JP7140625B2 - 超音波撮像装置、および、超音波画像の撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を用いて被検体内の画像を撮像する超音波撮像装置に関する。特に、複数の集束ビームを送信し、得られた信号を送信間合成する超音波撮像装置に関する。

超音波撮像装置とは、被検体に超音波を送信し、被検体内での伝搬過程で生じる反射波を受信することで受信信号を得て、この受信信号を処理して画像を生成するものである。以下、超音波撮像装置における典型的な送受信方法について簡単に説明する。複数の超音波素子がアレイ状に配列された探触子から、被検体に対して超音波ビーム（超音波ビーム）を送信し、被検体での伝搬過程で生じる反射波を探触子の複数の超音波素子により受信し、受信信号（電気信号）に変換する。超音波素子ごとに得られた受信信号は、撮像領域に設定した受信走査線上の複数の受信焦点（撮像点）に焦点を結ぶように整相処理する（受信ビームフォーミング）。この処理を、送受信位置を探触子上で移動（走査）させながら繰り返し、撮像領域について１枚の超音波画像（１フレーム）を生成するのに必要なすべての受信走査線上の受信焦点について整相信号を得る。各受信焦点についての整相信号を並べることにより、1フレームの超音波画像が得られる。この処理を時系列に繰り返した場合には、動画を形成することができる。通常、超音波ビームとしては、信号対雑音比（Signal-to-noise ratio（SNR））を向上させる観点から、被検体内で送信焦点を結ぶ集束ビームが用いられる。

一般に、超音波画像の分解能は、送受信時に撮像点に寄与する超音波素子数が多いほど向上するため、探触子を構成する超音波素子数を増加させ、１回の送受信で使用する超音波素子数（チャンネル（ｃｈ）数）を増加させればよい。しかしながら、１回の送受信で使用する超音波素子数を増加させると、超音波素子に送信信号を出力する送信回路および受信ビームフォーミングを行う受信回路の回路規模が増大し、装置コストの上昇を招いてしまう。加えて、１回の送信に使用するチャンネル数は、生体への安全性の観点（熱的作用指標（TI）および非熱的作用指標（MI））からも制限を受けるため、むやみに増加させることはできない。

そこで、１回の送信に使用するチャンネル数を増加させることなく、画像の分解能を向上させる撮像方法として、送信間開口合成が知られている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１）。送信間開口合成は、送信開口内の超音波素子から超音波ビームを送信し、得られた受信信号をビームフォーミングして、複数の受信走査線上の撮像点の整相信号（低解像度イメージ（Low Resolution Image (LRI)））を得る動作を、送信開口をずらしながら複数回を行った後、複数の送信で同一撮像点について得られた整相信号をコヒーレントに加算することにより高解像度イメージ（High Resolution Image (HRI)）を得る撮像方法である。これにより、１回の送信で使用するチャンネル数を増加させることなく、超音波画像の分解能を向上させることができる。

また、別の高画質化技術として、空間コンパウンド技術が知られている。空間コンパウンドは、一つの撮像点に対して異なる角度から複数の超音波ビームを送信し、超音波ビームごとに得られた受信信号を輝度情報に変換した後に合成することにより超音波画像を得る手法である（特許文献３、特許文献４）。空間コンパウド技術は、複数の異なる送信から取得される信号を合成するという点では送信間開口合成と共通であるが、送信間開口合成では位相成分をもつ整相信号をコヒーレントに合成するのに対し、空間コンパウンドは包絡線検波後の輝度情報をインコヒーレントに合成する点で異なる。

また、関連する技術として、特許文献５には、回路規模を低減しても、回路規模が大きい装置と同等の画質を確保することを目的とする超音波撮像装置が開示されている。この超音波撮像装置は、超音波ビームを被検体に送信し、発生した超音波エコーを受信開口内の超音波トランスデューサにより受信して、受信信号をメモリに格納する動作を、受信開口の位置を変えて複数回行い、複数の受信開口から得られた受信信号をメモリから読み出して受信ビームフォーミングする。これにより、受信回路の数は、受信開口内の超音波トランスデューサと同数まで低減でき、しかも、複数の受信開口から得られた受信信号をビームフォーミングに用いることができるため画質を確保することができる。

特開昭６２－４７３４８号公報 特開平１０－２７７０４２号公報 特開２００５－０５８２１号公報 特開２００３－７０７８６号公報 特開２０１０－２９３７４号公報

S.I.Nikolov, et al., "Practical application of synthetic aperture imaging," IEEE IUS, 2010. (BK Medical)

送信間開口合成は、超音波画像の解像度を超音波素子の配列方向について向上させることができるが、さらなる解像度向上が望まれている。

空間コンパウンド技術は、画像の均一性の向上やSNRの改善といった効果を有するが、超音波画像の解像度を超音波素子の配列方向について向上させる効果は得られない。

一方、特許文献５の技術は、装置の持つ受信回路規模以上の受信開口の設定するのと同等の受信開口拡張の効果が得られるが、送信に関しては送信回路規模以上の送信開口を設定することはできず、また、送信開口拡張の効果を得る技術は開示されていない。

本発明の目的は、一つの超音波ビームを送信する送信開口のサイズを拡張することなく、通常の送信間開口合成よりも超音波素子の配列方向の分解能に優れた画像を生成することにある。

本発明によれば、複数の超音波素子が配列された探触子に送信開口を設定し、送信開口内の超音波素子に対してそれぞれ送信信号を出力することにより、１フレームの画像を生成するのに必要な数の超音波ビームをそれぞれ所定の位置に設定した送信開口の超音波素子から撮像対象に向かって順次送信させる送信ビームフォーマと、超音波ビームの送信のたびに撮像対象において発生したエコーを複数の超音波素子が受信して出力する受信信号を受け取って、送信開口の位置に応じて撮像対象の所定の範囲に設定した複数の受信走査線上の複数の撮像点に受信焦点を結ぶように整相処理を行い、受信整相信号を生成する受信ビームフォーマと、超音波ビームが送信されるたびに受信ビームフォーマが生成した受信整相信号のうち、同一の位置にある撮像点についての受信整相信号を合成する送信間開口合成部とを有する超音波撮像装置が提供される。上述の１フレームの画像を生成するのに必要な数の超音波ビームのうち、少なくとも２つの超音波ビームは、中心軸が交差するように送信される。

本発明によれば、少なくとも２つの超音波ビームを送信方向の中心軸が交差するように送信するため、超音波素子数が限られた送信開口を用いながら、通常の送信間開口合成よりも超音波素子の配列方向の分解能に優れた画像を生成することができる。

（ａ）本発明の実施形態の交差する２つの超音波ビームの一例を示す説明図、（ｂ）比較例の２つの超音波ビームの一例を示す説明図。 （ａ）大きな送信開口から送信した超音波ビームのビームウエストを示す説明図、（ｂ）小さな送信開口から送信した超音波ビームのビームウエストを示す説明図。 実施形態の超音波ビーム群の例を示す説明図。 実施形態の交差する２つの超音波ビームの別の例を示す説明図。 実施形態の交差する２つの超音波ビームの別の例を示す説明図。 （ａ）および（ｂ）実施形態の交差する２つの超音波ビームの別の例を示す説明図。 第一の実施形態の超音波撮像装置の構成を示すブロック図。 第一の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。 （ａ）および（ｂ）第一の実施形態において、送信開口を設定する過程において、探触子に対して仮想音軸を設定した状態を示す説明図。 （ａ）～（ｄ）第一の実施形態の探触子へ設定した送信開口の位置の例を示す説明図。 （ａ）および（ｂ）第一の実施形態の探触子に設定された送信開口の位置を、送信する超音波ビームの番号順に示す説明図。 （ａ）～（ｄ）本実施形態の超音波ビームごとの受信走査線の設定範囲を示す説明図。 第二の実施形態の超音波ビーム群を示す説明図。 （ａ）第三の実施形態の第１シーケンスで送信される傾斜した超音波ビーム群を示す説明図、（ｂ）第２シーケンスで送信される、第１シーケンスの超音波ビーム群とは逆方向に傾斜した超音波ビーム群を示す説明図。 第三の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。 第三の実施形態の探触子に設定される送信開口の位置を、送信する超音波ビームの番号順に示す説明図。 第三の実施形態において送受シーケンスを３つに分ける場合と形成するフレームとの関係を示す説明図。

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。
本実施形態の超音波撮像装置では、２以上の超音波ビームを送信し、それぞれ生じたエコーの受信信号を用いて送信間開口合成により撮像点の整相信号を生成する技術であるが、図１（ａ）に示したように、少なくとも２つの超音波ビーム２０４ａ、２０４ｄの中心軸２０３ａ、２０３ｄが交差するように送信する。これにより、本実施形態の送信間開口合成は、撮像点３０１の整相信号の取得に寄与する２つの超音波ビームを送信する超音波素子の、探触子の超音波素子配列方向に占める範囲２０６ａ、２０６ｄの合計範囲２０６を、図１（ｂ）に示した比較例のように、探触子１０１の超音波送信面の垂直な方向に超音波ビームを送信する送信間開口合成の２つの超音波ビーム１２０１ａ、１２０１ｂの超音波素子の占める範囲１２０６ａ、１２０６ｂの合計範囲１２０６よりも広げることができる。

本実施形態では、２つの超音波ビーム２０４ａ、２０４ｄの中心軸２０３ａ、２０３ｂが交差するように配置しているため、撮像点３０１は送信焦点２０２－１に集束する超音波ビーム２０４ａのビーム領域内に位置し、かつ、送信焦点２０２－２に集束する超音波ビーム２０４ｄのビーム内に位置する。

すなわち、撮像点３０１は、超音波ビーム２０４ａ，２０４ｄの両方が送信間開口合成により整相信号の取得に寄与するため、撮像点３０１の整相信号の取得に寄与する超音波ビームを送信する超音波素子の、探触子１０１の超音波素子配列方向に占める範囲２０６は、送信開口２０１ａ，２０１ｄの範囲２０６ａ，２０６ｂの合計範囲になる。

一方、図１（ｂ）の比較例のように、探触子１０１の超音波送信面の垂直な方向に超音波ビーム１２０４ａ、１２０４ｂを送信する場合、送信開口１２０１ａ、１２０１ｂが一部重なるように配置することにより、超音波ビーム１２０４ａ，１２０４ｂの両方が送信開口合成により撮像点３２０の整相信号の取得に寄与する。。そのため、撮像点３０１について送信間開口合成により整相信号の取得に寄与する超音波ビーム１２０１ａ，１２０１ｂを送信する超音波素子の、探触子１０１の超音波素子配列方向に占める範囲は、一部が重なり合った送信開口１２０１ａ，１２０１ｂの範囲１２０６ａ、１２０６ｂの合計範囲１２０６になるため、本実施形態の図１（ａ）の範囲２０６よりも狭くなる。

このように、本実施形態の中心軸を交差させた２以上の超音波ビームにより送信間開口合成を行うことにより、比較例の送信間開口合成よりも、整相信号の取得に寄与する超音波ビーム２０４ａ，２０４ｂを送信する超音波素子の、探触子１０１の超音波素子配列方向に占める範囲２０６ａ，２０６ｄの合計２０６を広くすることができるため、超音波素子配列方向の画像の分解能を向上させることができる。

（送信開口の大きさと画像分解能向上の原理）
ここで、超音波ビームを送信する超音波素子の範囲を広げることにより、超音波素子配列方向の画像の分解能を向上させることができる原理について説明する。

集束ビームのウエストサイズに代表されるように、送信の開口数（NA）が大きいほど超音波の集束性も大きくなる性質を持つ。たとえば、集束ビームのビームウエストのサイズｗ１，ｗ２は、送信の開口数（ＮＡ）に反比例することが広く知られている。例えば図２（ａ）、（ｂ）の集束ビーム３０１，３０２のように、送信開口３１１のサイズが集束ビーム２０２の送信開口３１２のサイズの２倍である集束ビーム３０１は、そのビームウエストサイズｗ１が、集束ビーム３０２のビームウエストサイズｗ２の１／２になる。よって、送信開口３１１のサイズが大きい集束ビーム３０１を用いた撮像は、送信開口３１２のサイズが小さい集束ビーム３０２を用いた場合よりも、得られる画像の超音波素子配列方向の分解能を向上させることができる。

本実施形態では、図１（ａ）のように、超音波ビーム２０４ａの中心軸２０３ａと超音波ビーム２０４ｄの中心軸２０３ｄとが交差するように配置することにより、上述したように撮像点３０１に到達する超音波の送信開口の範囲２０６は、図１（ｂ）の比較例の送信開口の範囲１２０６よりも大きいため、得られる画像の超音波素子配列方向の解像度を向上させることができる。

なお、１フレームの画像を生成するのに必要な超音波ビームの送信方向およびビーム形状の一例を図３に示す。図３の例では、一定の間隔で複数の送信焦点２０１－１～２０２－４が配置され、１つの送信焦点２０２－１で集束する２つの超音波ビーム２０４ａ、２０４ｂがそれぞれ異なる送信開口２０１ａ，２０１ｂから送信されている。超音波ビーム２０４ａ，２０４ｂは、探触子１０１の超音波出射面の垂線を挟んで対称なビーム形状である。

なお、図４に示すように、２つの超音波ビーム２０４ａ、２０４ｂを送信焦点２０２－１、２０２－２よりも浅い位置にある交点２０７で交差させるように照射してもよい。また、図示していないが、２つの超音波ビームを送信焦点よりも深い位置にある交点２０７で交差させるように照射してもよい。

また、同一の送信焦点２０２－１に向かって照射される２つの超音波ビーム２０４ａ、２０４ｂのビーム形状は、図３のように探触子１０１の超音波出射面の垂線を挟んで対称であってもよいし、図５に示したように非対称でもよい。

さらに、交差する同一の焦点に向かって照射される２つの超音波ビーム２０４ａ、２０４ｂの送信開口２０１ａ、２０１ｂは、図６（ａ）のように所定の距離だけ離れていてもよい。図６（ａ）のように送信開口２０１ａ、２０１ｂが離れている場合も、図１（ａ）の場合と同様に、超音波ビーム２０４ａ、２０４ｄが交差することにより画像の解像度向上の効果が得られる。また、送信開口２０１ａ、２０１ｂは、図６（ｂ）のように一部重なり合うように設定してもよい。

なお、同一送信焦点２０２へ送信される複数の超音波ビーム２０４ａ，２０４ｂ等の中心軸２０３が交わるときの角度θは、大きい方が超音波素子配列方向の分解能にとって望ましい。

＜＜第一の実施形態＞＞
以下、第一の実施形態の超音波撮像装置について説明する。

＜装置の全体構成＞
第一の実施形態の超音波撮像装置の全体構成を図面を用いて説明する。

図７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。本実施形態の超音波撮像装置は、探触子１０１が接続された送受切替部１０２と、送信ビームフォーマ１０４と、受信ビームフォーマ１０５と、送信間開口合成等の処理を行う信号処理部１０７と、超音波ビーム決定部１０３と、制御部１０６と、画像処理部１０８と、ユーザインターフェース１０９とを備えて構成される。画像処理部１０８には、表示部１１０が接続されている。

探触子１０１には、複数の超音波素子１００が１次元または２次元のアレイ状に配列されている。超音波素子１００はそれぞれ、送信ビームフォーマ１０４から駆動信号（送信信号）を受け取って超音波に変換し、被検体（撮像対象）に向けて送信すると共に、被検体において発生した超音波のエコーを受信して電気信号に変換することにより受信信号を出力する。超音波素子１００は１次元または２次元のアレイ状に複数配列される。

送信ビームフォーマ１０４は、超音波ビーム決定部１０３から指定された遅延時間ずつ遅延させた送信信号を生成し、超音波ビーム決定部１０３から指定された送信開口の超音波素子１００に対して送受切替部１０２受け渡す。これにより、超音波素子１００からそれぞれ遅延された超音波が送信され、超音波ビーム決定部１０３が定めた送信焦点に焦点を結ぶ超音波ビーム（集束ビーム）が形成される。

超音波ビームの送信を受けた被検体内で超音波が反射や散乱されることにより、超音波のエコーが生じる。エコーは、探触子１０１の各超音波素子１００に到達し、電気信号（受信信号）に変換される。

受信ビームフォーマ１０５は、超音波ビームの送信のたびに、超音波素子１００が出力する受信信号を受け取って、超音波素子の位置に応じた所定の遅延時間で遅延させた後加算する（遅延加算処理）等の整相処理を行うことにより、受信走査線上に所定の間隔で配置された撮像点ごとに整相信号（受信ビーム）を生成する。

信号処理部１０７は、整相信号（受信ビーム）に対して、所定の処理（増幅処理、フィルタ処理、信号演算処理等）を行った後、信号処理部１０７内に備えられたメモリに蓄積する。これを１フレームを構成するのに必要な数の超音波ビームごとに繰り返す。信号処理部１０７は、蓄積した整相信号のうち、同一の撮像点について得られた整相信号を合成することにより送信間開口合成を行う。

信号処理部１０７から出力された送信間開口合成後の整相信号は、画像処理部１０８に送られる。画像処理部１０８は、受け取った整相信号から画像データや時系列データを構築する。画像処理部１０８は、画像データや時系列データを表示部１１０に出力し、表示させる。

これら一連の処理は、制御部１０６の制御下で実施される。超音波ビーム決定部１０３は、ユーザーがユーザインターフェース１０９を介して入力する情報に基づいて、１フレームの画像を生成するのに必要な数の超音波ビームについて、それぞれ送信焦点の位置、探触子１０１における送信開口の位置、送信順序などの超音波ビームパラメータを決定する。送信ビームフォーマ１０４は、決定した送信焦点および送信開口の位置を用いて、送信開口内の超音波素子１００がそれぞれ送信する超音波の送信遅延時間を算出し、制御部１０６を介してに設定する。

またユーザインターフェース１０９は、装置全体の運転の指示や、撮像方法の選択や、送信焦点の位置等の撮像パラメータの値などをユーザーから受け付ける。

＜装置の動作＞
つぎに、本実施形態の超音波撮像装置の各部の動作について図８のフローを用いて説明する。

超音波ビーム決定部１０３は、撮像領域の範囲の設定をユーザインターフェース１０９および制御部１０６を介してユーザから受け付ける。超音波ビーム決定部１０３は、受け付けた撮像領域の範囲の情報に基づいて、Ｎ個の送信焦点２０２を設定する（ステップ３０２）。例えば、超音波ビーム決定部１０３は、予め定めておいた撮像領域の範囲と送信焦点の位置および数との関係を示すテーブルを参照することにより、受け付けた撮像領域にＮ個の送信焦点２０２を設定する。なお、Ｎ個の送信焦点２０２の間隔は、異なる位置の送信焦点２０２－１，２０２－２で集束する２つの超音波ビーム２０４ａ，２０４ｄ等が焦点２０２－１，２０２－２からずれた位置で交差させることができるように定めておく。さらに、超音波ビーム決定部１０３は、Ｎ個の送信焦点２０２の深度および送信ビームフォーマ１０４の回路規模（送信可能な送信信号の数）に基づいて、１送信あたりの送信開口の超音波素子数Ｍを決定する（ステップ３０３）。例えば、超音波ビーム決定部１０３は、予め定めておいた送信焦点２０２の深度と送信ビームフォーマ１０４の回路規模との関係を示すテーブルを参照することにより、ステップ３０２で設定したＮ個の送信焦点２０２の深度と送信ビームフォーマ１０４の回路規模に応じた、送信開口を構成する超音波素子数Ｍを決定する。

つぎに、超音波ビーム決定部１０３は、設定した送信焦点２０２に対して、超音波ビームを送信する送信開口２０１を設定する（ステップ３０４）。以下、具体的に説明する。

まず、超音波ビーム決定部１０３は、例えば図９（ａ）、（ｂ）に示すように、ステップ３０２で設定されたＮ個の送信焦点２０２（２０２－１、２０２－２、２０２－３）について、各々の送信焦点２０２を通るような仮想音軸４０１（４０１－１、４０１－２、４０１－３）を設定する。この仮想音軸４０１の方向は、図９（ａ）のように探触子１０１の超音波送信面に垂直でもよいし、また図９（ｂ）のように探触子１０１の超音波送信面に対して角度を持ってもよい。

つぎに、超音波ビーム決定部１０３は、送信焦点２０２ａについての仮想音軸４０１ａが探触子１０１に到達する位置での超音波素子１００が、超音波素子１００（以下、超音波素子１００を送信開口チャンネル（ｃｈ）とも呼ぶ）の配列におけるＰ番目の素子であるとしたとき、図１０（ａ）で示すように（Ｐ－Ｍ）番目からＰ番目の超音波素子１００群を、送信焦点２０２－１において集束する超音波ビーム２０４ａ（図１（ａ）、図３参照）を送信する送信開口２０１ａの超音波素子１００として設定する。つぎに、送信開口チャンネルの（Ｐ＋１）番目から（Ｐ＋Ｍ＋１）番目の超音波素子１００群を、焦点２０２ａにおいて集束する超音波ビーム２０４ｂ（図３参照）を送信する送信開口２０１ｂの超音波素子１００として設定する。これにより、超音波ビーム２０４ａと超音波ビーム２０４ｂは、その中心軸２０３ａ、２０３ｂが送信焦点２０２－１において交差するように設定される。

超音波ビーム決定部１０３は、他の全ての送信焦点２０２（２０２－２，２０２－３等）についても同様に送信開口の設定を繰り返すことにより、送信焦点２０２－２への超音波ビーム２０４ｃ，２０４ｄを送信する送信開口２０１ｃ、２０１ｄの超音波素子１００を設定し、送信焦点２０２－３への超音波ビーム２０４ｅ，２０４ｆを送信する送信開口２０１ｃ、２０１ｄの超音波素子１００を設定する。これにより、図３に示すように、２×N個の送信開口２０１群が設定される。このような設定方法では、同一の送信焦点２０２へ送信される２つの超音波ビーム２０４（例えば２０４ａと２０４ｂ）の送信開口２０１（例えば２０１ａ，２０１ｂ）は、隙間なく隣接する送信開口となる。

つぎに、超音波ビーム決定部１０３は、超音波ビーム２０４（２０４ａ～２０４ｆ）の送信順序を決定する（ステップ３０５）。図１１（ａ）のように、超音波ビーム２０４群の送信順序は、送信焦点２０２（２０２－１～２０２－３）ごとに、順次、２つの超音波ビームを送信していくように送信順序を設定することが望ましい。すなわち、まず送信焦点２０２－１に向けて、送信開口２０１ａから第一送信として超音波ビーム２０４ａを送信した後、送信開口２０１ｂから第二送信として超音波ビーム２０４ｂを送信する。つぎに、送信焦点２０２－２に向けて、送信開口２０１ｃから超音波ビーム２０４ｃを送信した後、送信開口２０１ｄから超音波ビーム２０４ｄを送信する。さらに送信焦点２０２－３に向けて、送信開口２０１ｅから超音波ビーム２０４ｅを送信した後、送信開口２０１ｆから超音波ビーム２０４ｆを送信する。このように順次送信するように送信順序を決定する。

なお、図１１（b）に示すように、N個の送信焦点２０２（２０２－１～２０２－３）のそれぞれに対して２つずつ照射される超音波ビーム２０４（２０４ａ～２０４ｆ）のうち、一方の側（例えば仮想音軸４０１（４０１－１～４０１－３）に対して左側）に位置する送信開口２０１ａ，２０１ｃ、２０１ｄから超音波ビーム２０４ａ，２０４ｃ，２０４ｄを順に送信した後、他方の側（右側）の送信開口２０１ｂ、２０１ｄ、２０１ｆから超音波ビーム２０４ｂ、２０４ｄ、２０４ｆを順次送信するように送信順序を設定してもよい。

超音波ビーム決定部１０３は、制御部１０６を介して、設定した送信順の最初の超音波ビーム２０４（ここでは２０４ａ）を照射する送信開口２０１ａを構成する超音波素子１００を指示する情報と、送信焦点２０２の位置とを送信ビームフォーマ１０４に受け渡す。送信ビームフォーマ１０４は、受け取った情報に基づき送信開口２０１ａ内の各超音波素子１００の送信する超音波が設定された送信焦点２０２に集束するように、超音波素子１００毎に送信遅延時間を計算する（ステップ３０６、３０７）。

送信ビームフォーマ１０４は、計算した送信遅延時間ずつ遅延させた送信信号を生成し、それぞれ超音波素子１００に出力する（ステップ３０８）。これにより、送信開口２０１ａ内の超音波素子１００群から超音波ビーム２０４ａが被検体に向かって照射され、送信焦点２０２に集束する（ステップ３０８）。

被検体内では超音波ビーム２０４が反射等されることにより、エコーが生じる。エコーは再び探触子１０１に到達し、超音波素子１００により受信され、電気信号（受信信号）に変換される。受信ビームフォーマ１０５は、送受切替部１０２を介して、各超音波素子１００が出力する受信信号を受け取る（ステップ３０９）。受信ビームフォーマ１０５は、撮像領域に複数の受信走査線３０２を図１２（ａ）～（ｄ）のように設定し、受信信号を、超音波素子１００の位置に応じた所定の受信遅延時間で遅延させた後加算する整相処理を行うことにより、受信走査線３０２上に所定の間隔で配置された撮像点３０１ごとに整相信号（受信ビーム（ＬＲＩ：低解像度画像））を生成する（ステップ３１０）。すなわち、受信走査線３０２は撮像点３０１の集合であり、受信ビームは撮像点３０１ごとの整相信号の集合である。受信走査線３０２は、ここでは図１２（ａ）～（ｄ）に示したように超音波ビーム２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ等がそれぞれ照射される範囲をカバーするように設定する。受信走査線３０２の間隔と設定範囲、受信走査線上の撮像点３０１の間隔、ならびに、撮像点３０１ごとの受信遅延時間は、探触子１０１の種類、送信開口２０１の位置、サンプリング周波数、撮像領域などに基づいて予め定めておく。遅延時間の算出には、例えば仮想音源法を用いる。

受信ビームフォーマ１０５は、１回の送信で得られた整相信号を、信号処理部１０７に受け渡し、信号処理部１０７は、内蔵するメモリに整相信号を蓄積する（ステップ３１１）。

送信ビームフォーマ１０４、受信ビームフォーマ１０５および信号処理部１０７は、制御部１０６の制御下で、ステップ３０１～３０５で設定した全超音波ビーム２０４の送信が終了するまでステップ３０７～３１１を繰り返す（ステップ３１２，３１３）。

信号処理部１０７は、これらを通してメモリに蓄えられた受信整相信号（ＬＲＩ）を、同一の撮像点３０１ごとにコヒーレントに加算することにより送信間開口合成し、高解像度画像（ＨＲＩ）を生成する（ステップ３１４）。信号処理部１０７は、HRIを輝度値に変換した後、増幅処理や、所定のフィルタ処理や、信号演算処理を施す。信号処理部１０７は、処理後の画像を画像処理部１０８に出力し、画像処理部１０８は、画像データや時系列データを構築される（ステップ３１５）。画像処理部１０８は、構築した画像データや時系列データを、表示部１１０に受け渡し、表示させる（ステップ３１６）。

このように第一の実施形態により得られる超音波画像は、２つの超音波ビーム２０４ａ，２０４ｄを送信方向の中心軸２０３ａ、２０３ｄが交差するように送信するため、複数の焦点に対する超音波ビーム全体をとおして撮像点３０１に寄与する超音波素子１００が探触子１０１の超音波素子方向に占める範囲２０６が大きい。よって、超音波素子数が限られた送信開口を用いながら、通常の送信間開口合成よりも超音波素子の配列方向の分解能に優れた画像を生成することができる。

なお、上述の例では、ステップ３０４において、送信ビーム決定部１０３は、交差する２つの超音波ビーム２０４ａ，２０４ｂの送信開口２０１ａ，２０１ｂが重ならず隣接するように設定したが、図６（ｂ）のように一部が重複するように設定してもよい。この場合、送信ビーム決定部１０３は、図１０（ｂ）に示すように、仮想音軸が到達する超音波素子１００をＰとした場合、（P－M＋α）番目から（P＋α）番目の超音波素子１００を超音波ビーム２０４ａの送信開口２０１ａとして設定する。また、送信ビーム決定部１０３は、（(P＋１)－α）番目から（(P+M+1）－α）番目の超音波素子１００を超音波ビーム２０４ｂの送信開口２０１ｂとして設定する。ただし、αは、送信開口２０１ａと２０１ｂとを重複させる素子の数であり、α≧１である。

また、送信ビーム決定部１０３は、交差する２つの超音波ビーム２０４ａ，２０４ｂの送信開口２０１ａと２０１ｂの間に、図６（a）に示したように、両者の間に使用しない超音波素子１００を設けてもよい。この場合、送信ビーム決定部１０３は、図１０（ｃ）に示すように、仮想音軸が到達する超音波素子１００をＰとした場合、（P－M－β）番目から（P－β）番目の超音波素子１００を超音波ビーム２０４ａの送信開口２０１ａとして設定する。また、送信ビーム決定部１０３は、（(P+1)＋β）番目から（(P＋M+1)＋β）番目の超音波素子１００を超音波ビーム２０４ｂの送信開口２０１ｂとして設定する。ただし、βは、送信開口２０１ａと２０１ｂとの間に位置し、使用しない素子の数であり、β≧１である。

また、上述してきた例では、各々の送信焦点２０２に対して２つの超音波ビーム２０４を送信しているが、３以上の超音波ビーム２０４を送信するように送信開口を設定してもよい。例えば、図１０（d）で示すように、仮想音軸が到達する超音波素子１００をＰとした場合、（P－３/２×M）番目から（P－１/２×M）の超音波素子１００を超音波ビーム２０４ａの送信開口２０１ａとして設定し、（P－１/２×M）番目から（P＋１/２×M）番目の超音波素子１００を超音波ビーム２０４ｂの送信開口２０１ｂとして設定し、（P＋１/２×M）番目から（P＋３/２×M）番目の超音波素子１００を超音波ビーム２０４ｂの送信開口２０１ｂとして設定する。

また、図８を用いて説明した受信信号の処理は、上述の図８の処理の順番に限られるものではない。例えば、同一送信焦点２０２に対する複数の超音波ビーム（例えば、超音波ビーム２０４ａと２０４ｂ）の送信により同一の超音波素子１００で得られた受信信号をステップ３０９において受信ビームフォーマ１０５が加算してもよい。加算した受信信号からステップ３１０以下を行うことにより、ＬＲＩを作成した後、送信間開口合成によりＨＲＩを生成してもよい。

さらに、上述の第一の実施形態の超音波撮像装置では、図８のステップ３０２～３０５において、撮像領域に対応する送信焦点、超音波ビームを送信する送信開口、ならびに、送信順序をその都度設定しているが、設定可能な撮像領域ごとに、対応する送信焦点と送信開口と送信順序を予め求めておき、ルックアップテーブル等の形式で超音波撮像装置内に格納しておいてもよい。この場合、ステップ３０１においてユーザが撮像領域を設定したならば、送信ビーム決定部１０３はルックアップテーブル等を参照することにより、送信開口と送信順序を設定することができ、演算量を低減できる。

また、第一の本実施形態の超音波撮像装置の図８の処理は、送信した超音波と同周波数のエコーを受信して画像を生成する基本波画像に適用できるだけではなく、送信した超音波の高調波成分を受信して画像を生成する際に適用することも可能である。

＜＜第二の実施形態＞＞
本発明の第二の実施形態の超音波撮像装置について説明する。

第二の実施形態での超音波撮像装置は、第一の実施形態と同様の装置構成（図７）であり、少なくとも２つの超音波ビーム２３４の中心軸２３３が交差するように送信する構成である。ただし第二の実施形態では、図１３に示すように、交差する２つの超音波ビーム２３４（例えば２３４ａと２３４ｂ）をそれぞれ送信する送信開口２３１（２３１ａと２３１ｂ）は、所定の距離だけ離れて設定され、しかも、交差する２つの超音波ビーム２３４（２３４ａと２３４ｂ）のうち少なくとも一方の超音波ビーム２３４ｂの中心軸２３３ｂは、他の超音波ビーム２３４ｃの中心軸２３３ｃとも交差するように照射される。

これにより、第二の実施形態では、第一の実施形態と同様に超音波素子配列方向の画像の分解能を向上させるという効果を得ながら、１フレームの画像を生成するのに照射する超音波ビーム２３４の数を第一の実施形態よりも低減することができるため、フレームレートを向上させることができる。

具体的には、第二の実施形態では、１フレームの画像を生成するのに必要な数の超音波ビーム２３４のうちの３以上の超音波ビーム２３４（例えば図１３の超音波ビーム２３４ｂ、２３４ｃ、２３４ｄ）は、いずれも、探触子１０１に近い第１の位置２０７ａと、第１位置２０７ａよりも探触子１０１から遠い第２の位置２０７ｂの２か所で、他の超音波ビームと交差するように送信ビーム決定部１０３により設定される。例えば送信ビーム決定部１０３は、第１の位置２０７ａを、送信焦点２０２よりも探触子１０１に近い位置に設定し、第２の位置２０７ｂを、送信焦点２０２よりも探触子１０１から遠い位置に設定することができる。これにより、超音波ビーム２３４ａ～２３４ｅの中心軸２３３ａ～２３３ｅの第１の位置２０７ａの交点と、第２の位置２０７ｂの交点は、送信焦点２０２を挟んで走査方向（探触子１０１の長手方向）に交互に位置し、走査面上に二次元パターンを形成するように配置される。

また、送信ビーム決定部１０３は、超音波ビーム２３４（２３４ａ～２３４ｅ）のビーム形状はそれぞれ、交差する超音波ビームのビーム形状に対して、探触子１０１の超音波出射面の垂線を挟んで対称な形状となるように設定してもよい。

第二の実施形態の超音波撮像装置の各部の動作は、第一の実施形態の図８のフローと同様であるが、図８のステップ３０４において、仮想音軸４０１－１、４０１－２、４０１－３等を設定した後、第一の実施形態では、仮想音軸を挟んで左右両側に２つずつ送信開口を設定したが、第二の実施形態では、仮想音軸４０１－１、４０１－２、４０１－３等ごとに一つの送信開口を、左右交互に設定する。具体的には、左側端部から奇数番目の仮想音軸４０１－１、４０１－３，４０１－５の左側に送信開口２３１ａ、２３１ｃ、２３１ｅを、偶数番目の仮想音軸４０１－２、４０１－４の右側に送信開口２３１ｂ、２３１ｄをそれぞれ設定する。これにより、ステップ３０８において、図１３のように超音波ビーム２３４ａ～２３４ｅを送信することができる。

第二の実施形態の超音波撮像装置は、送信する超音波ビーム２３４ａ～２３４ｅのうち超音波ビーム２３４ｂ、２３４ｃ、２３４ｄの中心軸２３３ｂ、２３３ｃ、２３３ｄは、それぞれ第１の位置２０７ａと第２の位置２０７ｂの２か所で他の超音波ビームの中心軸と交差するようにビームを送信すると、第一の実施形態と同様に撮像点の整相信号に寄与する超音波素子の範囲を広げることができ、画像の超音波素子配列方向の分解能を向上させることができる。しかも、２以上の超音波ビームは２か所で他の超音波ビームと交差するように送信されるため、１フレームの生成のために送信する超音波ビームの数を、第一の実施形態よりも低減でき、フレームレートを向上させることができる。

＜＜第三の実施形態＞＞
本発明の第三の実施形態の超音波撮像装置について説明する。

第三の実施形態の超音波撮像装置は、例えば図３や図１３に示したように２以上の超音波ビームが交差するように送信するという点については第一および第二の実施形態と同様であるが、１フレームを生成するために送信する超音波ビーム群のうち、探触子１０１の超音波送信面の垂線に対して一方の側に傾斜している超音波ビーム（例えば図３の２０４a、２０４ｃ、２０４ｄ）を順次送信した後（第1シーケンス、図１４（ａ）参照）、他方の側に傾斜している超音波ビーム（例えば図３の２０４ｂ、２０４ｄ、２０４ｅ）を順次送信する（第２のシーケンス、図１４(ｂ)参照）という動作を繰り返し行う。第１シーケンスおよび第２シーケンスで得られた受信ビーム（受信整相信号）は、メモリに格納する。これにより、各シーケンスで受信ビームが得られるたびに、その前のシーケンスでメモリに格納されている受信ビームと送信間開口合成し、画像を生成することができる。すなわち、１フレームを構成する超音波ビーム群の半分を送信するたびに、画像を生成することができるため、フレームレートを向上させることができる。

具体的には、図１５のフローで示したように、ステップ３０１～３０５において第一の実施形態の図８のフローのステップ３０１～３０５と同様に、送信ビーム決定部１０３は、交差する複数の超音波ビーム２０４ａ～２０４ｅの送信開口２０１ａ～２０１ｆを設定し、その送信順序を決定する。このとき、送信順序としては、図１２（ｂ）に示したように、仮想音軸４０１－１～４０１－３に対して左側に送信開口が位置する超音波ビーム２０４ａ，２０４ｃ，２０４ｄを順に送信した後、右側に送信開口が位置する超音波ビーム２０４ｂ、２０４ｄ、２０４ｆを順次送信するように送信順序を設定する。すなわち、送信ビーム番号は、超音波ビーム２０４ａ，２０４ｃ，２０４ｄが１番目、２番目、３番目であり、超音波ビーム２０４ｂ、２０４ｄ、２０４ｆが４番目、５番目、６番目である。

つぎに、ステップ１３０６～１３１３とステップ１３１８～１３２５において、超音波撮像装置は、超音波ビームを順次送信するが、本実施形態ではステップ１３０６～１３１３を第１シーケンスとして、一方の側に傾斜している送信ビーム番号１番目から３番目の超音波ビーム２０４a、２０４ｃ、２０４ｄを図８のステップ３０６～３１３と同様の処理で図１４（ａ）のように順次送信し、得られた受信ビームをメモリに格納する。この時点では、まだメモリ内には、第２シーケンスの超音波ビーム２０４ｂ、２０４ｄ、２０４ｆの受信ビームは格納されていないので、ステップ１３１４からステップ１３１８に進む。

そして、ステップ１３１８～１３２５を第２シーケンスとして、他方の側に傾斜している送信ビーム番号ｍ（＝４）番目以降、すなわち４番目から６番目の超音波ビーム２０４ｂ、２０４ｄ、２０４ｆを図８のステップ３０６～３１３と同様の処理で図１４（ｂ）のように順次送信し、得られた受信ビームをメモリに格納する。

ステップ１３２５では、信号処理部１０７は、第２シーケンスのステップ１３２３においてメモリに蓄えられた受信整相信号（ＬＲＩ）と、第１シーケンスのステップ１３１１においてすでにメモリに蓄えられている受信整相信号（ＬＲＩ）を、同一の撮像点３０１ごとにコヒーレントに加算することにより送信間開口合成し、高解像度画像（ＨＲＩ）を生成する。そして、ステップ１３２６～１３２７において、図８のステップ３１５～３１６と同様に処理して構築した画像データや時系列データを表示部１１０に表示させ、ステップ１３０６に戻る。

つぎに、ステップ１３０６に戻り、超音波撮像装置は、再び第１シーケンス（ステップ１３０６～１３１３）により、送信ビーム番号１番目から３番目の超音波ビーム２０４a、２０４ｃ、２０４ｄを順次送信し、得られた受信ビームをメモリに格納する。メモリ内には、前回の第２シーケンス（ステップ１３１８～１３２５）において超音波ビーム２０４ｂ、２０４ｄ、２０４ｆの受信ビームが格納されているので、ステップ１３１４からステップ１３１５に進む。

ステップ１３１５では、ステップ１３２５と同様に、信号処理部１０７が、第１シーケンスのステップ１３１１においてメモリに蓄えられた受信整相信号（ＬＲＩ）と、前回の第２シーケンスのステップ１３２３においてメモリに蓄えられた受信整相信号（ＬＲＩ）を送信間開口合成し、高解像度画像（ＨＲＩ）を生成する。そして、ステップ１３１６～１３１７において画像や時系列データを表示部１１０に表示させ、ステップ１３１８に進んで、第２シーケンスを繰り返す。

このように、第三の実施形態では、図１６にビーム番号と送信開口の関係を示したように、第１シーケンスと第２シーケンスとが繰り返し行われ、いずれかのシーケンスを行うたびに、前のシーケンスで得られた受信ビーム（受信整相信号）と送信間開口合成を行って、画像（フレーム）を表示することができる。よって、第一の実施形態と同様に探触子１０１の超音波素子１００の配列方向の画像解像度を向上させながら、フレームレートを倍増させることができる。

また、本実施形態では、１フレームを構成するのに照射する超音波ビームの例として第一の実施形態の図３の超音波ビーム２０４ａ～２０４ｆを用いたが、第二の実施形態の図１３の超音波ビーム２３４ａ～２３４ｅや、図４、図５および図６（ａ）、（ｂ）の超音波ビームを用いることももちろん可能である。

また、第三の実施形態では、２つの送信方向（探触子の送信面に垂線に対して一方側と他方側）により第１および第２シーケンスを設定しているが、３以上の異なる送信方向の超音波ビームが送信される場合には、３以上のシーケンスを設定してもよい。この場合も、図１７に示したように、一つのシーケンスで受信ビーム（受信整相信号）を得たならば、それ以前に行った二つのシーケンスの受信ビームと組み合わせて送信間開口合成を行うことにより、画像を表示することができる。よって、フレームレートを向上させることができる。

１００ 超音波素子
１０１ 探触子
１０２ 送信切替部
１０３ 超音波ビーム決定部
１０４ 送信ビームフォーマ
１０５ 受信ビームフォーマ
１０６ 制御部
１０７ 信号処理部
１０８ 画像処理部
１０９ ユーザインターフェース
１１０ 画像表示部
２０１ 送信開口
２０２ 送信焦点
２０３ 中心軸
２０４ 超音波ビーム
２０７ 交点
２０７ａ 交点を示す第１の位置
２０７ｂ 交点を示す第２の位置
２３１ａ～２３１ｅ 送信開口
２３４ａ～２０４ｈ 超音波ビーム
２３２－１～２３２－４ 送信焦点
２３３ａ～２３３ｈ 中心軸
４０１、４０１－１～４０１－５ 仮想音軸

Claims (12)

1. 複数の超音波素子が配列された探触子に送信開口を設定し、前記送信開口内の前記超音波素子に対してそれぞれ送信信号を出力することにより、１フレームの画像を生成するのに必要な数の超音波ビームをそれぞれ所定の位置に設定した前記送信開口の前記超音波素子から撮像対象に向かって順次送信させる送信ビームフォーマと、
   前記超音波ビームの送信のたびに前記撮像対象において発生したエコーを複数の前記超音波素子が受信して出力する受信信号を受け取って、前記送信開口の位置に応じて前記撮像対象の所定の範囲に設定した複数の受信走査線上の複数の撮像点に受信焦点を結ぶように整相処理を行い、受信整相信号を生成する受信ビームフォーマと、
   前記超音波ビームが送信されるたびに前記受信ビームフォーマが生成した前記受信整相信号のうち、同一の位置にある前記撮像点について得られた前記受信整相信号を合成する送信間開口合成部とを有し、
   前記１フレームの画像を生成するのに必要な数の前記超音波ビームのうち、少なくとも２つの前記超音波ビームは、中心軸が交差しており、
   前記超音波ビームは、前記撮像対象内で送信焦点を結ぶ集束ビームであり、
   ２つの前記超音波ビームの前記中心軸が交差する位置は、これらの超音波ビームの前記送信焦点からずれている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であって、前記撮像対象の撮像領域には、複数の前記送信焦点が設定され、
   ２つの前記送信開口から１つの前記送信焦点に向かってそれぞれ超音波ビームが送信されて、そのうち１つの超音波ビームの前記中心軸は、他の前記送信焦点に向かって送信された超音波ビームの前記中心軸と交差することを特徴とする超音波撮像装置。
3. 請求項２に記載の超音波撮像装置であって、１つの前記送信焦点に向かって送信された２つの前記超音波ビームのビーム形状は、前記探触子の超音波出射面の垂線を挟んで対称であることを特徴とする超音波撮像装置。
4. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、交差する２つの前記超音波ビームをそれぞれ送信する前記送信開口は、隣接していることを特徴とする超音波撮像装置。
5. 請求項２に記載の超音波撮像装置であって、１つの前記送信焦点に向かって送信される２つの前記超音波ビームをそれぞれ送信する前記送信開口は、一部が重なり合っている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であって、交差する２つの前記超音波ビームをそれぞれ送信する前記送信開口は、所定の距離だけ離れてい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であって、交差する２つの前記超音波ビームをそれぞれ送信する前記送信開口は、所定の距離だけ離れて設定され、当該交差する２つの超音波ビームのうち少なくとも一方の超音波ビームの中心軸は、他の超音波ビームの中心軸とも交差することを特徴とする超音波撮像装置。
8. 請求項７に記載の超音波撮像装置であって、１フレームの画像を生成するのに必要な数の前記超音波ビームのうちの３以上の超音波ビームは、いずれも、前記探触子に近い第１の位置と、前記第１の位置よりも前記探触子から遠い第２の位置の２か所で、他の超音波ビームと交差することを特徴とする超音波撮像装置。
9. 請求項８に記載の超音波撮像装置であって、前記超音波ビームは、前記撮像対象内で送信焦点を結ぶ集束ビームであり、
   前記第１の位置は、前記送信焦点よりも前記探触子に近い位置であり、前記第２の位置は、前記送信焦点よりも前記探触子から遠い位置であることを特徴とする超音波撮像装置。
10. 請求項１に記載の超音波撮像装置であって、前記１フレームの画像を生成するのに必要な数の前記超音波ビームは、前記探触子の超音波送信面の垂線に対して一方の側に傾斜している２以上の第１超音波ビーム群と、他方の側に傾斜している２以上の第２超音波ビーム群とを含み、
    前記送信ビームフォーマは、前記第１超音波ビーム群と、前記第２超音波ビーム群とを交互に送信することを特徴とする超音波撮像装置。
11. 請求項１０に記載の超音波撮像装置であって、前記受信ビームフォーマは、前記第１超音波ビーム群を構成する超音波ビームまたは第２超音波ビーム群を構成する超音波ビームの送信のたびに、前記受信信号から前記受信整相信号を生成してメモリに格納し、
    前記送信間開口合成部は、前記送信ビームフォーマがすべての前記第１超音波ビーム群を送信した場合、得られた受信整相信号と、その送信の前に送信した前記第２の超音波ビーム群により得られた受信整相信号とを用いて送信間開口合成を行って画像を生成し、すべての前記第２超音波ビーム群を送信した場合、得られた受信整相信号と、その送信の前に送信した前記第１の超音波ビーム群により得られた受信整相信号とを用いて送信間開口合成を行って画像を生成することを特徴とする超音波撮像装置。
12. 複数の超音波素子が配列された探触子に送信開口を設定し、前記送信開口内の前記超音波素子に対してそれぞれ送信信号を出力することにより、１フレームの画像を生成するのに必要な数の超音波ビームをそれぞれ所定の位置に設定した前記送信開口の前記超音波素子から撮像対象に向かって順次送信する送信工程と、
    前記超音波ビームの送信のたびに前記撮像対象において発生したエコーを複数の前記超音波素子が受信して出力する受信信号を受け取って、前記送信開口の位置に応じて前記撮像対象の所定の範囲に設定した複数の受信走査線上の複数の撮像点に受信焦点を結ぶように整相処理を行い、受信整相信号を生成する受信工程と、
    前記超音波ビームが送信されるたびに前記受信工程で生成された前記受信整相信号のうち、同一の位置にある前記撮像点について得られた前記受信整相信号を合成する送信間開口合成工程とを有する超音波画像の撮像方法であって、
    前記送信工程において、前記１フレームの画像を生成するのに必要な数の前記超音波ビームのうち、少なくとも２つの前記超音波ビームは、中心軸が交差するように送信し、
    前記超音波ビームは、前記撮像対象内で送信焦点を結ぶ集束ビームであり、
    ２つの前記超音波ビームの前記中心軸が交差する位置は、これらの超音波ビームの前記送信焦点からずれている
    ことを特徴とする超音波画像の撮像方法。

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