JPH11318892A - 超音波撮像方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大視野での撮像を行なうのに超音波プローブ
の操作性が良く、また、撮像した画像の品質が高い超音
波撮像方法および装置を実現する。 【解決手段】 超音波プローブ２を超音波トランスデュ
ーサエレメントの配列の方向（ｘ方向）に移動させなが
ら超音波撮像を行ない、トラジェクトリ検出部１２で各
撮像時点における超音波トランスデューサエレメントの
位置を確定し、エコーメモリ１８に記憶した超音波トラ
ンスデューサエレメントごとの超音波受信信号を用いて
開口合成プロセッサ２０により開口合成画像を生成す
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、超音波撮像方法お
よび装置に関し、特に、超音波プローブ（ｐｒｏｂｅ）
を移動させながら、超音波プローブの視野よりも広い視
野で超音波撮像を行なう超音波撮像方法および装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】超音波プローブの視野すなわち超音波ビ
ーム（ｂｅａｍ）のスキャン（ｓｃａｎ）範囲よりも広
い視野で超音波撮像を行なう手法として、コンパウンド
スキャン（ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｃａｎ）が知られてい
る。これは、超音波プローブを，超音波ビームのスキャ
ン面で被検体をスライス（ｓｌｉｃｅ）するように動か
して超音波撮像を行ない、逐次に得られる複数の画像を
用いて１つの大視野の画像を合成するようになってい
る。

【０００３】大視野の画像の合成は、複数の画像をそれ
らの相対的な位置関係に基づいて繋ぎ合わせることによ
り行なわれる。複数の画像の相対的な位置関係は、超音
波プローブの位置および姿勢を、撮像に並行して測定な
いし規制することにより求められる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】コンパウンドスキャン
においては、撮像時の超音波プローブの位置等を精密に
測定ないし規制する必要があるが、位置等の測定機構な
いし規制機構と組み合わされた超音波プローブは操作性
が低下するという問題があった。また、複数の画像の繋
ぎ合わせで合成される画像は品質が低下するという問題
があった。

【０００５】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、大視野での撮像を行なうの
に超音波プローブの操作性が良く、また、撮像した画像
の品質が高い超音波撮像方法および装置を実現すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】（１）上記の課題を解決
する第１の発明は、アレイ状に配列された複数の超音波
トランスデューサエレメントを有する超音波プローブを
前記超音波トランスデューサエレメントの配列の方向に
移動させながら超音波を送受信して超音波撮像を行な
い、得られた複数の画像につき撮像時点を異にする２つ
の画像間での相互相関に基づいて各撮像時点における超
音波トランスデューサエレメントの位置を求め、前記位
置が求められた超音波トランスデューサエレメントで形
成される開口に基づき開口合成法により画像を生成す
る、ことを特徴とする超音波撮像方法である。

【０００７】（２）上記の課題を解決する第２の発明
は、アレイ状に配列された複数の超音波トランスデュー
サエレメントを有する超音波プローブを前記超音波トラ
ンスデューサエレメントの配列の方向に移動させながら
超音波を送受信して超音波撮像を行なう撮像手段と、前
記撮像手段で得られた複数の画像につき撮像時点を異に
する２つの画像間での相互相関に基づいて各撮像時点に
おける超音波トランスデューサエレメントの位置を求め
る位置算出手段と、前記位置が求められた超音波トラン
スデューサエレメントで形成される開口に基づき開口合
成法により画像を生成する画像生成手段とを具備するこ
とを特徴とする超音波撮像装置である。

【０００８】第１の発明または第２の発明において、前
記複数の超音波トランスデューサエレメントが１次元の
アレイ状に配列されていることが、超音波トランスデュ
ーサエレメントの位置をＢモード画像の２次元相互相関
に基づいて求める点で好ましい。

【０００９】また、第１の発明または第２の発明におい
て、前記複数の超音波トランスデューサエレメントが２
次元のアレイ状に配列されていることが、超音波プロー
ブの移動方向の自由度が高い点で好ましい。

【００１０】（作用）本発明では、超音波プローブを超
音波トランスデューサエレメントの配列の方向に移動さ
せながら超音波撮像を行ない、得られた複数の画像につ
き、撮像時点を異にする２つの画像間での相互相関に基
づいて各撮像時点における超音波トランスデューサエレ
メントの位置を確定し、超音波トランスデューサエレメ
ントで形成される開口に基づき開口合成法により画像を
生成する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。図１に、超音波撮像装置の
ブロック（ｂｌｏｃｋ）図を示す。本装置は本発明の超
音波撮像装置の実施の形態の一例である。本装置の構成
によって、本発明の装置についての実施の形態の一例が
示される。本装置の動作によって、本発明の方法につい
ての実施の形態の一例が示される。

【００１２】本装置の構成を説明する。図１に示すよう
に、本装置は、超音波プローブ２を有する。超音波プロ
ーブ２は、例えば図２に示すように、超音波トランスデ
ューサアレイ（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｒｒａｙ）３
００を有する。超音波トランスデューサアレイ３００
は、複数の超音波トランスデューサエレメント（ｔｒａ
ｎｓｄｕｃｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）３０２を１次元的に
配列して構成される。なお、個々の超音波トランスデュ
ーサエレメントへの符号付けは１箇所で代表する。超音
波トランスデューサエレメント３０２の配列方向をｘ方
向とする。超音波トランスデューサエレメント３０２
は、例えばＰＺＴすなわちジルコン（Ｚｒ）酸チタン
（Ｔｉ）酸鉛（Ｐｂ）等の圧電材料で構成される。

【００１３】超音波プローブ２は、図示しない操作者に
より被検体４に当接されて使用される。操作者は、超音
波プローブ２を被検体４に当接した状態で、ｘ方向すな
わち超音波トランスデューサエレメント３０２の配列方
向に移動させながら、超音波撮像を行なうようになって
いる。なお、被検体４の深さ方向をｚ方向とする。

【００１４】超音波プローブ２は送受信部６に接続され
ている。送受信部６は、超音波プローブ２に駆動信号を
与えて、被検体４内に超音波を送波させるようになって
いる。送受信部６は、また、超音波プローブ２が受波し
た被検体４からのエコーを受信するようになっている。

【００１５】送受信部６は、超音波トランスデューサア
レイ３００における個々の超音波トランスデューサエレ
メント３０２に対応する図示しない送受信器のアレイを
有し、そのアレイにおける個々の送受信器によって、個
々の超音波トランスデューサエレメント３０２にそれぞ
れ駆動信号を与え、また、個々の超音波トランスデュー
サエレメント３０２が受波したエコーをそれぞれ受信す
るようになっている。送受信部６は、また、図示しない
データ収集回路を有し、送受信器アレイが受信したＲＦ
（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）エコー信号をディ
ジタルデータとして収集するようになっている。超音波
の送受信は所定の周期で繰返し行なわれる。

【００１６】このような送受信部６による超音波の送受
信の模式図を図３に示す。送受信部６は、超音波トラン
スデューサアレイ３００における個々の超音波トランス
デューサエレメント３０２を一斉に駆動することによ
り、同図に示すように、超音波トランスデューサアレイ
３００の全面から、超音波の送波パルスを平面波として
送波し、そのエコーを個々の超音波トランスデューサエ
レメント３０２で同時に受波するようになっている。

【００１７】各反射点からのエコーは、それぞれ球面波
として超音波トランスデューサアレイ３００の受波面に
帰投し、その波面信号が個々の超音波トランスデューサ
エレメント３０２によってそれぞれ受波される。各超音
波トランスデューサエレメント３０２が受波したＲＦエ
コー信号は、データ収集回路によりそれぞれディジタル
データとして収集される。

【００１８】送受信部６はビームフォーミング（ｂｅａ
ｍｆｏｒｍｉｎｇ）部８に接続されている。ビームフォ
ーミング部８は、送受信部６から入力されるエコーデー
タに基づいて、受波のビームフォーミング、すなわち、
所定の音線に沿ったエコーデータ列を生成するようにな
っている。受波のビームフォーミングは、受波のアパー
チャ（ａｐｅｒｔｕｒｅ）を構成する複数の超音波トラ
ンスデューサエレメント３０２のエコーデータを整相加
算することにより行なわれる。

【００１９】エコーデータの整相加算を複数のアパーチ
ャについて同時並行的に行い、いわゆるマルチビームフ
ォーミング（ｍｕｌｔｉ−ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）を
行なうようになっている。これにより、例えば図４に示
すように、放射点２００からｚ方向に発する音線２０２
を直線２０４の方向（ｘ方向）に複数本並行に形成し、
矩形状の２次元領域２０６のエコーを受信するためのマ
ルチビームフォーミングを行なう。

【００２０】送受信部６はＢモード（ｍｏｄｅ）処理部
１０に接続され、各音線毎のエコーデータ列をＢモード
処理部１０に入力するようになっている。Ｂモード処理
部１０はＢモード画像を形成するものである。すなわ
ち、音線上の各点でのエコーの強度を輝度値とする線画
像を求めそれを音線番号順に並べて、Ｂモード画像を形
成する。

【００２１】Ｂモード処理部１０にはＢモード画像メモ
リ１２が接続され、Ｂモード画像をフレーム（ｆｒａｍ
ｅ）ごとに記憶するようになっている。撮像を超音波プ
ローブ２をｘ方向に移動させながら行なうので、各画像
フレームはｘ方向における位置が異なるものとなる。以
上の、超音波プローブ２、送受信部６、ビームフォミン
グ部８、Ｂモード処理部１０およびＢモード画像メモリ
１２は、本発明における撮像手段の実施の形態の一例で
ある。

【００２２】Ｂモード画像メモリ１２には表示部１４が
接続され、Ｂモード画像を撮像次第に可視像として表示
するようになっている。操作者は、表示画像を環視しな
がら超音波プローブ２の移動させ、所望の範囲について
の撮像を遂行する。

【００２３】Ｂモード画像メモリ１２には、トラジェク
トリ（ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ）検出部１６が接続されて
いる。トラジェクトリ検出部１６は、本発明における位
置算出手段の実施の形態の一例である。トラジェクトリ
検出部１６は、例えばコンピュータ（ｃｏｍｐｕｔｅ
ｒ）等によって構成される。トラジェクトリ検出部１６
は、Ｂモード画像メモリ１２に記憶された複数のＢモー
ド画像に基づいて、ｘ方向における各フレームの撮像位
置を求め、それに基づいて、超音波トランスデューサア
レイ３００の移動の軌跡（トラジェクトリ）を検出する
ものである。トラジェクトリの検出は、撮像時点を異に
する２つのＢモード画像フレーム間の２次元相互相関
を、ｘ方向に連なる複数のフレームについて順次行なう
ことにより行なわれる。

【００２４】トラジェクトリ検出の原理を図５を用いて
説明する。同図に示すように、時刻ｔ１でＢモード画像
フレーム５０２を撮像し、時刻ｔ２でＢモード画像フレ
ーム５０４を撮像したとする。画像フレーム５０２，５
０４間には、被検体４の体表の凹凸等により、図示のよ
うに、ｘ方向での位置ずれに加えてｚ方向での位置ずれ
およびｘｚ面内での回転もあり得る。

【００２５】このような両画像フレーム５０２，５０４
においては、斜線で示すように共通の画像５０６が存在
する。共通の画像５０６が存在する２つの画像フレーム
５０２，５０４では、それらの相対的な２次元位置が、
共通の画像５０６がちょうど重なり合う状態になると
き、２次元相互相関値が最大になる。

【００２６】したがって、逆に、相対的な２次元位置が
不明な２つの画像フレーム５０２，５０４について、相
対的２次元位置を変化させながら逐一２次元相互相関を
行ない、相関値を最大にする相対的２次元位置を求めれ
ば、共通の画像５０６がちょうど重なり合う相対的２次
元位置が求まる。そこで、位置が既知の一方のフレーム
例えば５０２を基準として、他方のフレーム５０４の位
置を確定することができる。

【００２７】このような手法を利用して、トラジェクト
リ検出部１６は、予め分かっている超音波トランスデュ
ーサアレイ３００の初期位置等を出発点として、超音波
トランスデューサアレイ３００のｘ方向の位置を各フレ
ームごとに逐次求めて行く。なお、このときｚ方向の位
置およびｘｚ面内での回転角度も同時に求まるが、以下
ではｘ方向の位置で代表して説明する。

【００２８】このように求められた超音波トランスデュ
ーサアレイ３００のｘ方向の位置に基づいて、各フレー
ム撮像時の個々の超音波トランスデューサエレメント３
０２のｘ方向の位置が求められる。そのような個々の超
音波トランスデューサエレメント３０２のｘ方向の位置
は、後述する開口合成プロセッサ２０において、開口合
成画像の生成に利用される。

【００２９】送受信部６には、エコーメモリ１８が接続
されている。エコーメモリ１８は、超音波トランスデュ
ーサアレイ３００における個々の超音波トランスデュー
サエレメント３０２ごとのＲＦエコーデータを記憶する
ようになっている。エコーメモリ１８は、各回の送受波
ごとのＲＦエコーデータの組がぞれぞれ記憶される。各
ＲＦエコーデータの組はぞれぞれエコーのホログラム
（ｈｏｌｏｇｒａｍ）を構成する。すなわち、エコーメ
モリ１８は各送受波ごとのエコーのホログラムフレーム
を記憶するものとなる。

【００３０】超音波プローブ２をｘ方向に移動させなが
ら撮像を行なうので、各ホログラムフレームはｘ方向に
おける別々な位置で求めたものとなる。このホログラム
フレームは、Ｂモード画像メモリ１２に記憶されたＢモ
ード画像フレームと１対１に対応しており、対応するも
の同士はｘ方向の同じ位置で得られている。

【００３１】各Ｂモード画像フレームのｘ方向の位置が
上記のようにトラジェクトリ検出部１６によって求めら
れることにより、対応する各ホログラムフレームのｘ方
向の位置がおのずから確定する。また、それによって、
各ホログラムフレームにおいてホログラムデータをもた
らした、個々の超音波トランスデューサエレメント３０
２の位置が確定する。

【００３２】エコーメモリ１８は開口合成プロセッサ
（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）２０に接続されている。開口合
成プロセッサ２０は、本発明における画像生成手段の実
施の形態の一例である。開口合成プロセッサ２０は、コ
ンピュータ等により構成される。開口合成プロセッサ２
０は、エコーメモリ１８に記憶された複数のホログラム
に基づいて、開口合成法により超音波プローブ２のｘ方
向の移動の全範囲を実効開口とするＢモード画像を生成
するものである。

【００３３】開口合成法によるＢモード画像の生成は、
ホログラムを適宜のコンボリューションカーネル（ｃｏ
ｎｖｏｌｕｔｉｏｎ ｋｅｒｎｅｌ）でコンボリューシ
ョン演算することにより行なわれる。これを式で表せば
次式のようになる。

【００３４】

【数１】

【００３５】ここで、 Ｕ（ｘ，ｚ）：開口合成画像 Ｈ（ｘ，ｚ）：ホログラム Ｋ（ｘ，ｚ）：コンボリューションカーネル 開口合成プロセッサ２０は、トラジェクトリ検出部１６
からの入力データによって、ホログラムデータ収集時の
個々の超音波トランスデューサエレメント３０２のｘ方
向の位置、すなわち、超音波プローブ２の移動によって
形成された超音波送受波の実効開口における位置を確定
し、エコーメモリ１８に記憶されたホログラムデータを
用いて、上式のような開口合成演算により画像を生成す
る。生成した画像は開口合成画像メモリ２２に記憶し、
また、表示部２４に可視像として表示する。

【００３６】本装置の動作を説明する。操作者は、超音
波プローブ２を被検体４の所望の個所に当接し、ｘ方向
に移動させながら逐次超音波を送受信して撮像を行な
う。超音波プローブ２には、位置測定機構や移動規制機
構等が一切組み合わされていないので、超音波プローブ
２の操作は操作者の意のままに自由に行なうことができ
る。すなわち超音波プローブ２の操作性が極めて良い。

【００３７】超音波プローブ２を移動させつつ撮像した
各瞬時のＢモード画像は、逐一Ｂモード画像メモリ１２
に記憶され、また、表示部１４に表示される。操作者は
表示画像を環視しながら撮像を実行する。

【００３８】このような撮像を行なうときの各瞬時の各
超音波トランスデューサエレメント３０２の位置が、ト
ラジェクトリ検出部１６により、Ｂモード画像メモリ１
２に記憶されたＢモード画像についての２次元相互相関
から求められ、開口合成プロセッサ２０に入力される。

【００３９】このように、トラジェクトリ検出部１６
が、Ｂモード画像についての演算処理によって超音波ト
ランスデューサエレメント３０２の位置を求めるので、
超音波プローブ２に組み合わせる位置測定機構や移動規
制機構等が不要となる。

【００４０】開口合成プロセッサ２０は、トラジェクト
リ検出部１６から入力された超音波トランスデューサエ
レメント３０２の位置情報とエコーメモリ１８から読み
出したホログラムデータに基づいて、開口合成法により
超音波プローブ２のｘ方向の移動の全範囲を視野とする
大視野の画像を生成し、生成した画像を開口合成画像メ
モリ２２に記憶するとともに表示部２４に表示する。

【００４１】開口合成法による画像の生成は、超音波プ
ローブ２のｘ方向の移動の全範囲にに相当する大きな実
効開口で求めたホログラムデータに基づいて行なわれる
ので、コンパウンドスキャンで撮像した画像から合成し
た画像に比べて遙かに高品質の画像を得ることができ
る。

【００４２】以上では、超音波プローブの撮像範囲を矩
形領域とした例について説明したが、超音波トランスデ
ューサアレイを超音波送波方向に張り出した円弧に沿っ
て形成したいわゆるコンベックスアレイ（ｃｏｎｖｅｘ
ａｒｒａｙ）を用いれば、上記と同様なビームフォー
ミングにより、例えば図６に示すように、音線２０２の
放射点２００を円弧２０４に沿って配列し、扇面状の２
次元領域２０６を撮像することができることはいうまで
もない。また、例えば図７に示すように、共通の放射点
２００から発散する複数の音線２０２を形成し、扇状の
２次元領域２０６を撮像するようにしても良い。

【００４３】また、以上において、ビームフォーミング
は、複数音線について同時に行なう代わりに、１音線ず
つ順次に行ない、撮像領域を音線順次で走査するように
しても良い。その場合、音線の密度を粗くして１フレー
ム当たりの撮像時間を短くすることが、超音波プローブ
の移動に伴う画像のブレを少なくする点で好ましい。な
お、音線密度を粗にすることによりＢモード画像の精細
さが低下するが、相互相関によるトラジェクトリの検出
精度にはあまり影響がない。

【００４４】また、超音波プローブが超音波トランスデ
ューサエレメントの１次元アレイを持つ例で説明した
が、それに限らず、超音波トランスデューサエレメント
の２次元アレイを持つものであっても良い。これは、２
次元アレイでは超音波トランスデューサエレメントの配
列があらゆる方向に形成され、超音波プローブの移動方
向の自由度が高まる点で好ましい。なお、２次元アレイ
を用いた場合は、超音波プローブのトラジェクトリの検
出に３次元相互相関を利用する。

【００４５】また、開口合成法による画像生成は、上記
のように撮像次第にリアルタイム（ｒｅａｌ ｔｉｍ
ｅ）で行なう代わりに、Ｂモード画像およびホログラム
を全て収録した後に、別なデータ処理装置でオフライン
（ｏｆｆ−ｌｉｎｅ）でポストプロッセッシング（ｐｏ
ｓｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）により行なうようにして
も良いのは勿論である。

【００４６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、大視野での撮像を行なうのに超音波プローブの操
作性が良く、また、撮像した画像の品質が高い超音波撮
像方法および装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の装置のブロック図
である。

【図２】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波トランスデューサアレイの模式図である。

【図３】本発明の実施の形態の一例の装置における超音
波送受波の模式図である。

【図４】本発明の実施の形態の一例の装置におけるビー
ムフォーミングの模式図である。

【図５】本発明の実施の形態の一例の装置におけるトラ
ジェクトリ検出を説明するための模式図である。

【図６】本発明の実施の形態の一例の装置におけるビー
ムフォーミングの模式図である。

【図７】本発明の実施の形態の一例の装置におけるビー
ムフォーミングの模式図である。

【符号の説明】

２ 超音波プローブ ４ 被検体 ６ 送受信部 ８ ビームフォーミング部 １０ Ｂモード処理部 １２ Ｂモード画像メモリ １４ 表示部 １６ トラジェクトリ検出部 １８ エコーメモリ ２０ 開口合成プロセッサ ２２ 開口合成画像メモリ ２４ 表示部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アレイ状に配列された複数の超音波トラ
   ンスデューサエレメントを有する超音波プローブを前記
   超音波トランスデューサエレメントの配列の方向に移動
   させながら超音波を送受信して超音波撮像を行ない、 得られた複数の画像につき撮像時点を異にする２つの画
   像間での相互相関に基づいて各撮像時点における超音波
   トランスデューサエレメントの位置を求め、 前記位置が求められた超音波トランスデューサエレメン
   トで形成される開口に基づき開口合成法により画像を生
   成する、ことを特徴とする超音波撮像方法。
2. 【請求項２】 アレイ状に配列された複数の超音波トラ
   ンスデューサエレメントを有する超音波プローブを前記
   超音波トランスデューサエレメントの配列の方向に移動
   させながら超音波を送受信して超音波撮像を行なう撮像
   手段と、 前記撮像手段で得られた複数の画像につき撮像時点を異
   にする２つの画像間での相互相関に基づいて各撮像時点
   における超音波トランスデューサエレメントの位置を求
   める位置算出手段と、 前記位置が求められた超音波トランスデューサエレメン
   トで形成される開口に基づき開口合成法により画像を生
   成する画像生成手段と、を具備することを特徴とする超
   音波撮像装置。