JP2004113694A

JP2004113694A - 超音波撮像装置及び超音波撮像方法

Info

Publication number: JP2004113694A
Application number: JP2002285000A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Sato; 佐藤　智夫
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】高いサンプリングレートで超音波画像を得るために同時に複数の超音波ビームを送受信するマルチビーム方式を採用しつつ、複数の方向から反射される超音波エコー間のクロストークを低減することができる超音波撮像装置を提供する。
【解決手段】この超音波撮像装置は、複数の駆動信号に従って超音波ビームを形成して被検体に送信すると共に、被検体から反射される超音波エコーを受信する超音波用探触子１３と、異なる位相を有する複数の超音波ビームによって被検体を並列的に走査するように、複数の駆動信号の遅延量を調整して超音波用探触子に供給する送信側回路１０〜１２と、超音波用探触子が超音波エコーを受信することによって得られる複数の検出信号を、超音波エコーの位相情報に基づいて処理することにより、被検体に関する画像情報を得る受信側回路１６〜２５とを具備する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を送受信することにより生体内臓器の診断や非破壊検査を行うために用いられる超音波撮像装置及び超音波撮像方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療用の超音波診断装置や工業用の探傷装置等として用いられる超音波撮像装置においては、通常、超音波の送受信機能を有する複数の超音波トランスデューサを含む超音波探触子（プローブ）が用いられる。このような超音波探触子を用いて、複数の超音波トランスデューサから送信される超音波を合波して形成される超音波ビームによって被検体を走査させることにより、被検体に関する画像情報が得られる。さらに、この画像情報に基づいて、被検体の２次元又は３次元領域における超音波画像が再現される。このような超音波ビームを用いた走査方法の１つとして、被検体の扇状の２次元領域を角度方向に走査する、いわゆるセクタ走査が知られている。
【０００３】
セクタ走査は、本来、人体の肋間から心臓を観察するための手法として開発されたものである。一般的に、セクタ走査においては、送信点から被検体の深さ方向に延びる超音波ビームが被検体内に扇状に順次送信され、この超音波ビームによって、被検体の扇状の２次元領域が等間隔の角度で走査される。ここで、各々の角度において、超音波ビームに沿って被検体の深さ方向に等間隔で分布する複数のサンプリング点に関する画像情報が、一定の時間間隔でサンプリングされる。サンプリングされた画像情報に基づいて得られた２次元又は３次元の超音波画像は、心臓については断層心エコー図と呼ばれている。
【０００４】
一方、超音波に含まれる基本波の高調波成分を利用するハーモニック・イメージングにおいては、高い音圧により超音波造影剤の気泡を破壊することにより、血流からのエコー信号の増強が図られている。下記の特許文献１には、時系列に送信する超音波ビームの位相を１８０°ずらすことにより、ハーモニック・イメージングにおけるフレームレートを向上させることが開示されている。また、下記の特許文献２には、時系列に送信する超音波ビームの位相を１８０°ずらすことが開示されている。
【０００５】
ところで、近年においては、より高いサンプリングレートで超音波画像を得ることが検討されている。下記の特許文献３には、リアルタイムで３次元超音波画像を形成するために２次元トランスデューサアレイを用いると共に、同時に複数の超音波ビームを送受信するマルチビーム方式を採用した超音波撮像システムにおいて、クロストークを除去する幾つかの技術が開示されている。クロストークを除去する技術としては、超音波ビームをコード化して送信したり、隣接ビームのサイドローブがゼロとなる方向にメインビームを送信したり、超音波ビームの送信方向を離したり、複数の超音波ビームの間で異なる中心周波数を用いることが挙げられている。
【０００６】
しかしながら、超音波ビームをコード化しても、同時に送受信される超音波ビームの数が増加すると、コードにより超音波ビームを識別することが困難になる。また、隣接ビームのサイドローブがゼロとなる方向にメインビームを送信しようとしても、生体内においては隣接ビームのサイドローブが完全にゼロとはならない。一方、超音波ビームの送信方向を離す場合には、同時に多数の超音波ビームを送受信することが困難である。また、複数の超音波ビームの間で異なる中心周波数を用いる場合には、超音波トランスデューサの周波数帯域に限界があるため、同時に送受信される超音波ビームの数が制限される。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第６，１９３，６６３号明細書（アブストラクト）
【特許文献２】
米国特許第６，３５８，２１０号明細書（アブストラクト）
【特許文献３】
米国特許第６，１７９，７８０号明細書（アブストラクト、図７−図１０）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、高いサンプリングレートで超音波画像を得るために同時に複数の超音波ビームを送受信するマルチビーム方式を採用しつつ、複数の方向から反射される超音波エコー間のクロストークを低減することができる超音波撮像装置及び超音波撮像方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る超音波撮像装置は、超音波撮像装置であって、複数の駆動信号に従ってそれぞれ動作する複数の超音波トランスデューサによって超音波ビームを形成して被検体に送信すると共に、被検体から反射される超音波エコーを受信する超音波用探触子と、異なる位相を有する複数の超音波ビームによって被検体を並列的に走査するように、複数の駆動信号の遅延量を調整して超音波用探触子に供給する送信側回路と、超音波用探触子が超音波エコーを受信することによって得られる複数の検出信号を、超音波エコーの位相情報に基づいて処理することにより、被検体に関する画像情報を得る受信側回路とを具備する。
【００１０】
また、本発明に係る超音波撮像方法は、複数の駆動信号に従ってそれぞれ動作する複数の超音波トランスデューサによって超音波ビームを形成して被検体に送信すると共に、被検体から反射される超音波エコーを受信する超音波用探触子を用いて、被検体を撮像する超音波撮像方法であって、異なる位相を有する複数の超音波ビームによって被検体を並列的に走査するように、複数の駆動信号の遅延量を調整して超音波用探触子に供給するステップ（ａ）と、超音波用探触子が超音波エコーを受信することによって得られる複数の検出信号を、超音波エコーの位相情報に基づいて処理することにより、被検体に関する画像情報を得るステップ（ｂ）とを具備する。
【００１１】
本発明によれば、異なる位相を有する複数の超音波ビームによって被検体を並列的に走査することにより、複数の方向から反射される超音波エコー間のクロストークを低減することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。この超音波撮像装置は、例えば、医療用の超音波診断装置や工業用の探傷装置として用いられる。
【００１３】
図１に示すように、超音波撮像装置は、超音波用探触子１３と、超音波用探触子１３に複数の駆動信号を供給して超音波を送信させる送信側回路１０〜１２と、超音波用探触子１３が超音波エコーを受信することによって得られる複数の検出信号を処理することにより被検体に関する画像情報を得る受信側回路１６〜２５と、受信側回路から出力される画像信号に基づいて画像を表示する画像表示部３０と、各部の回路を制御するＣＰＵ等のシステム制御部４０とを含んでいる。
【００１４】
被検体に当接させて用いられる超音波用探触子１３は、２次元トランスデューサアレイを構成する複数の超音波トランスデューサ１４を備えている。超音波トランスデューサ１４としては、例えば、ＰＺＴ（Ｐｂ（ｌｅａｄ）　ｚｉｒｃｏｎａｔｅ　ｔｉｔａｎａｔｅ：チタン酸ジルコン酸鉛）等のセラミック圧電材やＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ：ポリフッ化ビニリデン）等の高分子圧電材を材料とする圧電素子を用いることができる。本実施形態においては、１つの超音波トランスデューサが超音波の送信と受信の両方に用いられるが、超音波の送信と受信のために別々の超音波トランスデューサを備えるようにしても良い。また、２次元トランスデューサアレイの替わりに、行又は列の数が少ない１．５次元トランスデューサアレイや、１次元トランスデューサアレイを用いても良い。
【００１５】
超音波の送信時においては、異なる位相を有するＮ本（Ｎは２以上の整数）の超音波ビームによって被検体を並列的に（ほぼ同時に）走査するように、送信ビームフォーマ１０が送信遅延コントロール部１１にＮ個のアドレスを供給する。送信遅延コントロール部１１は、供給されたＮ個のアドレスに基づいて、超音波用探触子１３に含まれている複数の超音波トランスデューサ１４から送信すべき超音波の遅延時間を、内蔵する遅延時間格納メモリから読み出し、これに基づいて複数の発火信号を生成する。
【００１６】
送信遅延コントロール部１１において生成された複数の発火信号は、複数のパルサ回路１２にそれぞれ供給される。これらのパルサ回路１２は、供給された発火信号に従って、複数の駆動信号を超音波用探触子１３に出力する。超音波用探触子１３に含まれている複数の超音波トランスデューサ１４は、対応するパルサ回路１２から出力された駆動信号に基づいて、超音波を発生する。これにより、複数の超音波トランスデューサから発生された超音波の合波によって形成される超音波ビームを所望の方向に偏向させて、被検体を走査させることができる。
【００１７】
ここで、図２に示すように、２次元トランスデューサの開口部の一辺の長さをＬとし、最大偏向角をθ_ＭＡＸとすると、最大偏向のために必要な遅延量τ_ＭＡＸは次式で表される。
τ_ＭＡＸ＝（Ｌ・ｓｉｎθ_ＭＡＸ）／ｃ　・・・（１）
ただし、ｃは超音波の音速である。また、図３に示すように、送信波Ａ及びＢの時間間隔をＴとすると、マルチビーム方式の特徴を生かすためには、Ｔが次の条件を満たすことが必要である。
Ｔ≦１０τ_ＭＡＸ　・・・（２）
ここで、τ_ＭＡＸは１０μ秒程度であり、１０τ_ＭＡＸは超音波の進路のほぼ半分に相当する。さらに、不感帯が実質上問題とならないようにするためには、Ｔが次の条件を満たすことが望ましい。
Ｔ≦τ_ＭＡＸ　・・・（３）
【００１８】
このように、複数の送信波の合波により、異なる方向に延びる複数の超音波ビームを短い時間内に次々と形成する必要がある。そのため、パルサ回路１２としては、高い繰り返し周期で駆動信号を出力できる高速パルサ回路が好ましい。
【００１９】
本実施形態においては、Ｎ本の超音波ビームの内の隣接する２つの超音波ビーム間の位相差がπ／２＋２ｎπ（ｎは整数であり、以下においては０とする）となるように、送信ビームフォーマ１０及び送信遅延コントロール部１１が複数の駆動信号の遅延量を調整する。例えば、図４に示すように、位相が９０°ずつ回転している３本の超音波ビーム１〜３が、角度φずつ離れた３つの方向に並列的に送信される。これらの超音波ビームは、同じ方向に移動するようにステアリングされる。図５に、これら３本の超音波ビームの波形を示し、図６に、合成される送信波の角度に対する強度分布を示す。図６においては、２次元トランスデューサアレイの中心から一定の距離における送信波の強度分布が示されている。
【００２０】
一方、超音波の受信時においては、複数の超音波トランスデューサ１４から出力される検出信号が、それぞれに対応する複数の前置増幅器１６によって増幅された後、受信遅延コントロール部１７に入力される。受信遅延コントロール部１７は、システム制御部４０の制御の下で、増幅された検出信号に所望の遅延を与えて加算する。これにより、超音波用探触子１３に含まれる複数の超音波トランスデューサ１４が超音波エコーを受信することによって得られる複数の検出信号について、位相の整合に基づく受信ビームフォーミングが行われる。
【００２１】
受信遅延コントロール部１７からは、並列的に送信される超音波ビームに対応したＮ本の受信ビーム毎に出力信号が取り出される。これらの出力信号は、ＳＴＣ（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　Ｔｉｍｅ　ｇａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ：感度時間利得制御）回路１８によって、深部検出における検出信号の減衰の補正が行われる。また、Ｎ本の受信ビームに対応した数の同期検波回路１９によって、Ｎ本の受信ビーム毎に検出信号の同期検波が行われる。これらの同期検波回路１９には、局部発振器によって発生された局部発振信号が、位相を９０°ずつ回転させながら供給されている。これにより、送信した超音波ビームの位相に対応して検出信号の同期検波が行われ、受信波の強度が求められる。あるいは、同期検波を行う替わりに、検出信号に対して相関処理を施すことにより、送信した超音波ビームの位相に対応して受信波の強度を求めるようにしても良い。
【００２２】
図７は、角度に対する受信特性を示したものである。図６に示す送信波の強度分布と、図７に示す受信特性とを掛け合わせると、図８に示すような受信波の強度分布が求められる。図８において、破線は、従来技術において複数の送信ビームの位相を同一とした場合における受信波の強度分布を示しており、隣接する送信ビームのピーク位置に−３０ｄＢ程度のクロストークが発生している。これに対し、実線は、本実施形態において複数の送信ビームの位相を９０°ずつ回転させた場合における受信波の強度分布を示しており、同期検波又は相関処理によってクロストークが低減できることを示している。なお、一点鎖線は、マルチビーム方式によらずに１本のビームだけを送信した場合における受信波の強度分布を示している。
【００２３】
各々の同期検波回路１９から出力された検出信号は、Ｌｏｇ圧縮回路２０によって対数圧縮され、Ａ／Ｄコンバータ２１においてディジタル信号（検出データ）に変換されて、メモリ２２に一旦記憶される。さらに、ＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ　ＳｃａｎＣｏｎｖｅｒｔｏｒ：ディジタルスキャンコンバータ）２４において走査フォーマットの変換を行うことにより、超音波ビームの走査空間における画像データが物理空間における画像データに変換される。なお、３次元画像の表示を行う場合には、メモリ２２とＤＳＣ２４との間に３次元画像構成部２３を組み込んでも良い。３次元画像構成部２３は、メモリ２２に蓄積された複数枚の断層データから、ある体積についてのデータであるボクセル（ｖｏｘｅｌ）データを生成する。ＤＳＣ２４によって走査フォーマットが変換された画像データは、Ｄ／Ａコンバータ２５においてアナログ信号に変換され、画像表示部３０に超音波画像が表示される。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態においては、Ｎ本の超音波ビームの内の隣接する２つの超音波ビーム間の位相差がπ＋２ｎπ（ｎは整数であり、以下においては０とする）となるように、送信ビームフォーマ１０及び送信遅延コントロール部１１が複数の駆動信号の遅延量を調整する。その他の点に関しては、第１の実施形態と同様である。例えば、図９に示すように、位相が１８０°ずつ回転している４本の超音波ビーム１〜４が、角度φ’ずつ離れた４つの方向に並列的に送信される。これらの超音波ビームは、同じ方向に移動するようにステアリングされる。
【００２５】
図１０に、これら４本の超音波ビームの波形を示し、図１１に、合成される送信波の角度に対する強度分布を示す。図１１においては、２次元トランスデューサアレイの中心から一定の距離における送信波の強度分布が示されている。ここで、破線は、従来技術において複数の送信ビームの位相を同一とした場合における送信波の強度分布を示している。これに対し、実線は、本実施形態において複数の送信ビームの位相を１８０°ずつ回転させた場合における送信波の強度分布を示しており、隣接する超音波ビームの送信方向の中点においては、位相が１８０°ずれた送信波の打ち消し合いにより送信音圧が低下する。
【００２６】
図１２は、角度に対する受信特性を示したものである。図１１に示す送信波の強度分布と、図１２に示す受信特性とを掛け合わせると、図１３に示すような受信波の強度分布が求められる。図１３において、破線は、従来技術において複数の送信ビームの位相を同一とした場合における受信波の強度分布を示している。これに対し、実線は、本実施形態において複数の送信ビームの位相を１８０°ずつ回転させた場合における受信波の強度分布を示しており、同期検波又は相関処理によってクロストークが低減できることを示している。本実施形態においては、隣接する超音波ビームのピークは残るものの、ディップをより深くすることができるので、超音波ビームの送信方向の近傍におけるコントラストが上昇する。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、異なる位相を有する複数の超音波ビームによって被検体を並列的に走査することにより、複数の方向から反射される超音波エコー間のクロストークを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】超音波ビームの偏向に必要な遅延量について説明するための図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における送信波の時間間隔に関する条件について説明するための図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における複数の超音波ビームの送信について説明するための図である。
【図５】本発明の第１の実施形態において送信される３本の超音波ビームの波形を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における送信波の強度分布を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態における受信特性を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態における受信波の強度分布を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態における複数の超音波ビームの送信について説明するための図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態において送信される３本の超音波ビームの波形を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態における送信波の強度分布を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態における受信特性を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態における受信波の強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１０　送信ビームフォーマ
１１　送信遅延コントロール部
１２　パルサ回路
１３　超音波用探触子
１４　超音波トランスデューサ
１６　前置増幅器
１７　受信遅延コントロール部
１８　ＳＴＣ回路
１９　同期検波回路
２０　Ｌｏｇ圧縮回路
２１　Ａ／Ｄコンバータ
２２　メモリ
２３　３次元画像構成部
２４　ＤＳＣ
２５　Ｄ／Ａコンバータ
３０　画像表示部
４０　システム制御部

Claims

超音波撮像装置であって、
複数の駆動信号に従ってそれぞれ動作する複数の超音波トランスデューサによって超音波ビームを形成して被検体に送信すると共に、被検体から反射される超音波エコーを受信する超音波用探触子と、
異なる位相を有する複数の超音波ビームによって被検体を並列的に走査するように、複数の駆動信号の遅延量を調整して前記超音波用探触子に供給する送信側回路と、
前記超音波用探触子が超音波エコーを受信することによって得られる複数の検出信号を、超音波エコーの位相情報に基づいて処理することにより、被検体に関する画像情報を得る受信側回路と、
を具備する超音波撮像装置。
前記送信側回路が、前記複数の超音波ビームの内の隣接する２つの超音波ビーム間の位相差がπ／２＋２ｎπ又はπ＋２ｎπ（ｎは整数）となるように、複数の駆動信号の遅延量を調整する手段を含む、請求項１記載の超音波撮像装置。
前記受信側回路が、超音波エコーの受信によって得られる複数の検出信号に対して同期検波又は相関処理を行う手段を含む、請求項１又は２記載の超音波撮像装置。
複数の駆動信号に従ってそれぞれ動作する複数の超音波トランスデューサによって超音波ビームを形成して被検体に送信すると共に、被検体から反射される超音波エコーを受信する超音波用探触子を用いて、被検体を撮像する超音波撮像方法であって、
異なる位相を有する複数の超音波ビームによって被検体を並列的に走査するように、複数の駆動信号の遅延量を調整して前記超音波用探触子に供給するステップ（ａ）と、
前記超音波用探触子が超音波エコーを受信することによって得られる複数の検出信号を、超音波エコーの位相情報に基づいて処理することにより、被検体に関する画像情報を得るステップ（ｂ）と、
を具備する超音波撮像方法。
ステップ（ｂ）が、超音波エコーの受信によって得られる複数の検出信号に対して同期検波又は相関処理を行うことを含む、請求項４記載の超音波撮像方法。