JPH09184826A

JPH09184826A - 超音波信号処理装置

Info

Publication number: JPH09184826A
Application number: JP8286406A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Shinomura; ▲隆▼一篠村; Yuichi Miwa; 祐一三和; Yutaka Masuzawa; 裕鱒沢; Kageyoshi Katakura; 景義片倉
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1996-10-29
Publication date: 1997-07-15
Anticipated expiration: 2016-10-29
Also published as: JP3600994B2

Abstract

(57)【要約】【課題】受信複ビーム形成に良好な超音波信号処理装
置を提供すること。【解決手段】受信処理手段により得たそれぞれの受信
信号を、該受信信号の帯域の最高周波数に対してナイキ
スト周波数より十分高周波数のサンプリングクロックで
サンプリングしてディジタル化し、このディジタル化さ
れた受信信号と所定周波数の参照信号とを乗算してディ
ジタル受信信号波形の周波数を移動させ、変換された受
信信号を上記サンプリングの周期より長い時間長につき
累加処理して、この累加処理された信号を、一つの方向
の超音波ビームに対して前記のサンプリングクロックよ
り低いクロック周波数で処理し、複数回路を用いずに、
１回の超音波の送波の後、各超音波振動子により得た受
信信号から、複数の前記超音波受信ビームを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波により物体
を非破壊検査する装置、または、医療診断に用いる超音
波装置等の信号処理に好適な装置に関し、特にディジタ
ル化に適した超音波信号処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波受信装置は、アナログ遅延
手段，加算器等から構成されており、超音波を検査対象
へ送波した後、図１２に示す如く、検査対象からの反射
波が、配列された複数の超音波振動子１０４で受信さ
れ、各々の受信信号が受信処理手段１３２に入力され、
各超音波振動子が受信した受信信号の相互の遅延時間差
が調節され、受信処理手段１３２の出力が加算手段１０
５により加算され、受信ビームを形成する受信ビーム形
成手段１２９により受信ビーム１３１が形成され、送信
ビーム１３０および受信ビーム１３１を電気的に走査し
て検査対象の断層像を得ている。なお、図１２は模式図
であり、送信ビームの指向性を１３０で、受信ビームの
方向を１３１で示しているものである。上述の受信ビー
ムの形成の過程において、良好な受信ビームを形成する
ためには、受信処理手段１３２の遅延精度を高める必要
があり、このため、ディジタル化により、アナログ回路
の不具合(部品バラツキ，温度ドリフト，飽和等)を解消
する試みが、種々なされている。しかし、単純にディジ
タル化する場合、１ＭＨz〜２０ＭＨz程度の周波数の超
音波を使用する医用超音波装置では、１００ＭＨz以上
の高速のＡＤＣ(アナログ-ディジタル変換器)が必要で
あり、低速のＡＤＣで実現する方法も考案されてきてい
る。

【０００３】その一例として、本出願人が特開平6-3137
64号「超音波信号処理装置」により提案した装置がある。
この装置は、受信信号をディジタル化し、ディジタル化
された受信信号と、受信信号の中心周波数を持ちかつ９
０°位相差を有する２つの参照信号とを乗算して、受信
信号を複素信号に変換し低周波成分を取り出し、隣接す
る素子(超音波振動子)で得る信号の間の位相差を位相回
転により補正し、更に時間遅延している。また、特開平
4-223289号公報には、受信信号をディジタル化し、この
ディジタル化された受信信号と受信信号の中心周波数を
持ちかつ９０°位相差を有する２つの参照信号とを乗算
して、複素信号に変換し低周波成分を取り出し、隣接素
子で得る信号の間の時間差を時間遅延により遅延し、更
に、位相回転する方法が記載されている。また、特開平
2-4355号公報には、受信信号を並列に設けたＡＤＣでデ
ィジタル化し、ディジタル化された信号を復調器で低周
波化し、複数並列に配置した各位相回転回路により別々
の位相を、低周波化された信号に与え、異なる方向への
受信ビームを同時に形成する、いわゆる受信複ビームを
形成する方法が記載されている。なお、ここで受信複ビ
ームとは、図１３に示すように、ある方向へ送波ビーム
１３０を形成し、同時に異なったａ方向とｂ方向での受
信ビーム１３１ａと１３１ｂとを形成することを言う。
なお、複数とは２本とは限らない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術では、受信
複ビームを形成するために、図１３に示す如く、受波ビ
ーム形成手段１２９が複数並列に必要であった。また、
方式によっては、受波処理手段の途中から、遅延処理手
段が複数回路必要であった。このため、上記従来技術で
は、受信複ビームを形成するために複数回路を必要とし
回路規模が増大するという問題があった。本発明は上記
事情に鑑みてなされたもので、その第一の目的は、従来
の技術における上述の如き問題を解消し、ディジタル方
式における受信複ビーム形成に好適な超音波信号処理装
置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、
超音波振動子(素子)で受信された受信信号を処理するた
めに、複数の信号処理回路を用いずに受信複ビームを形
成できる超音波信号処理装置を提供し、回路規模の低減
を可能とすることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波信号
処理装置は、反射超音波信号を受信する複数の超音波振
動子と、前記各超音波振動子により得た受信信号を、前
記受信信号の帯域の最高周波数のナイキスト周波数より
十分高い周波数のサンプリングクロックによりサンプリ
ングの周期を設定し、前記受信信号をサンプリングして
ディジタル化するディジタル化手段と、該ディジタル化
手段により得られたディジタル受信信号と所定周波数の
参照信号とを乗算して前記ディジタル受信信号を複素化
し、前記ディジタル受信信号の周波数を移動させる、前
記各ディジタル化手段に１対１で接続される第１の波形
変換手段と、前記第１の波形変換手段により変換された
受信信号を前記サンプリングの周期より十分長い時間長
について累加処理して累加信号を得る、前記各第１の波
形変換手段に１対１で接続される累加処理手段と、前記
累加信号を、１つの方向の超音波ビームに対して前記サ
ンプリングクロックより低いクロック周波数で処理し
て、複数方向の受信超音波ビームを時分割処理により形
成するための遅延処理を行う、前記各累加処理手段に１
対１で接続される複数方向遅延処理手段と、前記各複数
方向遅延処理手段の出力を加算する加算手段とを有し、
１回の超音波の送波の後、前記各超音波振動子により得
た前記受信信号から、複数の前記超音波受信ビームを形
成する処理を行うことに特徴を有する。また、上述の超
音波信号処理装置において、隣接する前記超音波振動子
に１対１で対応する前記複数方向遅延処理手段の出力の
間の位相の差を検出する手段を具備し、前記各複数方向
遅延処理手段を制御し、前記位相の差をほぼゼロとする
受信超音波ビームを形成するビーム形成制御手段を有す
ることに特徴がある。

【０００６】また、本発明の超音波信号処理装置は、反
射超音波信号を受信する複数の超音波振動子と、前記各
超音波振動子により得た受信信号を、前記受信信号の帯
域の最高周波数のナイキスト周波数より十分高い周波数
のサンプリングクロックによりサンプリングの周期を設
定し、前記受信信号をサンプリングしてディジタル化す
るディジタル化手段と、前記ディジタル化手段により得
られたディジタル受信信号と所定周波数の９０°位相差
をもつ２つの参照信号とを乗算して前記ディジタル受信
信号を複素化し、前記ディジタル受信信号の周波数を移
動させる、前記各ディジタル化手段に１対１で接続され
る第１の波形変換手段と、前記第１の波形変換手段によ
り変換された受信信号を前記サンプリングの周期より十
分長い時間長について累加処理して累加信号を得る、前
記各第１の波形変換手段に１対１で接続される累加処理
手段と、前記累加信号を一時的に記憶する、前記各累加
処理手段に１対１で接続される一時記憶手段と、前記一
時記憶手段からの前記累加信号の出力を制御する一時記
憶制御手段と、前記一時記憶手段から出力された前記累
加信号に位相回転を付与する、前記各一時記憶手段に１
対１で接続される第２の波形変換手段と、前記各超音波
振動子と目的フォーカス位置との間の距離差による超音
波の伝搬時間差を補正するために、前記第２の波形変換
手段の出力に遅延時間を付与する、前記各第２の波形変
換手段に１対１で接続される遅延手段と、前記各遅延手
段の出力を加算する加算手段と、前記加算手段の出力を
包絡線信号に変換する手段とを有し、前記一時記憶制御
手段は、１回の超音波の送波に対応して、複数の異なる
方向の受信超音波ビームを形成するために、前記一時記
憶手段からの前記累加信号の出力を制御して、前記受信
超音波ビームを形成する処理を時分割処理により行い、
複数方向の超音波ビームを形成する処理を行うことに特
徴を有する。また、上述の超音波信号処理装置におい
て、隣接する前記超音波振動子に１対１で対応する前記
遅延手段の出力の間の位相の差を検出する手段を具備
し、前記各一時記憶手段，前記各第２の波形変換手段お
よび前記各遅延手段とを制御し、前記位相の差をほぼゼ
ロとする受信超音波ビームを形成するビーム形成制御手
段を有することに特徴がある。

【０００７】更に、本発明の超音波信号処理装置は、反
射超音波信号を受信する複数の超音波振動子と、前記各
超音波振動子により得た受信信号を、前記受信信号の帯
域の最高周波数のナイキスト周波数より十分高い周波数
のサンプリングクロックによりサンプリングの周期を設
定し、前記受信信号をサンプリングしてディジタル化す
るディジタル化手段と、前記ディジタル化手段により得
られたディジタル受信信号と所定周波数の９０°位相差
をもつ２つの参照信号とを乗算して前記ディジタル受信
信号を複素化し、前記ディジタル受信信号の周波数を移
動させる、前記各ディジタル化手段に１対１で接続され
る第１の波形変換手段と、前記第１の波形変換手段によ
り変換された受信信号を前記サンプリングの周期より十
分長い時間長について累加処理して累加信号を得る、前
記各第１の波形変換手段に１対１で接続される累加処理
手段と、１回の超音波の送波に対する複数の異なる方向
の受信超音波ビームを形成するために、前記各超音波振
動子と目的フォーカス位置との間の距離差による超音波
の伝搬時間差を補正して、時分割処理により前記異なる
方向の受信超音波ビームを形成するための遅延時間を前
記累加信号に付与する、前記累加処理手段に１対１で接
続される遅延手段と、前記遅延手段の出力に位相回転を
付与する、前記各遅延手段に１対１で接続される第２の
波形変換手段と、前記各第２の波形変換手段の出力を加
算する加算手段と、前記加算手段の出力を包絡線信号に
変換する手段とを有し、１回の超音波の送波の後、前記
各超音波振動子により得た前記受信信号から、複数の前
記超音波受信ビームを形成する処理を行うことに特徴を
有する。また、上述の超音波信号処理装置において、前
記各第２の波形変換手段の出力に振幅重みを課す手段を
有すること、隣接する前記超音波振動子に１対１で対応
する前記第２の波形変換手段の出力の間の位相の差を検
出する手段を具備し、前記各第２の波形変換手段および
前記各遅延手段とを制御し、前記位相の差をほぼゼロと
する受信超音波ビームを形成するビーム形成制御手段を
有することに特徴がある。

【０００８】なお、以下に、各々の受信信号の帯域の最
高周波数に対して、ナイキストのサンプリング周波数よ
り十分高周波数のサンプリングクロックによりサンプリ
ングの周期を設定する例を示す。例えば、十分高周波数
のサンプリングクロックを、超音波の中心周波数５ＭＨ
z、比帯域１.０とすると、帯域の上限の周波数７.５Ｍ
Ｈzに対するナイキストのサンプリング周波数１５ＭＨz
に対して十分高い周波数であり、例えば、２５ＭＨzで
ある。また、サンプリングの周期より十分長い時間長に
つき累加処理する例を、次に示す。サンプリングの周期
より十分長い時間長とは、上述の２５ＭＨzではサンプ
リング周期は４０nsであるから、２回以上の累加(加算)
とすると８０ns以上の時間で累加処理することになる。
累加信号を、一つの超音波ビームに対しサンプリングク
ロックより低い周波数のクロックで受信信号を処理する
例を、次に示す。一つの超音波ビームに対し４０ns毎に
受信信号を信号処理し、時分割により２本の超音波ビー
ムを形成する処理を行う場合、１本の超音波ビームを形
成する処理において信号処理する受信信号の時間間隔は
８０ns(１２.５ＭＨzの周波数)となり、２５ＭＨzの半
分の周波数のクロックで信号処理されることになる。ベ
ースバンド信号が、最初の受信信号の中心周波数に比べ
て十分低い周波数に落ちている例を、次に示す。例え
ば、受信信号の中心周波数５ＭＨz、比帯域１.０とする
と、高周波側の信号成分は７.５ＭＨzとなるが、中心周
波数５ＭＨzの参照信号を使用してミキシングを行った
後に得られるベースバンド信号では、受信信号の５ＭＨ
zの成分は０ＭＨzへ、７.５ＭＨzの成分は２.５ＭＨz
へ、各々低周波数側にシフトし、最初の受信信号の中心
周波数に比べて十分低い周波数に落ちている。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明に係る超音波信号処理装置
の受信信号処理回路では、ベースバンドに落ちた受信信
号のナイキストのサンプリング周波数は低周波に落ちる
ため、一つの受信ビームに対するデータの発生の時間間
隔は長くなり、このデータの発生のためのサンプリング
周波数が低くできる。このサンプリング周波数が、実際
にＡＤＣに付与するサンプリング周波数の１／ｍである
とした場合、一つの受信信号処理回路で時間方向に処理
するデータの順番を変更して、時分割でｍ本のビームデ
ータを処理できる。従って、複数方向遅延処手段では、
一つの受信信号処理回路で時分割処理により複数の受信
ビームを形成するための信号処理ができ、受信ビーム形
成手段の回路規模を増大せずに複数受信ビームを形成で
きる。時分割処理は、リサンプリング処理のため折り返
しが生じるが、受信ビームへの影響が少なくなるように
累加手段およびリサンプリング周波数を設定するもので
ある。以下、本発明の実施例を図面に基づいてより詳細
に説明する。

【００１０】図１は、本発明の第１の実施例に係る超音
波信号処理装置であり、請求項１に対応する装置の要部
構成を示すブロック図である。複数の超音波振動子１０
４によって受信された各々の受信信号は、図示しない増
幅器または可変増幅器，アナログフィルタまたは帯域幅
の可変なアナログフィルタ等により処理されて、受信処
理手段に入力する。ここでは、受信処理手段は、ＡＤＣ
１００，第１の波形変換手段(Ｄigital Ｍixer)１０１,
累加手段１０２および複数方向遅延処理手段１０３によ
り構成されている。なお、図１，図２，図７，図８，図
９および図１１では、説明を簡単化するため、４チャン
ネルの例を示している。また、信号の流れを示す矢印の
交点に黒丸印が付されているものは、同じ信号が同時に
供給されることを示しており、交点に黒丸印が付されて
いないものは、一般に、異なる信号のやり取りが行われ
ることを示している。

【００１１】図１に示す如く構成された受信処理手段に
入力された各受信信号は、まず、ＡＤＣ１００により、
ディジタル変換される。ＡＤＣ１００に設定されるサン
プリングクロックＳckは、サンプリング信号発生手段１
０９により発生され、各チャンネルのＡＤＣ１００のサ
ンプリングクロック入力端に共通に入力される。当然な
がら、実装の問題から、基板(この基板には例えば、２
０チャンネルの受信処理回路が搭載されている)毎に、
サンプリング信号発生手段があっても良い。但し、サン
プリングクロックＳckは全チャンネルで同期している。
なお、これも当然のことながら、受信処理回路がＬＳＩ
化され、各チャンネルのＬＳＩからサンプリングクロッ
クを出しても問題ない。ここで、チャンネルとは、同じ
受信処理回路が多数並列に配置され、各超音波振動子か
らの各受信信号が入力され信号処理されるが、一つの受
信信号が入力される受信処理回路をチャンネルという。

【００１２】ＡＤＣのサンプリング周波数は、受信信号
の帯域の最大周波数の２倍以上あれば受信信号を再現で
きることが知られている。本発明では、更に十分高い周
波数で各超音波振動子からの信号をサンプリングする。
次に、サンプリングされた受信信号は、第１の波形変換
手段１０１に入力され、ディジタル参照信号発生手段１
１０からのディジタル参照信号(中心周波数ω_s)と乗算
され、受信信号の波形が、差周波数成分と和周波数成分
とからなる複素信号に変換される。ディジタル参照信号
発生手段１１０からのディジタル参照信号も、各チャン
ネルに共通に入力される。第１の波形変換手段１０１の
具体例を、図４に示す。図４に示す例では、ＡＤＣ１０
０でｍビットに変換された受信信号を２つに分けて、デ
ィジタル乗算器１１２により片方にcos(ω_sｔ)を、ディ
ジタル乗算器１１３により他方にsin(ω_sｔ)を乗算す
る。ここで、ω_sは受信信号の中心周波数である。図４
に示す信号処理により、受信信号は複素信号に変換さ
れ、この複素信号は差周波数成分(差周波数ω_s−ω_s＝
０)であるベースバンドの信号成分と、和周波数成分(和
周波数ω_s＋ω_s＝２ω_s)とからなる。図４に示す出力信
号(虚部および実部信号)を累加手段１０２に入力する。

【００１３】図１０に示す如く、ベースバンドの信号成
分は、最初の受信信号の中心周波数に比べて十分低い周
波数に落ちているため、ＡＤＣのサンプリング周波数と
同じサンプリング周波数でも、ベースバンドに対してナ
イキストのサンプリング周波数を十分満たしたサンプリ
ング(オーバサンプリング)となり、時系列にサンプリン
グされた受信信号の加算(累加)ができる。累加手段の具
体例を、図５に示す。(ｍ＋４)ビットで入力した複素の
受信信号を、それぞれラッチ１１４で順次保持し、加算
器１１５により、図４に示す回路の出力信号の順次連続
する３データを加算する。ＡＤＣに最大振幅が入力して
いると当然ビット数が増え、(ｍ＋６)ビットとなる。受
信信号の加算により、量子化雑音や入力雑音の白色雑音
は相殺され、信号はほぼ３倍になり、雑音は√３倍とな
るので、Ｓ／Ｎは３ｄＢ向上する。累加手段における加
算の回数ＣＯＵＮＴは、サンプリング周波数ｆ_sと受信
周波数の帯域幅ＢＷにより決まり、ＣＯＵＮＴ≦(ｆ_s／ＢＷ) (１) となる。上の式(１)の条件を満足すれば、受信信号の包
絡線が再現される。

【００１４】図５に示す構成は、連続する３つの受信信
号を順次加算して出力するため矩形重みのフィルタ特性
をもつ累加手段の構成例である。和周波数成分の不要周
波数成分を低減するために、図５の構成を直列に２段設
けて、受信信号の加算(累加)において三角重みを付与す
ること、加算回数を前段，後段で調整して、台形重みと
すること等の種々の方法が考えられる。いずれの方法で
も加算器のみの構成により、各種の重みの付与を実現で
きる。図１中の第１の波形変換手段(ディジタル乗算器)
１０１の出力データを、Ｄｉ(ｉはサンプリングクロッ
ク信号の番号)で表わすと、 (Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４＋Ｄ３＋Ｄ４＋
Ｄ５)＝(Ｄ１＋２Ｄ２＋３Ｄ３＋２Ｄ４＋Ｄ５) となる。Ｄｉの係数は、１，２，３，２，１と三角重み
を表わしている。

【００１５】図５に示す如き構成の累加手段により、受
信信号のベースバンド信号が得られる。このベースバン
ド信号を用いて種々の遅延処理を行う。ここでは、複数
方向遅延処理手段１０３により目的フォーカス位置と各
超音波振動子と間の距離差を超音波が伝搬する時間差を
時間，位相等で補正し、反射超音波の波面を合わせて加
算手段１０５により、各超音波振動子による受信信号を
加算して、包絡線変換手段１０６により受信信号の包絡
線を求め受信ビームを形成する信号として、受信ビーム
方向を変化させて受信ビームを形成する信号処理を順次
繰り返して受信ビームを走査し、ＤＳＣ(ディジタルス
キャンコンバータ)１０７により表示手段１０８に表示
する。上述の如き基本構成を有する超音波信号処理装置
によれば、ディジタル方式における受信複ビーム形成に
好適な装置を実現できる。

【００１６】図２に、本発明の第２の実施例に係る超音
波信号処理装置の特徴的構成部分である複数方向遅延処
理手段１０３の構成例を示す。本構成例は、累加手段１
０２により処理された受信信号を、一旦、一時記憶手段
１１７に記憶し、一時記憶制御手段１２０により同じ受
信信号Ｒｉを複数の受信ビームの形成に使用するために
保存しておき、受信ビームの形成に必要な受信信号Ｒｉ
を一時記録手段から出力し、受信複ビームを時系列で形
成処理を行う例である。以下、図２に示した実施例(請
求項３に対応する)に係る複数ビーム形成のシーケンス
を説明する。図３が、１回の超音波の送波の後、受信口
径を形成する各超音波振動子により得る受信信号から複
数の超音波受信ビームを形成する処理を行い、異なる２
方向に受信ビームを形成するシーケンス例を示す図であ
る。図３では、第４チャンネルを例にとって、各処理手
段の出力のタイミングを示しているが、他のチャンネル
についても同様である。

【００１７】図２のＨ点(ＡＤＣのサンプリングクロッ
ク)に、サンプリングクロックＳck信号が出力される。
サンプリングクロックＳckの立上り(矢印)の時点でＡＤ
Ｃはサンプリング動作する。全体のシステムは、サンプ
リングクロックＳckと同期したシステムクロックで動作
する。矢印の時点で受信信号がＡＤＣによりサンプリン
グされ、第１の波形変換手段(Ｄigital Ｍixer)１０１
によりベースバンドと和周波数成分に変換された信号
を、Ｄ１,Ｄ２,Ｄ３,・・・・(各々は、振幅がサンプリング
クロック信号の立上り毎に量子化された受信信号で、図
４の例では、ベースバンドと和周波数成分に変換された
信号Ｄｉは (ｍ＋４)ビットの振幅である)と表わすと、
累加手段１０２により、例えば、図５の構成の場合は、
累加手段１０２の出力Ｂは、(Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３)＝Ｒ
１，(Ｄ２＋Ｄ３＋Ｄ４)＝Ｒ２，・・・・となり、サンプリ
ングクロック信号の３個で加算される受信信号Ｄｉがそ
ろい、加算され加算結果が出力される。

【００１８】累加処理手段の出力Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，・・
・，Ｒｉ，・・・は、和周波数成分がフィルタリングにより
抑圧される結果、実質的にベースバンド信号となってい
る。このベースバンド信号は一時記憶手段１１７に記憶
される。ここでシステムクロック信号の１個おきに、別
の方向に各々受信ビームを形成することを考える。例え
ば、偶数番目でａ方向の受信ビーム(ａビーム)を、奇数
番目でｂ方向の受信ビーム(ｂビーム)を、各々形成す
る。基準チャンネル（ここでは基準チャンネルを、受波
口径を構成する複数チャンネルのうちの中心チャンネル
とする）のａビームの１番目の受信信号と加算すべき受
信信号がＲ２、基準チャンネルの次の受信信号がｂビー
ム用の１番目の受信信号であり、このｂビーム用の１番
目の受信信号に加算すべき受信信号がＲ１であるとす
る。ここで累加手段１０２の出力の受信信号の並びに対
して、ビーム形成に使用する受信信号の順番がＲ２，Ｒ
１と逆転する。

【００１９】そのため、一時記憶手段１１７に、一旦、
累加手段の出力信号を記憶し、例えば、４番目のシステ
ムクロック信号で一時記憶手段１１７からＲ２の受信信
号を読み出し、次のシステムクロック信号でＲ１の受信
信号を読み出すことにより、受信ビームを形成するため
に必要な受信信号を必要な順番に一時記憶手段１１７か
ら取り出す。一時記憶手段１１７から出力された受信信
号に、位相補正信号発生手段１２１により、データＲ２
にはフォーカス一段目のａビーム形成用の位相補正デー
タａＦ１を付与する。このように、各方向の受信ビーム
の形成に必要な信号処理を行い、データＲｉを一時記憶
手段１１７から順次出力して、各チャンネルの信号の順
番，信号の遅延を補正した順番を保持して加算手段１０
５により加算し、包絡線変換手段１０６により包絡線を
求め、最後にＤＳＣ１０７により時分割で得た複数受信
ビームを同時に表示部１０８に画像表示する。

【００２０】図２，図３に示す如く、累加処理手段１０
２の出力Ｃの出力順番に対し、一時記憶手段１１７の出
力がＲ２，Ｒ１，Ｒ４，・・・・と出力順番が変更されて出
力され、位相補正信号発生手段１２１により、Ｒ２には
フォーカス１段目のａビーム形成用の位相補正データａ
Ｆ１を与える。次のＲ１には、フォーカス１段目の、ｂ
ビームの位相補正データｂＦ１を与える。第２の波形変
換手段１１８によって位相回転が処理され、ａビームの
１番目の受信信号ａ１，ｂビームの１番目の受信信号ｂ
１，ａビームの２番目の受信信号ａ２，と以下、順に出
力される。この出力された受信信号は、順にメモリの如
き遅延手段１１９に書き込まれる。遅延時間処理を行う
際の基準となるチャンネルの遅延手段の受信信号の出力
に合わせて、ａ１，ｂ１，ａ２，・・・・の受信信号を遅延
手段１１９から読み出すことにより時間遅延を付与でき
る。

【００２１】例えば、図３では、システムクロックの２
個分の時間の遅延を受信信号に与えた例であり、遅延手
段１１９の出力は、基準チャンネル(第２チャンネル)の
ａビームを形成する受信信号１番目であるａ１が、６番
目のサンプリングクロック信号の出力時点で出力されて
いるので、これまで説明してきた本チャンネル、つまり
第４チャンネルではａビームを形成する受信信号の１番
目であるａ１も、６番目のサンプリングクロック信号の
出力時点で出力され、基準チャンネル、つまり第２チャ
ンネルの出力ａ１と加算される。従って、２クロック遅
らせて遅延手段から出力することで、２クロックに時間
遅延が実現できることがわかる。ここで、フォーカス段
とは、フォーカス距離をダイナミックに変えて全深度で
良好なフォーカスを得るために、時間とともにフォーカ
スデータ(遅延手段(メモリ)から読み出したデータ，位
相回転のデータ)を変えており、同じフォーカスデータ
の区間を「段」と定義する。

【００２２】このように、複数方向遅延処理手段１０３
は、サンプリングされた受信信号を時分割で処理し、受
信複ビームを形成するための受信信号を出力する。出力
されたデータを加算手段１０５によって、受波口径を構
成する全チャンネルについて加算し、以下、上と同じ信
号処理内容を繰り返す。このようにして得られた複数受
信ビームを表わす信号は、ＤＳＣに一旦記憶しておき、
これを複数受信ビームとして表示手段に同時に表示す
る。上述の如き構成を有する超音波信号処理装置によっ
ても、ディジタル方式における受信複ビーム形成に好適
な装置を実現できる。また、パソコンによって信号制御
処理，信号処理を行う超音波信号処理装置では、受信ビ
ームの形成を行う処理，ＤＳＣの処理内容を、ディジタ
ル処理する。以下、これについて説明する。

【００２３】図３に示すシーケンスは、ＬＳＩの回路動
作速度の制限からラッチ等によりタイミング調整を普通
は行うが、原理説明のために、理想動作で示している。
ところで、一つの受信ビームを形成する受信信号のデー
タの形成の周期を見ると、例えば、ａビームのデータ
は、ａ１，ａ２，ａ３であるが、データの形成の周期は
Ｓckの２クロックで、ＡＤＣのサンプリング周期の２倍
になっており、一つの受信ビームを形成する信号処理速
度が低い周波数になっていることがわかる。図６に、第
２の波形変換手段１１８の構成例を示す。入力信号(実
部，虚部)に対し位相回転量φ_nが９０°ずれた位相信
号(cosφ_n，sinφ_n)を、乗算器により入力複素信号の各
々に乗算し、加算器１１５により２つの乗算器の出力を
加算して位相回転を行う。このときの位相回転量のデー
タは、図２の位相補正信号発生部１２１から、位相回転
量が各チャンネル毎に入力される。

【００２４】図３で説明すると、前述の如く、一つの受
信ビームはダイナミックにフォーカスされるが、４個の
サンプリングクロック信号の出力時点毎でフォーカス位
置が切り替わるとし、フォーカス段をＦ１，Ｆ２，・・・・
とする。ａＦ１とは、ａビームのフォーカス１段目のデ
ータを意味する。４個目のサンプリングクロック信号の
出力時点では、位相回転データはａＦ１、５個目のサン
プリングクロック信号の出力時点では、ｂビームのフォ
ーカス１段目でｂＦ１、６個目のサンプリングクロック
信号の出力時点では、ａビームのフォーカス１段目でａ
Ｆ１、７個目のサンプリングクロック信号の出力時点で
は、ｂビームのフォーカス１段目でｂＦ１、８個目のサ
ンプリングクロック信号の出力時点では、フォーカス位
置が切り替わり、ａビームのフォーカス２段目でａＦ２
というように、位相回転に用いるフォーカスデータが変
更され制御される。

【００２５】次に、本発明の第３の実施例に係る超音波
信号処理装置であり、請求項５に対応する装置について
説明する。図７は、複数方向遅延処理手段１０３の他の
構成例を示しており、遅延手段１１９を第２の波形変換
手段１１８の前段に設けた点に特徴を有する例である。
また、図１４は、図７に示す構成によって、１回の超音
波の送波の後、受信口径を形成する各超音波振動子によ
り得る受信信号から複数の超音波受信ビームを形成する
処理を行い、異なる方向に受信ビームを形成するための
シーケンスを示している。表記の方法は、図３と同じで
ある。図１４では、第４チャンネルを例にとって各処理
手段の出力のタイミングを示しているが、他のチャンネ
ルについても同様である。図１４に示すように、累加手
段の出力を遅延させ、受信複ビームを形成する受信信号
の選択を行い、第２の波形変換手段に出力する。

【００２６】累加処理手段の出力Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，・・
・，Ｒｉ，・・・は、遅延手段(メモリ)１１９に記憶され
る。遅延手段(メモリ)１１９からのデータの読み出し時
に基準チャンネル(第２チャンネル)との遅延時間を補正
して、更に、システムクロックＳckの偶数番目でａ方向
の受信ビーム(ａビーム)を、奇数番目でｂ方向の受信ビ
ーム(ｂビーム)を形成する。基準チャンネル(第２チャ
ンネル)に対して、ａビームでは２個のシステムクロッ
ク分の時間遅延、ｂビームでは４個のシステムクロック
分の時間遅延が、各々必要な場合、図１４のように、ａ
ビームではＲ２を２個のシステムクロック分の時間だけ
遅らせて読み出し、ｂビームではＲ１を４個のシステム
クロック分の時間だけ遅らせて読み出し、各々の受信ビ
ーム毎の遅延を実現する。遅延された信号に位相補正デ
ータを乗算して位相補正(位相回転)し、精度の良い遅延
処理がなされた結果が順次出力される。

【００２７】遅延手段(メモリ)１１９から順次出力され
た受信信号は、各チャンネルの受信ビームの形成順番，
加算すべき遅延補正された各チャンネルの受信信号の順
番を保持して加算手段１０５により加算し、包絡線変換
手段１０６により包絡線を求め、最後にＤＳＣ１０７に
より時分割で得た複数受信ビームを同時に表示部１０８
に画像表示する。このようにして、１回の超音波の送波
の後、受信口径を形成する各超音波振動子により得る受
信信号から複数の超音波受信ビームを形成する処理を行
い、１つのチャンネルで複数の受信ビームを時分割で形
成できる。この操作を繰り返し、送受波ビームを走査し
画像を得る。なお、遅延手段(メモリ)からのデータの読
み出しのタイミングは、遅延制御手段２２によって制御
される。

【００２８】上述の如き構成を有する超音波信号処理装
置によれば、遅延手段１１９を第２の波形変換手段１１
８の前段に設けたことにより、回路規模の低減を可能と
しつつ、ディジタル方式における受信複ビーム形成に好
適な装置を実現できる。次に、図８を参照して、受信信
号に重み付けして、超音波ビームの不要応答を減らす、
本発明の第４の実施例の構成(請求項６に対応する)を説
明する。図８に示す実施例に係る装置では、複数方向遅
延処理手段１０３の出力に、重み乗算器１２４を各チャ
ンネルに配置してある。本実施例に係る超音波信号処理
装置によれば、重みデータ発生手段１２３により、重み
付けデータが各チャンネルに入力され、不要応答の少な
い良好な受信ビームが形成される。

【００２９】図９に、本発明の第５の実施例に係る装置
の構成を示す。本実施例に係る装置では、予め設定した
フォーカスデータに対し、生体内の音速の分布の不均一
により生じるフォーカスのボケを補正することを可能と
するものである。すなわち、各チャンネルの遅延処理さ
れた複素受信信号から、各チャンネル間における位相誤
差を、位相乗算または相互相関により位相差を検出する
位相誤差検出手段１２５により求め、受信ビーム形成制
御手段１１１に位相差および位相差により変換された時
間差をフィードバックし、受信ビーム形成制御条件を修
正して、上述のフォーカスのボケを補正する。なお、こ
の手法は、請求項２，請求項４，請求項７に係る発明の
実施例に適用可能である。

【００３０】図１１に、本発明の第６の実施例に係る装
置の構成を示す。本実施例は、請求項８に係るものであ
って、ドップラ処理，血流の２次元カラー表示であるＣ
ＦＭ(カラーフローマッピング)処理では、通常、受信
信号をベースバンドに落して処理することに鑑みて構成
されたものである。本発明の信号処理方法では受信信号
をベースバンドに落しているので、そのままＭＴＩ(固
定物除去フィルタ：呼吸,心臓の動き等による血流以外
の臓器等の動きは０周波近辺の低周波であり、アーチフ
ァクトとなるので、ハイパスフィルタにより受信信号
の低周波成分を除去する)１２８を通して、ＣＦＭ処理
手段１２６，ドプラ(ＤＰ)処理手段１２７により、血流
を検出できる。

【００３１】以上、受信複ビーム形成について説明した
が、単一受信ビームを形成する場合、累加処理後の信号
処理を、１／ｍのシステムクロックで処理しても良い
し、ＡＤＣのサンプリングクロックと同じ速度のシステ
ムクロックのまま処理しても構わない。この累加処理後
の信号処理の速度の変更は、ビーム形成制御手段の制御
データの変更により実現できる。なお、上記実施例は本
発明の一例を示したものであり、本発明はこれに限定さ
れるべきものではないことは言うまでもないことであ
る。例えば、上記各実施例の説明においては、簡単のた
めに超音波振動子に１対１で受信処理回路(受信チャン
ネル)が接続されるセクタ走査(セクタ走査では、送受
波口径は全超音波振動子により形成される)を、本発明
の一例として説明したが、本発明はこれに限定されるべ
きものではないことは言うまでもない。

【００３２】すなわち、セクタ走査以外に、例えば、リ
ニア，コンベックス等の超音波探触子で、送受波を行う
素子(超音波振動子)を選択する機能(送受波口径選択)を
必要とする構成の超音波装置にも、上記各実施例に示し
た装置は同様に適用可能である。本発明では、受信処理
回路の数は受信口径を形成する超音波振動子の数だけあ
れば、１回の超音波の送波の後、受信口径を形成する各
超音波振動子により得る受信信号から複数の超音波受信
ビームを形成する処理を行うことができる。

【００３３】

【発明の効果】以上、詳細に説明した如く、本発明によ
れば、ディジタル方式における受信複ビーム形成に好適
な超音波信号処理装置、特に、複数の信号処理回路を用
いずに受信複ビームを形成可能な超音波信号処理装置を
実現できるという顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係る超音波信号処理装置の要部
構成を示す図である。

【図２】第２の実施例に係る超音波信号処理装置の要部
構成を示す図である。

【図３】第２の実施例のタイムシーケンスチャートであ
る。

【図４】第１の波形変換手段の構成例を示す図である。

【図５】累加手段の構成例を示す図である。

【図６】第２の波形変換手段の構成例を示す図である。

【図７】第３の実施例に係る超音波信号処理装置の要部
構成を示す図である。

【図８】第４の実施例に係る超音波信号処理装置の要部
構成を示す図である。

【図９】第５の実施例に係る超音波信号処理装置の要部
構成を示す図である。

【図１０】累加波形図の例を示す図である。

【図１１】第６の実施例についての構成図である。

【図１２】従来例に係る超音波信号処理装置の要部構成
を示す図である。

【図１３】従来例に係る超音波信号処理装置の受信複ビ
ーム形成例の説明図である。

【図１４】第３の実施例のタイムシーケンスチャートで
ある。

【符号の説明】

１００ＡＤＣ１０１第１の波形変換手段１０２累加手段１０３複数方向遅延処理手段１０４超音波振動子１０５加算手段１０６包絡線変換手段１０７ＤＳＣ１０８表示手段１０９サンプリング信号発生手段１１０ディジタル参照信号発生手段１１１ビーム形成制御手段１１２,１１３ディジタル乗算器１１４ラッチ１１５加算器１１６乗算器１１７一時記憶手段１１８第２の波形変換手段１１９遅延手段１２０一時記憶制御手段１２１位相補正信号発生手段１２２遅延制御手段１２３重み発生手段１２４重み乗算器１２５遅延量,位相量誤差検出手段１２６ＣＦＭ処理手段１２７ＤＰ処理手段１２８ＭＴＩ１２９受信ビーム形成手段１３０送信ビーム１３１ａａ方向受信ビーム１３１ｂｂ方向受信ビーム１３２受信処理手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者片倉景義神奈川県横浜市戸塚区戸塚町216番地株式会社日立製作所情報通信事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反射超音波信号を受信する複数の超音波
振動子と、該複数の超音波振動子各々により得たそれぞ
れの受信信号をサンプリングしてディジタル化する複数
のディジタル化手段と、該ディジタル化手段各々により
得られたディジタル受信信号と所定周波数の参照信号と
を乗算して前記ディジタル受信信号を複素化し、前記デ
ィジタル受信信号の周波数を移動させる、前記各ディジ
タル化手段に１対１で接続される第１の波形変換手段
と、該第１の波形変換手段により変換された受信信号を
前記サンプリングの周期より長い時間長について累加処
理して累加信号を得る、前記各第１の波形変換手段に１
対１で接続される累加処理手段と、前記累加信号を、前
記サンプリングのクロック周波数より低いクロック周波
数で処理して、複数方向の受信超音波ビームを時分割処
理により形成するための遅延処理を行う、前記各累加処
理手段に１対１で接続される複数方向遅延処理手段と、
該複数方向遅延処理手段各々の出力を加算する加算手段
とを有し、１回の超音波の送波の後、前記各超音波振動
子により得た前記受信信号から、前記複数方向の受信超
音波ビームを形成するビーム形成制御手段を有すること
を特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項２】前記ビーム形成制御手段は、隣接する前
記超音波振動子に１対１で対応する前記複数方向遅延処
理手段の出力の間の位相の差を検出する手段を具備し、
前記複数方向遅延処理手段各々を制御し、前記位相の差
をほぼゼロとする受信超音波ビームを形成するものであ
ることを有する請求項１記載の超音波信号処理装置。
【請求項３】反射超音波信号を受信する複数の超音波
振動子と、該複数の超音波振動子各々により得たそれぞ
れの受信信号をサンプリングしてディジタル化する複数
のディジタル化手段と、該ディジタル化手段各々により
得られたディジタル受信信号と所定周波数の９０°位相
差をもつ２つの参照信号とを乗算して前記ディジタル受
信信号を複素化し、前記ディジタル受信信号の周波数を
移動させる、前記各ディジタル化手段に１対１で接続さ
れる第１の波形変換手段と、該第１の波形変換手段によ
り変換された受信信号を前記サンプリングの周期より長
い時間長について累加処理して累加信号を得る、前記各
第１の波形変換手段に１対１で接続される累加処理手段
と、前記累加信号を一時的に記憶する、前記各累加処理
手段に１対１で接続される一時記憶手段と、該一時記憶
手段からの前記累加信号の出力を制御する一時記憶制御
手段と、前記一時記憶手段から出力された前記累加信号
に位相回転を付与する、前記各一時記憶手段に１対１で
接続される第２の波形変換手段と、前記各超音波振動子
と目的フォーカス位置との間の距離差による超音波の伝
搬時間差を補正するために、前記第２の波形変換手段の
出力に遅延時間を付与する、前記各第２の波形変換手段
に１対１で接続される遅延手段と、該各遅延手段の出力
を加算する加算手段と、該加算手段の出力を包絡線信号
に変換する手段とを有し、前記一時記憶制御手段，遅延
手段は、１回の超音波の送波に対応して、複数の異なる
方向の受信超音波ビームを形成するために、前記一時記
憶手段からの前記累加信号の出力を制御して、前記受信
超音波ビームを形成する処理を時分割処理により行い、
複数方向の超音波ビームを形成するビーム形成制御手段
を構成することを特徴とする超音波信号処理装置。
【請求項４】前記ビーム形成制御手段は、隣接する前
記超音波振動子に１対１で対応する前記遅延手段の出力
の間の位相の差を検出する手段を具備し、前記各一時記
憶手段，前記各第２の波形変換手段および前記各遅延手
段とを制御して、前記位相の差をほぼゼロとする受信超
音波ビームを形成するものであることを特徴とする請求
項３記載の超音波信号処理装置。
【請求項５】反射超音波信号を受信する複数の超音波
振動子と、該複数の超音波振動子各々により得たそれぞ
れの受信信号をサンプリングしてディジタル化する複数
のディジタル化手段と、該ディジタル化手段各々により
得られたディジタル受信信号と所定周波数の９０°位相
差をもつ２つの参照信号とを乗算して前記ディジタル受
信信号を複素化し、前記ディジタル受信信号の周波数を
移動させる、前記各ディジタル化手段に１対１で接続さ
れる第１の波形変換手段と、該第１の波形変換手段によ
り変換された受信信号を前記サンプリングの周期より長
い時間長について累加処理して累加信号を得る、前記各
第１の波形変換手段に１対１で接続される累加処理手段
と、１回の超音波の送波に対する複数の異なる方向の受
信超音波ビームを形成するために、前記各超音波振動子
と目的フォーカス位置との間の距離差による超音波の伝
搬時間差を補正して、時分割処理により前記異なる方向
の受信超音波ビームを形成するための遅延時間を前記累
加信号に付与する、前記累加処理手段に１対１で接続さ
れる遅延手段と、該遅延手段の出力に位相回転を付与す
る、前記各遅延手段に１対１で接続される第２の波形変
換手段と、該第２の波形変換手段各々の出力を加算する
加算手段と、該加算手段の出力を包絡線信号に変換する
手段とを有し、１回の超音波の送波の後、前記各超音波
振動子により得た前記受信信号から、複数の前記超音波
受信ビームを形成する処理を行うことを特徴とする超音
波信号処理装置。
【請求項６】前記第２の波形変換手段各々の出力に振
幅重みを課す手段を有することを特徴とする請求項５記
載の超音波信号処理装置。
【請求項７】隣接する前記超音波振動子に１対１で対
応する前記第２の波形変換手段各々の出力の間の位相の
差を検出する手段を具備し、前記各第２の波形変換手段
および前記各遅延手段とを制御し、前記位相の差をほぼ
ゼロとする受信超音波ビームを形成するビーム形成制御
手段を有することを特徴とする請求項５記載の超音波信
号処理装置。
【請求項８】前記各手段に加え、固定物除去フィル
タ，カラーフローマッピング処理手段およびドプラ処
理手段を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれ
かに記載の超音波信号処理装置。