JPWO2007039972A1 - 超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

超音波アレイ探触子の信号チャンネル数を低減すると共に、高画質な画像を得る。超音波アレイ１００を複数のサブアレイに分け、第１の受信ビームフォーマ３００でサブアレイを構成する電気音響変換素子からの受信信号を遅延して加算し、第２の受信ビームフォーマ５００で第１の受信ビームフォーマの出力を１チャンネルとして、第１の受信ビームフォーマの出力信号を遅延して加算する。１回の超音波送信に対する受信中は第１の受信ビームフォーマにおける遅延量Δτmを固定し、第２の受信ビームフォーマでダイナミックフォーカス受信を行う。第１の受信ビームフォーマにおける遅延量Δτmと、第２の受信ビームフォーマにおける遅延量τcとによって、撮像領域の深度Ｆmのときに最適な受信フォーカスビームを形成する。但し、１回の送信に対する撮像領域の深度をＦ1〜Ｆ2として、（Ｆ1＋Ｆ2）／３≦Ｆm≦（Ｆ1＋Ｆ2）／２である。

Description

本発明は、多数の電気音響変換素子から成る超音波アレイを具備する超音波診断装置に関し、特に第１の受信ビームフォーマと第２の受信ビームフォーマとを有する超音波診断装置に関する。

心臓の冠状動脈などの３次元的な血流計測や拍出量の計測など、空間と時間の４次元的な超音波エコーを計測するためには、電気音響変換素子を２次元アレイ状に配置した探触子が必要であり、所望の分解能を得るために数千個の電気音響変換素子を配列した２次元アレイを用いる必要がある。各電気音響変換素子から得られた信号は、受信ビームフォーマによって撮像空間のある一点にフォーカスするための整相処理が施される。しかし、数千チャンネルの入力を有する受信ビームフォーマは装置規模、コスト共に現実的ではないため、１００〜２００チャンネル程度にチャンネル数を低減する必要がある。この場合、十分な受信信号パワーを得るためになるべく多くの電気音響変換素子の信号を用いることが望ましい。

そこで、従来、３０００個の超音波アレイ素子を、各々のグループが２５個の素子を含む１２０個のサブアレイにまとめ、グループ内受信プロセッサにより個々の超音波アレイ素子信号を遅延して加算し、加算された信号を受信ビームフォーマのチャンネルの１つに提供する「グループ内プロセッサを有するフェーズドアレイ音響装置」が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この「グループ内プロセッサを有するフェーズドアレイ音響装置」では、グループ内受信プロセッサにおける遅延線は電荷結合素子、アナログＲＡＭ、サンプルアンドホールド回路、能動フィルタ、Ｌ−Ｃフィルタ、スイッチドキャパシタフィルタのうち、いずれか１つの素子を含んで構成されており、デジタル制御回路を有するシステムコントローラによって遅延値が提供される。特許文献１（段落０１１３、図３）に記載されているように、遅延データがロードされている間は、遅延データのロードにより生じるデジタルノイズによって微弱な受信信号が埋もれてしまうため、遅延データのロードはそれぞれの走査線に対して１回だけ行っている。
特開２０００−３３０８７号公報

従来の「グループ内プロセッサを有するフェーズドアレイ音響装置」では、１つの走査線に対して、グループ内受信プロセッサにセットできる遅延量が１組であるため、撮像領域の深度によっては、理想的なフォーカス遅延量に対して大きな遅延量誤差が生じるようになり、グレーティング・ローブが発生して音響Ｓ／Ｎが劣化するという問題があった。

そこで本発明は、撮像領域の各深度において遅延量誤差が小さく、音響Ｓ／Ｎの劣化が少ない超音波画像を得ることのできる超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明による超音波診断装置は、超音波アレイを構成する電気音響変換素子群から構成される複数のサブアレイと、サブアレイを構成する電気音響変換素子からの受信信号を遅延して加算する第１の受信ビームフォーマと、第１の受信ビームフォーマの出力を１チャンネルとして、第１の受信ビームフォーマの出力信号を遅延して加算する第２の受信ビームフォーマと、第１の受信ビームフォーマ及び第２の受信ビームフォーマの遅延量を制御する制御部とを具備し、１回の超音波送信に対する超音波受信中は第１の受信ビームフォーマにおける遅延量Δτ_mを固定し、第２の受信ビームフォーマでダイナミックフォーカス受信を行う。

固定の遅延量Δτ_mは、第１の受信ビームフォーマにおける遅延量Δτ_mと、第２の受信ビームフォーマにおける遅延量τ_cとによって、撮像領域の深度がＦ_mのときに最適な受信フォーカスビームが形成されるように設定する。深度Ｆ_mは、１回の超音波送信に対する撮像領域の深度をＦ₁〜Ｆ₂として、（Ｆ₁＋Ｆ₂）／３≦Ｆ_m≦（Ｆ₁＋Ｆ₂）／２である。

本発明によると、撮像領域全体に対して最も遅延量誤差の小さい受信フォーカスが可能となり、音響Ｓ／Ｎの劣化を最小限にして、高画質な超音波画像を得ることができる。

本発明の超音波診断装置の一実施例を示す装置構成ブロック図。 本発明の第１受信ビームフォーマにおける遅延量決定方法を説明するための遅延量プロファイル図。 誤差評価関数の固定深度特性図。 超音波探触子から第２受信ビームフォーマまでの受信系の構成を示した装置構成ブロック図。 本発明の第１受信ビームフォーマの別の一実施例を示す装置構成ブロック図。 １次元超音波アレイの構成図。 １次元超音波アレイのビームプロファイル図。 １次元超音波アレイのビームプロファイルの包絡面抽出図。 音響ノイズの固定深度特性図。 本発明による超音波診断装置の一実施例を示したオペレーション概念図。

符号の説明

１，２：超音波診断装置
３：被検体
１０：超音波探触子
１１〜１３：遅延量プロファイル曲線
１４：遅延量誤差面積
２０：装置本体
２１：送受分離スイッチ
２２：クロスポイントスイッチ
２３：送信ビームフォーマ
２４：送信アンプ
２５：信号処理部
２６：表示部
３１〜３３：誤差評価関数曲線
４０：ディスプレイ
４１：装置本体
４２：ケーブル
４３：超音波プローブ
４４：表示画面
４５：操作パネル
５０：撮影画像
５１：撮像深度数値表示部
５２：撮像深度画像表示部
５３：固定深度マーカー
５４：撮像領域選択ボックス
６１：固定深度選択操作部
６２：撮像領域選択操作部
６３：トラックボール
１００，７００：超音波アレイ
１０１〜１０４，１０ｎ，８０１〜８１６：サブアレイ
１１１〜１１４，１２１〜１２４，１３１〜１３４，１４１〜１４４，７０１〜７６４：アレイ素子
２００，２１１〜２１４，２２１〜２２４，２３１〜２３４，２４１〜２４４：受信アンプ
３００，３９０：第１受信ビームフォーマ
３５０，３６０，３７０，５５０：遅延線群
３１１〜３１４，３２１〜３２４，３３１〜３３４，３４１〜３４４，５１１〜５１４：遅延線
３０１〜３０４，３８０，５０１：加算手段
３１０，５１０：遅延量バッファメモリ
４００〜４０４：ＡＤ変換器
５００：第２受信ビームフォーマ
６００：制御部

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

まず、本発明の超音波診断装置の構成について説明する。図１は、本発明による超音波診断装置の一実施例を示す、装置構成ブロック図である。超音波診断装置１は、超音波探触子１０と装置本体２０とから構成され、超音波探触子１０は、複数のアレイ素子から成る超音波アレイ１００、送受分離スイッチ２１、受信アンプ２００、第1受信ビームフォーマ３００、クロスポイントスイッチ２２を含む構成となっている。

超音波アレイ１００は送受分離スイッチ２１に連結されており、送受分離スイッチ２１は、超音波送信時には超音波アレイ１００とクロスポイントスイッチ２２とを連結し、超音波受信時には、超音波アレイ１００と受信アンプ２００とを連結する。クロスポイントスイッチ２２は、送信ビームフォーマ２３の１チャンネルからの送信信号を、どのアレイ素子に伝送するかを選択する手段として用いられる。送信時における送信ビームフォーマ２３からの信号は、所望の超音波放射エネルギーが得られるように、送信アンプ２４で増幅され、クロスポイントスイッチ２２、送受分離スイッチ２１を介して超音波アレイ１００に伝送される。なお、送受分離スイッチ２１の役割をクロスポイントスイッチ２２で兼ねてもよい。

超音波アレイ１００で受信された信号は、送受分離スイッチ２１を介して受信アンプ２００へ出力される。受信アンプ２００はＴＧＣ（Time Gain Control）の機能を備えていてもよい。受信アンプ２００からの信号は第１受信ビームフォーマ３００へ送られ、超音波アレイ１００の口径を分割してなるサブアレイ毎に、信号が遅延、加算される。１つの走査線、あるいは１回の送信に対する受信中は、第１受信ビームフォーマでの信号の遅延量は固定される。第１受信ビームフォーマ３００の出力はＡＤ変換器４００でデジタル信号に変換され、第２受信ビームフォーマ５００に出力される。なお、ＡＤ変換器４００は、超音波探触子１０の中に含んでもよい。

第２受信ビームフォーマ５００では、ダイナミックフォーカス処理が行われて、撮像領域の各深度に応じた受信ビームが形成されるように信号を遅延し、加算する。ここで第２受信ビームフォーマでは、入力信号を複数に分岐させて、それぞれ異なる遅延を与え、同時に複数の受信ビームを形成してもよく、これによって撮像のフレームレートを向上させることができる。

第２受信ビームフォーマ５００の出力は、信号処理部２５で所望の信号処理が施され、表示部２６で画像情報に変換され表示される。送信ビーム方向、受信ビーム方向、遅延量、表示などの制御は、制御部６００によって行われる。制御部６００は、撮像領域の範囲を指定するためのインターフェイスを含んでおり、例えばユーザーによって撮像領域の深度が指定されると、第１受信ビームフォーマ３００や第２受信ビームフォーマ５００で与えるべき適切な遅延量を決定し、第１受信ビームフォーマ３００や第２受信ビームフォーマ５００に転送する。

次に、本発明の超音波診断装置の受信系について、図面を用いて詳細に説明する。図４は、超音波診断装置１の超音波探触子１０から第２受信ビームフォーマ５００までの受信系の構成を示した装置構成ブロック図である。以下では、超音波アレイ１００を構成するアレイ素子が１６個であるものとする。超音波アレイ１００は、それぞれがアレイ素子４個から構成されるサブアレイ１０１〜１０４からなり、サブアレイ１０１〜１０４は、それぞれアレイ素子１１１〜１１４、１２１〜１２４、１３１〜１３４、１４１〜１４４によって構成されている。受信時においては、図示しない送受分離スイッチ２１によって、超音波アレイ１００の信号が受信アンプ２００へ出力される。すべてのアレイ素子１１１〜１４４の信号は、個別の受信アンプ２１１〜２４４でそれぞれ増幅され、第１受信ビームフォーマ３００へ出力される。

第１受信ビームフォーマ３００は、遅延線３１１〜３４４を含む遅延線群３５０と、遅延線群３５０のための遅延量バッファメモリ３１０と、加算手段３０１〜３０４とを含んで構成されている。受信アンプ２１１〜２４４の各出力は、それぞれ異なる遅延量が与えられて、サブアレイ毎に加算され、ＡＤ変換器４０１〜４０４によって各サブアレイ毎にＡＤ変換されて、第２受信ビームフォーマ５００へ出力される。例えば、サブアレイ１０１を構成するアレイ素子１１１〜１１４の信号は、受信アンプ２１１〜２１４で増幅された後、遅延線３１１〜３１４で所望の遅延が与えられ、加算手段３０１で加算される。加算手段３０１からの出力信号は、ＡＤ変換器４０１でデジタル信号に変換されて、第２受信ビームフォーマ５００の１チャンネルあたりの入力信号となる。サブアレイ１０２〜１０４に関しても同様にして、第２受信ビームフォーマ５００の１チャンネルあたりの入力信号となる。

第２受信ビームフォーマ５００は、デジタル遅延線５１１〜５１４で構成される遅延線群５５０と、遅延線群５５０のための遅延量バッファメモリ５１０と、加算手段５０１とを含んで構成されている。

撮像領域の範囲が設定されると、制御部６００は、その撮像領域の範囲に応じた最適な遅延量を計算し、これを第１受信ビームフォーマ３００の遅延量バッファメモリ３１０と第２受信ビームフォーマ５００の遅延量バッファメモリ５１０に転送する。遅延量バッファメモリ３１０からの遅延データは１つの走査線あるいは１回の送信に対する受信中は固定されており、受信前に遅延線群３５０に遅延データがロードされる。第２受信ビームフォーマでは、ダイナミックフォーカス処理が施され、深度毎に適切な遅延がデジタル遅延線５１１〜５１４で与えられる。

次に、撮像領域の深度とグループ内受信プロセッサに与える遅延量との最適条件について検討する。図２は、第１の受信ビームフォーマにおける固定遅延量と、第２の受信ビームフォーマにおけるダイナミック遅延量との関係を示した、１次元超音波アレイの遅延量プロファイルである。１次元超音波アレイ１００は、ｎ個のサブアレイ１０ｎに分割されており、ｘ_n1〜ｘ_n2に位置するサブアレイ１０ｎの各超音波アレイ素子からの信号は、第１の受信ビームフォーマ３００で処理されて、第２の受信ビームフォーマ５００の１チャンネルに提供される。第１の受信ビームフォーマ３００における固定の遅延データを決定するために、深度Ｆ_mで理想的な受信フォーカスビームを形成すると仮定すると、その遅延量Δτ_idealのプロファイルは曲線１１のようになる。深度Ｆ_mに対して、第２の受信ビームフォーマで与えるべき遅延量Δτ_cは、サブアレイ１０ｎの位相中心から次のように求められる。

ここで、ｉは虚数単位、ωは超音波の角周波数である。したがって、第１の受信ビームフォーマで与えるべき固定の遅延量Δτ_mは、Δτ_m＝Δτ_ideal−Δτ_cと求められる。

次に、深度Ｆで理想的な受信フォーカスビームを形成することを考えると、その遅延量τ_idealのプロファイルは曲線１３のようになる。深度Ｆ_mの場合と同様に、第２の受信ビームフォーマで与えるべき遅延量τ_cは、式(2)のようになる。

先に求めた第１の受信ビームフォーマにおける遅延量Δτ_mとあわせて、実際の遅延量はτ_c＋Δτ_mとなり、遅延量プロファイルは図２の曲線１２のように示される。したがって、理想的な遅延量との誤差は
τ_ideal−（τ_c＋Δτ_m）＝（τ_ideal−Δτ_ideal）−（τ_c−Δτ_c）
となり、この誤差が大きいとサブアレイ間の誤差も大きく、グレーティング・ローブ発生の原因になる。そこで、図２の斜線で示されるΔｅ_n領域１４の面積の大きさを音響Ｓ／Ｎの劣化に影響を与えるパラメータとして、全てのサブアレイ１０ｎ、及び撮像領域の深度Ｆ₁〜Ｆ₂に対してΔｅ_nを積分した、次式(3)のような深度Ｆ_mの関数Ｅを、誤差評価関数として定義する。

音響Ｓ／Ｎの劣化を最小にする深度Ｆ_mを求めるには、ｄＥ／ｄＦ_m＝０となる深度Ｆ_mを求めればよい。問題を簡単にするために、撮像領域の深度をＦ₁〜Ｆ₂、深度Ｆ_m（Ｆ₁＜Ｆ_m＜Ｆ₂）が十分遠方にあるとして、いずれの深度に対しても位相中心の値に対する座標ｘがｘ_c（ｘ_n1＜ｘ_c＜ｘ_n2）にあると仮定する。音速をｃ₀とすれば、遅延量τ_ideal，Δτ_ideal，τ_c，Δτ_cはそれぞれ以下のように近似される。

式(4)を式(3)に代入し、ｘ，Ｆについての積分を実行すると次式(5)が得られる。

次に、式(5)で表される深度Ｆ_mと誤差評価関数Ｅとの関係を調べるために行ったシミュレーション結果について、図３を用いて説明する。シミュレーションは、１次元超音波アレイの口径Ｌを１９．２ｍｍ、素子数を６４（素子ピッチ０．３ｍｍ）、周波数を２．５ＭＨｚ、音速を１５００ｍ／ｓ、撮像領域の深度Ｆ₁〜Ｆ₂をＦナンバーで１〜９（Ｆ₁＝１９．２ｍｍ、Ｆ₂＝１７２．８ｍｍ）として、１次元超音波アレイを８個、１６個、３２個のサブアレイにそれぞれ分割した場合を仮定した。図３は、上記条件における誤差評価関数Ｅの固定深度特性図であり、横軸は深度Ｆ_mに対応するＦナンバーＦ_m／Ｌ、縦軸は誤差評価関数Ｅの値を対数軸上に示している。図中、実線３１〜３３はサブアレイが８個、１６個、３２個の場合の結果をそれぞれ示している。図３のシミュレーション結果から、誤差評価関数Ｅの最小値はＦ_m／Ｌ＝５付近のときであり、サブアレイの数が少ないと若干高くなること、Ｆ_m／Ｌ＞３では、誤差評価関数Ｅの値は低く抑えられることがわかる。

以上の結果から、誤差評価関数Ｅは深度Ｆ_mに関して、下に凸の曲線関係となっており、上述の深度Ｆ_mの最適値は、式(5)を用いて、ｄＥ／ｄＦ_m＝０、すなわちｄｆ／ｄＦ_m＝０となる深度Ｆ_mを求めればよく、結果としてＦ_m＝（Ｆ₁＋Ｆ₂）／２が最適値として得られる。したがって、撮像領域の深度Ｆ₁〜Ｆ₂（Ｆ₂＞Ｆ₁）が超音波アレイよりも充分遠方にある場合、第１の受信ビームフォーマにおける固定の遅延量は、Ｆ_m＝（Ｆ₁＋Ｆ₂）／２となる深度Ｆ_mで最適な受信フォーカスビームが形成されるように決定すればよいことが明らかになった。

上述の結果は、撮像領域の深度Ｆ₁〜Ｆ₂（Ｆ₂＞Ｆ₁）が超音波アレイよりも充分遠方にある場合の結果であり、また、グレーティング・ローブの強度を直接評価したものではない。そこで以下では、撮像領域の深度が浅いところにある場合も含めて、グレーティング・ローブを直接評価したシミュレーション結果について、図６〜図９を用いて説明する。

シミュレーションにおいては、図６に示すような、６４個の点音源状の素子７０１〜７６４（素子ピッチ０．３ｍｍ、アレイ寸法Ｌ＝１８．９ｍｍ）からなる１次元アレイ７００を考え、隣り合う４素子で一つのサブアレイを構成し、全１６サブアレイ８０１〜８１６で構成されているものとした。各サブアレイ８０１〜８１６は、第１の受信ビームフォーマで、それぞれ遅延、加算処理が行なわれ、第１の受信ビームフォーマからの１６個の出力は、第２の受信ビームフォーマで遅延、加算処理が行なわれる。第１の受信ビームフォーマで与えられる遅延量は固定とし、第２の受信ビームフォーマでは深度に応じた受信ダイナミックフォーカスを行なうものとする。また、周波数を２．５ＭＨｚ、音響媒質の音速を１５００ｍ／ｓとした。

図７は、図６の１次元超音波アレイ７００が形成する、１次元アレイの中央からの角度と深度との２次元ビームプロファイルを示したものである。図７においては、撮像領域の深度を２０ｍｍ〜１８０ｍｍとして、深度６８ｍｍにおいて最適なビームフォーミングがなされるように、第１の受信ビームフォーマにおける遅延量を固定し、走査線方向は１次元超音波アレイ７００の正面方向（０度方向）である。図７から、深度が６８ｍｍより浅い場合及び深い場合において、±３０度方向、±９０度方向にグレーティング・ローブが生じていることがわかる。

上記グレーティング・ローブを音響ノイズとして定義するために、まず、図７で示したようなビームプロファイルの包絡面を抽出する。図７の包絡面は図８のように示される。以下では、図８のような包絡面の全音響エネルギーＰ_mと、各深度において理想的なフォーカスが行なわれたときのビームプロファイルの包絡面の音響エネルギーＳ_iとの音響エネルギー差Ｎ_m＝Ｐ_m−Ｓ_iを計算し、Ｎ_mを音響ノイズとして定義する。

図９は、第１の受信ビームフォーマと第２の受信ビームフォーマとで与えられた遅延量によって、理想状態と同じ最適なフォーカスビームが形成される固定深度Ｆ_mと、上記音響ノイズＮｍとの関係を示した、音響ノイズの固定深度特性図である。図中、曲線３４〜３８は、撮像領域の深度範囲Ｆ₁〜Ｆ₂（Ｆ₁＜Ｆ₂）を、それぞれ２０ｍｍ〜１８０ｍｍ、２０ｍｍ〜１５０ｍｍ、４０ｍｍ〜１２０ｍｍ、１００ｍｍ〜１８０ｍｍ、１６０ｍｍ〜１８０ｍｍとした場合に相当する。１次元超音波アレイからの距離が充分遠方とみなせる曲線３６〜３８においては、図３で示した結果同様、ほぼＦ_m＝（Ｆ₁＋Ｆ₂）／２が、固定深度の最適値となっているが、曲線３４，３５のように撮像領域が充分遠方とみなせない領域を含む場合においては、固定深度の最適値はＦ_m＝（Ｆ₁＋Ｆ₂）／３程度となる。ここで充分遠方とは、１次元アレイの半分の寸法Ｌ／２と撮像領域の深度の最小値Ｆ₁との関係がarcTan（Ｌ／２Ｆ₁）≒Ｌ／２Ｆ₁となることに相当し、図６に示した１次元超音波アレイ７００の場合には、Ｆ₁≧４０ｍｍにおいて、約２％以内の誤差でarcTan（Ｌ／２Ｆ₁）≒Ｌ／２Ｆ₁が成り立つ。

以上のことから、撮像領域の深度の最小値Ｆ₁が充分遠方とみなせない浅いところにあり、撮像領域の深度の最小値Ｆ₂が充分遠方にあるとみなせる場合には、第１の受信ビームフォーマにおける固定の遅延量は、Ｆ_m＝（Ｆ₁＋Ｆ₂）／３となる深度Ｆ_mで最適な受信フォーカスビームが形成されるように決定すればよい。

したがって、図３に示した結果も含めると、第１の受信ビームフォーマにおける固定の遅延量は、深度Ｆ_mが（Ｆ₁＋Ｆ₂）／３≦Ｆ_m≦（Ｆ₁＋Ｆ₂）／２の範囲となるようにして決定すればよく、特に浅いところから深いところまで撮像する場合はＦ_m＝（Ｆ₁＋Ｆ₂）／３、充分深いところを撮像する場合はＦ_m＝（Ｆ₁＋Ｆ₂）／２とすればよい。

以上の結果は、被測定物の音速を１５００ｍ／ｓで一定として得られたものであり、被測定物が均質で、音速がほぼ一定の場合に適用される。しかし、被測定物が例えば生体であると、生体組織の種類によって、その音速は（１５６０±７０）ｍ／ｓ程度の幅を持つ。したがって、式(4)に示したような遅延時間を計算するとき、設定した音速から定まるフォーカス距離と、実際のフォーカス距離とに誤差を生じることを考慮する必要がある。

本発明の超音波診断装置において、音速の設定値をｃ₀とし、実際の被測定物の音速がｃ₀＋Δｃであるとする。また、音速をｃ₀としたときのフォーカス距離をＦ₀とし、実際のフォーカス距離をＦ₀＋ΔＦとする。このとき、上記設定値から求まる遅延時間と実際の遅延時間は等しいから、Ｆ₀ｃ₀＝（Ｆ₀＋ΔＦ）（ｃ₀＋Δｃ）の関係式が成り立つ。この関係式から、ΔＦ／Ｆ₀＝−（Δｃ／ｃ₀）／（１＋Δｃ／ｃ₀）が得られる。上述のように、例えば生体組織の音速が（１５６０±７０）ｍ／ｓであるとすれば、ｃ₀＝１５６０ｍ／ｓ、Δｃ＝±７０ｍ／ｓとすると、｜ΔＦ／Ｆ₀｜≦４．３％となる。実際には、異なる組織を音波が伝播する際に生じる屈折などの影響も考慮し、｜ΔＦ／Ｆ₀｜≦５％程度とすることが望ましい。

以上の結果から、上述した第１の受信ビームフォーマにおける固定の遅延量を決定するための深度Ｆ_mを求めた後、その値の±５％の幅で深度Ｆ_mを微調整できるようにすることが、実用上望ましい。

次に、撮像範囲の深度Ｆ₁〜Ｆ₂が与えられた場合に、第１受信ビームフォーマ３００及び第２受信ビームフォーマ５００で与えるべき遅延量の決定方法について、サブアレイ１０１を例に述べる。

まず、撮像範囲の深度の最小値Ｆ₁と最大値Ｆ₂とから、第１受信ビームフォーマ３００で与えられる固定の遅延量を決定するための深度Ｆ_mを、（Ｆ₁＋Ｆ₂）／３≦Ｆ_m≦（Ｆ₁＋Ｆ₂）／２の範囲で求める。ここで、深度Ｆ_mを求める際のアルゴリズムについて説明する。まず、超音波探触子には、近距離とみなせる深度と充分遠方とみなせる深度との境界の情報が与えられており、これらの境界の深度をＤとする。境界の深度Ｄは、例えば、超音波探触子の口径Ｌの半分の長さＬ／２を代表寸法として、２％の誤差でarcTan（Ｌ／２Ｄ）≒Ｌ／２Ｄが成り立つような値を選べば良い。

まず、撮像領域の深度Ｆ₁〜Ｆ₂の最小値Ｆ₁がＦ₁≧Ｄである場合には、Ｆ_m＝（Ｆ₁＋Ｆ₂）／２とする。撮像領域の深度Ｆ₁〜Ｆ₂の最小値Ｆ₁が口径と等しく（Ｆナンバーが１）、Ｆ₁＝Ｌである場合には、Ｆ_m＝（Ｆ₁＋Ｆ₂）／３とする。Ｌ＜Ｆ₁＜Ｄの範囲にある場合には、例えば、Ｌ＜Ｆ₁＜Ｄの間で（Ｆ₁＋Ｆ₂）／３＜Ｆ_m＜（Ｆ₁＋Ｆ₂）／２の関係式を直線補間し、Ｆ_m＝（Ｆ₁＋Ｆ₂）（Ｄ−Ｌ）／（３Ｄ−２Ｌ−Ｆ₁）の関係式から、最適な深度Ｆ_mが求められる。

次に、アレイ素子１１１〜１１４について、深度Ｆ_mで理想的な受信フォーカスビームが形成されるとした場合の遅延量Δτ_idealを求め、その中で最も小さい遅延量をΔτ_minとする。これより、第１受信ビームフォーマ３００内の遅延線３１１〜３１４に与えるべき遅延量Δτ_mは、Δτ_m＝Δτ_ideal−Δτ_minとして求まる。

次に、サブアレイ１０１を構成するアレイ素子１１１〜１１４に同じ遅延量Δτ_cを与えて加算したときに、深度Ｆ_mで受信ビームがフォーカスされるものとし、サブアレイ１０１に関して式(1)を用いて遅延量Δτ_cを求める。さらに、Δτ_cとΔτ_minとの差Δτ_d＝Δτ_c−Δτ_minを求める。

撮像領域の深度Ｆのデータを取得する場合、第２受信ビームフォーマ５００ではダイナミックフォーカス処理が行われる。すなわち、第２受信ビームフォーマ５００内の遅延線５１１で与える遅延量は次のようにして求められる。まず、サブアレイ１０１を構成するアレイ素子１１１〜１１４に同じ遅延量τ_cを与えて加算したときに、深度Ｆで受信ビームがフォーカスされるものとし、サブアレイ１０１に関して式(2)を用いて遅延量τ_cを求める。遅延量τ_cと前記Δτ_dから、遅延線５１１で与えるべき遅延量τ_c’がτ_c’＝τ_c−Δτ_dとして求まる。他の全てのサブアレイ１０２〜１０４についても同様の計算方法によって、第１受信ビームフォーマ３００及び第２受信ビームフォーマ５００で与えるべき遅延量Δτ_m及びτ_c’を求める。

以上のようにして、深度Ｆに受信ビームを形成すると、撮像領域の深度が充分遠方にある場合には、図２における曲線１２のような遅延データが与えられたことになる。曲線１２は深度Ｆ_m＝（Ｆ₁＋Ｆ₂）／２として求められているので、前述したように深度Ｆに理想的な受信フォーカスビームが形成される遅延データの曲線１３との差異が最も小さく抑えられている。したがって、撮像領域の深度Ｆ₁〜Ｆ₂においてグレーティング・ローブの影響を最小限に抑えることができる。同様に、撮像領域の深度が浅いところも含む場合にも、上述のように適切な固定深度Ｆ_mが選択され、グレーティング・ローブの影響を最小限に抑えることができる。

また、撮像領域の深度の最小値Ｆ_minと最大値Ｆ_maxに対して、ｍ回の送信によってＦ_min〜Ｆ_maxのデータを収集する場合には、例えばｍ回の送信でＦ_min〜Ｆ_max全体が撮像できるように、１回の送信における撮像領域の深度Ｆ₁〜Ｆ₂を決定し、上述の方法により、ｍ組のＦ₁〜Ｆ₂に対して遅延線群３５０で固定する遅延量Δτ_mをそれぞれ求めればよい。

また、上記ｍ組の各組において発生するグレーティング・ローブの方向は異なるため、１組のＦ₁〜Ｆ₂に対して固定されるΔτ_mを用いてＦ_min〜Ｆ_maxまでのデータを収集し、これを全ての組のＦ₁〜Ｆ₂に対して行って、全ての収集データを加算してもよい。

また、図５に示すように、第１受信ビームフォーマ内の遅延線群を２段直列に連結し、第１の遅延線群３６０、第２の遅延線群３７０、加算手段３８０、遅延量バッファメモリ３１０とから構成した第１受信ビームフォーマ３９０を用い、第１の遅延線群３６０で与えるべき遅延量は、全ての走査線方向に対して固定とし、第２の遅延線群３７０ではビーム方向のみを変化させるための遅延量を与えるようにすれば、各走査線に対してロードすべき遅延データの大きさが小さくなり、高速な撮像と省メモリ化が実現できる。

なお、上述の第１受信ビームフォーマにおける遅延線群３６０，３７０は、電荷結合素子、Ｌ−Ｃフィルタ、サンプルアンドホールド回路、スイッチドキャパシタ回路、アナログＲＡＭのうち、少なくとも１つの素子を含んで構成する。

上述の実施例は、１次元超音波アレイを対象としていたが、第１及び第２受信ビームフォーマを有する装置構成は、２次元超音波アレイからの受信信号のように、２０００〜３０００素子からの受信信号数を、１００〜２００チャンネルの信号数に低減するために特に有効な構成である。本発明の思想や上述の受信シーケンス、制御についても、１次元超音波アレイへの適用に限定されるものではなく、２次元超音波アレイにも適用される。

以上のような構成および制御のもと行なわれる超音波診断時のオペレーションの具体例について、図面を用いて説明する。

図１０は、本発明による超音波診断装置の一実施例を示したオペレーション概念図である。超音波診断装置２は装置本体４１と、ケーブル４２と、超音波プローブ４３と、ディスプレイ４０と、ユーザーが撮像条件を入力するための操作パネル４５とから構成されている。被検体３に超音波プローブ４３を当てると、ディスプレイ４０の表示画面４４に撮影画像５０が映し出される。この時、表示画面４４には、撮像画像５０の撮像領域の深度情報が撮像深度数値表示部５１と撮像深度画像表示部５２に表示される。撮像深度数値表示部５１には、撮像領域の深度の最小値Ｆ₁、最大値Ｆ₂、超音波プローブ４３に内包された図示しない前記第１の受信ビームフォーマの遅延量を決定する固定深度Ｆ_mの数値情報が表示されており、撮像深度画像表示部５２では、例えば固定深度の情報を固定深度マーカー５３によって表すなど、これらの深度情報がグラフィカルに表示される。

撮像領域の範囲は、例えば、表示画面４４に映し出された撮像領域選択ボックス５４を、操作パネル４５に設けられた撮像領域選択操作部６２やトラックボール６３によって操作して選択することができる。撮像領域の範囲が指定されると、これより得られる撮像領域の深度の最小値Ｆ₁、最大値Ｆ₂から、最適な固定深度Ｆ_mが計算され、超音波プローブ４３に内包された第１の受信ビームフォーマにおける遅延量が設定されて、撮像が行われる。また、固定深度Ｆ_mは、操作パネル４５に設けられた固定深度選択操作部６１によって、ユーザーが連続的あるいはステップ的に任意に設定することもでき、これによって超音波プローブ４３に内包された第１の受信ビームフォーマにおける遅延量の設定や、表示画面４４内の撮像深度数値表示部５１と撮像深度画像表示部５２で表される深度情報は、リアルタイムに追随して変更される。

以上のような、超音波診断装置のオペレーションによって、撮像領域の深度に対して最適な受信フォーカスが行われ、安価な装置構成で、高画質な診断画像が得られると共に、任意の深度に対して分解能の高い鮮明な画像を表示することも可能になる。

Claims (7)

1. 電気音響変換素子群から構成される複数のサブアレイと、
   前記サブアレイを構成する複数の電気音響変換素子からの受信信号を遅延して加算する第１の受信ビームフォーマと、
   前記第１の受信ビームフォーマの出力を１チャンネルとして、前記第１の受信ビームフォーマの出力信号を遅延して加算する第２の受信ビームフォーマと、
   前記第１の受信ビームフォーマ及び前記第２の受信ビームフォーマの遅延量を制御する制御部とを具備し、
   １回の超音波送信に対する超音波受信中は前記第１の受信ビームフォーマにおける遅延量Δτ_mを固定して前記第２の受信ビームフォーマでダイナミックフォーカス受信を行うことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１に記載の超音波診断装置において、前記第１の受信ビームフォーマにおける遅延量Δτ_mと、前記第２の受信ビームフォーマにおける遅延量τ_cとによって、撮像領域の深度がＦ_mのときに最適な受信フォーカスビームが形成されるように前記遅延量Δτ_mを設定することを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項１に記載の超音波診断装置において、１回の超音波送信に対する撮像領域の深度をＦ₁〜Ｆ₂（Ｆ₂＞Ｆ₁）として、（Ｆ₁＋Ｆ₂）／３≦Ｆ_m≦（Ｆ₁＋Ｆ₂）／２であることを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１に記載の超音波診断装置において、前記システム制御部は、撮像領域の深度の最小値Ｆ₁及び最大値Ｆ₂、あるいは撮像領域の入力を受けて、前記第１の受信ビームフォーマにおける遅延量Δτ_mを計算することを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１に記載の超音波診断装置において、１つの走査線における全撮像領域の深度Ｆ_min〜Ｆ_maxに対して複数回（ｍ回）の超音波ビームを送信し、各送信に対する撮像領域の深度Ｆ_1m〜Ｆ_2mを変化させ、各深度Ｆ_1m〜Ｆ_2mに対する前記遅延量Δτ_mを変化させて撮像することを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項１に記載の超音波診断装置において、１つの走査線における全撮像領域の深度Ｆ_min〜Ｆ_maxに対して複数回（ｍ回）の超音波ビームを送信し、各送信に対して前記遅延量Δτ_mを変化させて撮像し、前記第１の受信ビームフォーマと前記第２の受信ビームフォーマとによって、前記全撮像領域の深度Ｆ_min〜Ｆ_maxに対する受信ビームを各送信に対して形成し、１つの走査線に対するｍ個の前記受信ビームを加算して、前記走査線上の前記全撮像領域の深度Ｆ_min〜Ｆ_maxに対する受信ビームを形成することを特徴とする超音波診断装置。
7. 請求項１に記載の超音波診断装置において、前記第１の受信ビームフォーマは、全走査線に対し固定の遅延量を与える第１の遅延線と、１つの走査線に対して、角度成分のみを与える第２の遅延線とを含んで構成されることを特徴とする超音波診断装置。

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