JP6819184B2 - 超音波測定装置および超音波測定装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波測定を行う超音波測定装置等に関する。

従来から、複数の超音波素子（超音波振動子）が配列された超音波プローブを用いて超音波ビームを走査し、生体内部の様子を画像化する超音波測定装置が知られている。画像化にあたっては、超音波素子毎に受信した受信信号を加算するビームフォーミング（ＢＦ；Beam Forming）処理を行う。単純なビームフォーミング処理では画像の分解能が十分に得られない場合があることから、より高分解能の画像を得るための技術が開発されている。例えば、特許文献１に記載の適応型ビームフォーミング処理がその１つである。

ところで、適応型ビームフォーミング処理は、非適応型の従来のビームフォーミング処理に比べて高い分解能が得られる一方で、計算量が増大する問題がある。この問題を解決するための技術としては、例えば、特許文献２の技術が挙げられる。特許文献２の技術は、隣接するチャンネルからのエコー検出データ（受信信号）を加算してデータを間引き、その上で適応型信号処理（適応型ビームフォーミング処理）を実行することによって信号処理の高速化を図ったものである。

特開２０１５−７７３９３号公報 特開２０１１−５２３７号公報

特許文献２の技術によれば、適応型ビームフォーミング処理が処理対象とする受信信号の信号本数を減らせるため、その分計算量を低減できる。しかし、隣接するチャンネルからの受信信号を単に加算してしまうと、分解能を高める適応型ビームフォーミング処理の効果が薄まり、生成される超音波画像の画質に影響する場合があった。また、非適応型のビームフォーミング処理を行う場合においても、画質を損なうことなく計算量を低減できれば有用である。

本発明は、こうした事情を鑑みてなされたものであり、超音波画像の画質の劣化を抑制しつつ、ビームフォーミング処理の実行に係る計算量を低減することを目的として考案されたものである。

上記課題を解決するための第１の発明は、超音波ビームを送受信するための複数の超音波素子が配列された超音波プローブと、前記超音波素子毎に受信した受信信号の情報量を、受信周波数に基づき削減する削減処理を行って、当該削減処理後の信号に対してビームフォーミング処理を行って超音波画像を生成する演算処理部と、を備えた超音波測定装置である。

また、他の発明として、超音波ビームを送受信するための複数の超音波素子が配列された超音波プローブを用いて超音波測定を行う超音波測定装置の制御方法であって、前記超音波素子毎に受信した受信信号の情報量を、受信周波数に基づき削減する削減処理を行うことと、前記削減処理後の信号に対してビームフォーミング処理を行って超音波画像を生成することと、を含む制御方法を構成してもよい。

第１の発明等によれば、ビームフォーミング処理に先立ち、超音波素子毎に受信した受信信号の情報量を受信周波数に基づいて削減することができる。これによれば、超音波画像の画質の劣化を抑制しつつ、ビームフォーミング処理の実行に係る計算量を低減することが可能となる。

また、第２の発明として、前記演算処理部は、前記超音波素子毎の前記受信信号を周波数解析し、複数の周波数信号に変換する周波数解析処理と、前記周波数信号のうち、所与の周波数成分の信号を選択することで、当該周波数成分以外の信号を削減する選択処理と、を前記削減処理に含めて行う、第１の発明の超音波測定装置を構成してもよい。

第２の発明によれば、超音波素子毎の受信信号を周波数解析して得た複数の周波数信号の中から所与の周波数成分の信号を選択して用いたビームフォーミング処理を行うことができる。超音波画像の画質への影響が少ない周波数信号を削減することで、超音波画像の画質の劣化を抑制しつつ、ビームフォーミング処理の実行に係る計算量を低減することが可能となる。

また、第３の発明として、前記演算処理部は、受信を許容するサイドローブの許容到来角範囲を設定することと、前記許容到来角範囲に対応する前記超音波素子の選択割合を求めることと、を行い、前記選択処理として、前記周波数解析によって解析された受信周波数のうち、低周波側の前記選択割合に相当する成分を前記所与の周波数成分として前記選択処理を行う、第２の発明の超音波測定装置を構成してもよい。

第３の発明によれば、受信を許容するサイドローブの許容到来角範囲を設定し、対応する選択割合を求めることができる。そして、複数の周波数信号の中から選択割合に相当する低周波側の周波数成分の信号を選択して用いたビームフォーミング処理を行うことができる。

また、第４の発明として、前記演算処理部は、受信を許容するサイドローブの許容レベルを設定することで、前記超音波プローブに係る受信指向特性に基づいて、前記許容レベルを満たす前記許容到来角範囲を設定する、第３の発明の超音波測定装置を構成してもよい。

第４の発明によれば、受信を許容するサイドローブの許容レベルを設定することができる。そして、当該許容レベルを設定することにより、超音波プローブに係る受信指向特性において許容レベルを満たす角度範囲を、許容到来角範囲として設定できる。

また、第５の発明として、前記演算処理部は、前記ビームフォーミング処理の処理対象点の深さに応じて前記許容到来角範囲を設定する、第３の発明の超音波測定装置を構成してもよい。

第５の発明によれば、ビームフォーミング処理の処理対象点毎に、当該処理対象点の深さに応じて許容到来角範囲を設定することができる。

また、第６の発明として、前記演算処理部は、前記ビームフォーミング処理の処理対象点の深さに応じて、前記超音波素子毎の前記受信信号を間引く間引き処理、を前記削減処理に含めて行う、第１〜第５の何れかの発明の超音波測定装置を構成してもよい。

第６の発明によれば、ビームフォーミング処理の処理対象点毎に、当該処理対象点の深さに応じて受信信号を間引くことができる。そして、間引いた後の受信信号に対してビームフォーミング処理を行うことができる。

また、第７の発明として、前記演算処理部は、前記処理対象点の深さに基づき定められる伝搬可能周波数に応じた前記超音波素子のピッチ間隔に基づいて前記受信信号を間引くことで、前記間引き処理を行う、第６の発明の超音波測定装置を構成してもよい。

第７の発明によれば、処理対象点の深さによって定まる伝搬可能周波数に応じた超音波素子のピッチ間隔に基づいて、受信信号を間引くことができる。

また、第８の発明として、前記演算処理部は、前記削減処理後の信号に基づいて重みを算出し、当該重みを用いて当該信号を重み付き加算する適応型ビームフォーミング処理として、前記ビームフォーミング処理を行う、第１〜第７の何れかの発明の超音波測定装置を構成してもよい。

第８の発明によれば、適応型ビームフォーミング処理を実行することにより、非適応型のビームフォーミング処理に比べて分解能（方位分解能）を高めることができるため、超音波画像の画質を向上させることができる。

超音波測定装置のシステム構成例を示す図。 削減処理の処理ブロック例を示す図。 受信チャンネル数テーブルのデータ構成例を示す図。 受信指向特性の一例を示す図。 到来波と到来角との間を説明する図。 到来波と到来角との間を説明する他の図。 到来波と到来角との間を説明する他の図。 選択割合換算式をグラフ化した図。 超音波測定装置の機能構成例を示すブロック図。 超音波画像の生成処理の流れを示すフローチャート。 送信ビーム幅の角度範囲と感度との関係を示す図。 送信ビーム幅の角度範囲と感度との他の関係を示す図。 変形例における超音波測定装置の機能構成例を示すブロック図。 変形例における超音波画像の生成処理の流れを示すフローチャート。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付す。

図１は、本実施形態における超音波測定装置１０のシステム構成例を示す図である。超音波測定装置１０は、超音波測定を利用して被検体２の生体情報を取得するためのものであり、測定結果や操作情報を画像表示するための手段および操作入力のための手段を兼ねるタッチパネル１２と、操作入力をするためのキーボード１４と、超音波プローブ（探触子）１６と、画像処理装置３０とを備える。

超音波プローブ１６は、そのセンサー面側において列状に等間隔で配置された複数の超音波素子（超音波振動子）を内蔵しており、例えば、超音波素子の配列方向に超音波ビームの入射位置をずらしながら互いに平行な複数の走査線に沿って超音波ビームを送受信する、いわゆるリニア走査方式で超音波測定を行う。この超音波プローブ１６は、センサー面を被検体２の生体表面（図１では頸部）に密着させて使用される。なお、スキャン方式はリニア走査方式に限らず、例えばセクター走査方式等の他の走査方式を採用する場合にも本実施形態を同様に適用することが可能である。また、超音波プローブ１６が当てられる測定部位は頸部に限らず、手首、腕、腹部等、測定の目的に応じた被検体２の部位とされる。

画像処理装置３０には、制御基板３１が搭載されており、タッチパネル１２、キーボード１４、超音波プローブ１６等の装置各部と信号送受可能に接続されている。制御基板３１には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３２、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の各種集積回路の他、ＩＣメモリーやハードディスク等による記憶媒体３３と、外部装置とのデータ通信を実現する通信ＩＣ３４とが搭載されている。超音波測定装置１０は、画像処理装置３０においてＣＰＵ３２等が記憶媒体３３に記憶されているプログラムを実行することにより、超音波測定をはじめとする生体情報の取得に必要な処理を行う。

具体的には、超音波測定装置１０は、画像処理装置３０の制御により超音波プローブ１６から被検体２へ超音波ビームを送信し、その反射波を受信して超音波測定を行う。そして、反射波の受信信号を増幅・信号処理し、被検体２の生体内構造の位置情報や経時変化等の反射波データを生成する。超音波測定は、所定周期で繰り返し行われる。測定単位を「フレーム」と呼ぶ。

反射波データには、いわゆるＢモードの画像が少なくとも含まれるが、その他のいわゆるＡモード、Ｍモード、カラードップラーモードの各モードの画像が含まれることとしてもよい。Ａモードは、第１軸を超音波ビームの送受信方向（走査線の方向）に沿った受信信号のサンプリング点列とし、第２軸を各サンプリング点での反射波の受信信号強度として、反射波の振幅（Ａモード像）を表示するモードである。また、Ｂモードは、超音波ビームを所定の走査範囲内で走査させながら得た反射波振幅（Ａモード像）を輝度値に変換することで可視化した、生体内構造の二次元の超音波画像（Ｂモード画像）を表示するモードである。

［原理］
反射波データの生成に際し、超音波測定装置１０は、サンプリング点毎に各超音波素子（以下、「チャンネル」ともいう）からの受信信号を整相加算する処理を行う（受信ビームフォーミング）。複数の超音波素子群が１つのチャンネルを構成して超音波の送受信を行う場合は、当該超音波素子群毎に得られる受信信号を整相加算する。以下、超音波素子又は超音波素子群で構成される各チャンネルからの受信信号を「チャンネル信号」という。

具体的には、各チャンネルからのチャンネル信号に遅延をかける受信フォーカス処理（整相処理）の後、当該受信フォーカス処理後の各チャンネル信号を加算するビームフォーミング処理を行う。これにより、位相が同じ所望の方向（走査線の方向）からの信号のみを増幅することができ、当該走査線の方向からの所望波を抽出できる。

ここで、ビームフォーミング処理の方式の１つとして、チャンネル信号の加算に用いる加算ウェイトを到来波に応じて動的に変える適応型ビームフォーミング（以下、「適応型ＢＦ処理」という）が知られている。適応型ビームフォーミングの処理手順を簡単に説明すると、サンプリング点毎に次の処理を行う。先ず、受信フォーカス処理後の各チャンネルのチャンネル信号をもとに相関行列を算出する。続いて、走査線の方向に基づき規定したステアリングベクトルを用い、算出した相関行列から各チャンネル信号に乗じる加算ウェイトを算出する。その後は、算出した加算ウェイトを用い、受信フォーカス処理後の各チャンネルのチャンネル信号を重み付き加算する。適応型ＢＦ処理の具体例としては、ＭＶ（Minimum Variance）法や、ＡＰＥＳ（Amplitude and Phase Estimation）法等があり、適宜採用してよい。この適応型ＢＦ処理によれば、走査線の方向からの所望波のみに感度を持ち、不要波に対しては感度を持たないように方向に拘束を付けてチャンネル信号を重み付き加算することができ、高い分解能が実現できる。

しかし、適応型ＢＦ処理は、チャンネル信号に乗じる加算ウェイトを毎回算出する複雑な処理であるため、計算量が増大する問題がある。ここで、適応型ＢＦ処理の実行に係る計算量は、チャンネル数Ｍと加算ウェイトを算出する算出式の次数によって決まり、Ｏ記法で表すとＯ（Ｍ＾３）となる。したがって、適応型ＢＦ処理に渡す信号の本数をチャンネル数Ｍよりも少なくできれば適応型ＢＦが処理するデータ量を低減でき、計算量を低減できる。

そこで、本実施形態では、適応型ＢＦ処理に先立ち、各チャンネルからのチャンネル信号の情報量を、受信周波数に基づいて削減する削減処理を行う。図２は、削減処理の処理ブロック例を示す図である。削減処理では先ず、（１）チャンネル数Ｍの各チャンネルからのチャンネル信号（より詳細には、フォーカス処理後のチャンネル信号）ｘ_ｍに対して間引き処理Ｐ１１を行う。続いて、（２）間引き処理Ｐ１１によってＫ本（Ｍ≧Ｋ）とされたチャンネル信号ｘ_ｋの周波数解析処理Ｐ１３を行い、周波数解析処理後の周波数信号ｙ_ｋから所与の周波数成分の信号を選択する選択処理Ｐ１５を行う。選択処理Ｐ１５によってＮ本（Ｋ≧Ｎ）とされた周波数信号ｙ_ｎは、適応型ＢＦ処理Ｐ１７に渡される。

（１）間引き処理
被検体２に入射した超音波は、被検体２内を減衰しながら伝搬してゆく。そのため、適応型ＢＦ処理Ｐ１７が処理対象とするサンプリング点（処理対象点）まで伝搬可能な搬送波の周波数（伝搬可能周波数）は、当該処理対象点の生体表面からの深さによって異なる。

ここで、超音波プローブ１６に配置される超音波素子（チャンネル）の間隔（ピッチ間隔）は、標本化定理に従い、搬送波の１／２波長の長さとされる。したがって、最大の搬送波周波数に対応して超音波素子のピッチ間隔が定められているときに、実際の搬送波周波数が被検体２内を伝搬する過程で例えば１／２になるとすると、搬送波の波長が２倍となるため、必要なピッチ間隔は元のピッチ間隔の２倍で済むこととなる。チャンネル信号の本数でいえば、半分の本数でよい。そこで、間引き処理Ｐ１１では、処理対象点の深さに応じて各チャンネルからのチャンネル信号ｘ_ｍを間引き、間引いた後のチャンネル信号ｘ_ｋを周波数解析処理Ｐ１３に渡す。

そのために、予め深さ毎にその伝搬可能周波数から想定される到来波の周波数（受信周波数）と、必要なチャンネル数（受信チャンネル数）との関係を定めて受信チャンネル数テーブルを作成しておく。具体的には、受信周波数は、減衰の簡易モデルを用い、深さに応じた超音波の減衰を考慮して算出・設定する。或いは、深さ毎に受信周波数を測定して設定するのでもよい。一方、受信チャンネル数は、上記した搬送波周波数とピッチ間隔との関係に従い、設定した各深さの受信周波数毎に必要なピッチ間隔を特定して設定する。

図３は、受信チャンネル数テーブルのデータ構成例を示す図である。図３に示すように、受信チャンネル数テーブルには、深さと、受信周波数と、受信チャンネル数との対応関係が設定される。図３の設定例では、１０［ｍｍ］未満の深さの受信周波数が８［ＭＨｚ］であるのに対し、１０［ｍｍ］以上５０［ｍｍ］以下の深さでは、受信周波数は４［ＭＨｚ］に半減する。そのため、深さ１０［ｍｍ］以上５０［ｍｍ］以下の場合の受信チャンネル数には、深さ１０［ｍｍ］未満の場合の受信チャンネル数「６４」の半分の「３２」が設定される。また、５０［ｍｍ］を超える深さでは受信周波数はさらに２［ＭＨｚ］に半減するため、受信チャンネル数には「１６」が設定される。

ここで、各走査に使用する超音波素子（チャンネル）の開口幅の設定が６４チャンネルであるとして間引き処理Ｐ１１を説明すると、深さ１０［ｍｍ］未満の処理対象点については受信チャンネル数が「６４」であるから、チャンネル信号ｘ_ｍを間引くことなく各チャンネルからのチャンネル信号ｘ_ｍをそのままチャンネル信号ｘ_ｋとし（Ｍ＝Ｋ）、後段の周波数解析処理Ｐ１３に渡す。これに対し、処理対象点の深さが１０［ｍｍ］以上５０［ｍｍ］以下の場合、受信チャンネル数が全６４チャンネルの半分の「３２」であるから、必要なピッチ間隔が実際のピッチ間隔の倍となるようにチャンネル信号ｘ_ｍを１本ずつ間引く。そして、間引いた後の３２本のチャンネル信号ｘ_ｋを周波数解析処理Ｐ１３に渡す。また、深さ５０［ｍｍ］を超える場合であれば、受信チャンネル数が全６４チャンネルの１／４の「１６」であるから、必要なピッチ間隔が４倍となるようにチャンネル信号ｘ_ｍを３本ずつ間引いて１６本のチャンネル信号ｘ_ｋとし、周波数解析処理Ｐ１３に渡す。

（２）周波数解析処理／選択処理
図４は、横軸を角度（到来角）とし、縦軸を感度（受信感度）として、０度に指向性を持たせたときの各方向からの到来波の受信指向特性（指向性パターン）の一例を示す図である。受信指向特性は、搬送波周波数と、開口幅とを用いて次式（１）により求めることができる。開口幅は、使用するチャンネル数Ｍとそのピッチ間隔とから決まり、式（１）では、Ｍ個の各超音波素子の位置ｄ_ｍによって指定される。また、式（１）において、ｃは音速、ｆは搬送波周波数、θは到来角、ｗ_ｋは各チャンネルに対するウェイトをそれぞれ表す。図４に示す受信指向特性は、チャンネル数Ｍを「１６」、ピッチ間隔を搬送波の１／２波長とし、ウェイトｗ_ｋを「１」として求めたものである。

図４に示すように、受信指向特性には、指向性を持たせた０度の方向にメインローブが現れ、０度から外れた方向にはサイドローブが現れる。端的に言うとメインローブは所望波であり、サイドローブは不要波である。従って、感度の高いサイドローブは分解能を低下させ、超音波画像の画質の劣化を招く。

しかし、これは、０度以外の全角度範囲で問題になるとは限らない。サイドローブのレベルは、０度から離れるほど小さくなることから、当該レベルが無視できる程度に小さい角度では、その方向からの波が到来し受信したとしても、分解能を大きく低下させる原因にはならない。加えて、超音波ビームは、走査線上の焦点位置に向けてビームを絞って送信されることから、受信する信号強度は、一般的に走査線の方向（０度の方向）に近いほど強く、０度から離れるほど弱くなる。したがって、到来角の大きい波を無視して適応型ＢＦ処理Ｐ１７を行ったとしても、画質に及ぼす影響は小さい。さらに、各チャンネルのチャンネル信号（本実施形態では間引き処理後のチャンネル信号ｘ_ｋ）から無視できる到来波に係る信号成分を削減し、適応型ＢＦ処理Ｐ１７に渡す信号本数を減らせば、その分適応型ＢＦ処理Ｐ１７の実行に係る計算量を低減できる。

例えば、サイドローブの許容レベル（以下、「許容感度レベル」という）が−２０［ｄＢ］に設定されているとすると、図４の例では、到来角が概ね±３０度の大きさ以上の角度範囲（許容到来角範囲）である到来波を無視できる。そこで、周波数解析処理Ｐ１３および選択処理Ｐ１５によって、許容到来角範囲の到来波に係る信号成分を削減する。許容感度レベルは、例えば、ユーザーの操作入力を受け付けて設定する。ただし、予め所定値（例えば−２０［ｄＢ］）として設定しておく構成でもよい。

さて、使用する超音波素子に到来する受信波（到来波）と、その到来波が到来する到来角との間には所定の関係がある。以下、図５〜図７を参照し、到来波が搬送波周波数の１波であり、各超音波素子に対して平行波として到来する場合の理想状態を例に挙げて上記関係について説明する。図５は、各超音波素子１６１ａ〜１６１ｂに到来する到来波の到来角θを示す模式図である。なお、図５では、使用するチャンネル数を「５」として簡略化し、５つの超音波素子１６１ａ〜１６１ｂを示している。また、図６は、図５に示す到来角θ_１からの到来派の受信を示す模式図であり、図７は、図５に示す到来角θ_２からの到来波の受信を示す模式図である。

例えば、到来角が０度の場合、各超音波素子１６１ａ〜１６１ｂが受信する到来波の位相は同一となる。したがって、各超音波素子１６１ａ〜１６１ｂの受信信号（チャンネル信号）について、受信タイミングを揃えた包括した周波数解析（以下、単に「周波数解析」という）を行った場合には、各周波数信号のうち、直流信号に相当する信号（０［Ｈｚ］）の信号レベルが最も大きくなる。

これに対して、到来角が１５度や３０度といった、０度でない角度（例えばθ_１やθ_２）の場合には、図６や図７で例示するように、各超音波素子１６１ａ〜１６１ｂが受信する到来波の位相にはズレが生じる。この位相差によって、各超音波素子１６１ａ〜１６１ｂの受信信号の間には、位相差信号が生まれる。すなわち、到来角が０度でないことにより、あるタイミングにおける各超音波素子１６１ａ〜１６１ｂが受信した到来波の信号レベルには差が生じるが、この信号レベルを超音波素子１６１ａ〜１６１ｂの並びに沿って見ると、到来角に応じた周期的な信号となる。この信号のことを、「位相差信号」という。図６の中段において到来角がθ_１の場合の時刻ｔ_１における位相差信号Ｓ１の一例を示し、図７の中段において到来角がθ_２の場合の時刻ｔ_１における位相差信号Ｓ２の一例を示している。各位相差信号Ｓ１，Ｓ２の波形が示すように、到来角が９０度に近づくにつれて、位相差信号の周期は短く（周波数が高く）なる。そして、到来角が９０度になると、位相差信号の周波数は、到来波の周波数、すなわち搬送波周波数と同一となる。

したがって、到来角が０度でない場合に、各超音波素子１６１ａ〜１６１ｂの受信信号について周波数解析を行うと、ある周波数の信号レベルが最も大きくなる。仮に、信号レベルの最も大きい周波数が到来波の周波数（＝搬送波周波数）ならば、到来角は９０度と判断することができる。

以上は、到来波が搬送波周波数の１波であり、各超音波素子に対して平行波として到来する場合の理想状態の場合であるが、実際の受信信号に対しても応用することができる。すなわち、各超音波素子１６１ａ〜１６１ｂの受信信号について周波数解析を行うと、０［Ｈｚ］〜搬送波周波数の間に複数の周波数信号が検出されることとなる。そして、０［Ｈｚ］〜搬送波周波数は、０度〜９０度（より正確には±９０度）の到来角に対応する。よって、上記した許容到来角範囲の到来波に係る信号成分の削減は、許容到来角範囲に対応する高周波側の周波数域の周波数信号を削減すること、換言すると許容到来角範囲に対応しない低周波側の周波数域の周波数信号を選択すること、で実現できる。

具体的には、周波数解析処理Ｐ１３は、例えば、公知技術であるビームスペース方式を用いてＫ本のチャンネル信号ｘ_ｋを次式（２），（３）に従い離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Discrete Fourier Transform）し、Ｋ本の周波数信号ｙ_ｋに変換する処理とすることができる。

そして、選択処理Ｐ１５は、周波数解析で得た周波数信号ｙ_ｋから低周波側の周波数信号ｙ_ｋを選択して高周波側の周波数信号ｙ_ｋを削減する処理である。選択する本数は、予め定められる許容到来角範囲と選択割合との関係式（選択割合換算式）を用いて決定する。具体的には、選択割合換算式に従い許容到来角範囲から選択割合を求め、求めた選択割合に周波数信号ｙ_ｋの信号本数（チャンネル信号ｘ_ｋの信号本数）Ｋを乗じて選択本数とする。そして、周波数信号ｙ_ｋのうちの低周波側から選択本数の周波数信号ｙ_ｋを選択して周波数信号ｙ_ｎとし、適応型ＢＦ処理Ｐ１７に渡す。

図８は、選択割合換算式をグラフ化した図である。例えば許容到来角範囲が±３０度の大きさ以上の場合であれば、図８の例では、３０度に対応する選択割合「０．５」を用いて選択本数を決定する。この場合、周波数信号ｙ_ｋから低周波側のＫ／２本の周波数信号ｙ_ｎが選択されることとなり、周波数信号ｙ_ｋを半分に削減して適応型ＢＦ処理Ｐ１７に渡すことができる。したがって、画質への影響を抑えて適応型ＢＦ処理Ｐ１７の実行に係る計算量を削減できる。

［機能構成］
図９は、超音波測定装置１０の機能構成例を示すブロック図である。超音波測定装置１０は、画像処理装置３０と、超音波プローブ１６とを備え、画像処理装置３０は、操作入力部３１０と、表示部３３０と、通信部３５０と、演算処理部３７０と、記憶部５００とを備える。

超音波プローブ１６は、複数の超音波素子（チャンネル）を配列して備え、画像処理装置３０（より詳細には演算処理部３７０の超音波測定制御部３７１）からのパルス電圧に基づいて超音波を送信する。そして、送信した超音波の反射波を受信し、各チャンネルからのチャンネル信号を超音波測定制御部３７１へ出力する。

操作入力部３１０は、ユーザーによる各種操作入力を受け付け、操作入力に応じた操作入力信号を演算処理部３７０へ出力する。ボタンスイッチやレバースイッチ、ダイヤルスイッチ、トラックパッド、マウス等により実現できる。図１ではタッチパネル１２やキーボード１４がこれに該当する。

表示部３３０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示装置によって実現され、演算処理部３７０からの表示信号に基づく各種表示を行う。図１ではタッチパネル１２がこれに該当する。

通信部３５０は、演算処理部３７０の制御のもと、外部との間でデータを送受するための通信装置である。この通信部３５０の通信方式としては、所定の通信規格に準拠したケーブルを介して有線接続する形式や、クレイドル等と呼ばれる充電器と兼用の中間装置を介して接続する形式、無線通信を利用して無線接続する形式等、種々の方式を適用可能である。図１では通信ＩＣ３４がこれに該当する。

演算処理部３７０は、例えば、ＣＰＵやＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のマイクロプロセッサーや、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＩＣメモリー等の電子部品によって実現される。そして、演算処理部３７０は、各機能部との間でデータの入出力制御を行い、所定のプログラムやデータ、操作入力部３１０からの操作入力信号、超音波プローブ１６からの各チャンネルのチャンネル信号等に基づき各種の演算処理を実行して、被検体２の生体情報を算出する。図１ではＣＰＵ３２がこれに該当する。なお、演算処理部３７０を構成する各部は、専用のモジュール回路等のハードウェアで構成することとしてもよい。

この演算処理部３７０は、超音波測定制御部３７１と、画像生成部４００とを含む。

超音波測定制御部３７１は、超音波プローブ１６とともに超音波測定部２０を構成し、この超音波測定部２０によって超音波測定が行われる。超音波測定制御部３７１は、公知技術を用いて実現できる。すなわち、超音波測定制御部３７１は、超音波プローブ１６による超音波パルスの送信タイミングを制御し、送信タイミングでパルス電圧を発生させて超音波プローブ１６へ出力する。その際、送信遅延処理を行って各チャンネルへのパルス電圧の出力タイミングの調整を行う。また、超音波プローブ１６からの各チャンネルのチャンネル信号の増幅やフィルター処理を行って、処理後の各チャンネルのチャンネル信号（測定結果）を画像生成部４００へ出力する。

画像生成部４００は、超音波測定制御部３７１からの各チャンネルのチャンネル信号に基づいて、超音波画像を生成する。この画像生成部４００は、許容到来角範囲設定部４１０と、選択割合算出部４２０と、受信フォーカス処理部４３０と、削減処理部４４０と、適応型ＢＦ処理部４７０とを含む。

許容到来角範囲設定部４１０は、ユーザー操作に従って許容感度レベルを設定して用い、許容到来角範囲を設定する。選択割合算出部４２０は、許容到来角範囲設定部４１０が設定した許容到来角範囲に従って選択割合を算出する。

受信フォーカス処理部４３０は、各チャンネルのチャンネル信号に、該当するチャンネルについて予め定められるディレイ時間を加えて遅延をかける受信フォーカス処理を行う。受信フォーカス処理後の各チャンネルのチャンネル信号ｘ_ｍは、削減処理部４４０の間引き処理部４５０に出力される。

削減処理部４４０は、間引き処理部４５０と、周波数解析処理部４６０とを備え、削減処理を行う。間引き処理部４５０は、処理対象点の深さに応じてフォーカス処理後の各チャンネルのチャンネル信号ｘ_ｍを間引く間引き処理を行う。間引き処理後のチャンネル信号ｘ_ｋは、周波数解析処理部４６０に出力される。周波数解析処理部４６０は、チャンネル信号ｘ_ｋを周波数解析し、複数の周波数信号ｙ_ｋに変換する周波数解析処理を行う。この周波数解析処理部４６０は、選択処理部４６１を備える。選択処理部４６１は、周波数解析で得た複数の周波数信号ｙ_ｋから低周波側の周波数信号ｙ_ｎを選択する選択処理を行う。選択処理後の周波数信号ｙ_ｎは、適応型ＢＦ処理部４７０に出力される。

適応型ＢＦ処理部４７０は、周波数信号ｙ_ｎに対して適応型ＢＦ処理を行う。

記憶部５００は、ＩＣメモリーやハードディスク、光学ディスク等の記憶媒体により実現されるものである。この記憶部５００には、超音波測定装置１０を動作させ、超音波測定装置１０が備える種々の機能を実現するためのプログラムや、当該プログラムの実行中に使用されるデータ等が事前に記憶され、或いは処理の都度一時的に記憶される。図１では、制御基板３１に搭載されている記憶媒体３３がこれに該当する。なお、演算処理部３７０と記憶部５００との接続は、装置内の内部バス回路による接続に限らず、ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネット等の通信回線で実現してもよい。その場合、記憶部５００は、超音波測定装置１０とは別の外部記憶装置により実現されるとしてもよい。

また、記憶部５００には、超音波測定プログラム５１０と、受信信号データ５２０と、反射波データ５３０と、受信チャンネル数テーブル５４０と、受信指向特性データ５５０と、選択割合換算式５６０とが格納される。

演算処理部３７０は、超音波測定プログラム５１０を読み出して実行することにより、超音波測定制御部３７１や画像生成部４００等の機能を実現する。なお、これらの機能部を電子回路等のハードウェアで実現する場合には、当該機能を実現させるためのプログラムの一部を省略することができる。

受信信号データ５２０は、超音波測定の結果得られた各走査線の走査に係る各超音波素子（チャンネル）の受信信号（チャンネル信号）を記憶する。

反射波データ５３０は、フレーム毎に繰り返される超音波測定で得た反射波データを記憶する。この反射波データ５３０は、超音波画像であるフレーム毎のＢモード像のデータを含む。

受信チャンネル数テーブル５４０は、図３に示して説明したように、深さと、受信周波数と、受信チャンネル数との対応関係を設定したデータテーブルである。

受信指向特性データ５５０は、式（１）を用いて算出した受信指向特性を記憶する（図４を参照）。例えば、使用する開口幅を固定する場合であれば、予め選択され得る搬送波周波数毎に受信指向特性を算出し、搬送波周波数毎に受信指向特性データ５５０を作成しておく。

選択割合換算式５６０は、図８に示した許容到来角範囲と選択割合との関係式である選択割合換算式のデータを記憶する。なお、選択割合換算式を記憶しておく構成に限らず、当該選択割合換算式により定まる許容到来角範囲と選択割合との関係をテーブル化し記憶しておく構成であってもよい。

［処理の流れ］
図１０は、本実施形態における超音波画像の生成処理の流れを示すフローチャートである。ここで説明する処理は、例えば、ユーザーにより超音波プローブ１６が被検体２の体表面に当てられ、所定の測定開始操作が為されると開始される。なお、本処理は、演算処理部３７０が記憶部５００から超音波測定プログラム５１０を読み出して実行し、超音波測定装置１０の各部を動作させることで実現できる。

超音波測定に先立ち、先ず許容到来角範囲設定部４１０が、ユーザーの操作入力を受け付けて許容感度レベルを設定する（ステップｓ１）。また、このとき、搬送波周波数の選択操作を適宜受け付ける。そして、許容到来角範囲設定部４１０は、受信指向特性データ５５０を参照し、搬送波周波数の受信指向特性からステップｓ１で設定した許容感度レベルに対応する角度を読み出して許容到来角範囲を設定する（ステップｓ３）。

続いて、選択割合算出部４２０が、選択割合換算式５６０に従い、ステップｓ３で取得した角度に対応する選択割合を求める（ステップｓ５）。その後は、ステップＳ７以降の処理をフレーム単位で繰り返す。

先ず、超音波測定部２０が、超音波測定を行う（ステップｓ７）。ここでの処理により、受信信号データ５２０へ測定結果が格納されていく。

その後は、受信信号データ５２０を参照しながら走査ライン毎にループＡの処理を繰り返す（ステップｓ９〜ステップｓ２７）。そして、ループＡでは、ステップＳ７の超音波測定の測定結果を用いて処理対象ラインについて一定時間のサンプリングを行い、各サンプリング点を順次処理対象点としてループＢの処理を行う（ステップｓ１１〜ステップｓ２５）。

ループＢでは先ず、受信フォーカス処理部４３０が、各チャンネルからのチャンネル信号にディレイ時間の遅延をかける受信フォーカス処理を行う（ステップｓ１２）。

続いて、間引き処理部４５０が、処理対象点の深さをもとに、受信チャンネル数テーブル５４０から対応する受信チャンネル数を読み出して取得する（ステップｓ１３）。そして、フォーカス処理後の各チャンネルのチャンネル信号ｘ_ｍを、ステップｓ１３で取得した受信チャンネル数に従って間引く（間引き処理；ステップｓ１５）。

続いて、周波数解析処理部４６０が、ビームスペース法を用いて間引き処理後のチャンネル信号ｘ_ｋを離散フーリエ変換（ＤＦＴ）し、複数（Ｋ本）の周波数信号ｙ_ｋに変換する（周波数解析処理；ステップｓ１７）。続いて、選択処理部４６１が、周波数解析で得た周波数信号ｙ_ｋの信号本数Ｋにステップｓ５で求めた選択割合を乗じて選択本数を決定する（ステップｓ１９）。そして、周波数信号ｙ_ｋのうち、低周波側から選択本数の周波数信号ｙ_ｎを選択する（ステップｓ２１）。その後、適応型ＢＦ処理部４７０が、選択処理後の周波数信号ｙ_ｎに対して適応型ＢＦ処理を行う（ステップｓ２３）。

このループＢの処理を繰り返し、処理対象ラインのサンプリングを終えたならば、処理対象ラインについてのループＡの処理を終える。そして、全ての走査ラインを処理対象としてループＡの処理を行ったならば、サンプリング点毎に得られた適応型ＢＦ処理部４７０の出力信号に対し必要な処理を行って、超音波画像を生成する（ステップｓ２９）。生成された超音波画像は、いわゆるＢモード画像として適宜表示部３３０に表示制御される。

以上説明したように、本実施形態によれば、適応型ＢＦ処理の処理対象点の深さに応じて各チャンネルからのチャンネル信号ｘ_ｍを間引くことができる。また、間引き処理後のチャンネル信号ｘ_ｋから到来角の大きい到来波に係る信号成分を削減することでチャンネル信号の信号本数を減らし、その上で適応型ＢＦ処理を行うことができる。したがって、超音波画像の画質の劣化を抑制しつつ適応型ＢＦが処理するデータ量を低減し、ビームフォーミング処理の実行に係る計算量を低減できる。

［変形例１］
上記した実施形態では、受信感度特性に従って許容感度レベルに応じた許容到来角範囲を設定することとした。これに対し、許容到来角範囲は、処理対象点の深さに応じて設定するとしてもよい。

上記したように、超音波プローブ１６から送信される超音波ビームは、焦点位置に向けて細く収束させたビームである。従って、反射波である到来波を受信する立場からすると、そのビーム幅が狭いほど、０度から外れた到来角からの到来波は少なくなる。超音波ビームの各深さにおけるビーム幅（送信ビーム幅）は、送信する超音波ビームの形状と、開口幅とから算出できる。図１１は、フォーカス５０［ｍｍ］の時の深さ５０［ｍｍ］における送信ビーム幅の角度範囲と感度との関係を示す図であり、図１２は、深さ１００［ｍｍ］における当該関係を示す図である。

そこで、本変形例では、予め深さ毎に送信ビーム幅の角度範囲と感度との関係を算出し、送信ビーム幅データを作成しておく。そして、処理対象点の深さに応じた送信ビーム幅データを用い、受信を許容する許容感度レベルに対応する送信ビーム幅の角度範囲に従って、許容到来角範囲を設定する。

例えば、許容感度レベルが−２０［ｄＢ］に設定されている場合であって、処理対象点の深さが５０［ｍｍ］の場合は、図１１の関係を定めた送信ビーム幅データを参照する。そして、−２０［ｄＢ］において送信ビーム幅の角度範囲外となる±５度の大きさ以上を許容到来角範囲とする。また、処理対象点の深さが１００［ｍｍ］の場合は、図１２の関係を定めた送信ビーム幅データを参照する。そして、−２０［ｄＢ］において送信ビーム幅の角度範囲外となる±１０度の大きさ以上を許容到来角範囲とする。許容到来角範囲を設定した後は、上記した実施形態と同様の要領で選択割合換算式を用い、選択割合を求める。

図１３は、本変形例における超音波測定装置１０の機能構成例を示すブロック図である。なお、図１３において、上記した実施形態と同様の構成には同一の符号を付している。本変形例の超音波測定装置１０において、演算処理部３７０ａの画像生成部４００ａは、許容到来角範囲設定部４１０ａと、選択割合算出部４２０と、受信フォーカス処理部４３０と、削減処理部４４０と、適応型ＢＦ処理部４７０とを含む。また、記憶部５００ａには、超音波測定プログラム５１０ａと、受信信号データ５２０と、反射波データ５３０と、受信チャンネル数テーブル５４０と、送信ビーム幅データ５７０ａと、選択割合換算式５６０とが格納される。

送信ビーム幅データ５７０ａは、図１１や図１２に例示した送信ビーム幅の角度範囲と感度との関係を深さ毎に記憶する。そして、許容到来角範囲設定部４１０ａは、送信ビーム幅データ５７０ａを参照し、処理対象点の深さに応じた送信ビーム幅の角度範囲と感度との関係から、許容感度レベルに応じた許容到来角範囲を設定する。

図１４は、本実施形態における超音波画像の生成処理の流れを示すフローチャートである。なお、図１４において、上記した実施形態と同様の処理工程には同一の符号を付している。本処理は、演算処理部３７０ａが記憶部５００ａから超音波測定プログラム５１０ａを読み出して実行し、超音波測定装置１０の各部を動作させることで実現できる。

本変形例では、ステップｓ１で許容感度レベルを設定した後、ステップｓ７に移行して超音波測定以降の処理をフレーム単位で繰り返す。そして、ステップｓ１５の間引き処理の後、許容到来角範囲設定部４１０ａが、送信ビーム幅データ５７０ａを参照して、処理対象点の深さに応じた送信ビーム幅の角度範囲と感度との関係からステップｓ１で設定した許容感度レベルに対応する角度を読み出し、許容到来角範囲を設定する（ステップｓ１６１）。そして、選択割合算出部４２０が、選択割合換算式５６０に従い、ステップｓ１６１で取得した角度に対応する選択割合を求める（ステップｓ１６３）。その後、ステップｓ１７に移行する。

本変形例によれば、深さに応じた超音波ビームの送信ビーム幅を用いて許容感度レベルを設定することで、周波数信号ｙ_ｋから選択する周波数信号ｙ_ｎの選択本数を決定でき、上記した実施形態と同様の効果を奏することができる。

［変形例２］
超音波プローブ１６が行う超音波測定には、その測定モードの１つにハーモニックモードがある。ハーモニックモードは、ハーモニック成分（高調波成分）を抽出するハーモニックイメージング処理を行って超音波画像を生成するモードである。ハーモニックイメージング処理によれば、超音波が生体内を伝搬する過程で発生する高調波成分を画像化することができ、解像度やコントラストを向上させることができる。上記した実施形態は、このハーモニックモードで超音波測定を行う場合にも同様に適用できる。具体的には、抽出する高調波成分の周波数に基づいて受信チャンネル数テーブルや受信指向特性データ、或いは送信ビーム幅データを用意しておけばよい。

［変形例３］
また、上記した実施形態では、ビームフォーミング処理として適応型ＢＦ処理を例示したが、予め定められる固定の加算ウェイト（重み）を用いて各チャンネルからのチャンネル信号を重み付き加算する非適応型のビームフォーミング処理を行う場合にも同様に適用でき、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。

１０…超音波測定装置、１６…超音波プローブ、２０…超音波測定部、３０…画像処理装置、３１０…操作入力部、３３０…表示部、３５０…通信部、３７０，３７０ａ…演算処理部、３７１…超音波測定制御部、４００，４００ａ…画像生成部、４１０，４１０ａ…許容到来角範囲設定部、４２０…選択割合算出部、４３０…受信フォーカス処理部、４４０…削減処理部、４５０…間引き処理部、４６０…周波数解析処理部、４６１…選択処理部、４７０…適応型ＢＦ処理部、５００，５００ａ…記憶部、５１０…超音波測定プログラム、５２０…受信信号データ、５３０…反射波データ、５４０…受信チャンネル数テーブル、５５０…受信指向特性データ、５６０…選択割合換算式、５７０ａ…送信ビーム幅データ、２…被検体

Claims (9)

1. 超音波ビームを送受信するための複数の超音波素子が配列された超音波プローブと、
   前記超音波素子毎に受信した受信信号の情報量を、受信周波数に基づき削減する削減処理を行って、当該削減処理後の信号に対してビームフォーミング処理を行って超音波画像を生成する演算処理部と、
   を備え、
   前記演算処理部は、
   前記超音波素子毎の前記受信信号を周波数解析し、複数の周波数信号に変換する周波数解析処理と、
   予め設定された受信を許容するサイドローブの許容到来角範囲に対応する前記超音波素子の選択割合を求めることと、
   前記周波数解析によって解析された周波数信号のうち、低周波側の前記選択割合に相当する周波数成分の信号を選択することで、当該周波数成分以外の信号を削減する選択処理と、
   を前記削減処理に含めて行う、
   超音波測定装置。
2. 前記演算処理部は、
   受信を許容するサイドローブの許容レベルを設定することで、前記超音波プローブに係る受信指向特性に基づいて、前記許容レベルを満たす前記許容到来角範囲を設定する、
   請求項１に記載の超音波測定装置。
3. 前記演算処理部は、
   前記ビームフォーミング処理の処理対象点の深さに応じて前記許容到来角範囲を設定する、
   請求項１に記載の超音波測定装置。
4. 前記演算処理部は、
   前記ビームフォーミング処理の処理対象点の深さに応じて、前記超音波素子毎の前記受信信号を間引く間引き処理、
   を前記削減処理に含めて行う、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波測定装置。
5. 超音波ビームを送受信するための複数の超音波素子が配列された超音波プローブと、
   前記超音波素子毎に受信した受信信号の情報量を、受信周波数に基づき削減する削減処理を行って、当該削減処理後の信号に対してビームフォーミング処理を行って超音波画像を生成する演算処理部と、
   を備え、
   前記演算処理部は、
   前記ビームフォーミング処理の処理対象点の深さと前記受信信号の受信周波数との関係に基づき定められた、当該深さに対応する間引いた後の前記受信信号の数に応じて、前記超音波素子毎に受信した前記受信信号を間引く間引き処理、
   を前記削減処理に含めて行う、
   超音波測定装置。
6. 前記演算処理部は、
   前記処理対象点の深さに基づき定められる伝搬可能周波数に応じた前記超音波素子のピッチ間隔に基づいて前記受信信号を間引くことで、前記間引き処理を行う、
   請求項４又は５に記載の超音波測定装置。
7. 前記演算処理部は、
   前記削減処理後の信号に基づいて重みを算出し、当該重みを用いて当該信号を重み付き加算する適応型ビームフォーミング処理として、前記ビームフォーミング処理を行う、
   請求項１〜６の何れか一項に記載の超音波測定装置。
8. 超音波ビームを送受信するための複数の超音波素子が配列された超音波プローブを用いて超音波測定を行う超音波測定装置の制御方法であって、
   前記超音波素子毎に受信した受信信号の情報量を、受信周波数に基づき削減する削減処理を行うことと、
   前記削減処理後の信号に対してビームフォーミング処理を行って超音波画像を生成することと、
   を含み、
   前記削減処理は、
   前記超音波素子毎の前記受信信号を周波数解析し、複数の周波数信号に変換する周波数解析処理と、
   予め設定された受信を許容するサイドローブの許容到来角範囲に対応する前記超音波素子の選択割合を求めることと、
   前記周波数解析によって解析された周波数信号のうち、低周波側の前記選択割合に相当する周波数成分の信号を選択することで、当該周波数成分以外の信号を削減する選択処理と、
   を含む、
   制御方法。
9. 超音波ビームを送受信するための複数の超音波素子が配列された超音波プローブを用いて超音波測定を行う超音波測定装置の制御方法であって、
   前記超音波素子毎に受信した受信信号の情報量を、受信周波数に基づき削減する削減処理を行うことと、
   前記削減処理後の信号に対してビームフォーミング処理を行って超音波画像を生成することと、
   を含み、
   前記削減処理は、
   前記ビームフォーミング処理の処理対象点の深さと前記受信信号の受信周波数との関係に基づき定められた、当該深さに対応する間引いた後の前記受信信号の数に応じて、前記超音波素子毎に受信した前記受信信号を間引く間引き処理、
   を含む、
   制御方法。