JP7008549B2 - 超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波診断装置に関し、特に、二次元振動素子アレイを備えた超音波診断装置に関する。

三次元超音波診断を行える超音波診断装置が普及しつつある。そのような超音波診断装置では３Ｄプローブが使用される。３Ｄプローブは、一般に、二次元振動素子アレイ及び電子回路を備える。二次元振動素子アレイは、二次元配列された数百個、数千個又は数万個の振動素子により構成される。電子回路は、二次元振動素子アレイに対して複数の素子送信信号を供給し、また、二次元振動素子アレイからの複数の素子受信信号を処理する回路である。

具体的には、電子回路は、送信時において、超音波診断装置の装置本体から出力された送信信号ごとに、その送信信号に基づいて、遅延処理された複数の素子送信信号を生成し、それらをサブアレイ（振動素子グループ）へ並列的に出力する。受信時においては、サブアレイ（振動素子グループ）ごとに、サブアレイから並列的に出力される複数の素子受信信号を遅延加算処理して受信信号を生成する。そのようなサブアレイ単位での信号処理はサブビームフォーミングと呼ばれている。装置本体内では、遅延処理された複数の送信信号が生成され、それらが３Ｄプローブ内の電子回路へ出力される。また、装置本体内では、３Ｄプローブ内の電子回路から出力された複数の受信信号が更に遅延加算処理され、これによりビームデータが生成される。そのような複数のサブアレイにわたる信号処理はメインビームフォーミングと呼ばれている。３Ｄプローブ内の電子回路はチャンネルリダクションのための回路である。

特許文献１及び特許文献２には、複数のサブビームフォーマー（複数のマイクロビームフォーマー）及びメインビームフォーマーを備えた超音波診断装置が開示されている。特許文献３には、１Ｄ振動素子アレイを備えた超音波診断装置が開示されている。その超音波診断装置において、受信ビームの形成に際しては、アポダイゼーションカーブ（重み付け関数）が利用されている。

特許第５５７２６３３号公報 特開２００５－２７０４２３号公報 特許第４７１７１０９号公報

３Ｄプローブを利用する場合において、超音波を送受信するためのすべての制御を振動素子単位で実行するならば、取り扱うべき制御データや転送すべき制御データの量が膨大となり、リアルタイム制御が困難となる。振動素子数が増えれば増えるほど、この問題は顕著となる。一方、単純に制御量を削減すると、超音波画像の画質が低下してしまう。

本発明の目的は、３Ｄプローブの送信制御において制御量を削減することにある。あるいは、本発明の目的は、超音波画像の画質を維持し又は向上させつつ、３Ｄプローブの送信制御において制御量を削減することにある。

本発明に係る超音波診断装置は、二次元配列された複数のサブアレイに区画される二次元振動素子アレイと、前記二次元振動素子アレイに接続され、チャンネルリダクションのためにサブアレイ単位で信号処理を行う電子回路と、前記電子回路を制御することにより超音波の送受信を制御するシステム制御部と、を含み、前記二次元振動素子アレイ上に走査方向に沿ってサブアレイピッチで並ぶ複数の開口位置が定められ、前記複数の開口位置にサブアレイ集合としての二次元送信開口が順次設定され、前記各開口位置で前記走査方向への送信ビーム偏向走査が実行される、ことを特徴とするものである。

本発明によれば、３Ｄプローブの送信制御において制御量を削減できる。あるいは、本発明によれば、超音波画像の画質を維持し又は向上させつつ、３Ｄプローブの送信制御において制御量を削減できる。

実施形態に係る超音波診断装置を示すブロック図である。 送受信器を示すブロック図である。 送信電圧生成回路を示す回路図である。 コンベックス型３Ｄプローブを示す図である。 送信開口の第１例を示す図である。 送信開口の第２例を示す図である。 送信開口の第３例を示す図である。 送信開口の第４例を示す図である。 ビームプロファイルを示す図である。 送信開口の走査過程において繰り返し実行される送信ビーム偏向走査を示す図である。 走査線列と送信ビーム列の関係を示す図である。 隣り合う２つの走査線列を示す図である。 隣り合う２つの送信ビーム列を示す図である。 左端の送信ビームの特性を示す図である。 右端の送信ビームの特性を示す図である。 送信アポダイゼーションカーブの切り替えを示す図である。 複数の振動素子列に対する同じ送信アポダイゼーションカーブの適用を示す図である。 開口位置の切り替え前後で適用される２つの送信アポダイゼーションカーブを示す図である。 変形例を示す図である。

以下、図面に基づいて実施形態を説明する。

（１）実施形態の概要
実施形態に係る超音波診断装置は、二次元振動素子アレイ、電子回路及びシステム制御部を有する。二次元振動素子アレイは、二次元配列された複数のサブアレイに区画される。電子回路は、二次元振動素子アレイに接続された回路であって、チャンネルリダクションのためにサブアレイ単位で信号処理を行う回路である。システム制御部は、電子回路を制御することにより超音波の送受信を制御するものである。このシステム制御部の制御により、二次元振動素子アレイ上に走査方向に沿ってサブアレイピッチで並ぶ複数の開口位置が定められ、複数の開口位置にサブアレイ集合としての二次元送信開口が順次設定され、各開口位置で走査方向への送信ビーム偏向走査が実行される。

上記構成によれば、二次元送信開口が振動素子単位ではなくサブアレイ単位で構成されており、また、複数の開口位置が振動素子ピッチではなくサブアレイピッチで定められるので、二次元送信開口の走査において制御量を削減できる。これにより、制御の簡素化、制御の高速化、電子回路の小型化、消費電力の低減、コストの低減等の各種の利点を得られる。

また、上記構成によれば、複数の開口位置が離散的に設定されても、個々の開口位置において送信ビーム偏向走査が実行されるので、走査線密度の低下を回避でき、あるいは、所望の走査線密度を実現できる。これにより超音波画像の画質低下を防止でき、あるいは、超音波画像の画質を向上できる。

実施形態において、二次元振動素子アレイ及び電子回路はプローブヘッド内に設けられる。システム制御部は装置本体内に設けられる。チャンネルリダクションは、一般に、サブビームフォーマーとメインビームフォーマーの関係を利用して、それらの間におけるチャンネル数（信号線数）の削減を図るものである。ここで、チャンネルリダクションは少なくとも受信チャンネルリダクションを意味する。サブアレイピッチは、サブアレイにおける走査方向の長さに相当する。送信ビーム偏向走査によれば、サブアレイピッチを大きくしても、上記のように、所望の走査線密度を実現できる。ここで、走査線は、実施形態において、パラレル受信を行わない場合には、受信ダイナミックフォーカスが適用される受信走査線に相当し、パラレル受信を行う場合には、並列受信関係にある複数の受信走査線における中心線に相当する。

実施形態において、二次元振動素子アレイは、走査方向としての湾曲方向及びそれに直交する幅方向を有するコンベックス面に沿って二次元配列された複数の振動素子により構成され、二次元送信開口が湾曲方向に走査される。コンベックス型３Ｄプローブにおけるコンベックス面は走査方向に伸長した比較的広い面であり、そこには多数の振動素子を配置する必要がある。そのような場合に制御量の削減が特に要請される。上記構成はそのような要請に適うものである。

実施形態において、各サブアレイは湾曲方向に平行な長手方向及び幅方向に平行な短手方向を有し、各サブアレイにおいて長手方向の振動素子数は短手方向の振動素子数よりも多い。このような構成によれば、湾曲方向においてサブアレイ数を低減して、制御量を削減できる。

実施形態において、各開口位置において、原点から放射状に広がる複数の走査線が定められ、各開口位置において、二次元送信開口の中心を基点として、そこから放射状に広がる複数の送信ビームが形成され、複数の走査線上に複数の送信焦点が形成される。上記の原点は、複数の走査線が出る所定の点であり、一般には、受信走査原点である。例えば、コンベックス面の曲率中心が原点とされてもよく、それ以外の点が原点とされてもよい。実施形態においては、各送信ビームの偏向角度に応じて、送信アポダイゼーションカーブ列の中から、使用する送信アポダイゼーションカーブが選択される。これにより超音波画像の画質を改善できる。送信アポダイゼーションカーブは、望ましくは、サブアレイ単位ではなく振動素子単位で重みを与えるカーブである。

二次元送信開口の走査はサブアレイピッチで行われる粗い制御であり、一方、送信ビーム偏向走査及び送信アポダイゼーションは振動素子単位で行い得る細かい制御である。上記構成は粗い制御と細かい制御のコンビネーションを実現するものである。

実施形態において、送信アポダイゼーションカーブ列は前記複数の開口位置において兼用される。これにより送信アポダイゼーションを行うことに伴う制御量の増大を抑制できる。

実施形態において、各送信アポダイゼーションカーブは、各走査線上における送信焦点の手前側及び奥側において各走査線上に各送信ビームのプロファイルのピークを一致させるための形態を有する。この構成によれば、開口位置の切り替え前後において送信音場に段差が生じにくくなる。そのような段差は超音波画像上に縦縞模様を生じさせる原因となるものであるが、上記構成によれば、縦縞模様の発生を軽減又は解消できる。

実施形態において、二次元送信開口は走査方向に直交する直交方向に並ぶ複数の振動素子列で構成され、各振動素子列は走査方向に並ぶ複数の振動素子により構成され、各送信アポダイゼーションカーブは直交方向に並ぶ複数の振動素子列に対して共通適用される。この構成によれば、振動素子列ごとに異なる送信アポダイゼーションカーブを適用する場合に比べて、制御量を大幅に削減できる。

実施形態において、電子回路は、二次元振動素子アレイを構成する複数の振動素子に接続された複数の送受信器を有し、各送受信器は、使用する送信アポダイゼーションカーブにより規定される送信電圧を生成する送信電圧生成回路を有し、各送信電圧生成回路は最大送信電圧を分圧することにより送信電圧を生成し、各送信電圧生成回路に対して最大送信電圧により規格化された電圧制御値が与えられる。この構成によれば、具体的な電圧値を指示する場合に比べて制御データを削減できる。

実施形態において、各開口位置に設定される二次元送信開口の形状は、湾曲方向に伸長した矩形からそれが有する４つの角部を切り落とすことにより生じる多角形状、又は、湾曲方向に伸長した楕円状である。この構成によれば、サイドローブを低減できる。二次元送信開口のサイズ又は形態を送信焦点深さに応じて可変してもよい。二次元送信開口の走査に際して二次元送信開口の形態を維持すれば、制御量を削減できる。

実施形態において、各開口位置での送信ビーム偏向走査に際して、二次元送信開口内において送信アポダイゼーションカーブがその形状を維持したまま走査方向に走査される。送信開口内において、実効開口を規定する送信アポダイゼーションカーブが電子リニア走査されれば、開口位置の切り替え前後での送信音場の段差を軽減又は解消できる。

（２）実施形態の詳細
図１には、実施形態に係る超音波診断装置が示されている。この超音波診断装置は、一般に、医療機関に設置され、被検者（生体）への超音波の送受波により得られた受信データに基づいて、診断用の超音波画像を形成する装置である。実施形態に係る超音波診断装置は、超音波ビームを二次元走査することによりボリュームデータを取得し、ボリュームデータに基づいて三次元超音波画像を形成する機能を備える。以下に具体的に説明する。

図１において、超音波診断装置は、プローブ１０及び装置本体１２を有する。プローブ１０は、いわゆる３Ｄプローブであり、それはプローブヘッド１４、ケーブル１６及び図示されていないコネクタにより構成される。コネクタが装置本体１２に対して着脱自在に接続される。プローブヘッド１４は、ユーザー（医師、検査技師等）によって保持される可搬型送受波機器である。プローブヘッド１４の送受波面が体表面上に当接され、その状態において超音波が送受波される。実施形態に係るプローブ１０は、産科において使用され、胎児の三次元診断を行える３Ｄプローブであり、その送受波面はコンベックス面（円筒面状の凸面）を構成している。すなわち、プローブ１０はコンベックス型３Ｄプローブである。平坦な送受波面を有する３Ｄプローブ、体腔内挿入型の３Ｄプローブ、等が利用されてもよい。

プローブヘッド１４の中には、二次元振動素子アレイ１８及び電子回路２４が配置されている。二次元振動素子アレイ１８は、コンベックス面に沿って二次元配列された複数の振動素子１８ａからなるものである。その個数はＭ×Ｎ個であり、例えば数万個である。二次元振動素子アレイ１８は、送受信制御上、複数のサブアレイ２０に区画される。すなわち、二次元振動素子アレイ１８に対して、二次元配列された複数のサブアレイ２０が設定されている。その個数はｍ×ｎ個であり、例えば数百個である。各サブアレイ２０は、チャンネルリダクションのためにグルーピングされた例えば数十個又は百個程度の振動素子により構成される。但し、本願明細書に記載する数値はいずれも例示である。

二次元振動素子アレイ１８に対しては送信開口２２が設定される。送信開口２２は二次元送信開口であり、それはサブアレイ集合に相当し、つまり二次元配列された複数のサブアレイ２０により構成される。換言すれば、送信開口２２はサブアレイ２０を単位として構成される。後述するように、湾曲方向である走査方向に沿って、サブアレイピッチで複数の開口位置が設定され、複数の開口位置に対して送信開口２２が順次設定される。このように、送信開口２２がサブアレイ単位で構成され、しかも送信開口２２がサブアレイ単位でステップ移動するので、送信開口２２の設定及び制御に際して、制御量（制御データ量、転送データ量等）を大幅に削減できる。

二次元振動素子アレイ１８には電子回路２４が接続されている。電子回路２４は、送受信器アレイ２６と、処理回路２８と、を有する。処理回路２８は、信号処理機能及び制御機能を有する。二次元振動素子アレイ１８と電子回路２４の関係に着目すると、１つの振動素子１８ａに対して１つの送受信器２６ａが接続されている。個々の送受信器２６ａは、送信時において、遅延処理された素子送信信号を生成し、その接続先である振動素子１８ａに対して素子送信信号を出力する。受信時において、その接続先である振動素子１８ａからの素子受信信号を遅延処理する。その具体例については後に図２を用いて説明する。送受信器アレイ２６は、制御上又は信号処理上、サブアレイ単位でグルーピングされている。すなわち、複数のサブアレイに対応する複数の送受信器グループ３０が構成されている。

処理回路２８は、送受信器アレイ２６である複数の送受信器グループ３０に対して接続されている。処理回路２８は、図示の構成例において、複数の送受信器グループ３０に対応する複数の処理モジュール３２を有する。送信時において、個々の処理モジュール３２は、装置本体１２からの送信信号を、その接続先である複数の送受信器２６ａへ並列的に出力する。この処理は送信チャンネルリダクションのためのものである。受信時において、個々の処理モジュール３２は、その接続先である送受信器グループ３０から並列的に出力された遅延処理後の複数の素子受信信号を加算し、受信信号（グループ受信信号）を生成する。複数の処理モジュール３２で生成された複数の受信信号が装置本体１２へ並列的に出力される。この処理は受信チャンネルリダクションのためのものである。１つの送受信器グループ３０及び１つの処理モジュール３２の組み合わせが１つのサブビームフォーマーに相当する。この観点から見て、電子回路２４は、複数のサブアレイ２０に接続された複数のサブビームフォーマーとして機能するものである。

なお、電子回路２４において、チャンネルリダクションのための送信信号処理及び受信信号処理を実行できる限りにおいて、上記で説明した構成以外の構成を採用し得る。電子回路２４は実際には例えば６個又は８個のＩＣにより構成される。電子回路２４の温度上昇を抑制するため、プローブ１０を水冷型プローブとするのが望ましい。

装置本体１２は、送受信部を構成するビームフォーマー３４を有する。図示の構成例において、ビームフォーマー３４は、送信メインビームフォーマー３６及び受信メインビームフォーマー３８を有する。送信メインビームフォーマー３６は、送信時において、遅延処理された複数の送信信号を電子回路２４へ並列的に出力する回路である。通常、１つの送信信号が１つのサブアレイ２０に対応する。受信メインビームフォーマー３８は、受信時において、電子回路２４から並列的に出力された複数の受信信号（グループ受信信号）に対して遅延加算（整相加算）処理を適用し、これによりビームデータを生成する回路である。１つのビームデータが１つの受信走査線に対応する。１つのビームデータは深さ方向に並ぶ複数のエコーデータにより構成される。送信メインビームフォーマー３６がプローブヘッド１４内に設けられてもよい。

ビームデータ処理回路４０は、ビームデータに対して、検波、対数変換その他の信号処理を適用する回路である。信号処理後のビームデータが画像形成回路４２に入力される。画像形成回路４２は、生体内の三次元空間から得られた複数のビームデータ（ボリュームデータ）に基づいて、三次元超音波画像を形成する回路である。三次元超音波画像の形成に際しては、ボリュームレンダリング等の公知のアルゴリズムを用い得る。画像形成回路４２において、断層画像や他の超音波画像が形成されてもよい。表示器４４は、ＬＣＤ又は有機ＥＬデバイス等により構成され、その画面上に超音波画像が表示される。

システム制御部４６は、超音波診断装置を構成する各要素の動作を制御するものであり、それはＣＰＵ及び動作プログラムにより構成される。システム制御部４６は送受信制御機能を備えており、具体的には、電子回路２４の制御を通じて、送信ビーム及び受信ビームの走査、送信開口及び受信開口の走査を制御する。また、送信アポダイゼーション及び受信アポダイゼーションを制御する。

図２には、図１に示した送受信器２６ａの構成例が示されている。図１に示した処理回路からの送信信号ＴＩが遅延器（μＤＥＬ）５０において遅延処理された上で、電力増幅器（パワーアンプ）５２において電力増幅されて素子送信信号となり、その素子送信信号が送受スイッチ５６を通過して振動素子１８ａへ供給される。生体内からのエコーが振動素子１８ａで受波されると、振動素子１８ａにおいて素子受信信号が生じ、それが送受スイッチ５６を介して受信アンプ５８に入力され、そこで増幅された上で、遅延器５０で遅延処理される。遅延処理後の受信信号ＲＯが図１に示した処理回路へ出力される。

電力増幅器５２には、送信電圧生成回路５４で生成された送信電圧が印加される。符号６０は装置本体側から供給される最大送信電圧（±Ｖｍａｘ）を示している。最大送信電圧は装置本体側において可変し得る。符号６２は以下に説明する送信電圧の指定値（相対値）を示している。サブアレイごとにイネーブル信号（ＥＮ）６４が生成されており、その供給の有無により、サブアレイを構成する各送受信器２６ａの動作がオンオフ制御される。なお、送受信器２６ａ内に送信パルス生成回路を設けてもよい。その場合、上記電力増幅器５２に代えて送信パルス生成回路を設けてもよい。

図３には、送信電圧生成回路５４の構成例が示されている。正側電圧＋Ｖｍａｘと負側電圧－Ｖｍａｘとの間に分圧用の複数の抵抗Ｒが直列接続されている。正側の複数の分圧点（具体的には１６段の電圧取り出し点）にはセレクタ６８が接続され、負側の複数の分圧点（具体的には１６段の電圧取り出し点）にはセレクタ７０が接続されている。セレクタ６８，７０は、送信電圧を指定する指令（ＲＥＦ）６２に基づいて、いずれかの正負送信電圧を選択するものである。選択された正側送信電圧が符号７２で示されており、選択された負側送信電圧が符号７４で示されている。それらは図２に示した電力増幅器に与えられ、それらによって、素子送信信号における正側振幅及び負側振幅が規定される。

実施形態においては、送信電圧生成回路５４に対しては、実際の具体的な電圧値ではなく、最大電圧±Ｖｍａｘに対する相対値、つまり規格化された値が指定される。具体的には１６段の中から選択された段数が指定される。これにより制御データの量を削減することが可能である。例えば、送信電圧を具体的に指定するためには電圧指令データを８ｂｉｔで構成する必要があるが、実施形態の構成によれば、段数の指定だけで足りるので、電圧指令データを４ｂｉｔで構成することが可能である。図３に示した回路構成以外の構成を採用してもよい。電流の制御により電圧を可変する方式等が採用されてもよい。

図４には、３Ｄプローブにおけるプローブヘッド１４が示されている。コンベックス面に沿って二次元振動素子アレイ１８が設けられている。上記のように二次元振動素子アレイ１８は二次元配列された多数の振動素子１８ａからなるものである。図４において、θ方向は湾曲方向であり、それは走査方向（開口走査方向）である。それに直交する方向がｙ方向であり、それが水平方向としての幅方向である。ｙ方向に直交する他の水平方向としてｘ方向が示されており、２つの水平方向に直交する垂直方向としてｚ方向が示されている。

二次元振動素子アレイ１８は二次元配列された複数のサブアレイ２０に区画されている。個々のサブアレイ２０は、上記のようにチャンネルリダクションでの１つの処理単位を構成するものである。二次元振動素子アレイ１８上に送信開口２２が設定される。図４においては、説明のため、θ方向中央に送信開口２２が設定されている。送信開口２２のｙ方向の幅は二次元振動素子アレイ１８のｙ方向の全体に及んでいる。図示された送信開口２２の中心軸７８はｚ軸に平行である。

送信開口２２により中心軸７８に沿って送信ビーム７６が形成される。符号８０で示されているように、送信開口２２を固定した状態で、θ方向に対して送信ビーム偏向走査（電子セクタ走査）を行うことにより、送信ビーム７６がθ方向に走査される。また、符号８２で示されているように、送信開口２２を固定した状態で、θ方向に直交する方向に対して送信ビーム偏向走査を行うことにより、送信ビーム７６が当該方向に走査される。

送信開口２２は、サブアレイ２０のθ方向の長さを１移動単位として、θ方向に間欠的に走査される。これはチャンネルローテーションとも呼ばれている。その場合におけるチャンネルはサブアレイに相当する。すなわち、隣接する２つの開口位置の間の距離（ピッチ）はサブアレイ２０に相当している。具体的には、θ方向においてサブアレイピッチで並ぶ複数の開口位置が設定され、各開口位置に送信開口２２が順次設定される。これに伴い、送信開口２２の中心点（ビーム偏向走査の基点）がθ方向に順次移動する。

以上説明した、θ方向への送信開口２２の走査、θ方向への送信ビーム偏向走査、及び、θ方向に直交する方向への送信ビーム偏向走査により、送信ビームが二次元走査される。なお、図４において、受信開口や受信ビームについては図示省略されている。受信開口が送信開口と同様に走査されてもよいし、受信開口が振動素子ピッチで電子リニア走査されてもよい。受信ビームの走査に当たっても様々な走査方式を適用可能である。受信時においてパラレル受信が適用されてもよい。

図５には、送信開口の第１例が示されている。その第１例において、送信開口２２は、θ方向を長手方向とし、ｙ方向を短手方向とした矩形（長方形）の形態を有している。ｙ方向についてはその全域に送信開口２２が及んでいる。各サブアレイ２０はθ方向を長手方向とし、ｙ方向を短手方向とした矩形の形態を有している。各サブアレイ２０において、θ方向の素子数はｙ方向の素子数よりも多い。次の送信開口が符号２２Ａで示されている。送信開口２２のシフト量８４はサブアレイ２０の長手方向の長さに相当している。

図６には、送信開口の第２例が示されている。その第２例において、送信開口８６は、θ方向に伸長した概ね矩形の形態を有し、具体的には、４つの隅に存在する４つのサブアレイ８８が無効化されている。その結果、送信開口８６の形態は、多角形又は楕円計に近くなっている。送信開口８６のｙ方向の幅は二次元振動素子アレイ１８のｙ方向の全域に及んでいる。このことは以下に説明する第３例及び第４例においても同様である。

図７には、送信開口の第３例が示されている。その第３例において、送信開口９０は、θ方向に伸長した多角形の形態を有している。それは矩形における４つの角部分を切り落とした後の形態であり、楕円状である。ちなみに、多角形状又は楕円形状を有する送信開口のθ方向の幅はその最大値として定義され、そのｙ方向の幅もその最大値として定義される。

図８には、送信開口の第４例が示されている。その第４例において、送信開口９４は、θ方向に伸長しており、菱形に近い形態を有している。それも矩形における４つの角部分を切り落とした後の形態であり、楕円状とも言えるものである。送信開口の形態として、矩形ではなく、多角形状又は楕円状の形態を採用した場合、サイドローブを低減できる。

図９には、短手方向（ｙ方向）の送信ビームプロファイル９６，１００が示されている。横軸はｙ方向を示しており、縦軸は強度を示している。符号９８はビーム中心位置を示している。送信ビームプロファイル９６は、矩形の送信開口により形成される送信ビームの形態を示している。送信ビームプロファイル１００は、その矩形の内で四隅の部分を除外して構成される形状を有する送信開口により形成される送信ビームの形態を示している。図示されるように、送信開口の形態を多角形又は楕円に近付けることにより、サイドローブを低減できる。そのような送信開口を利用しつつ短手方向について送信アポダイゼーションを行わないようにすれば、サイドローブの低減を図りつつ回路規模及び制御量の削減という利点を得られる。

次に、実施形態に係る送信開口制御及び送信ビーム走査制御について詳述する。それらの制御はいずれもθ方向に対して適用されるものである。

図１０に示されるように、実施形態においては、走査方向であるθ方向に沿って、サブアレイピッチで複数の開口位置が設定され、各開口位置に送信開口が順次設定される。各開口位置において、そこに設定された送信開口により送信ビーム偏向走査が実行される。図１０において、符号１０２はプローブヘッド１４におけるコンベックス面を示しており、それは二次元振動素子アレイに相当する。

符号１０４は、θ方向の中間点に設定された送信開口を示している。送信開口１０４を固定した状態において、θ方向への送信ビーム偏向走査１０８が行われ、これにより、送信ビーム列１１０が形成される。図示の例において、送信ビーム列１１０は、送信開口１０４の中心１０６を基点として放射状に広がる５つの送信ビーム１１０ａ～１１０ｅにより構成されている。符号１１４は送信焦点列を示している。図１０には、他の開口位置に設定された送信開口１０４Ａも示されている。その開口位置においても、送信ビーム偏向走査が行われて送信ビーム列１１０Ａが形成される。他の開口位置においても同様の送信ビーム偏向走査が実行される。

図１１には、走査線列１１８と送信ビーム列１１０の関係が示されている。符号１１６はコンベックス面１０２の曲率中心を示している。図示の例において、走査線列１１８は、それを原点として放射状に広がる５つの走査線１１８ａ～１１８ｅにより構成される。ここで、各走査線１１８ａ～１１８ｅは、パラレル受信を行わない場合において、受信ダイナミックフォーカスが適用される受信走査線に相当し、パラレル受信を行う場合にはパラレル受信走査線列の中央線に相当する。

送信ビームの偏向走査に際しては、各走査線１１８ａ～１１８ｅ上に送信焦点が形成されるように、５つの送信ビーム１１０ａ～１１０ｅが順次形成される。走査線密度を高めたい場合、１つの開口位置当たり、より多くの走査線を設定すればよく、これに伴って、より多くの送信ビームが形成される。走査線１１８ｅの左隣の走査線に対して送受信を行いたい場合、送信開口がθ方向に１ピッチシフトされ、シフト後の開口位置において、送信ビーム偏向走査が実行される。

θ方向に沿って設定された複数の開口位置において、それぞれ送信ビーム偏向走査を行うことにより、θ方向の全範囲又は指定範囲にわたってエコーデータの取り込みを行える。なお、ボリュームデータ取得時には、各開口位置においてθ方向に直交する方向にも送信ビーム偏向走査が実行される。

以上のように、送信開口をサブアレイ単位でステップ移動させても、各開口位置において送信ビーム偏向走査が行われるので、θ方向において必要な走査線密度を実現できる。すなわち、送信開口走査に際しての制御量を削減しつつも、超音波画像の画質低下を防止でき、あるいは、超音波画像の画質を向上できる。

ところで、開口位置を順次変更しながら送信ビーム偏向走査を繰り返す場合であって、送信開口におけるθ方向の全体に均等に送信電圧を印加した場合、開口位置の切り替え前後で送信音場に不一致又は段差が生じ、これを原因として、超音波画像に縦縞模様が生じるおそれがある。その問題について図１２乃至図１５を用いて説明する。その上で、図１６乃至図１８を用いてその問題の解決法を説明し、図１９を用いて変形例として他の解決法を説明する。

図１２において、（Ａ）には二次元振動素子アレイ１８に対して設定された送信開口１２０Ａが示されている。（Ｂ）には二次元振動素子アレイに対して設定された次の送信開口１２０Ｂが示されている。既に説明したように、送信開口１２０Ａ，１２０Ｂは複数のサブアレイ２０によって構成されるものである。送信開口１２０Ａのシフト量１２２は１つのサブアレイ２０に相当している。送信開口１２０Ａは、走査線列１２４Ａに対して送受信を行うためのものであり、送信開口１２０Ｂは、走査線列１２４Ｂに対して送受信を行うためのものである。走査線列１２４Ａと走査線列１２４Ｂは隣接関係にある。

図１３には、上記２つの走査線列に対応する２つの送信ビーム列１２６Ａ，１２６Ｂが示されている。符号１２８は送信焦点列を示している。ここで、図１４に示されているように、送信ビーム列１２６Ａにおける左端の送信ビーム１３０に着目すると、深さ方向における３つの区間Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３では、例えば、３つの送信ビームプロファイル１３２，１３４，１３６が観測される。個々の送信ビームプロファイル１３２，１３４，１３６の横軸はθ方向に対応しており、縦軸は送信波の強度に対応している。送信焦点付近である区間Ｒ２では、送信ビームプロファイル１３４に示されているように、そのピークは、送信ビーム１３０に対応する走査線１３１に一致する。一方、送信焦点よりも浅い（手前側の）区間Ｒ１においては、送信ビームプロファイル１３２に示されているように、そのピークは、走査線１３１よりも右側にずれている。送信焦点よりも深い（奥側の）区間Ｒ３においては、送信ビームプロファイル１３６に示されているように、そのピークは、走査線１３１よりも左側にずれている。

続いて、図１５に示されるように、次の送信開口を用いて形成される送信ビーム列１２６Ｂにおける右端の送信ビーム１３２に着目した場合、深さ方向における３つの区間Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３では、例えば、３つの送信ビームプロファイル１３８，１４０，１４２が観測される。それらの内で、送信ビームプロファイル１４０においては、送信ビーム１３２に対応する走査線１３７上に、ピークが一致しているが、送信ビームプロファイル１３８においては、走査線１３７の左側にピークがシフトしており、送信ビームプロファイル１４２においては、走査線１３７の右側にピークがシフトしている。開口位置の切り替え前後において、隣接する２つの走査線の間で、送信音場を同じにすることが難しく、それを原因として超音波画像に縦縞模様が生じ易くなる。

図１６には、以上の問題を解決する方法が示されている。二次元振動素子アレイ１８上には、図示の例において、多角形状又は楕円状の送信開口１４４が設定されている。そのθ方向の幅が符号１４４ａで示されている。もっとも、矩形その他の送信開口が設定されてもよい。図示された開口位置には、５つの走査線Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５が対応付けられている。

走査線Ｓ１に対して送信ビームを形成する場合、送信開口１４４に対して送信アポダイゼーションカーブ（送信重み付け関数）１４６ａが適用される。その横軸はθ方向に対応しており、その縦軸は重みを表している。後述するように、θ方向に直交するｙ方向には同じ送信アポダイゼーションカーブが共通適用される。走査線Ｓ２～Ｓ５に対して送信ビームを形成する場合、送信開口１４４に対して送信アポダイゼーションカーブ１４６ｂ～１４６ｅが適用される。各送信アポダイゼーションカーブ１４６ａ～１４６ｅのθ方向の幅は、送信開口１４４のθ方向の幅１４４ａに等しい。なお、５つの送信ビームが有する５つの送信焦点は５つの走査線Ｓ１～Ｓ５上に設定される。

送信アポダイゼーションカーブ１４６ａ～１４６ｅの形態は、いずれも、それ全体として山状であるが、その頂点位置又はその傾斜方向が互いに異なっている。送信アポダイゼーションカーブ１４６ｃだけが左右対称の形態を有し、他の送信アポダイゼーションカーブ１４６ａ，１４６ｂ，１４６ｄ，１４６ｅは、左右非対称の形態を有する。具体的には、送信アポダイゼーションカーブ１４６ａの頂点はθ方向の中心よりも右側にシフトしており、その頂点は走査線Ｓ１に一致している。送信アポダイゼーションカーブ１４６ｂの頂点はθ方向の中心よりも右側に若干シフトしており、その頂点は走査線Ｓ２に一致している。送信アポダイゼーションカーブ１４６ｃの頂点はθ方向の中心にあり、その頂点は走査線Ｓ３に一致している。送信アポダイゼーションカーブ１４６ｄの頂点はθ方向の中心よりも左側に若干シフトしており、その頂点は走査線Ｓ４に一致している。送信アポダイゼーションカーブ１４６ｅの頂点はθ方向の中心よりも左側にシフトしており、その頂点は走査線Ｓ５に一致している。

以上のような送信アポダイゼーションカーブ１４６ａ～１４６ｅの適用により、各走査線Ｓ１～Ｓ５上において、送信焦点よりも浅い側及び遠い側にわたるある程度の範囲において（実験によれば、かなり浅い部位を除くほとんどの範囲において）、送信ビームプロファイルのピークを走査線上に合わせることが可能となる。

図１７には、隣り合う送信開口１４４Ａ及び送信開口１４４Ｂが示されている。送信開口１４４Ａを利用して、左端の走査線に対応する送信ビームを形成する場合、送信アポダイゼーションカーブ１４６ｅが適用される。その次に、送信開口１４４Ｂが選択され、それを利用して、右端の走査線に対応する送信ビームを形成する場合、送信アポダイゼーションカーブ１４６ａが適用される。この結果、開口位置の切り替え前後で、隣り合う２つの走査線間において送信音場の段差が解消又は軽減される。これにより超音波画像において縦縞模様が生じなくなる。

図１８に示されるように、二次元振動素子アレイ１８において、送信開口１４４は、ｙ方向に並ぶ複数の振動素子列により構成される。各振動素子列はθ方向に並ぶ複数の振動素子により構成され、各振動素子列を構成する振動素子の個数は、送信開口１４４の形状に依存する。なお、符号２０はサブアレイを示している。

実施形態においては、図１８において模式的に示されているように、送信開口１４４を構成する複数の振動素子列に対して、同じ送信アポダイゼーションカーブが共通適用される。図１８においては、複数の振動素子列に対して送信アポダイゼーションカーブ１４６ｃが適用されている。これと同様に、他の送信アポダイゼーションカーブも複数の振動素子列に対して共通適用される。複数の振動素子列に対して同じ送信アポダイゼーションカーブ１４６ｃを適用することにより、送信アポダイゼーションのための制御量の増大を抑制できる。しかも、他の送信開口でも同じ送信アポダイゼーションカーブ列を共通適用できるので、その意味でも制御量の増大を抑制できる。

なお、送信開口１４４を構成しないサブアレイ２０については個別的に無効化されるので、送信アポダイゼーションの適用それ自体において、サブアレイ単位での動作の有無を考慮する必要はない。送信アポダイゼーションカーブの設計に際しては、公知のβ密度関数（特許文献３を参照）を利用してもよい。変形例としては、θ方向に並ぶ複数の振動素子列（ｙ方向に並ぶ複数の振動素子からなる列）に対して、更に別の送信アポダイゼーションカーブ列を共通適用することが考えられる。個々の振動素子においては、結果として、合成された重みが適用されることになる。一般に、送信アポダイゼーションは、送信開口内において、ｙ方向に並ぶ振動素子列を単位として、θ方向に並ぶ振動素子列を単位として、又は、ｙ方向に並ぶ振動素子列を単位とし且つθ方向に並ぶ振動素子列を単位として、実行することが可能である。

θ方向への送信開口の走査はサブアレイピッチで行われ、それは粗い制御である。一方、θ方向への送信ビーム偏向制御及び送信アポダイゼーション制御は振動素子単位で行われ、それは細かい制御である。実施形態に係る構成は、θ方向において、粗い制御と細かい制御とを組み合わせるものである。これにより制御量の削減を図りつつ、超音波画像の画質を維持又は向上できる。

図１９には、開口位置の切り替え前後で生じる問題を解消する他の方法が変形例として示されている。二次元振動素子アレイ１８には送信開口１５０が設定されている。図示の例では、送信開口１５０内のすべてのサブアレイが有効化されている。５つの走査線Ｓ１～Ｓ５に対応して、送信ビーム偏向走査により、５つの送信ビームが形成される場合、図１９に示される送信アポダイゼーションカーブ１５２が適用される。送信アポダイゼーションカーブ１５２の幅１５６は、送信開口１５０のθ方向の幅１５４よりも小さく、それらの間のギャップ１５８に対しては重みゼロとされている。すなわち、幅１５６がθ方向における実効送信開口を規定する。ちなみに、送信アポダイゼーションカーブ１５２は、図１８に示したように、ｙ方向に並ぶ複数の振動素子列に対して共通適用される。

走査線Ｓ１～Ｓ５に対応して５つの送信ビームを順次形成していく過程で、送信アポダイゼーションカーブ１５２がθ方向にリニア走査される。送信アポダイゼーションカーブは、そのピークを中心として左右対称の形態を有している。各走査位置において、送信アポダイゼーションカーブ１５２のピークは各走査線Ｓ１～Ｓ５に一致している。

このような送信アポダイゼーションにより、各走査線上における深さ範囲のほぼ全体にわたって、送信ビームプロファイルのピークを当該走査線に一致させることが可能となる。結果として、開口位置の切り替え前後で送信音場に段差が生じることを防止又は軽減できる。

上記実施形態によれば、送信開口が振動素子単位ではなくサブアレイ単位で構成されており、また、複数の開口位置が振動素子ピッチではなくサブアレイピッチで定められるので、送信開口の走査において制御量を削減できる。制御量の削減により、制御の簡素化、制御の高速化、電子回路の小型化、消費電力の低減、コストの低減等の各種の利点を得られる。また、上記実施形態によれば、複数の開口位置がθ方向に離散的に設定されても、個々の開口位置において送信ビーム偏向走査が実行されるので、走査線密度の低下を回避でき、あるいは、所望の走査線密度を実現できる。これにより超音波画像の画質低下を防止でき、あるいは、超音波画像の画質を向上できるという利点を得られる。更に上記実施形態によれば開口位置の切り替え前後で生じる送信音場の段差を解消又は軽減できるので、制御量の削減に伴う超音波画像の画質低下を防止できる。

１０ プローブ、１２ 装置本体、１４ プローブヘッド、１８ 二次元振動素子アレイ、２０ サブアレイ、２２ 送信開口、２４ 電子回路、２６ 送受信器アレイ、２８ 処理回路、３４ ビームフォーマー、４６ システム制御部。

Claims (11)

1. 二次元配列された複数のサブアレイに区画される二次元振動素子アレイと、
   前記二次元振動素子アレイに接続され、チャンネルリダクションのためにサブアレイ単位で信号処理を行う電子回路と、
   前記電子回路を制御することにより超音波の送受信を制御するシステム制御部と、
   を含み、
   前記二次元振動素子アレイ上に走査方向に沿ってサブアレイピッチで並ぶ複数の開口位置が定められ、前記複数の開口位置にサブアレイ集合としての二次元送信開口が順次設定され、前記各開口位置で前記走査方向への送信ビーム偏向走査が実行され、
   前記開口位置ごとの前記送信ビーム偏向走査において、前記各送信ビームの偏向角度に応じて、前記走査方向に重み付けを行う送信アポダイゼーションカーブ列の中から、使用する送信アポダイゼーションカーブが選択され、これにより前記開口位置の切り替え前後で生じる送信音場の段差が解消又は軽減される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
2. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   前記二次元振動素子アレイは、前記走査方向としての湾曲方向及びそれに直交する幅方向を有するコンベックス面に沿って二次元配列された複数の振動素子により構成され、
   前記二次元送信開口が前記湾曲方向に走査される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
3. 請求項２記載の超音波診断装置において、
   前記各サブアレイは前記湾曲方向に平行な長手方向及び前記幅方向に平行な短手方向を有し、前記各サブアレイにおいて前記長手方向の振動素子数は前記短手方向の振動素子数よりも多い、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
4. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   前記各開口位置において、原点から放射状に広がる複数の走査線が定められ、
   前記各開口位置において、前記二次元送信開口の中心を基点として、そこから放射状に広がる複数の送信ビームが形成され、
   前記複数の走査線上に複数の送信焦点が形成される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
5. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   前記送信アポダイゼーションカーブ列は、互いに頂点位置又は傾斜方向が異なる山状の複数の送信アポダイゼーションカーブにより構成される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
6. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   前記送信アポダイゼーションカーブ列は前記複数の開口位置において兼用される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
7. 二次元配列された複数のサブアレイに区画される二次元振動素子アレイと、
   前記二次元振動素子アレイに接続され、チャンネルリダクションのためにサブアレイ単位で信号処理を行う電子回路と、
   前記電子回路を制御することにより超音波の送受信を制御するシステム制御部と、
   を含み、
   前記二次元振動素子アレイ上に走査方向に沿ってサブアレイピッチで並ぶ複数の開口位置が定められ、前記複数の開口位置にサブアレイ集合としての二次元送信開口が順次設定され、前記各開口位置で前記走査方向への送信ビーム偏向走査が実行され、
   前記各開口位置において、原点から放射状に広がる複数の走査線が定められ、
   前記各開口位置において、前記二次元送信開口の中心を基点として、そこから放射状に広がる複数の送信ビームが形成され、
   前記複数の走査線上に複数の送信焦点が形成され、
   前記各送信ビームの偏向角度に応じて、送信アポダイゼーションカーブ列の中から、使用する送信アポダイゼーションカーブが選択され、
   前記各送信アポダイゼーションカーブは、前記各走査線上における送信焦点の手前側及び奥側において前記各走査線上に前記各送信ビームのプロファイルのピークを一致させるための形態を有する、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項１記載の超音波診断装置において、
   前記二次元送信開口は前記走査方向と直交する方向に並ぶ複数の振動素子列で構成され、
   前記各振動素子列は前記走査方向に並ぶ複数の振動素子により構成され、
   前記各送信アポダイゼーションカーブは前記直交する方向に並ぶ複数の振動素子列に対して共通適用される、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
9. 二次元配列された複数のサブアレイに区画される二次元振動素子アレイと、
   前記二次元振動素子アレイに接続され、チャンネルリダクションのためにサブアレイ単位で信号処理を行う電子回路と、
   前記電子回路を制御することにより超音波の送受信を制御するシステム制御部と、
   を含み、
   前記二次元振動素子アレイ上に走査方向に沿ってサブアレイピッチで並ぶ複数の開口位置が定められ、前記複数の開口位置にサブアレイ集合としての二次元送信開口が順次設定され、前記各開口位置で前記走査方向への送信ビーム偏向走査が実行され、
   前記各開口位置において、原点から放射状に広がる複数の走査線が定められ、
   前記各開口位置において、前記二次元送信開口の中心を基点として、そこから放射状に広がる複数の送信ビームが形成され、
   前記複数の走査線上に複数の送信焦点が形成され、
   前記各送信ビームの偏向角度に応じて、送信アポダイゼーションカーブ列の中から、使用する送信アポダイゼーションカーブが選択され、
   前記電子回路は、前記二次元振動素子アレイを構成する複数の振動素子に接続された複数の送受信器を有し、
   前記各送受信器は、前記使用する送信アポダイゼーションカーブにより規定される送信電圧を生成する送信電圧生成回路を有し、
   前記各送信電圧生成回路は最大送信電圧を分圧することにより前記送信電圧を生成し、
   前記各送信電圧生成回路に対して前記最大送信電圧により規格化された電圧制御値が与えられる、
   ことを特徴とする超音波診断装置。
10. 請求項２記載の超音波診断装置において、
    前記各開口位置に設定される二次元送信開口の形状は、前記湾曲方向に伸長した矩形からそれが有する４つの角部を切り落とすことにより生じる多角形状、又は、前記湾曲方向に伸長した楕円状である、
    ことを特徴とする超音波診断装置。
11. 請求項１記載の超音波診断装置において、
    前記送信アポダイゼーションカーブ列は、前記二次元送信開口内において前記走査方向の複数の位置に適用される複数の送信アポダイゼーションカーブにより構成される、
    ことを特徴とする超音波診断装置。

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