JP2017164408A - 画像生成装置および画像生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】さらなる高分解能化を実現することができるビームフォーミング処理の新たな手法を提案すること。【解決手段】超音波を送受信した各走査に係る受信信号から超音波画像を生成する演算処理部を備えた画像生成装置であって、前記各走査について、当該走査の方向を含む前記受信信号の選択範囲を設定することと、前記選択範囲内の前記受信信号に基づいてビームフォーミング処理に用いる重みを算出することと、前記重みに基づいて前記ビームフォーミング処理を行って、当該走査に係る画像を生成することと、を前記演算処理部が実行する画像生成装置である。【選択図】図１７

Description

本発明は、超音波画像を生成する画像生成装置および画像生成方法に関する。

従来から、複数の超音波素子（超音波振動子）が配列された探触子を用いて超音波ビームを走査し、生体内部の様子を画像化する画像生成装置が知られている。画像化にあたっては、被検体の体表面から生体内に向けて超音波を送信し、その反射波の受信信号を加算するビームフォーミング処理を行う。しかし、単純なビームフォーミング処理では画像の分解能が低いため、より高分解能の画像を得るための技術が開発されている。例えば、特許文献１に記載のＭＶＢ（Minimum Variance Beamforming）処理もその１つである。

特開２０１５−７１０２８号公報

ＭＶＢ処理に代表される従来の技術によれば、一定程度の分解能が得られた。しかしながら、超音波画像においては、分解能は高ければ高いほど良い。超音波素子の数や周波数を上げることなく、超音波画像の分解能を高めることができれば、願ったり叶ったりである。そこで本発明は、さらなる高分解能化を実現することができるビームフォーミング処理の新たな手法を提案することを目的とする。

上記課題を解決するための第１の発明は、超音波を送受信した各走査に係る受信信号から超音波画像を生成する演算処理部を備えた画像生成装置であって、前記各走査について、当該走査の方向を含む前記受信信号の選択範囲を設定することと、前記選択範囲内の前記受信信号に基づいてビームフォーミング処理に用いる重みを算出することと、前記重みに基づいて前記ビームフォーミング処理を行って、当該走査に係る画像を生成することと、を前記演算処理部が実行する画像生成装置である。

また、他の発明として、超音波を送受信した各走査に係る受信信号から超音波画像を生成する画像生成方法であって、前記各走査について、当該走査の方向を含む前記受信信号の選択範囲を設定することと、前記選択範囲内の前記受信信号に基づいてビームフォーミング処理に用いる重みを算出することと、前記重みに基づいて前記ビームフォーミング処理を行って、当該走査に係る画像を生成することと、を含む画像生成方法を構成してもよい。

第１の発明等によれば、超音波画像を生成する際に、超音波の走査の方向を含む選択範囲内の複数の送受信信号から、ビームフォーミング処理に用いる重みを算出することができる。そして、算出した重みに基づき適応的なビームフォーミング処理を行うことができるので、従来に比べて更なる高分解能の超音波画像を得ることができる。

第２の発明は、前記選択範囲を設定することは、前記走査に係る駆動条件に応じて前記選択範囲を設定することを含む、第１の発明の画像生成装置である。

第２の発明によれば、超音波の走査に係る駆動条件に応じて選択範囲を設定することができる。

第３の発明は、前記駆動条件に応じた前記選択範囲の設定は、前記超音波の送信周波数が高いほど、前記選択範囲を狭く設定することを含む、第２の発明の画像生成装置である。

第３の発明によれば、超音波の送信周波数が高いほど選択範囲を狭く設定することができる。

第４の発明は、前記駆動条件に応じた前記選択範囲の設定は、前記走査に係る駆動素子の開口幅が広いほど、前記選択範囲を狭く設定することを含む、第２又は第３の発明の画像生成装置である。

第４の発明によれば、駆動素子の開口幅が広いほど選択範囲を狭く設定することができる。

第５の発明は、前記画像を生成することは、当該走査に係る画像を生成する際に、所定のハーモニックイメージング処理を行うか否かを切り替え可能であり、前記選択範囲を設定することは、前記ハーモニックイメージング処理を行う場合は、行わない場合に比べて前記選択範囲を狭く設定することを含む、第１〜第４の何れかの発明の画像生成装置である。

第５の発明によれば、ハーモニックイメージング処理を行う場合に、行わない場合と比べて選択範囲を狭く設定することができる。

画像生成装置のシステム構成例を示す図。 超音波画像を説明するための図。 従来の空間平均処理の概要を説明するための図。 シミュレーション条件（１），（２）を示す図。 シミュレーション条件（１）で得られた超音波画像を示す図。 シミュレーション条件（１）で得られた他の超音波画像を示す図。 シミュレーション条件（１）で得られた他の超音波画像を示す図。 シミュレーション条件（１）で得られた他の超音波画像を示す図。 シミュレーション条件（２）で得られた超音波画像を示す図。 シミュレーション条件（２）で得られた他の超音波画像を示す図。 シミュレーション条件（２）で得られた他の超音波画像を示す図。 シミュレーション条件（２）で得られた他の超音波画像を示す図。 ハーモニックモードを選択した実機データ取得条件を示す図。 高調波条件で得られた超音波画像を示す図。 基本波条件で得られた超音波画像を示す図。 高調波条件での信号強度と基本波条件での信号強度とをグラフ化した図。 画像生成装置の機能構成例を示すブロック図。 パラメーター設定テーブルのデータ構成例を示す図。 超音波画像の生成処理の流れを示すフローチャート。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下説明する実施形態によって本発明が限定されるものではなく、本発明を適用可能な形態が以下の実施形態に限定されるものでもない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付す。

図１は、本実施形態における画像生成装置１０のシステム構成例を示す図である。画像生成装置１０は、測定結果や操作情報を画像表示するための手段および操作入力のための手段を兼ねるタッチパネル１２と、操作入力をするためのキーボード１４と、超音波プローブ（探触子）１６と、処理装置３０とを備え、超音波測定を利用して被検体２の生体情報を取得する。

処理装置３０には、制御基板３１が搭載されており、タッチパネル１２、キーボード１４、超音波プローブ１６等の装置各部と信号送受可能に接続されている。制御基板３１には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３２や、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種集積回路の他、ＩＣ（Integrated Circuit）メモリーやハードディスク等による記憶媒体３３と、外部装置とのデータ通信を実現する通信ＩＣ３４とが搭載されている。この処理装置３０は、ＣＰＵ３２等が記憶媒体３３に記憶されているプログラムを実行することにより、超音波測定をはじめとする生体情報の取得に必要な処理を行う。

具体的には、画像生成装置１０は、処理装置３０の制御により超音波プローブ１６から被検体２へ超音波ビームを送信し、その反射波を受信して超音波測定を行う。そして、反射波の受信信号を増幅・信号処理することにより、被検体２の生体内構造の位置情報や経時変化等の反射波データを生成する。超音波測定は、所定周期で繰り返し行われる。この所定周期での測定単位を「フレーム」と呼ぶ。なお、超音波プローブ１６が当てられる測定部位は、図示した頸部に限らず、手首や腕、腹部等、測定の目的に応じた被検体２の部位とされる。

反射波データには、いわゆるＡモード、Ｂモード、Ｍモード、カラードップラーモードの各モードの画像が含まれる。Ａモードは、第１軸を所定の体表面位置からの深さ方向の距離とし、第２軸を反射波の受信信号強度として、反射波の振幅（Ａモード像）を表示するモードである。また、Ｂモードは、超音波ビームを所定のプローブ走査範囲（走査角）内で走査させながら得た反射波振幅（Ａモード像）を輝度値に変換することで可視化した、生体内構造の二次元の超音波画像（Ｂモード像）を表示するモードである。

［原理］
図２は、超音波画像を説明するための図であり、超音波プローブ１６を被検体２の測定部位（体表面）に当てて超音波測定している状態を簡略的に示している。

超音波プローブ１６は、１列又は複数列に配列された駆動素子である複数の超音波素子（超音波振動子）１６１を内蔵している。本実施形態では、超音波プローブ１６は、入射角度を所定の角度（走査角ピッチ）ずつ変えながら、所定の体表面位置を基点Ｐとする複数の走査線Ｌに沿って超音波ビームを放射状に送受信して、走査角である所定の角度範囲を扇形に走査する、いわゆるセクタースキャン方式で超音波測定を行うものとして説明する。画像生成装置１０は、各走査線Ｌの走査に係る各超音波素子１６１の受信信号をもとに各走査に係る画像を走査線Ｌ毎に生成し、超音波画像を得る。

各走査に係る画像の生成に際しては、当該走査に係る各超音波素子（以下、単に「素子」ともいう）１６１の受信信号を加算するビームフォーミング処理を行う。以下、ある走査線（例えば図２の走査線Ｌ１１）に注目して、本実施形態のビームフォーミング処理を説明する。

ここで、超音波ビームは、その送信時に各素子１６１にディレイ時間を持たせることで、対象の走査線Ｌ（例えば注目する対象走査線Ｌ１１）の方向の音圧が高くなるように送信される（図２中にハッチングを付して示したメインローブ）。しかし実際には、このメインローブと併せて、対象走査線Ｌ１１の方向から外れた斜めの方向にも感度の低い超音波ビームが放射される（サイドローブ）。また、超音波は球面状に広がる特性を有するため、メインローブ自体もある程度の幅（以下「メインローブ幅」という）θｍを有する。そのため、受信信号には、対象走査線Ｌ１１上の反射体からの反射波（所望波）だけでなく、当該方向から外れた位置に存在する反射体からの反射波（不要波）も含まれ得る。このように、超音波ビームは、対象走査線Ｌ１１以外の方向からの不要波に対しても感度を持つため、そのまま各素子１６１の受信信号を加算するのでは、分解能を悪化させる問題があった。なお、図２中のメインローブは、理解を容易にするために大きめに示しており、実際とは異なる。

この問題を解決するための技術として、従来から、適応型ビームフォーミングとも呼ばれるＭＶＢ処理が知られている。このＭＶＢ処理によれば、所望波のみに感度を持ち、不要波に対しては感度を持たないように方向に拘束を付けてビームフォーミング処理を行うことから、分解能の向上が図れる。

ＭＶＢ処理の概要について簡単に説明する。ＭＶＢ処理では、先ず、各素子１６１の受信信号に予め定められるディレイ時間の遅延をかける整相処理を行う。

続いて、相関行列を算出して用い、ウェイトを算出する。この相関行列の算出に際しては、所望波と不要波との相関性を低減するため、空間平均法が適用される（空間平均処理）。図３は、空間平均処理の概要を説明するための図であり、超音波プローブ１６を構成する複数の超音波素子１６１の素子配列を簡略化して示している。素子配列の全体の幅（素子開口）Ａ２を、開口幅ともいう。

空間平均処理は、所望波と、所望波に干渉する不要波（干渉波）とが相関する点に着目し、干渉波の影響を抑制するための処理として実装される。この空間平均処理は、超音波プローブ１６を構成する各素子１６１のうちの一部の素子１６１で構成される部分的な素子開口（サブアレイ）Ａ２１〜Ａ２６で得られた受信信号から相関行列を算出し、得られたサブアレイＡ２１〜Ａ２６毎の相関行列を平均して開口幅Ａ２全体の相関行列を求める処理である。サブアレイＡ２１〜Ａ２６を選択的に横にずらしながら相関行列を求めることから、その平均化効果により所望波と干渉波との相関性を低減できる。

続いて、対象走査線Ｌ１１の方向に基づき規定したステアリングベクトルａ_θを用い、得られた相関行列からウェイトを求める。その後は、算出したウェイトを用いて整相処理後の各素子１６１の受信信号を重み付き加算する。

しかし、このＭＶＢ処理には、相関行列の算出にあたって空間平均法を適用する点で次のような問題があった。すなわち、空間平均処理では、実際の開口幅Ａ２よりも素子開口が狭いサブアレイＡ２１〜Ａ２６の単位で相関行列を算出しウェイトを求めることから、算出したウェイトを用いた重み付き加算についてもサブアレイＡ２１〜Ａ２６単位で行う。そのため、結果的に素子開口を狭めて各素子１６１の受信信号を加算することとなるため、分解能の向上には自ずと限界があった。言い換えれば、干渉波の影響を抑制することと、重み付き加算を開口幅Ａ２の単位で行うこととの両立を図ることができれば、さらなる高分解能化が図れる。

そこで本実施形態では、ウェイトの算出に際し、所望波の方向を含む複数の走査線Ｌの走査に係る各素子１６１の受信信号を用いる新たな手法を採用する。処理内容の一部がＭＶＢ処理と近似することから、本実施形態では「マルチビームＭＶＢ処理」と呼称することとする。以下、ウェイトの算出に用いる走査線の選択範囲を「走査線選択範囲」といい、この走査線選択範囲内の走査線を「範囲内走査線」という。走査線選択範囲は、中心を対象走査線Ｌ１１の方向（つまり所望波の方向）とする角度範囲であり、範囲内走査線Ｌは、少なくとも対象走査線Ｌ１１を含む。

マルチビームＭＶＢ処理では先ず、ＭＶＢ処理と同様の整相処理を、範囲内走査線Ｌ毎に行う。

続いて、ステアリングベクトルａ_θを算出する。ステアリングベクトルａ_θは、次式（１）で表される。式（１）において、θは、位相シフト角度を表す。この位相シフト角度θは、該当する範囲内走査線Ｌの角度（後述する走査線角度χ）に相当する。Ｍは、素子数（超音波素子１６１の数）を表す。なお、上記したＭＶＢ処理で用いるステアリングベクトルａ_θは、ａ_θ＝１（θ＝０）で固定とされる。

このステアリングベクトルａ_θを範囲内走査線Ｌのそれぞれについて算出し、次式（２）に示すＡ［ｎ］を得る。Ａ［ｎ］はＭ×Ｋ行列であり、Ｋは、範囲内走査線Ｌの走査線番号を表す。

続いて、位相シフト処理を行う。位相シフト処理は、次式（３）に従い、整相処理後の範囲内走査線Ｌ毎の各素子１６１の受信信号Ｘ［ｎ］と、式（２）で求めたＡ［ｎ］とのアダマール積Ｘ~［ｎ］を求めることで行う。なお、Ｘ~は、「Ｘ」の上に「~」が付された式（３）の表記に対応する。

式（３）のＸ［ｎ］は、次式（４）で表され、Ａ［ｎ］と同じＭ×Ｋ行列である。ｘ_ｉ［ｎ］（ｉ＝１，２，・・・，Ｋ）は、走査線番号ｉの範囲内走査線Ｌの走査に係る整相処理後の各素子１６１の受信信号を表す。

続いて、位相シフト処理後の範囲内走査線Ｌ毎の各素子１６１の受信信号Ｘ~［ｎ］を用い、次式（５）に従って相関行列Ｒ＾［ｎ］を算出する。なお、Ｒ＾は、「Ｒ」の上に「＾」が付された式（５）の表記に対応する。

続いて、次式（６），（７）に示す最小化問題を解き、各素子１６１のウェイトｗを算出する。

その後は、次式（８）に従い、求めた各素子１６１のウェイトｗに基づいて、位相シフト処理後の対象走査線Ｌ１１の走査に係る各素子１６１の受信信号ｘ_ｔ~［ｎ］を重み付き加算する。式（８）の添え字ｔは、対象走査線Ｌ１１の走査線番号を表す。なお、ｘ_ｔ~は、「ｘ_ｔ」の上に「~」が付された式（８）の表記に対応する。

以上説明したマルチビームＭＶＢ処理では、対象走査線Ｌ１１（観察ライン）の外に対象走査線Ｌ１１以外の送信ビーム角度で得られた受信信号も活用することによって所望波と干渉波の相関性を低減できる。したがって、従来のＭＶＢ処理のように素子開口を狭めることなく開口幅Ａ２の単位で、干渉波の影響を抑えた重み付き加算が実現できる。ただしこの場合、範囲内走査線Ｌの選出（走査線選択範囲をどう設定するのか）が問題となる。少なくとも、対象走査線Ｌ１１と信号強度が同程度で強度ばらつきが小さい走査線Ｌを選ぶのがよい。そこで、メインローブ幅θｍを走査線選択範囲の目安として利用し、走査線選択範囲をメインローブ幅θｍより広狭変化させて複数のシミュレーションを行い、分解能を検証した。

先ず、メインローブ幅θｍは、例えば、次式（９）で表される。このメインローブ幅θｍは、送信周波数ｆが高いと狭くなり、開口幅Ｄが長くても狭くなる。式（９）において、ｆは送信周波数、Ｄは開口幅、ｃは媒質音速、λは波長を表す。

したがって、走査線Ｌの角度（走査線角度）をχとすると、当該走査線Ｌの走査に係るメインローブ幅θｍの角度範囲は、χ−θ／２からχ＋θ／２となる。よって、各走査線Ｌの走査線角度χを次式（１０）で表すと、そのメインローブの内側となる走査線Ｌは、次式（１１）に従い式（１０）の要素を抽出することで特定が可能である。式（１０）において、αは走査角であり、φｐは走査角ピッチである。ここでいう角度は方位角であり、例えば、入射角度が０°の方向を基準に定められる。

なお、メインローブ幅θｍの算出式は、式（９）に限定されない。メインローブ幅θｍは、超音波素子１６１の素子形状や、アポダイゼーションの有無、フォーカス位置からの距離等によっても変動するため、それらを考慮して定めるのが望ましい。

次に、実際にメインローブ幅θｍを決定する式（９）のパラメーターの１つである送信周波数は、超音波ビームの送受信に係る超音波プローブ１６の駆動条件の１つであり、観察対象（関心領域とも呼ばれる）の深度（超音波プローブ１６からの距離）等によって設定が変更される。具体的には、送信周波数は、体表面に近い浅い位置を観察する場合は高く、深い位置を観察する場合は低く設定される。生体内を伝搬する超音波は送信周波数に比例して減衰し易くなることから、深部を観察する場合は減衰の影響を受け難い低周波を用い、浅い位置（浅部）を観察する場合には、周波数の性質上、高分解能が得られる高周波を用いるといった設定が、駆動条件の設定によって行われている。

そこで、シミュレーションは、図４に示す２つのシミュレーション条件で行った。先ず、シミュレーション条件（１）では、測定部位において体表面に近い浅い位置を観察する場合を想定し、送信周波数を５．０ＭＨｚとした。開口幅は１９．２ｍｍ、走査角ピッチは０．０５°で固定とした。また、観察対象として深度５０ｍｍの深さ位置に０．５ｍｍ間隔で散乱体を配置し、超音波測定を行って超音波画像を生成した。

次に、シミュレーション条件（２）では、測定部位において深部を観察する場合を想定し、送信周波数を２．５ＭＨｚとした。開口幅と走査角ピッチは、シミュレーション条件（１）と同じ値で固定とした。また、観察対象として深度１００ｍｍの深さ位置に３ｍｍ間隔で散乱体を配置し、超音波測定を行って超音波画像を生成した。

シミュレーションにおける走査線選択範囲の変更（範囲内走査線Ｌの選出）は、式（１１）を変形した次式（１２）を用いて補正係数Ｃを可変に設定することで行った。Ｃ＝１．０とすれば、走査線選択範囲はメインローブ幅θｍと一致する。Ｃを１．０より小さくすると走査線選択範囲はメインローブ幅θｍより狭く、Ｃを１．０より大きくすると走査線選択範囲はメインローブ幅θｍより広くなる。例えば、図２の例で対象走査線Ｌ１１についてみれば、Ｃ＝１．０とした場合、メインローブの内側となる対象走査線Ｌ１１を含む３本の走査線Ｌ１１，Ｌ１３，Ｌ１５が選出される。

図５〜図８は、シミュレーション条件（１）で得られた超音波画像を示す図であり、図５は補正係数Ｃ＝０．６とした場合、図６はＣ＝０．８とした場合、図７はＣ＝１．０とした場合、図８はＣ＝１．２とした場合の超音波画像である。また、図９〜図１２は、シミュレーション条件（２）で得られた超音波画像を示す図であり、図９は補正係数Ｃ＝０．６とした場合、図１０はＣ＝０．８とした場合、図１１はＣ＝１．０とした場合、図１２はＣ＝１．２とした場合の超音波画像である。

シミュレーション条件（１）およびシミュレーション条件（２）の何れの場合も、Ｃを１．０以下、すなわち走査線選択範囲をメインローブ幅θｍ以下とすることで、散乱体間の境界を視認可能な画像が得られ、分解能は良好であった。これに対し、走査線選択範囲がメインローブ幅θｍより広いＣ＝１．２の場合では、散乱体間の境界部分を視認しづらく、左右２つの散乱体が一体と判断され得る分解能の低い結果となった。

また、シミュレーション条件（１）の結果と、シミュレーション条件（２）の結果とを比較すると、シミュレーション条件（１）の送信周波数（５．０ＭＨｚ）は、シミュレーション条件（２）の送信周波数（２．５ＭＨｚ）の倍であることから、図８に示すシミュレーション条件（１）でＣ＝１．２の場合と、図９に示すシミュレーション条件（２）でＣ＝０．６の場合とで走査線選択範囲が略同程度の角度範囲となる。この図８と図９の画像を比較すると、図９の画像では走査線選択範囲がメインローブ幅θｍ以下であることから分解能が良好であるのに対し、図８の画像では、走査線選択範囲がメインローブ幅θｍより広くなるため他の条件に比べ分解能が低いことがわかった。すなわち、走査線選択範囲が同じ場合には、送信周波数が低い方が分解能向上効果が高くなるため、分解能向上効果を維持するためには、送信周波数を高くする場合、相対的に走査線選択範囲を狭く設定する必要があるといえる。

さて、超音波プローブ１６が行う超音波測定には、その測定モードの１つにハーモニックモードがある。ハーモニックモードは、ハーモニック成分（高調波成分）を抽出するハーモニックイメージング処理を行って超音波画像を生成するモードである。ハーモニックイメージング処理によれば、超音波が生体内を伝搬する過程で発生する高調波成分を画像化することができ、解像度やコントラストを向上させることができる。そこで、ハーモニックモードにおける走査線選択範囲の設定による効果についても検証した。

実機データ取得条件を図１３に示す。ここで、ハーモニックイメージング処理は、例えば、周波数フィルター（ハイパスフィルター）により基本波成分と高調波成分とを分離し、２次高調波成分を抽出することで行った。そのため、メインローブ幅θｍを算出するときに式（９）に代入する送信周波数ｆは、実際の送信周波数の２．６ＭＨｚではなく、２倍の５．２ＭＨｚとした。また、本実機検証の比較例として、式（９）に代入する送信周波数ｆを実際の送信周波数の２．６ＭＨｚとして超音波画像を生成した。観察対象は、深度５０ｍｍの深さ位置に０．５ｍｍ間隔で配置した分解能評価ファントム（ワイヤ）である。

図１４は、実機ハーモニックイメージング処理にマルチビームＭＶＢの処理において周波数ｆ＝５．２ＭＨｚ、Ｃ＝１．０の条件で得られた超音波画像を示す図であり、図１５は、先のマルチビームＭＶＢの処理において周波数ｆ＝２．６ＭＨｚ、Ｃ＝１．０の条件（基本波条件）で得られた超音波画像を示す図である。これらの画像を比べると、分解能評価ファントム（ワイヤ）間の境界の明瞭さから、図１５の画像（基本波条件）と比べて、図１４の画像（高調波条件）の方が高い分解能が得られている。また、図１６は、高調波条件で得られた信号強度と、基本波条件で得られた信号強度とを併せてグラフ化した図である。方位角０°の方向に、分解能評価ファントム（ワイヤ）間の境界が位置する。方位角０°前後の信号強度の変化を比べると、基本波条件よりも高調波条件の方が信号強度のピークが鋭く、高分解能な画像を得ることができていることが分かる。

したがって、ハーモニックモードの場合は、抽出する高調波成分の周波数を基準として用い、当該周波数が高いほど走査線選択範囲を狭く設定するのがよい。

［機能構成］
図１７は、画像生成装置１０の機能構成例を示すブロック図である。画像生成装置１０は、処理装置３０と、超音波プローブ１６とを備え、処理装置３０は、操作入力部３１０と、表示部３２０と、通信部３４０と、演算処理部としての処理部３５０と、記憶部５００とを備える。

超音波プローブ１６は、複数の超音波素子１６１を備え、処理装置３０（より詳細には、処理部３５０の超音波測定制御部３５１）から出力されるパルス電圧で超音波を送信する。そして、送信した超音波の反射波を受信し、受信信号を超音波測定制御部３５１へ出力する。

操作入力部３１０は、ユーザーによる各種操作入力を受け付け、操作入力に応じた操作入力信号を処理部３５０へ出力する。ボタンスイッチやレバースイッチ、ダイヤルスイッチ、トラックパッド、マウス等により実現できる。図１ではタッチパネル１２やキーボード１４がこれに該当する。

この操作入力部３１０は、送信周波数の指示値を入力するための送信周波数ダイヤル３１１と、通常モードおよびハーモニックモードとを選択的に切り換えるための測定モード切換ボタン３１３とを含む。なお、送信周波数ダイヤル３１１および測定モード切換ボタン３１３は、ダイヤルスイッチやボタンスイッチ等の物理的なスイッチで実現する場合に限らず、表示部３２０を兼ねるタッチパネルを用いたソフトウェアによるキースイッチ等により実現してもよい。この場合、ユーザーは、タッチパネルをタッチ操作して観察深度の指示値を入力し、あるいは測定モード（通常モード又はハーモニックモード）を切り換える。

表示部３２０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示装置によって実現され、処理部３５０からの表示信号に基づく各種表示を行う。図１ではタッチパネル１２がこれに該当する。

通信部３４０は、処理部３５０の制御のもと、外部との間でデータを送受するための通信装置である。この通信部３４０の通信方式としては、所定の通信規格に準拠したケーブルを介して有線接続する形式や、クレイドル等と呼ばれる充電器と兼用の中間装置を介して接続する形式、無線通信を利用して無線接続する形式等、種々の方式を適用可能である。図１では通信ＩＣ３４がこれに該当する。

処理部３５０は、例えば、ＣＰＵやＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のマイクロプロセッサーや、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＩＣメモリー等の電子部品によって実現される。そして、処理部３５０は、各機能部との間でデータの入出力制御を行い、所定のプログラムやデータ、操作入力部３１０からの操作入力信号、超音波プローブ１６からの各素子１６１の受信信号等に基づき各種の演算処理を実行して、被検体２の生体情報を取得する。図１ではＣＰＵ３２がこれに該当する。なお、処理部３５０を構成する各部は、専用のモジュール回路等のハードウェアで構成することとしてもよい。

この処理部３５０は、超音波測定制御部３５１と、画像生成部４００とを含む。

超音波測定制御部３５１は、超音波プローブ１６とともに超音波測定部２０を構成し、この超音波測定部２０によって超音波測定が行われる。超音波測定制御部３５１は、超音波プローブ１６による超音波パルスの送信タイミングを制御し、送信タイミングでパルス電圧を発生させて超音波プローブ１６へ出力する。その際、送信遅延処理を行って各素子１６１へのパルス電圧の出力タイミングの調整を行う。また、超音波プローブ１６から入力された各素子１６１の受信信号のフィルター処理等を行い、処理後の各素子１６１の受信信号（測定結果）を画像生成部４００へ出力する。

画像生成部４００は、超音波測定制御部３５１から入力される各素子１６１の受信信号に基づいて超音波画像を生成する。この画像生成部４００は、パラメーター設定部４１０と、ハーモニック処理部４２０と、ビームフォーミング処理部４４０との機能部を備える。これらの機能部は、処理部３５０が画像生成プログラム５１０を実行することでソフトウェア的に実現される構成としてもよいし、専用の電子回路を備えて構成するとしてもよい。本実施形態では前者を例に挙げて説明する。

パラメーター設定部４１０は、送信周波数ダイヤル３１１のダイヤル位置および測定モード切換ボタン３１３の選択状態をもとに、駆動条件情報５５０と、走査線選択数５６０とを設定する。

ハーモニック処理部４２０は、超音波測定制御部３５１から入力される各素子１６１の受信信号からハーモニック成分（高調波成分）を抽出するハーモニックイメージング処理を行う。

ビームフォーミング処理部４４０は、マルチビームＭＶＢ処理を行う機能部である。このビームフォーミング処理部４４０は、上述したマルチビームＭＶＢ処理の各工程それぞれに対応して、走査線選択範囲内となる範囲内走査線を選出する範囲内走査線選出部４４１と、整相処理を行う整相処理部４４２と、ステアリングベクトルを算出するステアリングベクトル算出部４４３と、位相シフト処理を行う位相シフト処理部４４４と、相関行列を算出する相関行列算出部４４５と、ウェイトを算出するウェイト算出部４４６と、ウェイトを用いて各素子１６１の受信信号を重み付き加算する重み付き加算部４４７との各機能部に分けることができ、走査線毎にビームフォーミング処理を行う。これらの各機能部も、それぞれを専用の電子回路で構成するとしてもよい。

記憶部５００は、ＩＣメモリーやハードディスク、光学ディスク等の記憶媒体により実現されるものである。記憶部５００には、画像生成装置１０を動作させ、画像生成装置１０が備える種々の機能を実現するためのプログラムや、当該プログラムの実行中に使用されるデータ等が事前に記憶され、或いは処理の都度一時的に記憶される。図１では、制御基板３１に搭載されている記憶媒体３３がこれに該当する。なお、処理部３５０と記憶部５００との接続は、装置内の内部バス回路による接続に限らず、ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネット等の通信回線で実現してもよい。その場合、記憶部５００は、画像生成装置１０とは別の外部記憶装置により実現されるとしてもよい。

この記憶部５００には、画像生成プログラム５１０と、パラメーター設定テーブル５２０と、受信信号データ５３０と、反射波データ５４０と、駆動条件情報５５０と、走査線選択数５６０とが格納される。

処理部３５０は、画像生成プログラム５１０を読み出して実行することにより、超音波測定制御部３５１や画像生成部４００等の機能を実現する。なお、これらの機能部を電子回路等のハードウェアで実現する場合には、当該機能を実現させるためのプログラムの一部を省略することができる。

パラメーター設定テーブル５２０は、パラメーター設定部４１０が駆動条件情報５５０および走査線選択数５６０を設定する際に参照され、送信周波数、選択走査線範囲、および走査線数の各値が、上記した送信周波数と走査線選択範囲との関係に基づき予め設定される。このパラメーター設定テーブル５２０は、通常モード用５２１と、ハーモニックモード用５２３とが用意される。それぞれのテーブル構造は同じであり、図１８に示すテーブル中の上下の数値の大小傾向も同じであり、各測定モードに適した値が予め設定される。

図１８は、パラメーター設定テーブル５２０のデータ構成例を示す図である。図１８に示すように、パラメーター設定テーブル５２０は、送信周波数ダイヤル３１１の各ダイヤル位置が指示する指示値（送信周波数ダイヤル指示値）と、選択走査線範囲と、走査線数との対応関係を設定したデータテーブルである。

選択走査線範囲には、対応する送信周波数が高い上段ほど狭くなるように各値が設定され、走査線数には、対応する選択走査線範囲内となる走査線数が走査角ピッチに基づき設定される。より詳細には、通常モード用５２１の選択走査線範囲に設定される各値は、前提として、対応する送信周波数および開口幅（本実施形態では固定）を代入することで求まるメインローブ幅以下の値とされる。一方、ハーモニックモード用５２３の選択走査線範囲に設定される各値は、対応する送信周波数によって定まる高調波成分の周波数（例えば２次高調波成分を抽出する場合であれば送信周波数の倍の値）および固定の開口幅を代入することで求まるメインローブ幅以下の値とされる。

本実施形態では、パラメーター設定部４１０は、パラメーター設定テーブル５２０を参照し、送信周波数ダイヤル３１１で選択中の送信周波数ダイヤル指示値の送信周波数を送信周波数情報５５３として設定するとともに、当該送信周波数ダイヤル指示値に対応する走査線数を走査線選択数５６０として設定する。そして、範囲内走査線選出部４４１がビームフォーミング処理の際に処理対象の走査線を中心とする走査線選択数５６０の走査線を範囲内走査線として選出することで、走査線選択範囲の設定を行う。

受信信号データ５３０は、超音波測定の結果得られた各走査線の走査に係る各素子１６１の受信信号を格納する。

反射波データ５４０は、フレーム毎に繰り返される超音波測定で得た反射波データを格納する。この反射波データ５４０は、超音波画像であるフレーム毎のＢモード像のデータを含む。

駆動条件情報５５０は、測定モード情報５５１と、送信周波数情報５５３と、開口幅情報５５５とを格納する。測定モード情報５５１は、測定モード切換ボタン３１３で選択中の測定モードが通常モードなのかハーモニックモードなのかを示す。送信周波数情報５５３には、上記のように送信周波数ダイヤル３１１で選択中の送信周波数ダイヤル指示値がパラメーター設定部４１０によって設定される。開口幅情報５５５には、予め超音波プローブ１６の開口幅Ａ２（図３を参照）が固定値として設定される。

走査線選択数５６０は、走査線選択範囲内となる範囲内走査線の本数を格納する。この走査線選択数５６０は、超音波測定に先立ち、パラメーター設定部４１０によって駆動条件情報５５０とともに設定される。

［処理の流れ］
図１８は、本実施形態における超音波画像の生成処理の流れを示すフローチャートである。ここで説明する処理は、処理部３５０が記憶部５００から画像生成プログラム５１０を読み出して実行し、画像生成装置１０の各部を動作させることで実現できる。測定に先立ち、ユーザーによって超音波プローブ１６が被検体２の体表面に当てられる。

先ず、操作入力部３１０によるユーザーの操作入力を受け付ける。ここでは、送信周波数ダイヤル３１１および測定モード切換ボタン３１３の操作を受け付けるとともに（ステップＳ１）、所定の測定開始操作が入力されるまで待機状態となる（ステップＳ３：ＮＯ）。

そして、測定開始操作が入力されたならば（ステップＳ３：ＹＥＳ）、パラメーター設定部４１０が先ず、測定モード切換ボタン３１３の選択状態を取得し、測定モード情報５５１を設定する（ステップＳ５）。続いて、パラメーター設定部４１０は、送信周波数ダイヤル３１１のダイヤル位置に基づいて、その送信周波数ダイヤル指示値を送信周波数情報５５３に設定する（ステップＳ７）。また、パラメーター設定部４１０は、送信周波数ダイヤル３１１の送信周波数ダイヤル指示値に対応する走査線数をパラメーター設定テーブル５２０から読み出し、走査線選択数５６０を設定する（ステップＳ９）。これら送信周波数情報５５３および走査線選択数５６０の設定は、測定モードが通常モードの場合はパラメーター設定テーブル５２０として通常モード用５２１を参照し、ハーモニックモードの場合はハーモニックモード用５２３を参照して行う。

駆動条件情報５５０および走査線選択数５６０を設定したならば、超音波測定部２０が、駆動条件情報５５０に従って超音波測定を行う（ステップＳ１１）。ここでの処理により、受信信号データ５３０に１フレーム分のデータが格納される。

続いて、測定モードを判定し、ハーモニックモードの場合に（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、ハーモニック処理部４２０が、ステップＳ１１の超音波測定で得られた受信信号のハーモニックイメージング処理を行う（ステップＳ１５）。

続いて、ビームフォーミング処理部４４０が、走査線毎にループＡの処理を繰り返し、マルチビームＭＶＢ処理を行う（ステップＳ１７〜ステップＳ３３）。先ず、ビームフォーミング処理部４４０は、処理対象の走査線を中心とした走査線選択数５６０の走査線を範囲内走査線として選出する（ステップＳ１９）。

範囲内走査線を選出したならば、整相処理部４４２が、各範囲内走査線の走査に係る各素子１６１の受信信号にディレイ時間の遅延をかける整相処理を行う（ステップＳ２１）。このとき、ハーモニックモードの場合には、ステップＳ１５でのハーモニックイメージング処理後の各素子の受信信号を対象に整相処理を行う。

次いで、ステアリングベクトル算出部４４３が、式（２）に従い、範囲内走査線毎に式（１）で規定されるステアリングベクトルを算出する（ステップＳ２３）。次いで、位相シフト処理部４４４が、ステアリングベクトルを用い、式（３），（４）に従って整相処理後の範囲内走査線毎の各素子１６１の受信信号の位相シフト処理を行う（ステップＳ２５）。次いで、相関行列算出部４４５が、式（５）に従い、位相シフト処理後の範囲内走査線毎の各素子１６１の受信信号から相関行列を算出する（ステップＳ２７）。次いで、ウェイト算出部４４６が、式（６），（７）に従い、ステアリングベクトルと相関行列とを用いてウェイトを算出する（ステップＳ２９）。その後、重み付き加算部４４７が、ステップＳ２９で求めたウェイトを用い、位相シフト処理後の処理対象の走査線の各素子１６１の受信信号を重み付き加算する（ステップＳ３１）。

すべての走査線を処理対象としてループＡの処理を行ったならば、得られた各走査に係る画像に必要な処理を行って超音波画像を生成し（ステップＳ３５）、１フレーム分の処理を終える。生成された超音波画像は、適宜表示部３２０に表示制御される。

以上説明したように、本実施形態によれば、走査線毎に選択走査線範囲内の範囲内走査線を選出して用い、マルチビームＭＶＢ処理を行うことができる。その際、送信周波数が高いほど選択走査線範囲を狭く設定することができ、超音波画像の高い分解能を実現できる。この選択走査線範囲の設定は、例えば、超音波測定に先立ち、送信周波数が高いほど少ない本数の走査線数を走査線選択数５６０として設定する。そして、走査線毎にビームフォーミング処理を行う際に、処理対象の走査線を中心とした走査線選択数５６０の走査線を範囲内走査線として選出することで行うことができる。

また、ハーモニックモードにおいては、抽出する高周波成分の周波数を基準とし、当該周波数が高いほど選択走査線範囲を狭く（範囲内走査線の数を少なく）することができる。したがって、分解能をより一層高め、高精細な超音波画像を得ることができる。

なお、上記した実施形態では、超音波プローブ１６のスキャン方式としてセクタースキャン方式を例示したが、例えばリニアスキャン方式等の他のスキャン方式を採用する場合にも同様に適用が可能である。ここで、リニアスキャン方式では、超音波素子１６１の配列方向に沿って超音波ビームの入射位置をずらしながら、互いに平行な複数の走査ラインに沿って超音波ビームを送受信する。そのため、必要に応じて開口幅（駆動開口）の設定を変更することも可能である。したがって、リニアスキャン方式を採用する場合には、開口幅に応じて走査線選択範囲の設定（範囲内走査線の選出）を行うようにしてもよい。その場合は、開口幅が広いほど選択走査線範囲を狭く設定する（少ない本数の範囲内走査線を選出する）ようにするとよく、高い分解能を得ることができる。

また、上記した実施形態のようにセクタースキャン方式を採用する場合であっても、超音波プローブ１６を開口幅の異なる別のものに変えて超音波測定を行う場合も考えられる。このような場合を想定し、リニアスキャン方式を採用する場合と同様に開口幅が広いほど選択走査線範囲を狭く設定する（少ない本数の範囲内走査線を選出する）ようにしてもよい。これは、例えば、パラメーター設定テーブルを開口幅毎に用意することで実現できる。具体的には、同じ送信周波数ダイヤル指示値に対応する値を比べたときに、広い開口幅用のパラメーター設定テーブルほど選択走査線範囲が狭く、走査線数が少なくなるように各値を設定する。これによれば、分解能をより一層高めることができる。

また、上記実施形態では、走査角ピッチを一定として説明したが、走査角の中心付近では走査角ピッチを細かくし、走査角の端部付近では粗くする等の制御を行う場合もある。その場合は、実際の走査角ピッチに応じて式（１０）の要素を設定すればよい。これによれば、ビームフォーミング処理に際し、処理対象の走査線と隣接する走査線との走査角ピッチに応じて選択走査線範囲を設定することができる。

また、超音波画像の生成手順は、図１９を参照して説明したように先に１フレーム分の超音波測定を行い、その上で各走査に係る画像を順次生成する手順に限らず、ステップＳ１１の超音波測定と並行してループＡのマルチビームＭＶＢ処理を行うのでもよい。その場合は、少なくともステップＳ９で設定される走査線選択数５６０分の走査を終了した後、ループＡの処理を開始すればよい。これによれば、走査線選択数５６０として設定され得る走査線数分の受信データの記憶領域を確保できればよく、１フレーム分の全ての受信データを記憶しておく必要がなくなるため、少ないメモリーでマルチビームＭＶＢ処理を行うことができる。

また、本発明の画像生成装置は、上記した実施形態のように被検体２の超音波測定を行う超音波診断装置に限らず、ソナーや、非破壊検査用の超音波探傷機等にも適用できる。

１０…画像生成装置、１６…超音波プローブ、１６１…超音波素子、２０…超音波測定部、３０…処理装置、３１０…操作入力部、３１１…送信周波数ダイヤル、３１３…測定モード切換ボタン、３２０…表示部、３４０…通信部、３５０…処理部、３５１…超音波測定制御部、４００…画像生成部、４１０…パラメーター設定部、４２０…ハーモニック処理部、４４０…ビームフォーミング処理部、４４１…範囲内走査線選出部、４４２…整相処理部、４４３…ステアリングベクトル算出部、４４４…位相シフト処理部、４４５…相関行列算出部、４４６…ウェイト算出部、４４７…重み付き加算部、５００…記憶部、５１０…画像生成プログラム、５２０…パラメーター設定テーブル、５２１…通常モード用、５２３…ハーモニックモード用、５３０…受信信号データ、５４０…反射波データ、５５０…駆動条件情報、５５１…測定モード情報、５５３…送信周波数情報、５５５…開口幅情報、５６０…走査線選択数

Claims (6)

1. 超音波を送受信した各走査に係る受信信号から超音波画像を生成する演算処理部を備えた画像生成装置であって、
   前記各走査について、当該走査の方向を含む前記受信信号の選択範囲を設定することと、
   前記選択範囲内の前記受信信号に基づいてビームフォーミング処理に用いる重みを算出することと、
   前記重みに基づいて前記ビームフォーミング処理を行って、当該走査に係る画像を生成することと、
   を前記演算処理部が実行する画像生成装置。
2. 前記選択範囲を設定することは、前記走査に係る駆動条件に応じて前記選択範囲を設定することを含む、
   請求項１に記載の画像生成装置。
3. 前記駆動条件に応じた前記選択範囲の設定は、前記超音波の送信周波数が高いほど、前記選択範囲を狭く設定することを含む、
   請求項２に記載の画像生成装置。
4. 前記駆動条件に応じた前記選択範囲の設定は、前記走査に係る駆動素子の開口幅が広いほど、前記選択範囲を狭く設定することを含む、
   請求項２又は３に記載の画像生成装置。
5. 前記画像を生成することは、当該走査に係る画像を生成する際に、所定のハーモニックイメージング処理を行うか否かを切り替え可能であり、
   前記選択範囲を設定することは、前記ハーモニックイメージング処理を行う場合は、行わない場合に比べて前記選択範囲を狭く設定することを含む、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の画像生成装置。
6. 超音波を送受信した各走査に係る受信信号から超音波画像を生成する画像生成方法であって、
   前記各走査について、当該走査の方向を含む前記受信信号の選択範囲を設定することと、
   前記選択範囲内の前記受信信号に基づいてビームフォーミング処理に用いる重みを算出することと、
   前記重みに基づいて前記ビームフォーミング処理を行って、当該走査に係る画像を生成することと、
   を含む画像生成方法。