビームフォーマ部104における観測点Pijについての音響線信号生成動作を示すフローチャートである。図13は、受信ビームフォーマ部104における観測点Pijについての音響線信号生成動作を説明するための模式図である。
次に、重み算出部1048は、受信開口Rxの列方向の中心に位置する振動子に対する重みが最大となるよう各受信振動子Rkに対する重み数列を算出する(ステップS2249)。加算部1049は、各受信振動子Rkに対応して同定された受信信号に、各受信振動子Rkに対する重みを乗じて加算して、観測点Pijに対する音響線信号を生成し(ステップS2250)、生成された観測点Pijについて音響線信号はデータ格納部107に出力され保存される(ステップS2251)。
以下、実施例に係る受信ビームフォーミングと、比較例となる3つの受信ビームフォーミングとの間で超音波画像の品質を比較し、実施の形態に係る効果を説明する。
(1)受信ビームフォーミング
実施例では、対象線群Bxが複数の対象線からなる。また、対象線の1つは送信開口中心軸Txo上にあり、超音波主照射領域Axの外郭上に2つの対象線がある。また、隣接する2つの対象線のなす角は全て所定の角度dである。
図15に、実施例および比較例1〜3の受信ビームフォーミングにより、同一の擬似被検体(ファントム)を撮像した超音波画像(Bモード断層画像)を示す。図15(c)は実施例、図15(a)、(b)、(d)はそれぞれ比較例1〜3に対応する。なお、超音波ビームの進行方向は、図の上から下に向かう方向である。
実施例も比較例2も同じだけ比較例3より演算量を削減しているにもかかわらず、音響線信号の品質に大きく差が発生したのは、以下の理由によるものと考えられる。図16に、実施例および各比較例における、合成後のフレーム音響線における1つの観測点Pijに対する、各送信イベントで用いた対象線を示した模式図である。
なお、ここでは実施例の演算量は比較例3の演算量の約1/3以下であるとしたが、本実施の形態に係る観測点の数および演算量は、比較例3と比べて20%程度、または、それ以下であることがより好ましい。これにより、演算量を約80%削減することができ、演算能力の高くないプロセッサにより超音波診断装置を低コストで実現する、あるいは、プロセッサの演算能力を着目領域の拡大やフレームレートの向上に振り分けることが可能となる。
以上、説明したように本実施の形態に係る超音波診断装置100によれば、合成開口法により、異なる送信イベントにより生成された同一位置にある観測点Pについての音響線信号に重ね合わせて合成する。これにより、複数の送信イベントに対して送信フォーカス点F以外の深度にある観測点Pにおいても、仮想的に送信フォーカスを行った効果が得られ空間分解能と信号S/N比を向上することができる。
実施の形態1に係る超音波診断装置100では、受信開口設定部1043は、列中心が観測点Pに最も空間的に近接する振動子と合致するよう受信開口Rxを選択する構成とした。しかしながら、受信開口Rxの構成は、送信開口Txから送信された超音波が送信フォーカス点Fを経由して対象線群Bx上の観測点Pijで反射され受信開口Rxの受信振動子Rkに到達するまでの総伝播時間を算出して総伝播経路に基づく遅延制御を行なうことで、対象線群Bx上の全ての観測点Pijについての音響線信号を生成するものであればよく、受信開口Rxの構成は適宜変更することができる。
図17は、Tx受信開口設定部により設定された受信開口Rxと送信開口Txとの関係を示す模式図である。変形例1では、受信開口Rx振動子列の列中心が送信開口Tx振動子列の列中心と合致するように受信開口Rx振動子列が選択される。受信開口Rxの中心軸Rxoの位置は、送信開口Txの中心軸Txoの位置と同一であり、受信開口Rxは、送信フォーカス点Fを中心として対称な開口である。したがって、送信イベントにごとに列方向に移動する送信開口Txの位置変化に同期して、受信開口Rxの位置も移動する。
図18は、変形例1に係る超音波診断装置の受信ビームフォーマ部のビームフォーミング処理動作を示すフローチャートである。本フローチャートでは、図11における観測点同期型ビームフォーミング処理(ステップS220(S221〜S228))に替えて送信同期型ビームフォーミング処理(ステップS420(S421〜S428))を行う点にて相違する。ステップS420以外の処理については、図11と同じであり、同じ部分については説明を省略する。
次に、ステップS210で算出した対象線群Bx上の観測点Pijの位置を示す座標ijを対象線群Bx上の最小値に初期化し(ステップS422、S423)、観測点Pijについて音響線信号を生成する(ステップS424)。図19は、変形例1に係る受信ビームフォーマ部における観測点Pijについての音響線信号生成動作を説明するための模式図である。実施の形態1に関する図13とは、送信開口Txと受信開口Rxとの位置関係が異なる。ステップS424における処理方法については、図11におけるステップS224(図12におけるステップS2241〜ステップS2251)と同じである。
以上説明した、変形例1に係る超音波診断装置では、実施の形態1において示した効果のうち観測点同期型の受信開口に関する部分を除いた効果に変えて、以下の効果を奏する。すなわち、変形例1では、Tx受信開口設定部は送信イベントに対応して列中心が送信開口Txに含まれる振動子列の列中心と合致する振動子列を受信振動子として選択して受信開口Rxを設定する。そのため、受信開口Rxの中心軸Rxoの位置は、送信開口Txの中心軸Txoの位置と同一であり、送信イベントにごとに列方向に移動する送信開口Txの位置変化に同期して、受信開口Rxの位置も変化(移動)する。よって、送信イベントに同期してそれぞれ異なる受信開口にて整相加算を行うことができ、複数の送信イベントにわたって受信時刻は異なるものの、結果としてより一層広い受信開口を用いた受信処理4の効果が得られ、広い観測領域で空間分解能を均一にすることができる。
(1)実施の形態及び変形例では、対象線群Bxが、7本の対象線を等角度に配置した場合を例示したが、対象線群Bxの対象線の数は3以上であればよい。図20(a)に対象線の数が9である場合について例示する。また、対象線の位置関係は、隣接する2本の対象線のなす角が一定である場合に限られず、例えば、同じ深さにおいて、対象線上の観測点の間隔が等間隔である、としてもよい。図20(b)に、11本の対象線からなる場合の対象線群Bxを示す。ここで、直線Lは振動子の並ぶ方向と平行な直線であり、直線Lと各対象線の交点の間隔d1〜d10は一定である。
例えば、本発明は、マイクロプロセッサとメモリを備えたコンピュータシステムであって、上記メモリは、上記コンピュータプログラムを記憶しており、上記マイクロプロセッサは、上記コンピュータプログラムにしたがって動作するとしてもよい。例えば、本発明の超音波信号処理方法のコンピュータプログラムを有しており、このプログラムに従って動作する(又は接続された各部位に動作を指示する)コンピュータシステムであってもよい。
また、各実施の形態に係る、超音波診断装置の機能の一部又は全てを、CPU等のプロセッサがプログラムを実行することにより実現してもよい。上記超音波診断装置の診断方法や、ビームフォーミング方法を実施させるプログラムが記録された非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体であってもよい。プログラムや信号を記録媒体に記録して移送することにより、プログラムを独立した他のコンピュータシステムにより実施するとしてもよい、また、上記プログラムは、インターネット等の伝送媒体を介して流通させることができるのは言うまでもない。
また、ブロック図における機能ブロックの分割は一例であり、複数の機能ブロックを一つの機能ブロックとして実現したり、一つの機能ブロックを複数に分割したり、一部の機能を他の機能ブロックに移してもよい。また、類似する機能を有する複数の機能ブロックの機能を単一のハードウエア又はソフトウェアが並列又は時分割に処理してもよい。
また、超音波診断装置には、プローブ及び表示部が外部から接続される構成としたが、これらは、超音波診断装置内に一体的に具備されている構成としてもよい。
さらに、本実施の形態に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。
(1)実施の形態に係る超音波信号処理装置は、複数の振動子を備えた超音波プローブを用いて被検体に集束型の超音波ビームを送信する送信イベントを複数回繰り返すとともに、各送信イベントに同期して被検体から反射超音波を受波し、受波した反射超音波に基づいて生成される複数の音響線信号を合成して合成音響線信号を得る超音波信号処理装置であって、超音波ビームが集束する位置を規定するフォーカス点を送信イベントごとに変更しながら、被検体内に超音波ビームを送信イベントごとに前記超音波プローブに送信させる送信部と、各送信イベントに同期して、前記超音波プローブが前記被検体から受波した反射超音波に基づいて、前記超音波プローブの振動子各々に対する受信信号列を生成する受信部と、前記送信イベントごとに、前記フォーカス点を通過する複数の対象線からなる対象線群上に存在する複数の観測点について、各観測点から得られた反射超音波に基づく前記受信信号列を整相加算してサブフレーム音響線信号を生成する整相加算部と、前記整相加算部が生成した前記複数のサブフレーム音響線信号に基づき、前記フレーム音響線信号を合成する合成部とを備え、前記対象線群に含まれる各対象線は直線であり、1つの対象線上であって前記フォーカス点からの距離が所定距離以上である1つの観測点について、前記1つの対象線上にある最近接の観測点との距離は、前記1つの対象線に隣接する対象線上に存在する最近接の観測点との距離より小さいことを特徴とする。
(2)また、上記(1)の超音波信号処理装置は、前記対象線群は、前記超音波プローブの振動子が並ぶ方向に対して直交する対象線を含む、としてもよい。
(3)また、上記(1)または(2)の超音波信号処理装置は、前記送信部は、前記超音波プローブに列設された複数の振動子から前記超音波ビームを送信するための送信振動子列を選択し、前記対象線群は、前記送信振動子列の一端を通過する対象線と、前記送信振動子列の他端を通過する対象線とを含む、としてもよい。
(4)また、上記(3)の超音波信号処理装置は、前記対象線は全て、前記送信振動子列を通過する、としてもよい。
上記構成により、超音波ビームの位相の乱れが生じない範囲内で、振動子の並ぶ方向における対象線群の広がりを最大限に大きくすることができる。
上記構成により、振動子の並ぶ方向において観測点の密度を均一にすることができ、合成開口法によるフレーム音響線信号の空間分解能及びS/N比の向上効果を高めることができる。
上記構成により、フォーカス領域を中心とする同心円の円弧上において観測点の密度を均一にすることができ、合成開口法によるフレーム音響線信号の空間分解能及びS/N比の向上効果を高めることができる。
(8)また、上記(1)〜(7)の超音波信号処理装置は、前記対象線群に含まれる対象線の数は、3以上である、としてもよい。
100 超音波診断装置
101 プローブ
101a 振動子
102 マルチプレクサ部
103 送信ビームフォーマ部
1031 送信部
104、104A 受信ビームフォーマ部
1040 受信部
1041、1041A 整相加算部
1042、1042A 対象線群設定部
1043、1043A 受信開口設定部
1044 送信時間算出部
1045 受信時間算出部
1046 遅延量算出部
1047 遅延処理部
1048 重み算出部
1049 加算部
1140、1140A 合成部
11401、11401A 加算処理部
11402、11402A 増幅処理部
11403A 結合部
105 超音波画像生成部
106 表示部
107 データ格納部
108 制御部
150 超音波信号処理装置
Claims (12)
- 複数の振動子を備えた超音波プローブを用いて被検体に集束型の超音波ビームを送信する送信イベントを複数回繰り返すとともに、各送信イベントに同期して被検体から反射超音波を受波し、受波した反射超音波に基づいて生成される複数の音響線信号を合成して合成音響線信号を得る超音波信号処理装置であって、
送信イベントごとに前記複数の振動子から選択される振動子により超音波ビームが集束する位置を規定するフォーカス点が送信イベントごとに変更されるように、被検体内に超音波ビームを送信イベントごとに前記超音波プローブに送信させる送信部と、
各送信イベントに同期して、前記超音波プローブが前記被検体から受波した反射超音波に基づいて、前記超音波プローブの振動子各々に対する受信信号列を生成する受信部と、
前記送信イベントごとに、前記フォーカス点を通過する複数の直線のそれぞれの上に複数の観測点の集合である対象線を設定し、前記複数の対象線からなる対象線群上の全ての観測点について、各観測点から得られた反射超音波に基づく前記受信信号列を整相加算して音響線信号を生成する整相加算部と、
前記整相加算部が生成した複数の前記音響線信号に基づき、前記合成音響線信号を合成する合成部と
を備え、
前記複数の対象線は、互いに交差しており、
前記対象線群の対象線の数は、送信イベントごとに選択される振動子の数よりも少ない
ことを特徴とする超音波信号処理装置。 - 前記対象線群は、前記超音波プローブの振動子が並ぶ方向に対して直交する対象線を含む
ことを特徴とする請求項1に記載の超音波信号処理装置。 - 前記送信部は、前記超音波プローブに列設された複数の振動子から前記超音波ビームを送信するための送信振動子列を選択し、
前記対象線群は、前記送信振動子列の一端を通過する対象線と、前記送信振動子列の他端を通過する対象線とを含む
ことを特徴とする請求項1または2に記載の超音波信号処理装置。 - 前記対象線は全て、前記送信振動子列を通過する
ことを特徴とする請求項3に記載の超音波信号処理装置。 - 同じ深さにおける複数の観測点は、前記超音波プローブの振動子が並ぶ方向に対して等間隔に並ぶ
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の超音波信号処理装置。 - 前記対象線群に含まれる2つの隣接する対象線がなす角は一定である
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の超音波信号処理装置。 - 前記整相加算部は、送信された超音波が各観測点に到達する送信時間を、前記観測点の深さが前記被検体内で超音波が集束するフォーカス深さ以上である場合には、送信された超音波が前記送信振動子列から前記フォーカス点に達するまでの第1時間と、前記基準点から前記観測点に到達する第2時間との合計を送信時間として算出し、前記観測点の深さが前記被検体内で超音波が集束するフォーカス深さ未満である場合には、前記第1時間から前記第2時間を減算した結果を送信時間として算出する
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の超音波信号処理装置。 - 前記対象線群に含まれる対象線の数は、3以上である
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の超音波信号処理装置。 - 前記複数の対象線は、前記フォーカス点で互いに交差する
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の超音波信号処理装置。 - 前記対象線群に含まれる各対象線は直線であり、1つの対象線上であって前記フォーカス点からの距離が所定距離以上である1つの観測点について、前記1つの対象線上にある最近接の観測点との距離は、前記1つの対象線に隣接する対象線上に存在する最近接の観測点との距離より小さい
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の超音波信号処理装置。 - 超音波プローブと、
請求項1から10のいずれか1項に記載の超音波信号処理装置と、
を備えることを特徴とする超音波診断装置。 - 複数の振動子を備えた超音波プローブを用いて被検体に集束型の超音波ビームを送信する送信イベントを複数回繰り返すとともに、各送信イベントに同期して被検体から反射超音波を受波し、受波した反射超音波に基づいて生成される複数の音響線信号を合成して合成音響線信号を得る超音波信号処理方法であって、
送信イベントごとに前記複数の振動子から選択される振動子により超音波ビームが集束する位置を規定するフォーカス点が送信イベントごとに変更されるように、被検体内に超音波ビームを送信イベントごとに前記超音波プローブに送信させ、
各送信イベントに同期して、前記超音波プローブが前記被検体から受波した反射超音波に基づいて、前記超音波プローブの振動子各々に対する受信信号列を生成し、
前記送信イベントごとに、前記フォーカス点を通過する複数の直線のそれぞれの上に複数の観測点の集合である対象線を設定し、前記複数の対象線からなる対象線群上の全ての観測点について、各観測点から得られた反射超音波に基づく前記受信信号列を整相加算して音響線信号を生成し、
前記整相加算部が生成した複数の前記音響線信号に基づき、前記合成音響線信号を合成する
方法であり、
前記複数の対象線は、互いに交差しており、
前記対象線群の対象線の数は、送信イベントごとに選択される振動子の数よりも少ない
ことを特徴とする超音波信号処理方法。
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